热工基础报告

热工基础在工业中的应用

姓名:

学号:

班级:

目录

一:热工基础的发展历史 (1)

1、热力学发展 (1)

2、传热学发展 (1)

二、工业中的应用概述 (3)

1、传热学在传统工业机械领域与农业机械领域中的应用 (3)

2、在机械高新技术领域中的应用 (3)

三、真空井式退火炉 (5)

型号简介 (5)

结构简介 (5)

一:热工基础的发展历史1

1、热力学发展

古代人类早就学会了取火与用火,不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末,人们还不能正确区分温度与热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下,人们误认为物体的温度高就是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标与1742～1745年摄氏温标的建立,才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术,为科学地观测热现象提供了测试手段,使热学走上了近代实验科学的道路。

1798年,朗福德观察到用钻头钻炮筒时,消耗机械功的结果使钻头与筒身都升温。1799年,英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化,这显然无法由“热质说”得到解释。1842年,迈尔提出了能量守恒理论,认定热就是能的一种形式,可与机械能互相转化,并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。

英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念,1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年,焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就就是以她的名字命名的。

热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年,法国人卡诺提出著名的卡诺定理,指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限,这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响,她的证明方法还有错误。1848年,英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年与1851年,德国的克劳修斯与开尔文先后提出了热力学第二定律,并在此基础上重新证明了卡诺定理。

1850～1854年,克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律与第二定律的确认,对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论,正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学,它成为研究热机工作原理的理论基础,使内燃机、汽轮机、燃气轮机与喷气推进机等相继取得迅速进展。

与此同时,在应用热力学理论研究物质性质的过程中,还发展了热力学的数学理论,找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数,研究了物质在相变、化学反应与溶液特性方面所遵循的各种规律。1906年,德国的能斯脱在观察低温现象与化学反应中发现热定理;1912年,这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。

二十世纪初以来,对超高压、超高温水蒸汽等物性,与极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视,人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

2、传热学发展

传热学作为学科形成于19世纪。在热对流方面,英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时,提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式,不过它并没有揭示出对流换热的机理。

对流换热的真正发展就是19世纪末叶以后的事情。1904年德国物理学家普朗特的边界层理论与1915年努塞尔的因次分析,为从理论与实验上正确理解与定量研究对流换热奠定了基础。1929年,施密特指出了传质与传热的类同之处。在热传导方面,法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果就是导热定律的最早表述。稍后,法国的傅里叶运用数理方法,更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式。

热辐射方面的理论比较复杂。1860年,基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体,论证了在相同温度下以黑体的辐射率(黑度)为最大,并指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等,被后人称为基尔霍夫定律。

1878年,斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实,1884年又为玻耳兹曼在理论上所证明,称为斯忒藩-玻耳兹曼定律,俗称四次方定律。1900年,普朗克在研究空腔黑体辐射时,得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系,还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。

20世纪以前,传热学就是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。20世纪

以后,传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展,越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学与机械工程学等一些学科相互渗透,形成多相传热、非牛顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热与数值计算传热等许多重要分支。

二、工业中的应用概述

1、传热学在传统工业机械领域与农业机械领域中的应用

(1) 在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中,存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题。在精密机械与精密仪器的制造与使用过程中,热应力与热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导。

(2) 在各类机械控制方面,即在强电或弱电方面的应用,元器件的有效冷却与设备的更新换代都与强化传热研究有关。例如大型发电机的转子、定子绕组与定子铁心的冷却就就是典型的对流传热问题。近百年来单机容量从几万干瓦扩大到百万千瓦,很大程度上就是靠冷却技术的不断改进得以实现的,从空冷、氢冷发展到水冷,冷却技术的进步显著提高了电磁负荷强度与材料的利用率。

(3) 农业机械就是指在作物种植业与畜牧业生产过程中,以及农、畜产品初加工与处理过程中所使用的各种机械。农业机械包括农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作机械、种植与施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械、农产品加工机械、畜牧业机械与农业运输机械等。各种机械的研发设计都离不开《热工基础》(工程热力学与传热学)这一门学科。

2、在机械高新技术领域中的应用

(1) 航空航天领域就是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美国航空与宇宙航行局(NASA)所作的技术分析,美国航天飞机的技术关键只有一个半,这半个就是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系),而那一个关键则就是所谓“热防护系统”(TPS),即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。

(2) 生物传热学就是近年才发展起来的新兴传热学科分支。虽然远末达到完善的程度,却已经显示出强大的生命力与令人鼓舞的应用前景。它就是由生物学、临床医学与传热学多个学科领域交叉形成的一门新学科,其目的在于通过把传热学的基本原理与研究方法、手段引入到生物与医学工程领域中,探讨物质与能量在生物体内的传输规律,以便为诸多至今末解开的生物医学难题寻求有效的解决方案。在这一领域产生了各种新兴的机械,而这些机械的研发设计都离不开工程热力学与传热学。

(3) 以化石燃料(煤炭、石油与天然气)为主构成的常规能源终将耗尽,而且已经为期不远。以太阳能、地热能、海洋能(包括海洋温差与波浪能)以及效率更高的发电方式,如氢燃料电池、磁流体发电乃至可控核聚变为代表的新能源总要逐步走向前台,成为人类的主要消费能源。能源的短缺,促进各种耗能机械朝着节能或者新能源方向发展,每一类新能源的发现都促进某一类机械的出现迅速发展,而这些新能源机械的出现与发展都与传热学有着密切的联系。

(4) 以计算机芯片为代表的微电子元器件发展迅速,随着芯片体积微型化,线宽

迅速下降,芯片表面的热流密度已经超过l06w／m2,因此有“热障”之说,这对微型化高效冷却技术提出了极高的要求。近年用于高端服务器与桌面工作站的新型空气冷却装置的冷却能力也已经达到l05w／m2。

(5) 现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、铣、刨,像激光钻孔、激光切割这类高热流、超短时间的新型加工手段已经用于石油钻井管等一些有特殊要求的场合,并取得了良好的技术与经济效益。这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题己不能再用传统的导热理论来分析,而必须加入对热量传输速度的考虑,这类问题被称为“非傅里叶导热”。这就是在机械生产设备领域的又一个里程碑。又如钛及其合金的加工,由于钛及其合金阴传热率低,在其切削加工过程中,由切屑的塑性变形、切屑与刀具之间的滑动摩擦等产生热量,不能及时散发,而集中在刀具刀刃上,造成刀具寿命降低,加工质量差等,其实不仅仅就是钛合金,像其她一些新材料都有不同的加工难题。因此正确选用加工条件,合理运用传热学的理论进行导热,显得极其重要,不仅可以提高切削加工速率,延长刀具与设备寿命,还可提高加工件的加工质量。

(6) 军事领域里的机械用到的传热知识更就是数不胜数。从历史上瞧,相当多的传热技术就是从军事用途开始发展并逐步走向完善与大规模应用的。例如战斗机燃气涡轮发动机的技术参数一贯代表这一领域的最高水平。再如红外摄像装置与传感器,最早也仅用于军事目的,像侦察用的夜视仪、导弹的红外跟踪寻的装置等。

(7) 各种材料的热处理,例如金属材料的锻造、铸造、淬火、退火、回火,还有一些工程塑料的注塑成型等都离不开温度的控制。机械零件的制造离不开以上的几种加工处理手段,而以上的加工方法离不开《热工基础》(工程热力学与传热学)。

三、真空井式退火炉

型号简介

RZJ-60-4型预抽真空井式退火炉系非标周期作业炉。主要用于铜包铝线材、铜包铝镁线材等产品在额定350℃以下真空状态中进行无氧退火热处理加热。

1、炉罐有效装料区尺寸: Φ1300X1300mm;

2、炉罐最大有效装料重量: 2000㎏;

3、额定温度: 350℃ ;

4、额定功率: 60kw±10﹪;

5、控温区数: 3区控温;3区监测

6、控温精度: ±1℃;(以炉罐为主控)

7、炉罐温度均匀性: ±5℃;

8、升温速度:(至350℃) 空炉 150min;实炉200min;

9、炉罐极限真空度: ≤10Pa;

10、炉罐压升率: ≤10Pa/h

11、炉体表面温升: ≤40℃:

12、控温方式: PID+可编程

结构简介

本系列真空退火炉主要由炉体、加热元件、炉盖总成、炉罐、料架、导流筒、冷却桶、预抽真空系统、充放氮气系统及温度控制系统等部分组成。

1、炉体:

1)、炉壳:炉壳采用Q235A钢板与型钢焊接成圆筒形结构,保证足够的刚度与强度能承重炉罐而不影响炉衬的稳固,侧面钢板厚度≥6mm。

2)、炉衬:

炉衬炉体部分采用优质砖纤维复合结构形式砌筑而成。炉膛采用高强度轻质节能型耐火砖砌筑,炉膛与炉壳之间的保温层填充硅酸铝纤维棉作为保温材料,保温节能绝缘性好,炉壳的表面温升不超过38℃,炉底面采用重质砖砌筑。该结构型式炉衬低密度低热容量,大大减少了该炉衬蓄热量,意味着炉衬吸收热量少,同功率炉升温快,节能显著等优点,炉体外表温升≤45℃。

整台炉子的砌筑严格按照国家筑炉标准执行。

3)、防护圈:在炉口处采用耐热钢护圈,以保护炉衬及加热元件不被频繁吊出吊入的炉罐撞坏。

2、加热元件:

加热元件采用高温电热合金丝(材质:0Cr25Al5),绕制成螺旋管状,置于炉膛周围搁砖上,用小钩定位,低表面负荷 (≤1、4w/cm2)长寿命设计。

电热元件引出棒局部集中引出,并设防护罩;

加热元件绕制表面平整光滑,无明显裂纹与划伤;

3、炉盖总成:

主要由厚板法兰、耐热钢绝热箱、进气装置、转子流量计、排气装置、真空充排气阀、抽空管路、真空压力表、恒压装置、电热偶、安全阀、密封的均温用强对流风机、耐热风扇、导风板等组成。炉盖上的真空管路、充排气管路等连接,全部采用真空卡箍连接,方便拆卸与检修。

1)、厚板法兰盖板:采用优质Q235A钢板制成(厚度25mm),具有高的强度,防止使用时间长后盖板变形,导致炉子密封性能降低。在靠近密封圈处加水冷套。为提高冷却效果,降低炉盖表面升温,上下同时加水冷套。

2)、隔热包:采用Q345耐热钢板焊接制成(厚度5mm),内置硅酸铝纤维毯塞紧。隔热性能好、隔热包密封安全可靠。

3)、炉盖风机:风机用电机采用水冷真空密封炉用电机,主轴及叶轮均采用Q345耐热钢制成,风扇为大风量离心式风扇。

该风机风量大、使用寿命长、转动平稳、无噪音。

4)、导风板:采用Q345耐热钢钢板焊接制成,厚度6mm,耐高温、不变形,与导风筒配合能较好实现热风循环。

5)、在炉盖上装有水源分配器与电力分配器。

4、炉罐:

采用Q345耐热钢板密封焊接制成,厚度10mm,炉口采用水冷橡胶密封,连接螺钉采用跌倒式螺钉。在罐身发兰下部设置高度为100mm的冷却水套。内有料架托盘、导流桶。

5、料架料盘、导流筒:

采用Q345耐热钢钢板焊接制成,导流筒厚度5mm并压制波纹。炉盖下端导风板与导流筒配合使用,使炉内形成热风循环,要求对流循环流畅、加热与冷却均匀、耐

高温、不变形。

6、冷却桶:

采用Q235A钢板与型钢焊接制成,保证高的强度。桶底配有风机,具有风冷功能,采用两台风机螺旋式吹风冷却、冷却均匀。风机选用2、2kw,4-68型离心风机,具有较高风压579pa,每台风机风量最大可达7245m3/h,具有足够风冷却量,能确保冷却速度的要求,并且风力可调。

装料架:(参照甲方提供的装料尺寸制造,材料选用Q345,料盘钢板厚度(8mm)保证使用寿命2年以上不变形)

2套(共2个吊架、20个料盘)

7、预抽真空系统:

1)、真空泵:采用2X-70A旋片式真空泵,抽空软管采用真空胶管。

2)、真空度检测仪:采用数显式电阻真空计;

3)、真空管路:抽真空接管安装在炉罐盖上,高出盖顶300mm以上,管外设置冷水套。

4)、抽空阀:采用国产名优真空电磁阀,能承受正压而不泄漏,阀的使用寿命保证在两年以上,且不漏气。具有真空泵出现故障时,自动关闭真空阀,以防止真空泵油返回罐内的功能。

8、充放氮器系统:

包括氮气软管(耐高温且在频繁使用中不会开裂)、转子流量计、安全阀、氮气充放气阀、管路、数显压力控制表等构成;

真空与保护气氛控制流程:在冷炉状态(或炉温低于200℃),打开自动运行开关,真空泵运行,抽空电磁阀将自动关闭,同时自动打开大流量进气阀充氮气,当压力达到工艺设定值时,大流量进气阀自动关闭,小流量进气阀自动打开进气,此时压力由数显压力控制表控制,达到设定最大压力值时,放气阀自动放气,放气至设定的最小压力值时,放气阀关闭,小流量进气阀自动打开进气,如此反复。此过程自动控制,也可手动控制。

1)、氮气进、排气管:材料采用0Cr18Ni9不锈钢管,高出盖顶300mm以上,管外设置冷水套。氮气软管与管路之间采用快换接头连接。

2)、数显压力控制表:采用日本导电

3)、充放气阀:采用进口电磁阀,寿命保证在两年以上。

9、温度控制系统:

由具有编程功能的温控仪控制,采用PID编程控制方式,采用罐内3区控温(采用铠装热电偶精确测温),炉膛3区检测温度,以保证罐内的均温性,不采用可控硅调功器而采用移相控制。温控仪具有故障查询及报警系统;

1)、温控表:温控仪表均采用日本导电SRS13型PID智能程序温控仪;

2)、记录仪:采用重庆横河川仪AX110-4-3/A1/Z型无纸记录仪记录各种工艺参数、电器参数,对全过程进行记录与监控,能适时显示、记录一个炉罐加热与另一个炉罐冷却的温度曲线,并可储存、打印;

3)、热电偶:热电偶采用双芯“K”分度热电偶。热电偶线采用有隔热层的多芯电偶线。电偶插件采用专用电偶插头、插座。

4)、自动控制系统:自动控制系统由PLC、继电器等组成,PLC将来自现场的位置信号、停启信号、抽空指示信号、通气信号、降温速率指示信号、泄压信号等处理并发出指令完成系统的可编程自动远行控制。

5)、控制电缆:控制电缆采用隔热、机械防护的进口专用电缆线。

第一种装置就是填砂微观模型。

这种装置可以在普通的显微镜下进行微观渗流的研究,可以无数次使用。把它设计成可以自由拆装的灵活形式,可以任意更换填砂的类型及任意改变孔隙介质的渗透率,可以用于类似性质的任何微观实验研究。图2一1就是其结构图,该装置由十四个不同的部件组成,它们分别就是:1一下底座,2一固定螺母,3一注入液导管,4一下载玻璃片,5一上载玻璃片,6一密封环,7一下压紧环,8一上压紧环,9一端盖,10一调整垫片,11一压紧螺钉,12一上底座,13一微观特性实验室,14一观察

窗。

第二种装置就是光刻玻璃微观模型。

这种装置就是在光刻显微观察仪器下进行微观实验。由于一般的光刻玻璃模型中的孔隙太大,满足不了观察乳状液渗流机理目的的要求,研制了一种填砂光刻玻璃模型。光刻玻璃模型由两片玻璃烧结而成。其中一片为光刻玻璃,上面刻有许多模拟孔隙介质孔隙结构的凹槽,由于光刻凹槽的孔隙尺寸过大,不能满足实验目的要求,因此我们在光刻凹槽内填入一定量的石英砂,根据欲形成孔隙的大小,将不同颗粒大小的石英砂,按照一定的比例填撒在光刻玻璃的凹槽内。另一块玻璃则盖在光刻玻璃的上面,在特定压力作用下,将其放在恒温箱中在特定温度下烧制而成光刻填砂微观模型。