硅酸盐热工基础课件传热原理
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4.1 硅酸盐工业热工基础-概述
总 之
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热工基础—4 传热过程
4.1.4.2 等温面与等温线 等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点所构成的面 等温线：不同等温面与同一个平面相交的交线。
等温面
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等温线 返回
热工基础—4 传热过程
4.1.4.3 温度梯度 温度梯度：表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。
对流传热根据流动原因不同：
① 自然对流传热：如暖气片附近空气
② 强制对流传热：外界机械作用引起对流
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.3 辐射传热 定义：是一种以电磁波的形式来传递能量的过程。 特点：传递过程不需要任何介质。
例如：火焰的炙烤，太阳的照射。 例如：火焰的炙烤，太阳的照射。
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.2 对流传热 定义：流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。 特点：流体内部发生相对移动。
在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 ① 在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 多数情况下对流传热与热传导并存。 ② 多数情况下对流传热与热传导并存。
△t —冷热物体的温度差 ， ℃；
K —传热系数 ， W/(m2·℃)； ℃
热流量：单位时间通过单位面积所传的热量
Q q = = K ∆t F
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……(4-2)
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热工基础—4 传热过程
4.1.3 热阻
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硅酸盐工业热工基础之--4.3(国)对流换热
意义：表示流体的物性参数。 意义：表示流体的物性参数。
努谢特准数： 努谢特准数： Nu = αl = λ λ 1 α 意义:传导热阻与对流热阻之比 意义 传导热阻与对流热阻之比
l
1
4.3.5对流换热准数方程 对流换热准数方程
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
１．因次分析法 因次和谐性： 因次和谐性：物理方程所包含各项在因次上一致。 基本物理量： 个基本物理量： 基本物理量：国际单位制中7个基本物理量： 个基本物理量 长度（L）、温度（θ）、质量（M）、时间（τ）、量（mol)、 L 电流（A）、埃得拉（(ed) ２．对流换热准数方程 α=f(Φ,l1,l2,l3,Λ,u,tw,tf) 即 或： Nu=AReaPrbGrc Nu=f(Re,Pr,Gr)
Nu = l
计算а
（３）利用牛顿冷却定律计算q
２．常见情况下的对流换热计算 （1） 强制对流 ） 1)流体在圆管内紊流流动
N u f = 0.023Re0f.8 Prn f
适用条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
l Re f = 10 4 ～1.2 × 10 5 ，Pr f = 0.7～120， > 60 d
1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
２．定性温度和定性尺寸 （１）定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 常用定性温度: 常用定性温度
流体与 固体壁平均温度； 固体壁面温度; 流体平均温度.
（２）定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触 定性尺寸： 的几何尺寸。 的几何尺寸。 常见定性尺寸： 常见定性尺寸：
3)流体掠过平板紊流流动 )
N um = (0.037 Rem
努谢特准数： 努谢特准数： Nu = αl = λ λ 1 α 意义:传导热阻与对流热阻之比 意义 传导热阻与对流热阻之比
l
1
4.3.5对流换热准数方程 对流换热准数方程
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
１．因次分析法 因次和谐性： 因次和谐性：物理方程所包含各项在因次上一致。 基本物理量： 个基本物理量： 基本物理量：国际单位制中7个基本物理量： 个基本物理量 长度（L）、温度（θ）、质量（M）、时间（τ）、量（mol)、 L 电流（A）、埃得拉（(ed) ２．对流换热准数方程 α=f(Φ,l1,l2,l3,Λ,u,tw,tf) 即 或： Nu=AReaPrbGrc Nu=f(Re,Pr,Gr)
Nu = l
计算а
（３）利用牛顿冷却定律计算q
２．常见情况下的对流换热计算 （1） 强制对流 ） 1)流体在圆管内紊流流动
N u f = 0.023Re0f.8 Prn f
适用条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
l Re f = 10 4 ～1.2 × 10 5 ，Pr f = 0.7～120， > 60 d
1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
２．定性温度和定性尺寸 （１）定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 常用定性温度: 常用定性温度
流体与 固体壁平均温度； 固体壁面温度; 流体平均温度.
（２）定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触 定性尺寸： 的几何尺寸。 的几何尺寸。 常见定性尺寸： 常见定性尺寸：
3)流体掠过平板紊流流动 )
N um = (0.037 Rem
4.3_硅酸盐工业热工基础_对流换热
由于换热是在内管内表面，所以定性尺寸选内管内径 d = 25mm-2×2.5mm = 20mm = 0.02m
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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热工基础—4 传热过程
校正系数
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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热工基础—4 传热过程
(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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热工基础—4 传热过程
0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
13 :
2030
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不适合长管
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热工基础—4 传热过程
(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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热工基础—4 传热过程
校正系数
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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热工基础—4 传热过程
(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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热工基础—4 传热过程
0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
13 :
2030
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不适合长管
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热工基础—4 传热过程
(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8
硅酸盐工业热工基础之--4.4(国)辐射传热
对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
4.4.2热辐射的基本定律
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.2.1普朗克辐射定律
（1）辐射能力和辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从0～∞范围内的总能量 符号：“E”
辐射能力
单位：W/m2
辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从λ～dλ范围内的辐射能力为 dE，dE与波长间隔的比值
因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小
F1 0 F2
ε
12≈ε 1
12 1
T 4 T T T Qnet ,12 12 C0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ] 1 F1C0 [( 1 ) 4 ( ) ]F1 100 100 100 100
T T ql 1C 0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ]d 100 100
4.4辐射传热 硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.1辐射传热的基本概念
4.4.1.1辐射传热的本质和特点
辐射
物体以电磁波的方式向外传递能量的过程
电磁波谱
对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
热辐射 热射线 辐射传热
由于热的原因而发生的辐射
取决于温度
能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果
空间热阻
1 12 F1
黑休辐射传热 的电热网络图
E01 E02
对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
4.4.3.3灰体间的辐射传热
4.4 硅酸盐工业热工基础- 辐射传热
1200 K
1400 K
λ
0
1
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2
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4
5
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6
(µm)
热工基础—4 传热过程
对 λ ~ Eλ 曲线的讨论： (1) 某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；
(2) 在某一温度下，其辐射能力随波长而变化： λ＝0，Eλ，0＝0；λ↑，Eλ，0↑； 达到最高值后，λ↑，Eλ，0↓。 (3) 温度愈高，最大辐射强度的波长愈短
A0 , E0 , T0
E0(1-A1) E0(1-A1)
E0A1
对于任意物体，发射与吸收的能力差额为
q = E1 − A1 E0
当两壁的辐射达到平衡时，物体吸收与发射的能量相等
E1 = A1 E0
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E1 = E0 A1
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E1 Ⅱ 返回
E1 Ⅰ
热工基础—4 传热过程
克希霍夫定律：
区 分辐射 能力 E 与单色辐射能力 El0，以及 4.4.2.3 斯蒂芬—波尔兹曼定律 (四次方定律) 数学表达式：
T 4 E0 = C0 ( ) ……(4-69) 100
(W/m2)
C0 = 5.669W /(m2·K4)
物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比 。 上一内容 下一内容 回主目录
② 完整性
完整性
Q11 + Q12 + Q13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + Q1n = Q1 Q1n Q11 Q12 Q13 + + + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + =1 Q1 Q1 Q1 Q1
ϕ11 + ϕ12 + ϕ13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +ϕ1n = 1
2.4 综合传热-硅酸盐热工基础
(1) 传统窑炉（非中空窑）： tw1 tm（tm是物料温度，由工艺制度规定） 属于第一类边界条件（温度已知）。
(2) 现代窑（如梭式窑、辊道窑、中空窑等）： tf>tw1>tm，属于第二类边界条件（q = const）
• • 关于外壁面散热
已知tw2，属于第三类边界条件。
Q 综2 tw2 t f 2 Fw
值计算；
(b) 修改数学模型。
2.5
• 其中自由对流不仅取决于流体的物性和过程 强度，还取决于空间的形状和大小，对流换 热系数包括有两个壁面上的对流换热以及空 气层的导热。
• 隔热作用评价标准：
(1) RQ
(2) t
(3) t w2
• 因为高温区辐射很强，所以在高温区不能利 用空气夹层来隔热。
• • 由内壁面温度tw1计算散热
Qnet,
fm
fmC0
Tf 100
4
Tm 100
4
Fm
其中火焰至物料系统导来黑度：
fm
f
f m[1 wm (1 f )] wm (1 f )[m f (1 m )]
式中 wm
Fm Fw
若考虑火焰对物料的对流换热，则净热量：
(3) 窑墙外表面向外界大气的对流和辐射传热。
其热—电模拟电路：
R对1
R对2
tf1 •
•tw1
tw2•
• tf2
R辐1
R导
R辐2
Q
三个子过程：
(1) 流体1壁面w1
Q 综1 t f 1 tw1 Fw
[W]
其中： 综1 对1 辐1
(2) 现代窑（如梭式窑、辊道窑、中空窑等）： tf>tw1>tm，属于第二类边界条件（q = const）
• • 关于外壁面散热
已知tw2，属于第三类边界条件。
Q 综2 tw2 t f 2 Fw
值计算；
(b) 修改数学模型。
2.5
• 其中自由对流不仅取决于流体的物性和过程 强度，还取决于空间的形状和大小，对流换 热系数包括有两个壁面上的对流换热以及空 气层的导热。
• 隔热作用评价标准：
(1) RQ
(2) t
(3) t w2
• 因为高温区辐射很强，所以在高温区不能利 用空气夹层来隔热。
• • 由内壁面温度tw1计算散热
Qnet,
fm
fmC0
Tf 100
4
Tm 100
4
Fm
其中火焰至物料系统导来黑度：
fm
f
f m[1 wm (1 f )] wm (1 f )[m f (1 m )]
式中 wm
Fm Fw
若考虑火焰对物料的对流换热，则净热量：
(3) 窑墙外表面向外界大气的对流和辐射传热。
其热—电模拟电路：
R对1
R对2
tf1 •
•tw1
tw2•
• tf2
R辐1
R导
R辐2
Q
三个子过程：
(1) 流体1壁面w1
Q 综1 t f 1 tw1 Fw
[W]
其中： 综1 对1 辐1
硅酸盐工业热工基础
具。
P7
1. 绪论
❖ 新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工 ❖ 金坛三星村新石器时代遗址
❖ 孟津妯娌新石器时代聚落遗址
P8
P9
P10
P11
1. 绪论
❖(三) 青铜器时代 Bronze Age：人类大量制造和使用第二 种人造材料——“红铜”和“青铜”。
❖ 烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术， 生产出各种青铜器物，进入了青铜器时代。
P13
1. 绪论
❖(三) 铁器时代 Iron Age：人们开始使用铁来制造工具和 武器的时代。
❖ 人类制造和使用的第三种人造材料——铸铁，此后是钢 铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和 物质基础。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术 之后，铁器时代就到来了。
❖ 世界上最早使用铁器是小亚细亚的赫梯人在公元前1400 年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。 中国最早在春秋战国－晋国(大致公元前700年)，铁器的 广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域， 生产力得到极大的提高。
P23
1. 绪论
❖ 硅酸盐材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成 分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。
❖ 1、陶瓷
❖ 中国是世界著名的陶瓷古国，早在八千年前的新石器时 代，我国的先民就已经会制造和使用陶瓷了。陶瓷一般 是由黏土、长石、石英或其他原料经粉碎、混合、成型、 干燥、烧制而成的制品的统称。
❖ 人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。纵观 人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种 重要新材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的 能力提高到一个新 古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大 地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关 键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁 器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，即石 器时代、青铜器时代、铁器时代等。
P7
1. 绪论
❖ 新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工 ❖ 金坛三星村新石器时代遗址
❖ 孟津妯娌新石器时代聚落遗址
P8
P9
P10
P11
1. 绪论
❖(三) 青铜器时代 Bronze Age：人类大量制造和使用第二 种人造材料——“红铜”和“青铜”。
❖ 烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术， 生产出各种青铜器物，进入了青铜器时代。
P13
1. 绪论
❖(三) 铁器时代 Iron Age：人们开始使用铁来制造工具和 武器的时代。
❖ 人类制造和使用的第三种人造材料——铸铁，此后是钢 铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和 物质基础。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术 之后，铁器时代就到来了。
❖ 世界上最早使用铁器是小亚细亚的赫梯人在公元前1400 年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。 中国最早在春秋战国－晋国(大致公元前700年)，铁器的 广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域， 生产力得到极大的提高。
P23
1. 绪论
❖ 硅酸盐材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成 分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。
❖ 1、陶瓷
❖ 中国是世界著名的陶瓷古国，早在八千年前的新石器时 代，我国的先民就已经会制造和使用陶瓷了。陶瓷一般 是由黏土、长石、石英或其他原料经粉碎、混合、成型、 干燥、烧制而成的制品的统称。
❖ 人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。纵观 人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种 重要新材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的 能力提高到一个新 古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大 地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关 键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁 器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，即石 器时代、青铜器时代、铁器时代等。
2.2对流换热
欧拉准数
Eu p
2
表示(biǎoshì)意义：流体静压头与动压头之比
雷诺准数 Re l 表示意义：表 示流体惯性力与粘滞阻力之比
葛拉晓夫表准示数意义：Gr流体g浮升t2力3l与3 粘滞阻力之比
31
第三十一页，共五十八页。
硅酸盐工业热工基础
（３）热力学相似(xiānɡ sì)
普朗特数
Pr
a
反映流体中由于分子运动而扩散动量的能力，能 力越大，黏性影响传递地越远，流动边界层越厚
αλ α
9
第九页，共五十八页。
解
硅酸盐工业热工基础
A(tair1
ts1)
A ts2 ts1
d
A(ts2
tair 2 )
A[(tair1
tair 2 )
(ts1
ts2 )]
A
ts1
ts2 d
2
(ts1
ts2)
(tair1 tair 2 )
1 2
d
A ts2 ts1
d
A
d
(tair1 tair
硅酸盐工业热工基础
2.2 对流(duìliú)换热
2.2.1 对流换热基本概念
１．对流传(liúchuán)热与对流换热 对流传热：在流体内部依靠流体的宏观位移将热量从高 温处传向低温处 对流换热：流体与固体之间接触时彼此之间的换热过程。
２．对流换热与对流传热的区别 传热的方式不同：对流换热包括流体位移时的对流传热， 也包括传导
竖直圆管、水平圆管；长度、直径等
2、物理条件：说明对流换热过程的物理特征，如：物性参数 、
c 和 的数值，是否随温度 和压力变化；有无内热源、大小和分布
28
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扩展视野：材料的 生产、分类、生产 过程
2020/5/15
5
0-2 热工基础的实际应用
1、设计中窑型及尺寸、通风、冷却、烘干、燃烧设备
2、生产中 3、科研中
提高产、质量；降低热耗 热工标定 新型燃烧设备
2020/5/15
6
0-3 课程内容
气体力学 燃料及其燃烧 传热 干燥过程
2020/5/15
硅酸盐工业热工 基础
白雪主讲
2020/5/15
1
教材：《硅酸盐工业热工基础》
孙晋涛 编 武汉理工大学出版社出版 参ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ书：
《传热学》杨世铭 陶文銓 编
高等教育出版社出版
2020/5/15
2
热工基础课程的考核方法与学习要求
考核方法：百分制 1. 平时作业成绩占20％； 2. 期末考试占80％。
学习要求： 1. 按时、独立、认真完成作业； 2. 认真听课，遵守课堂纪律。
2020/5/15
3
绪论
0-1 热工过程
2020/5/15
4
关于本课程的基本概念和术语
热工：关于热的工程 技术
热物理过程（热过 程）：
过程：
原料→各种方式的处 理→产品
热物理过程（热过 程）： 原料→高温 条件处理 →产品
热工过程的两个基 本问题：热的产生； 热的传递（热交换）
热工设备：热的产 生和传递需要的空 间和装置
7
中国与日本工业能耗比较
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0 吨煤/吨钢
2020/5/15
吨煤/吨合成氨
总利用率
中国 日本
8
中国发电的平均耗煤量
g / kW. h 600
500
400
300
200
100
0
60
70
80
91
97
2020/5/15
中国 世界先进
9
2020/5/15
10
2020/5/15
11
2020/5/15
12
2020/5/15
5
0-2 热工基础的实际应用
1、设计中窑型及尺寸、通风、冷却、烘干、燃烧设备
2、生产中 3、科研中
提高产、质量；降低热耗 热工标定 新型燃烧设备
2020/5/15
6
0-3 课程内容
气体力学 燃料及其燃烧 传热 干燥过程
2020/5/15
硅酸盐工业热工 基础
白雪主讲
2020/5/15
1
教材：《硅酸盐工业热工基础》
孙晋涛 编 武汉理工大学出版社出版 参ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ书：
《传热学》杨世铭 陶文銓 编
高等教育出版社出版
2020/5/15
2
热工基础课程的考核方法与学习要求
考核方法：百分制 1. 平时作业成绩占20％； 2. 期末考试占80％。
学习要求： 1. 按时、独立、认真完成作业； 2. 认真听课，遵守课堂纪律。
2020/5/15
3
绪论
0-1 热工过程
2020/5/15
4
关于本课程的基本概念和术语
热工：关于热的工程 技术
热物理过程（热过 程）：
过程：
原料→各种方式的处 理→产品
热物理过程（热过 程）： 原料→高温 条件处理 →产品
热工过程的两个基 本问题：热的产生； 热的传递（热交换）
热工设备：热的产 生和传递需要的空 间和装置
7
中国与日本工业能耗比较
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0 吨煤/吨钢
2020/5/15
吨煤/吨合成氨
总利用率
中国 日本
8
中国发电的平均耗煤量
g / kW. h 600
500
400
300
200
100
0
60
70
80
91
97
2020/5/15
中国 世界先进
9
2020/5/15
10
2020/5/15
11
2020/5/15
12