節(jié)能的傳熱學(xué)途徑

1、2022-6-31第三講第三講 材料工程中節(jié)能的傳熱學(xué)途徑材料工程中節(jié)能的傳熱學(xué)途徑1 關(guān)于熱效率2 材料熱處理中的熱效率計(jì)算3 節(jié)能的傳熱學(xué)途徑4 節(jié)能的其它途徑2022-6-321材料熱處理中的熱效率計(jì)算材料熱處理中的熱效率計(jì)算2022-6-33在制造過程中, 熱處理是耗能大戶。其電能消耗一般為機(jī)械制造企業(yè)的20%30%。我國機(jī)械制造類工廠的熱處理用電費(fèi)用占生產(chǎn)成本約40%?？梢姾侠磉x擇熱處理能源, 有效和節(jié)約使用能源是熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和改造的重點(diǎn)之一。在實(shí)際工作中，一般只能計(jì)算工程熱效率。 電是二次能源，火電廠發(fā)一度電約需9196 kJ的熱能（從發(fā)電效率和標(biāo)煤的熱值折算而來），發(fā)電的效

2、率在37%?？v使熱處理加熱爐的熱效率熱處理加熱爐的熱效率達(dá)到80%，則按一次能源的利用率計(jì)算，綜合熱效率亦不足30%。而利用天然氣的燃燒爐，再加上利用煙道余熱的助燃空氣預(yù)熱，綜合熱效率可以達(dá)到60%65%。因此用天然氣燃料爐代替部分電阻爐，在能源利用方面是節(jié)能減排的重要途徑。1.1 1.1 工程熱效率工程熱效率2022-6-34 以常用保護(hù)氣氛電阻加熱爐為例以常用保護(hù)氣氛電阻加熱爐為例熱處理爐的主要任務(wù)是利用熱源（爐壁）與工件之間不斷進(jìn)行著復(fù)雜的熱交換,來加熱工件。同時(shí)，熱量還通過爐墻、爐門等處向四周散失。因此, 應(yīng)設(shè)法強(qiáng)化或控制有用的熱交換過程，降低熱量的損失，以提高電爐熱效率。電阻加熱箱式

3、爐熱量流向示意圖 1.21.2熱能流向分析熱能流向分析2022-6-351.2.1加熱工件所需要的有效熱量加熱工件所需要的有效熱量Q QWorkWork 有效熱量是工件由初始溫度升到工藝要求的最高加熱溫度所需要的熱量（在工件保溫過程中，除了爐體散熱不再消耗能量）： (1) 式中: qi第i種工件的質(zhì)量, （kg）; t0i和t1i第i種工件的初始溫度和最高加熱溫度,（）; c0i和c1i第i種工件在t0i和t1i溫度時(shí)的平均比熱, （kJ/kg)。niiiiiiworktctcqQ10011)(2022-6-361.2.2 加熱爐工作時(shí)的熱支出項(xiàng)目加熱爐工作時(shí)的熱支出項(xiàng)目 爐體蓄熱損失QSav

4、e 爐體蓄熱損失是電爐從初始溫度升到工藝要求的最高加熱溫度, 并達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)爐體本身所吸收的熱量。 )(00111iiiiiniisavetctcVQ式中: Vi第i種筑爐材料的體積, （m3）; i第i種筑爐材料的密度, （kg/m3）。（2）12022-6-37加熱輔助構(gòu)件(料筐、料盤、工夾具、支承、爐底板等)所吸收的熱量QAdd)(0011tctcGQAdd式中:G輔助構(gòu)件的質(zhì)量, kg; t1和t0分別為輔助構(gòu)件的初始溫度和最高加熱溫度,（）; c1和c0輔助構(gòu)件在t1和t0溫度時(shí)的平均比熱, （kJ/kg)。（3）22022-6-38)(011ttCGQpNed 加熱控制氣氛、滲

5、劑等所需的熱量及其因加熱而溢出廢氣所帶走的熱量QMed (1) 加熱上述介質(zhì)的熱量QMed1式中: G通入爐內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量, kg; Cp為介質(zhì)的平均比熱, (kJ/kg); t1和t0介質(zhì)入爐前、后溫度,（）。 （4）32022-6-39)(012ttCdUQpMed21MedMedMedQQQ式中: U排出廢氣的流量, （m3/h）; d排出廢氣的密度, （kg/m3）; Cp排出廢氣的平均比熱, (kJ/kg)；t1和t0被加熱氣體和周圍空氣的溫度,;為排出廢氣時(shí)間, （h）。在計(jì)算介質(zhì)時(shí), 要注意介質(zhì)在爐內(nèi)的反應(yīng), 是放熱還是吸熱, 并把這些熱量考慮在內(nèi)。如果熱量不大, 也可忽略不計(jì)。介

6、質(zhì)耗熱總量：（2）排出廢氣所帶走的熱量QMed2（5） （6）2022-6-310 通過爐壁的散熱損失QDiv pzniiiDivFSttQ1/)(101式中: t1和t0爐溫和外界環(huán)境溫度,（）; Si第i種筑爐材料的厚度, （m）; z電爐外表面對(duì)周圍空氣的綜合給熱系數(shù), （kJ/m2h); i第i種筑爐材料的導(dǎo)熱系數(shù), （kJ/m2h); Fp平均散熱面積, （m2）; 散熱時(shí)間,（h）。（6）42022-6-311 外伸金屬件的傳熱損失QTran 由電爐加熱室延伸到爐外的金屬件所造成的傳熱損失, 如電熱元件引出棒, 鹽浴爐電極及機(jī)械構(gòu)件等nFLttQTran21式中:外伸金屬件的導(dǎo)熱系

7、數(shù), （kJ/m2h); t1和t0爐膛溫度和外伸金屬件爐外端溫度, （）; L外伸金屬件長度, m; F為外伸金屬件截面積, （m2）;傳熱時(shí)間, （h）; N外伸金屬件的數(shù)量。（7）52022-6-312)(01ttCVQkOutHHBV 2200 開啟爐門或通過縫隙、小孔的溢氣損失QOut式中: V進(jìn)入爐內(nèi)的冷空氣量, （m3/h）; 爐外冷空氣的密度, （kg/m3）; Ck 空氣在溫度t0至t1的平均比熱, (kJ/kg); t和t1 爐外冷空氣和溢出爐氣的溫度,（）; 傳熱時(shí)間, （h）。對(duì)于電阻爐, 進(jìn)入爐內(nèi)的冷氣量V式中: B爐門或縫隙寬度, （m）; H爐門開啟高度或縫隙高度

8、,（m）。（9）（8）62022-6-313 開啟爐門或通過縫隙、小孔以及鹽浴表面的輻射損失QRadHBTTCQRad40410)100()100(式中: C0絕對(duì)黑體的輻射系數(shù),（ kJ/m2Kh); 實(shí)際物體的黑度系數(shù); T1和T0爐膛內(nèi)部和爐外空間的絕對(duì)溫度, （K）; B爐門或縫隙寬度, （m）; 遮蔽系數(shù); 爐門開啟率, 即單位時(shí)間內(nèi)爐門開啟時(shí)間, 對(duì)縫隙為1; 爐門開啟時(shí)間,（ h）。（10）72022-6-314 冷卻水帶走的熱量QWater 當(dāng)電爐使用冷卻水時(shí),如井式氣體滲碳爐的風(fēng)扇軸處及側(cè)埋式電極鹽浴爐的電極密封時(shí)冷套等的冷卻水要帶走熱量)(01ttCGQWater式中: G

9、冷卻水的流量, （kg/h）; C冷卻水的比熱, (kJ/kg); t0和t1冷卻水入口和出口的溫度, （）; 冷卻時(shí)間, （h）。（11）82022-6-315 爐用變壓器及導(dǎo)電體的熱損失 主要取決于銅排截面積、長度, 特別是電極與銅排的接觸條件。在安裝及使用基本正常的電爐, 該項(xiàng)損失一般可按前述總損失的3-5 %計(jì)算。 其它熱損失QOther 對(duì)所有考慮不到或不易計(jì)算的熱損失,按實(shí)際情況, 一般可取前述總損失的5-10%。 通過上述分析計(jì)算, 可得總供給熱量QSup(也可由電度表測(cè)后算出)QSup= QWork+QSave+QAdd+QMed+QDiv+QTran+QOut+QRad+QW

10、ater+QOther（12）9102022-6-316在電爐的所有熱支出中, 只有用來加熱工件的熱量才是有效熱量。電爐的熱效率：%100SupWorkQQ（13）1.3 1.3 加熱爐的熱效率加熱爐的熱效率2022-6-317由式 (13) 可衡量電爐熱能利用率的高低, 欲提高熱效率:(1) 增大QWork 合理裝料盡量滿負(fù)荷運(yùn)行； 合理的工藝合理降低溫度，縮短加熱時(shí)間(2) 降低QSup 正確設(shè)計(jì)爐型（包括爐膛截面、輔助構(gòu)件、熱短路件） 堵塞跑冒滴漏；通過孔洞的冷熱交流流量與截面呈立方曲線關(guān)系 提高保溫性能（取決于爐用耐火保溫材料） 操作過程控制（氣氛流量、流速；中途不開爐門） 力求連續(xù)操

11、作2022-6-318 材料工程中的加熱設(shè)備多種多樣，要通過分析加熱原理、熱量支出渠道和設(shè)備的適用性，提高熱量利用的效率。 例如： 電阻直接加熱 感應(yīng)加熱 先進(jìn)的加熱設(shè)備除能體現(xiàn)先進(jìn)工藝外, 節(jié)約能源是很重要的指標(biāo)。加熱爐應(yīng)有最小的散熱損失, 最小的爐襯蓄熱, 廢熱要充分利用； 燃燒爐應(yīng)有高效的燃燒器或輻射管, 還要有合理的燃燒制度； 合理選擇工藝具有極大的節(jié)能潛力, 而且可在極小的投入條件下獲得明顯效果?？s短加熱時(shí)間, 降低加熱溫度, 用表面處理代替整體處理、簡化工藝過程、合理選擇工件材料等都是好的節(jié)能措施； 生產(chǎn)的合理組織, 能源的嚴(yán)格管理也是節(jié)能的根本措施之一。提高加熱設(shè)備負(fù)荷, 保持連

12、續(xù)生產(chǎn)對(duì)于節(jié)能是非常重要的，故專業(yè)化生產(chǎn)是非常有利的節(jié)能生產(chǎn)組織形式。2022-6-319 上述方法主要用于技術(shù)層面設(shè)備設(shè)計(jì)和能源利用分析。實(shí)際工作中的熱效率計(jì)算沒有那么繁復(fù)，可以直接用單耗單耗來衡量。那么就有必要了解熱處理加熱過程的控制。 不管是冷爐裝料還是熱爐裝料，對(duì)于工件所消耗的有效熱量總是一樣的，關(guān)鍵是工件所受到的熱應(yīng)力問題。到溫以后，原理上只要補(bǔ)充爐體保溫性能所致的散失的熱量和氣氛交換損失的熱量，所以溫度控制上就不是全功率加熱，一般只需半功率或1/3功率，而且不是連續(xù)加熱；現(xiàn)代新型設(shè)備可以自動(dòng)以所需要的功率連續(xù)加熱，以保證爐溫更加穩(wěn)定。1.4 1.4 實(shí)際生產(chǎn)成本管理中的熱效率計(jì)算實(shí)

13、際生產(chǎn)成本管理中的熱效率計(jì)算2022-6-320如果一臺(tái)75 KW的退火加熱爐，裝料為 500 Kg，升溫用了2小時(shí)，保溫4小時(shí)，那么可以測(cè)算： 加熱耗電：75 X 2 = 150 Kwh 保溫耗電：75 X 4 X（1/3） = 100 Kwh （假設(shè)有1/3時(shí)間通電加熱） 總計(jì)： 250 Kwh 噸耗：500 Kwh/t 上例是以退火操作為例，如果是不同的工藝，隨裝爐量不同，能耗會(huì)有較大的浮動(dòng)。所以實(shí)際生產(chǎn)中注重的是成本。此時(shí)熱效率既是經(jīng)濟(jì)效益，又是社會(huì)效益！2022-6-3212節(jié)能的傳熱學(xué)途徑節(jié)能的傳熱學(xué)途徑2022-6-3222.1 2.1 傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)傳熱學(xué)與工程熱力學(xué) 傳熱

14、學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門科學(xué)，它在解決許多工程問題中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在研究節(jié)能問題時(shí)，通過傳熱學(xué)尋找合適的途徑是最根本的措施。在研究節(jié)能中的傳熱學(xué)問題時(shí)，一般可以分成兩種類型： 一類是強(qiáng)化傳熱過程強(qiáng)化傳熱過程的問題。比如，如何使工件快速而均勻地達(dá)到加熱要求，即盡可能地提高熱效率，減少能源的浪費(fèi)。另一類就是力求削弱傳熱力求削弱傳熱，比如：各種加熱爐的熱量盡可能少地向外界傳遞或散失，其他各類保溫措施也都屬于此類。從節(jié)能觀點(diǎn)來看，就是減少能量的無謂支出。2022-6-323傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)研究的問題不同傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)研究的問題不同熱力學(xué)： 平衡狀態(tài)、狀態(tài)變化的條件、方向、限度傳熱學(xué)：過

15、程的速率、溫度場(chǎng))f(Q ),(zyxft水2022-6-324 必須指出，傳熱過程的強(qiáng)化和削弱都必須服從工藝和設(shè)備的技術(shù)要求。所所以，在工程實(shí)際中，更多的是對(duì)傳熱的控制。以，在工程實(shí)際中，更多的是對(duì)傳熱的控制。例如： 在強(qiáng)化傳熱時(shí)，對(duì)加熱設(shè)備和某些結(jié)構(gòu)形式的工件在加熱過程中并不允許加熱速度過快，以免設(shè)備損壞和工件發(fā)生變形、開裂；所以，在由于強(qiáng)化傳熱而縮短加熱時(shí)間時(shí)，要考慮不同的材質(zhì)（成分和組織控制組織轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)相適應(yīng)），保證工件得到合適的加熱組織；設(shè)備加熱能力的強(qiáng)化要考慮設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的傳熱學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各處結(jié)構(gòu)和所用材料能否適應(yīng)？ 在削弱傳熱時(shí)，如何選用合理的結(jié)構(gòu)，和合適的保溫材料，

16、設(shè)計(jì)合適的保溫層厚度（美國路線圖要求：絕熱層減少一半，而爐襯壽命提高10倍）要統(tǒng)籌考慮。 因此，在面對(duì)任何一個(gè)具體的節(jié)能問題時(shí)，都必須把傳熱學(xué)原理和實(shí)際的材料、工藝、設(shè)備以及經(jīng)濟(jì)效益綜合起來考慮。2022-6-3252.2.1 2.2.1 溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)： 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)系統(tǒng)中只要存在溫度差，就會(huì)發(fā)生傳熱現(xiàn)象。在研究各種傳熱現(xiàn)象時(shí)，首先要確定物體溫度在時(shí)間和空間上的分布狀況，即溫度場(chǎng)。 溫度場(chǎng) 物體或系統(tǒng)內(nèi)部在某一瞬間各點(diǎn)溫度分布狀況的總和，它是空間（x,y,z）和時(shí)間()的函數(shù)，表示為： t = f( x, y, z, ) 2.2 2.2 基本概念基本概念2022-6-326溫度場(chǎng)

17、分為兩類： 不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度不僅隨空間分布變化，而且隨時(shí)間變化。 t = f( x, y, z, ) 穩(wěn)定溫度場(chǎng)：系統(tǒng)或物體內(nèi)的溫度分布不隨時(shí)間而變化： t = f( x, y, z) 溫度場(chǎng)還有三維、二維、一維之分，在節(jié)能計(jì)算中，經(jīng)常有簡化為一維的情況。 t = f( x, ) 一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)（常見為球、圓柱體中段） t = f( x) 一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)（同上）2022-6-3272.2.2 2.2.2 熱穩(wěn)定狀態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài) 一般情況下，工業(yè)節(jié)能計(jì)算大多按熱穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。由于實(shí)際情況的復(fù)雜，理論上的熱穩(wěn)定狀態(tài)不容易確定。 一般規(guī)定：加熱設(shè)備在恒定溫度連續(xù)工作24小時(shí)后，即可認(rèn)為該設(shè)備已

18、處于穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。此時(shí)測(cè)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可表征該用熱設(shè)備的工作與能耗是否正常。 國標(biāo)規(guī)定的熱穩(wěn)定狀態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)（GBT 9452-2003，熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法）：在某一溫度下，電熱裝置的積蓄已達(dá)到最大值，輸入給該裝置的全部功率都用來補(bǔ)償其熱損失時(shí)，該裝置所處的狀態(tài)。 由于現(xiàn)在加熱設(shè)備保溫性能的改善2022-6-328熱能從高溫向低溫方向傳播時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量，叫做熱流 量，用表示，其單位為：W (J/s) 1 Kcal/h = 4.1868 1000 (J) / 3600 (s) = 1.163 (W)單位面積的熱流量就叫做熱流密度或比熱流量，用q表示，其單位為：W/m2 1

19、Kcal / m2 h = 1.163 W/m22.2.3 熱流量熱流量和熱流密度和熱流密度q2022-6-3292.3.1 2.3.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)tAtAq1wt2wtA通過平壁的導(dǎo)熱依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)物體之間不發(fā)生宏觀相對(duì)位移物體之間不發(fā)生宏觀相對(duì)位移 導(dǎo)熱特點(diǎn)導(dǎo)熱特點(diǎn): :2.3 熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式 導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率) （W/m.K） A 平壁面積 （m2）t 溫差 （C） 導(dǎo)熱層厚度 （m）基本公式基本公式: :（W）（W/m2）2022-6-3302.3.2 2.3.2 熱對(duì)流熱對(duì)流基本公式：基本公式：(牛頓冷卻公式)thAthq (1)流體

20、有宏觀運(yùn)動(dòng)； (2)對(duì)流與導(dǎo)熱相結(jié)合。對(duì)流特點(diǎn)：對(duì)流特點(diǎn)：h 換熱系數(shù) （W/m2.K）2022-6-3312.3.3 2.3.3 熱輻射熱輻射輻射換熱基本特點(diǎn)輻射換熱基本特點(diǎn): :基本公式：基本公式：41AT 41A T )(4241TTA1 1、輻射換熱可以不借助任何介質(zhì)；、輻射換熱可以不借助任何介質(zhì)； 2 2、存在能量的轉(zhuǎn)換。、存在能量的轉(zhuǎn)換。=5.6710-8 W/(m2.K4)T T1T T22022-6-3322.4 2.4 導(dǎo)熱的基本定律導(dǎo)熱的基本定律2.4.1 2.4.1 導(dǎo)熱導(dǎo)熱熱量從物體中溫度較高的部位傳遞到溫度較低的部位，或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一

21、物體的過程。 常見現(xiàn)象為： 工件本身的加熱和均溫過程；工件在爐內(nèi)通過與爐底板接觸部分的換熱過程； 加熱裝置外壁溫度的產(chǎn)生； 爐內(nèi)外伸構(gòu)件（熱短路現(xiàn)象） 本質(zhì)物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)。在氣體、液體、固體中都可發(fā)生；但純粹的導(dǎo)熱只在固體中進(jìn)行。2022-6-3332.4.2 2.4.2 溫度梯度溫度梯度已知某一瞬時(shí)，物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度分布（溫度場(chǎng)）為：)(, z , y, xft 當(dāng)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變動(dòng)（穩(wěn)態(tài)場(chǎng)）穩(wěn)態(tài)場(chǎng)）時(shí)， 如左圖所示的不同等溫面間的溫度梯度為：ntnntntnlim0gradnDnAdqttD+tttD-2022-6-334 降低散熱面的溫度； 合理確定保溫層厚度； 設(shè)法提高層

22、間熱阻； 合理選材或設(shè)法降低所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)； 影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素： 材料本質(zhì) 材料結(jié)構(gòu) 孔隙率 容重 材料的物理狀態(tài)： 濕度 溫度 根據(jù)通過單層平板和多層平板的的散熱損失的熱流量計(jì)算公式，可知，要減少熱損失，有以下途徑：2.4.8 2.4.8 涉及導(dǎo)熱時(shí)的節(jié)能途徑涉及導(dǎo)熱時(shí)的節(jié)能途徑2022-6-335 減少散熱面積； 直觀的節(jié)能措施。在相同的體積或容積下，圓形截面比方形截面的表面積小，球形表面積比圓柱形表面積小新的設(shè)計(jì)思路； 反之，為了提高換熱效率（或散熱效率）則希望增大換熱面積，如各種散熱器、空氣預(yù)熱器等的肋片、翅片等。 合理的保溫層材料、結(jié)構(gòu)和厚度 設(shè)法減少熱短路現(xiàn)象；2022-6-

23、336 2.5.12.5.1 對(duì)流換熱中熱流量的計(jì)算對(duì)流換熱中熱流量的計(jì)算 牛頓冷卻公式牛頓冷卻公式 hA t qh t 2.5 2.5 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 2.5.2 2.5.2 影響對(duì)流換熱表面影響對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素傳熱系數(shù)的因素 過 程 K)(mW / h /自然對(duì)流空氣水 強(qiáng)制對(duì)流 氣體 高壓水蒸氣 水 氣液相變傳熱 水沸騰 水蒸氣凝結(jié) 有機(jī)蒸氣凝結(jié)1011000200 10020 3500500 150001000 350002500 250005000 2000500 22022-6-337流體的起因流體的起因 強(qiáng)制對(duì)流：流體在機(jī)械力或其它壓差作用下產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流：流體在機(jī)械力

24、或其它壓差作用下產(chǎn)生 的流動(dòng)；的流動(dòng)； 自然對(duì)流：流體在浮升力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)。自然對(duì)流：流體在浮升力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)。流動(dòng)的形態(tài)流動(dòng)的形態(tài) 層流還是紊流層流還是紊流 掠過平壁時(shí)流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展2022-6-338 流體有無相變流體有無相變 換熱面的幾何狀況換熱面的幾何狀況 流體的熱物理性質(zhì)流體的熱物理性質(zhì) ( , , , , )phf u lc 或 ，總之：總之：氣氣-液相變液相變( (氣化氣化) )液液-氣相變氣相變( (冷凝冷凝) )2022-6-3392.5.3 2.5.3 流動(dòng)邊界層和熱邊界層流動(dòng)邊界層和熱邊界層 流動(dòng)邊界層：靠近壁面流速急劇變化的薄層。流動(dòng)邊界層：靠近壁面流速

25、急劇變化的薄層。 熱邊界層：靠近壁面溫度急劇變化的薄層。熱邊界層：靠近壁面溫度急劇變化的薄層。2022-6-340掠過平壁時(shí)流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展掠過平壁時(shí)流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展2022-6-3412.5.10 強(qiáng)化對(duì)流換熱，提高熱效率的途徑強(qiáng)化對(duì)流換熱，提高熱效率的途徑 對(duì)流換熱現(xiàn)象在金屬材料熱處理中到處涉及，無論是加熱或冷卻，都有需要強(qiáng)化或削弱的可能；例如，爐內(nèi)對(duì)流強(qiáng)化不僅有利于提高換熱效率，更重要的是有利于爐溫均勻；淬火冷卻加強(qiáng)循環(huán)，不僅有利于加快冷卻，還有利于冷卻均勻。 根據(jù)牛頓公式： 在涉及單純的對(duì)流換熱時(shí)，強(qiáng)化或削弱對(duì)流換熱的途徑不外乎三個(gè)主要因素：換熱副的溫差t; 換熱面積F；對(duì)

26、流換熱系數(shù)。但在對(duì)待一個(gè)實(shí)際的具體工件時(shí)，考慮溫差t要注意過程中溫差分布的均勻性變化；考慮換熱面積F要注意形狀因素，避免“死角”；tQA2022-6-342 加大換熱溫差加大換熱溫差 可明顯提高換熱效率，但實(shí)際操作有一定難度。主要要考慮有哪些場(chǎng)合涉及流體加熱或冷卻。 例如：加熱時(shí)，什么爐型需用循環(huán)風(fēng)機(jī)？規(guī)定的溫度一定，再怎么提高溫差？ 淬火冷卻時(shí)，工件溫度一定，要提高溫差，就只有降低淬火液溫度，但溫差一大，淬火變形增大，所以往往需要減小溫差。 提高流體流速，增加紊流程度提高流體流速，增加紊流程度 風(fēng)機(jī) 攪拌器 注意控制流體與受熱（冷卻）面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向注意控制流體與受熱（冷卻）面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向

27、 合理布料 噴嘴設(shè)置的方向避免過熱、冷卻不均勻1232022-6-343 設(shè)計(jì)合理的有利于流體運(yùn)動(dòng)的截面形狀設(shè)計(jì)合理的有利于流體運(yùn)動(dòng)的截面形狀 例如爐膛形狀，不僅影響散熱面積，而且影響換熱效率， 設(shè)法增大換熱面積設(shè)法增大換熱面積 肋片、翅片、排管 爐膛內(nèi)工件的合理堆放 開發(fā)促進(jìn)換熱的附加裝置：開發(fā)促進(jìn)換熱的附加裝置： 因?yàn)樯婕胺肿舆\(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)和界面效應(yīng)界面效應(yīng)，所以任何能影響流體分子運(yùn)動(dòng)和界面物性的因素都可能成為我們促進(jìn)換熱，提高換熱效率的手段，例如：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波、機(jī)械振動(dòng)；或者化學(xué)方面：各種添加劑，如在冷卻介質(zhì)中 余熱利用余熱利用 流體熱交換后帶有大量的熱量，往往作為廢氣、廢液排放（燃

28、料爐的熱煙氣、淬火液中的熱量）， 合理利用流體中的余熱是提高綜合熱效率的重要途徑。45672022-6-3442.6 2.6 輻射換熱輻射換熱 2.6.1 2.6.1 輻射換熱的基本概念輻射換熱的基本概念 熱輻射：熱輻射：由于熱原因而產(chǎn)生的電磁波輻射。由于熱原因而產(chǎn)生的電磁波輻射。 輻射換熱：輻射換熱： 物體間相互輻射和吸收的總效果。物體間相互輻射和吸收的總效果。 m m2022-6-345QQQQ吸收比吸收比、反射比、反射比和穿透比和穿透比:1固體、液體固體、液體 0 1氣氣 體體（絕對(duì)）黑體（絕對(duì)）黑體1 1 的物體。的物體。0 1, 1 1（絕對(duì)白體（絕對(duì)白體 ；絕對(duì)透明體絕對(duì)透明體 ）

29、 QQQQQQ令 2022-6-3462.6.2 熱輻射定律熱輻射定律 斯蒂芬斯蒂芬- -玻耳茲曼定律（四次方定律）玻耳茲曼定律（四次方定律） 輻射力輻射力E E 單位時(shí)間單位面積物體表面向其上半球空間所有方向發(fā)射的全部波單位時(shí)間單位面積物體表面向其上半球空間所有方向發(fā)射的全部波長的輻射能的總值。長的輻射能的總值。 黑體的輻射力黑體的輻射力 ( (斯斯蒂芬蒂芬- -玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律) )bEEEEb 則 =4824 5.67 10 W/(m .K )bET實(shí)際物體的輻射率實(shí)際物體的輻射率( (黑度黑度) )12022-6-347 基爾霍夫定律基爾霍夫定律bEEq, 0, bqEE當(dāng)熱平

30、衡時(shí)則 bEE 比較 有黑體黑體實(shí)際物體實(shí)際物體對(duì)于表面對(duì)于表面 2 222022-6-3482.6.5 2.6.5 減少輻射熱損失、節(jié)約能源的措施減少輻射熱損失、節(jié)約能源的措施 利用反射原理真空爐；隔熱屏 對(duì)高溫爐，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加爐口厚度，提高爐口的遮蔽系數(shù)，減少熱輻射； 進(jìn)出爐作業(yè)時(shí)，控制爐門開啟高度、頻度、時(shí)間； 研究降低表面黑度的外殼涂層。2022-6-349 導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱現(xiàn)象在材料工程中時(shí)普遍存在的，但是，一般都不單獨(dú)存在。必須了解不同爐種的換熱特點(diǎn)不同爐種的換熱特點(diǎn)： 高溫箱式爐：輻射為主 中溫箱式爐：輻射 + 自然對(duì)流 低溫回火爐：對(duì)流為主（強(qiáng)制） 燃料加熱爐：自然、

31、強(qiáng)制對(duì)流 + 氣層輻射 （以上為關(guān)閉但不密封、無氣氛控制的爐型） 滲碳?xì)夥諣t：輻射 + 強(qiáng)制對(duì)流 （關(guān)閉且密封、可進(jìn)行氣氛控制的爐型） 真空加熱爐：輻射淬火時(shí)充氣（嚴(yán)格密封） 鹽浴加熱爐：傳導(dǎo) + 對(duì)流，外加液面輻射 （開放式爐型）2022-6-3503密封箱式多用爐節(jié)能與能耗分布密封箱式多用爐節(jié)能與能耗分布2022-6-351節(jié)能效果分析節(jié)能效果分析排序項(xiàng)目措施每年可節(jié)能每年可節(jié)能kwhkwh可實(shí)現(xiàn)的難易程度評(píng)價(jià)1淬火油余熱爐料淬火后釋放到淬火油的熱量164000164000難，溫差太低，轉(zhuǎn)換困難需要增加裝置，可用于冬天的取暖。2排放廢氣燃燒熱收集排放廢氣，用于預(yù)熱工件9137891378可

32、實(shí)現(xiàn)，需要增加燃燒裝置，包括安全設(shè)施3油攪拌器淬火攪拌器不用一直攪拌，只在淬火前1小時(shí)啟動(dòng)，淬火油溫降到設(shè)定溫度以上510停止。2880028800容易，在儀表或PLC上設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)。4淬火油冷卻淬火油冷卻泵在淬火后啟動(dòng)，油溫降到設(shè)定溫度以上510停止，淬火油靠槽體散熱自然降溫25909 25909 容易，只需在儀表和PLC上設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)5回火等待合理搭配多用爐和回火爐比例26204 26204 大批量生產(chǎn)容易實(shí)現(xiàn)2022-6-3526輻射管散熱合理確定升溫時(shí)間1080010800根據(jù)熱處理工件特點(diǎn)確定合理的加熱時(shí)間7爐門散熱改進(jìn)爐門結(jié)構(gòu)，盡量減少高溫爐門數(shù)量，減少散熱面積981398138廢

33、氣帶出熱在確保質(zhì)量前提下盡量減少介質(zhì)氣體,如每爐減少N2-9m3,甲醇9L64986498可實(shí)現(xiàn)，需要改進(jìn)供氣方式，包括安全措施9爐體散熱將抗?jié)B碳磚的熱導(dǎo)系數(shù)提高1倍，熱流密度降低50w/m262496249難，目前的耐火保溫材料沒有脫破性進(jìn)展，熱導(dǎo)系數(shù)降低1倍有困難。如爐襯增加50mm，只能節(jié)約1200kwh。10加熱料具將料具重量減輕10%5920 5920 容易。本案例中料具重量只占28%，再減少的可能性不大。11清洗恒溫增加保溫層厚度32403240容易合計(jì)378810378810684405kwh/t2022-6-3534值得重視的、與節(jié)能減排密切相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目值得重視的、與節(jié)能減排

34、密切相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目2022-6-3544.1 4.1 開發(fā)和推廣高效、節(jié)能的材料強(qiáng)化工藝技術(shù)開發(fā)和推廣高效、節(jié)能的材料強(qiáng)化工藝技術(shù) 可采取的措施主要有： 嚴(yán)格控制鑄鍛成形工藝，改善顯微組織，減少或取消某些預(yù)備熱處理；充分利用鑄、鍛工序后的余熱進(jìn)行處理； 采用表面域局部熱處理取代整體熱處理； 加速化學(xué)熱處理過程:提高滲碳溫度、直生式氣氛、金屬表面活化催滲技術(shù)、離子轟擊(離子滲C、N)、化學(xué)催滲技術(shù)(稀土催滲法)； 合理規(guī)定表面有效硬化層深度；2022-6-355 用碳氮共滲代替滲碳，用鐵素體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理代替奧氏體狀態(tài)下的化學(xué)熱處理； 亞共析鋼的兩相區(qū)加熱淬火；在罩式退火爐中采用H，代替氨制

35、備氣氛， 改善熱傳遞過程，提高生產(chǎn)率； 取消或縮短結(jié)構(gòu)鋼的加熱保持時(shí)間； 軸承鋼、工具鋼、高速鋼高溫短時(shí)快速退火； 應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，優(yōu)化熱處理工藝過程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效，精確熱處理。2022-6-356 可采取的措施主要有可采取的措施主要有: : 合理選擇能源; 合理選擇爐型，連續(xù)式爐比周期式爐好，圓型爐膛比方形爐膛好; 優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少熱損失，提高熱效率。盡可能采用蓄熱少，絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯，如用耐火纖維對(duì)爐襯進(jìn)行節(jié)能改造等;采用密封爐體結(jié)構(gòu)，防止漏氣和吸入空氣; 充分利用余熱余熱利用裝置是燃?xì)鉅t的重要組成部分，爐內(nèi)焰氣排出需經(jīng)過爐后墻孔、換熱器、煙道閘板閥及引風(fēng)機(jī)排出。4.2 4.2 選擇和推