当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

热传递方式及计算


机床主轴制造 工艺过程
材料:45钢 热处理技术条件: 5151:主轴整体调质处理,硬度要求220~250HBS; 5212:轴颈及锥孔,硬度要求50~52HRC。 锻造 最终 热处理1 最终 热处理2 预备热处理 机加工(粗加工)

机加工(半精加工) 磨削加工(精加工)

第二章 热传递方式及计算

2

.1 热量传递的三种基本形式

热能传递基本方式:导热(热传导)、对 流、热辐射

2.1.1 导热(热传导) 1 、概念
定义:物体各部分之间不发生相对位移时, 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热量传递称导热。 如:固体与固体之间及固体内部的热量传递。

2、导热的特点 必须有温差 物体直接接触 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 热运动而传递热量;不发生宏观的相对 位移 没有能量形式之间的转化

3、导热的基本规律
1 )傅立叶定律 1822 年,法国物理学家
两个表面分别维持均匀恒定温 度的平板,是个一维导热问题。 考察x方向上任意一个厚度为 dx的微元层。

根据傅里叶定律,单位时间内通过该层的导热热 量与当地的温度变化率及平板面积A成正比

dt Φ = ? λA dx
式中 λ 是比例系数,称为热导率,又称导热系 数,负号表示热量传递的方向与温度升高的方 向相反。

2 )热流量 单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量, 记为 Φ ,单位 w。

dt Φ = ? λA dx
3 )热流密度(面积热流量) 单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度, 记为 q ,单位 w/ ㎡。 当物体的温度仅在 x 方向发生变化时,按傅立叶 定律,热流密度的表达式为:
Φ dt q = = ?λ A dx

4 )导热系数λ 表征材料导热性能优劣的参数,是一种物性参数, 单位: w/(m·k) 。 同材料的导热系数值不同,即使同一种材料导热 系数值与温度等因素有关。 金属材料最高,液体次之,气体最小。

例题: 有三块分别由纯铜(热导率λ1=398W/(m·K))、 黄铜(热导率λ2=109W/(m·K))和碳钢(热导率 λ3=40W/(m·K))制成的大平板,厚度都为10mm, 两侧表面的温差都维持为tw1 – tw2 = 50℃不变,试 求通过每块平板的导热热流密度。

对于纯铜板

q1 = λ1

tw1 ? tw 2

δ

= 398 × 50 / 0.01 = 1.99 ×106 W / m2

对于黄铜板

q2 = λ2

tw1 ? tw 2

δ

= 109 × 50 / 0.01 = 0.545 ×106 W / m2

对于碳钢板

q2 = λ3

tw1 ? tw 2

δ

= 40 × 50 / 0.01 = 0.2 ×106 W / m2

2.1.2 辐射换热 1、基本概念
辐 射:物体通过电磁波来传递能量的方式。

辐射换热:两个温度不同且互不接触的物体之间通 过电磁波进行的换热过程。

2、辐射换热的特点
不需要物体直接接触。可以在真空中传递,而且 在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中,不仅有能量的转换,而且伴 随有能量形式的转化。 辐射时:辐射体内热能→辐射能; 吸收时: 辐射能→受射体内热能。 只要温度大于零就有能量辐射。 物体的辐射能力与其温度、性质有关。

3、热辐射的基本规律(斯蒂芬-玻尔兹曼 定律)(Stefan-Boltzmann law) 黑体:能全部吸收投射到其表面辐射能的物 体。 或称绝对黑体。(Black body) 黑体的辐射能力与吸收能力最强
Boltzman定律: Φ = Aσ 0T 4
σ 0 Boltzman 黑体辐射常数,5.768×10-8 W/(m2·K4)

ε

实际物体: Φ = εΦ = εAσ 0T 4
为表面辐射率,取决于物体的种类及状态

2.1.3 对流换热 1 、基本概念
1) 热对流:是指由于流体的宏观运动,从而使流体 各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混所 引起的热量传递过程。 热对流仅发生在流体中,流体中有温差 —对流的同 时必伴随有导热现象。自然界不存在单一的热对流。

2) 对流换热:流体流过一个物体表面时的热量传 递过程,称为对流换热。

2、对流换热的特点 必须有流体的宏观运动,必须有温差; 对流换热既有对流,也有导热;对流换热 不是基本的热量传递方式; 流体与壁面必须直接接触; 没有热量形式之间的转化。

3、对流换热的基本规律 < 牛顿冷却公式 > 流体被加热时: q = h( t w ? t f ) 流体被冷却时: q = h( t f ? t w ) 式中, t w 及 t f 分别为壁面温度和流体温度,℃。 h —比例系数(表面传热系数)单位 W/ ( m 2 ? K ) 。
如果把温差(亦称温压)记为Δt,并约定永远取 正值,则牛顿冷却公式可表示为

q = hΔ t

Φ = AhΔt

表面传热系数(对流换热系数)

h = Φ ( A(t w ? t ∞ )) [W

(m 2 ?o C)

]

当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁 面面积上、单位时间内所传递的热量 表征对流换热过程强弱的物理量

例题: 一室内暖气片的散热面积为3m2,表面温度为 tw = 50℃,和温度为20℃的室内空气之间自然对流换热 的表面传热系数为h = 4 W/(m2·K)。试问该暖气片相 当于多大功率的电暖气? 解:暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热,

Q= Ah(tw – tf)
= 3m2×4 W/(m2·K)×(50-20)K = 360W = 0.36 kW 即相当于功率为0.36kW的电暖气。

2.2 钢板热处理方式

2.2.1 概述
中厚板: 厚度4.5-25.0mm钢板 厚 板: 厚度25.0-100.0mm钢板 特厚板: 厚度超过100.0mm钢板

中厚板、厚板?

用途: 主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造 船、桥梁建造等。

造船钢板:用于制造海洋及内河船舶船体。

需要什么性能?
强度高、塑性、韧性、冷 弯性能、焊接性能、耐蚀 性能都好。

强化方法?
合金化 塑性变形 热处理(包括固溶)

2.2.2 冷却方式 1、喷雾冷却
喷雾冷却是利用加压空气使水雾化,水和高压 高速气流一起从喷嘴喷出形成雾状喷向高温钢 板,使钢板冷却的方式。
优点:喷雾冷却装置的冷却调 节能力范围较大,可以实现 单独风冷、弱水冷和喷雾冷; 同时由于喷雾比较均匀。 缺点:但是喷雾冷却的联合喷 嘴结构和配管系统比较复杂, 且设备费用高、噪音大、车 间雾气较大。

酒钢的克莱西姆ADCO系统

2、高压喷水冷却
高压喷水冷却是将水用一定压力从喷嘴中喷出, 水流为连续的,呈紊流状态的冷却方式。
优点:采用这种高速的水流 (水喷流)冲击钢板表面, 水喷流的质量和速度都很 大,在喷流的冲击区域几 乎不产生蒸汽膜。因此, 高压喷水的冷却能力很强。 缺点:但是这种冷却方法水 的喷溅厉害,所以水的利 用率较差。

舞钢辊式淬火机

3、管层流冷却
将低压水从喷嘴中喷出形成喷流,由于喷流的 速度较低,喷流状态为层流状。
优点:层流状态的水能够比 较容易的贯穿钢板表面的 蒸汽膜,使冷却水直接与 钢板接触,冷却特性较高, 可获得很强的冷却能力。 带钢上下表面及整个冷却 区冷却均匀。 缺点:冷却区距离长,集管 之间有一定的距离,横向 冷却不均匀,对水质的要 求较高,维护量大且难维护。

西马克-德马克装备

4、密集管层流冷却
高密集管层流冷却装置可以获得相当于水幕冷 却时的冷却强度,集管的交错排列又保证了钢 板横向冷却的均匀性。由于高密集管层流冷却 装置的冷却效果好,同时又易于维护,并且投 资少,这种冷却系统得到了广泛的应用。

舞钢2#NAC

建筑桥梁结构钢(鸟巢用钢)

西气东输二线管道线路走向示意图

太钢高密集管流淬火机

5、 U形管状流+强冷喷射

6、 MULPIC(多功能间断式冷却)

7、槽式淬火机

如以低合金结构钢Q345B为例: 国家标准 控冷前 控冷后 屈服强度 325MPa 拉伸强度 470-630MPa 屈服强度 315MPa 拉伸强度 427MPa 屈服强度 370MPa 拉伸强度 530MPa

不加入微合金元素前提下达到性能要求!

2.3 对流换热系数确定 牛顿冷却定律,流体被冷却时:

q = h( t f ? t w )
如何确定h及增强换热的措施是对流换热 的核心问题。

2.3.1 影响对流换热系数的因素
1、流动起因 自然对流:流体因各部分温度不同而引起的密度 差异所产生的流动(Free convection) 强制对流:由外力(如:泵、风机、水压头)作 用所产生的流动(Forced convection)

h强制 > h自然

2、 流动状态
层流:整个流场呈一簇互相平行的流线 (Laminar flow)
(Turbulent flow) 湍流:流体质点做复杂无规则的运动 (紊流)

h湍流 > h层流
3、流体有无相变 h单相<h相变

相变换热:凝结、沸腾、升华、凝固、融化

4、换热表面的几何因素 换热表面的形状、大小 换热表面于流体运动方向的相对位置 换热表面的状态(光滑或粗糙) 影响流体在壁面上的流态、速度分布、温度分布。

流体与壁的相对位置

几何布置对流动的影响

5、 流体的热物理性质 (1)导热系数:导热系数大,换热就强,如水 的导热系数比空气高20余倍,故水的传热系数h 远比空气高。 (2)比热容与密度:比热容与密度大的流体, 单位体积携带更多的热量,从而对流作用传递热 量的能量高。 (3)粘度:粘度大,阻碍流体的运动,不利于 热对流。

2.3.2 对流换热的研究方法 分析法:对描写某一类对流换热问题的偏微分
方程及相应的定解条件进行数学求解,从而获得 速度场和温度场的分析解的方法

实验法:求解对流换热问题的主要方法 数值法:一种研究并解决数学问题的数值近似解
方法, 在计算机上使用的解数学问题的方法,简 称计算方法。随着计算机应用的普及和数值计算方 法的发展,对流换热过程的数值分析逐渐成为一种 主要的求解方法,其结果的可信度越来越高

2.3.3 对流换热过程微分方程式
当粘性流体在壁面上流动时,由于粘性的作用在贴 壁处被滞止,处于无滑移状态(即:y=0, u=0)

在极薄的贴壁流体层中,热 量以导热方式传递
?t q 根据傅里叶定律: = ?λ ?y

y=0

壁面附近速度分布的示意图

从热平衡可知,通过壁面流体层传导的热流量最 终以对流换热的方式传递到流体中去。
?t q = ?λ ?y
局部值

=hΔt
y=0

h=?

λ ?t
Δt ?y
y=0

对流换热微分方程式确定 了对流换热表面传热系数 与流体温度场之间的关系。 求解一个对流换热问题,获得该问题的对流换热 系数或交换的热流量,就必须首先获得流场的温 度分布。

速度场和温度场由对流换热微分方程组确定 质量守恒方程(连续性微分方程):
根据质量守恒定律,流入与流出控制体积的质量之差额 必定等于控制体积内质量随时间的变化率。

动量守恒方程:
作用在微元体上的外力总和必定等于控制体积中流体 的动量变化率。

能量守恒方程:
因热对流和传导进入的净热量加上各种力所作的功, 等于总能量变化率。

1、连续性微分方程
在流场内取一微元六面体(如图),边长为dx, dy, dz,中心点O流速为 ( ux, uy, uz ) D' C' z

?ux dx A' ux ? ?x 2
以x轴方向为例:
M

dz B' N D dx C dy B

?ux dx ux + ?x 2

?ux dx uM = ux ? 1 左表面流速 2 ?x
右表面流速 u N
1 ?u x dx = ux + 2 ?x

A o y

x

∴ 单位时间内x方向流出流进的质量流量差:
M 右 ?M ? ( ρ ux ) ? ( ρ ux ) = [ ρ ux + 1 dx ]dydz ? [ ρ ux ? 1 dx ]dydz 左 2 ?x 2 ?x ? ( ρux ) = ?x dxdydz

同理可得: y方向: z方向:

?( ρuy ) ?y d xd yd z ? ( ρ uz ) ?z dxdydz

在dt时间内因密度变化而减少的 质量为:

?ρ ρ dxdydz ? ( ρ + )dxdydz ?t ?ρ = ? ?t dxdydz

质量守恒定律:单位时间内流出与流入六面体的流体质量差之总
和应等于六面体内因密度变化而减少的质量,即:

?( ρu ) [
x

?x

? ( ρu y ) ? ( ρ u z ) ?ρ + ?y + ]dxdydz = ? dxdydz ?z ?t

流体的连续性微分方程的一般形式:

?ρ ? ( ρ u x ) ? ( ρ u y ) ? ( ρ u z ) + + + =0 ?t ?x ?y ?z

不可压缩流体的连续性微分方程 当为不可压缩流时

ρ = Const



?u y ?u x ?u z + + = 0 ?x ?y ?z

2、理想流体运动微分方程
理想流体:

p x = p y = pz = p
从理想流体中任取一(x,y,z)为中 心的微元六面体为控制体,边长 为dx, dy, dz,中心点压强为 p(x,y,z) 。 受力分析(x方向为例):

z
A'

D' B' N M p(x,y,z) o’ B

C'

?p dx p? ?x 2

dz dx D dy A O

? p dx p+ ?x 2 C

表面力

x

y

2 ?x ?p 右表面 PN = pN A = ( p + dx )dydz 2 ?x

左表面 P = p A = ( p ? dx ?p )dydz M M

质量力
单位质量力在各坐标轴上分量为X,Y,Z,∴质量力为Xρdxdydz x方向(牛顿第二运动定律):



F = ma

dux ?p dx ?p dx (p? )dydz ? ( p + )dydz + X ρ dxdydz = ρ dxdydz ?x 2 ?x 2 dt
1 ?p = dux = ?ux + u ?ux + u ?ux + u ?ux X? x y z ρ ?x dt ?t ?x ?y ?z

理想流体的运动微分方程(欧拉运动微分方程)
1 ?p = dux = ?ux + u ?ux + u ?ux + u ?ux X ? x y z ?z ρ ?x ?t ?x ?y dt duy ?uy ?uy ?uy ?uy 1 ?p = Y ? = + ux + uy + uz dt ?t ?x ?y ?z ρ ?y 1 ?p = duz = ?uz + u ?uz + u ?uz + u ?uz Z ? x y z ?t ?x ?y ?z dt ρ ?z

适用范围:恒定流或非恒定流,可压缩流或不可压缩流体。
du x du y duz , , 若加速度 dt dt dt
欧拉平衡微分方程 等于0,则上式就可转化为

?p ? X ? 1 = 0 ? ρ ?x ? ? ?p Y ? 1 = 0 ? ρ ?y ? ? ?p Z ? 1 = 0 ? ρ ?z ?

3、能量方程的推导
? ?T ? T ? ? ? λ dx ? + dy ? 2 ? ? ?y ?y ?
2

力学第一定律有:导入的净热量+流入 的净热量=系统内的焓增
ρc p ? v + ?
? ? ? ?T ? v ?? dy ?? T + dy ? dx ? ?y ? y ?? ? ??
? ? ? u ?? ?T ? dx ? ? T + dx ? dy ?x ?x ? ??

y

ρ uc p Tdy
微元控制体
?T ? λ dy ?x

ρc p ? u +

O

x

? λ dx

?T ?y

? ? T ? 2T ? ? λ dy ? + dx ? ? ?x ?x 2 ? ? ?

ρ vc p Tdx

? 2T 在x方向上导入的净热量有 + λ 2 dxdy ?x ? 2T 在y方向上导入的净热量 + λ 2 dxdy ?y

在x方向上流入的净热量
?T ? ?u ?? dx ?? T + dx ?dy ?x ? ?x ?? ?u ?T ?u ?T ? ? = ρuc pTdy ? ρc p dy? uT + Tdx + udx + dxdx ? ?x ?x ?x ?x ? ? ?T ?u ?T ?u = ? ρc pT dxdy ? ρc p u dxdy ? ρc p dxdxdy ?x ?x ?x ?x

ρuc pTdy ? ρc p ? u +

? ?

略去高次项后得 ? ρc p ? T ?

?u ?T ? +u ?dxdy ?x ? ? ?x
? ? ? ?y ?y ?

同理得Y方向上流入的净热量 ? ρc p ? T ?v + v ?T ?dxdy ? ?
ρdxdyc p
?T ?τ

单位时间内的微元控制体内的焓增

根据能量守恒:
? ?u ?T ? ?v ?T ? 2T ? 2T ?T ρdxdyc p = λ 2 dxdy + λ 2 dxdy ? ρc p ? T ? ?x + u ?x + T ?y + v ?y ?dxdy ? ?y ?x ?τ ? ?

?T λ = ?τ ρc p

? ? 2T ? 2T ? 2 + ? ?x ?y 2 ?

? ? ? ?u ?v ? ?T ?T ? ? ? ?T ? ? ? ?x + ?y ? + u ?x + v ?y ? ? ? ? ? ? ?
?y

?u y 根据连续性方程: ? u x + = 0 ?x
? ? 2T ? 2T ?T ?T ?T +u +v = a? 2 + ? ?x ?y 2 ?τ ?x ?y ? ? ? ? ?

其中

a=

λ ρc p

对流换热问题完整的数学描写
(不可压缩、常物性、无内热源的二维问题) 质量守恒方程
?u ?x
+ ?v = 0 ?y

动量守恒方程ρ ?u + u ?u + v ?u ) = F (
?τ ?x ?y

?p ? 2u ? 2u +η ( 2 + 2 ) x ? ?x ?x ?y

?v ?v ?v ?p ? 2v ? 2v ρ ( + u + v ) = Fy ? + η ( 2 + 2 ) ?τ ?x ?y ?y ?x ?y

能量守恒方程 ?t

?t ?t λ +u +v = ?τ ?x ?y ρ c p

? ? 2t ? 2t ? ? 2+ 2? ? ?x ?y ?

对流换热定解条件
完整数学描述:对流换热微分方程组 + 定解条件 定解条件包括四项:几何、物理、时间、边界 1、几何条件: 说明对流换热过程中的几何形状和大小,
平板、圆管;竖直圆管、水平圆管;长度、直径等

参数 λ、ρ 、c 和 η 的数值,是否随温度 和压力变化;有无 内热源、大小和分布

2、物理条件:说明对流换热过程的物理特征,如:物性

3、时间条件:在时间上对流换热过程的特点 稳态对流换热过程不需要时间条件 — 与时间无关 4、边界条件:对流换热过程的边界特点, 边界条件可分为二类:第一类、第二类边界条件 (1)第一类边界条件:已知任一瞬间对流换热过程 边界上的温度值 (2)第二类边界条件:已知任一瞬间对流换热过程 边界上的热流密度值

4个方程配上相应的边界条件,可以求解流体的u、 v、p、t 4个未知量。 前面4个方程求出温度场之后,可以利用对流换热 的微分方程式:
h=?

λ ?t
Δt ?y
y =0

计算当地对流换热系数。 但是,在整个复杂流场中求得分析解仍极其困难。


相关文章:
热传递计算题
热传递计算题_初三理化生_理化生_初中教育_教育专区。很基础一、选择题 1、将...用锯条锯木板,锯条的温度升高,是用做功的方式增大了锯条的内能 D.发生沙尘暴时...
热传递的三种方式
热传递的三种方式_初三理化生_理化生_初中教育_教育专区。热传递三种方式的理解{传导、对流、辐射} 热传递的三种方式 热传递的三种方式 的三种热传递是自然界普遍...
热传导公式
热量的传递过程通称热流。发生导热时,沿热流方向上物体各点的温度是不相同的,...对数平均值是化学工程中经常采用的一种方法, 用此法计算结果较准确, 但其计算...
热传递的三种形式
热传导是 固体中热传递的主要方式。在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。各种物质的热传导性 能不同,一般金属都是热的良导体,玻璃、木材、棉毛制品、...
热传导计算
称为温度梯度,即 温度梯度是向量,规定其以温度增加的方向为正.与热量传递方向...两种计算方法的误差为 二,多层圆筒壁的稳定热传导 对具有 n 层的圆筒壁,穿过...
热传递的原理与基本方式
热传递的原理与基本方式 热传递的原理与基本方式 虽然我们常将热称为热能, 但热从严格意义上来说并不能算是一种能量,而 只是一种传递能量的方式。从微观来看,...
热传导计算
散热器规格、芯片功率、环境温度等数据,通过热传导计算来求得芯片工作温度的方法...如图 2 所示,芯片发出的热量通过导热材料传递给 散热器,再通过风扇的高速转动将...
三种热传递方式
热传递方式及计算 62页 2财富值 化工原理 第六章 传热设备... 5页 2财富值 肠胃吸收不好如何解决 1页 免费如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出...
传热的方式计算范例
传热的方式计算范例_工学_高等教育_教育专区。有关低温压力容器方面的传热学的计算范例,漏热核算与校核。1. 传热的方式 热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不...
热传递方向及比大小类计算题
热传递方向及比大小类计算题_理化生_高中教育_教育专区。1.质量相等,温度相同的铁块和一杯水,让它们放出相等的热量,然后把铁块投入 这杯水中,则 A.热量由铁块...
更多相关标签:
热传递的三种方式 | 不属于热传递的方式 | 热传递方式 | 热传递的方式 | 热传递计算 | 热传递三种方式 | 热传递计算公式 | 热传递的方式有三种 |