加热介质与工件表面的传热过程优化

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面的热量有如下关系：式中 Qc——单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量，J/h；t介——介质温度，℃；t工——工件表面温度，℃；αc——对流传热系数，J/；F——热交换面积，m2。它使流体质点与工件表面热交换后不能及时离开，影响传热。热射线的传播过程称为热辐射。当发热体与工件之间存在挡板等遮热物时，将使辐射传热量减少。

1.对流传热

对流传热时，热量的传递靠发热体与工件之间流体的流动进行。流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流动至工件表面时将其热量又借热传导传递给工件表面。对流过程中，相互对流的粒子相遇时也要发生热交换。因此，对流传热和流体的转移密切相关。

对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面的热量有如下关系：

式中 Qc——单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量，J/h；

t介——介质温度，℃；

t工——工件表面温度，℃；

αc——对流传热系数，J/(m2·h·℃)；

F——热交换面积(工件与流体接触面积)，m2。

由对流传热的物理过程可以看出，对流传热过程的传热系数对热量的传递起着重要的作用，影响传热系数αc的因素很复杂，主要包括以下几种。

1)传热流体运动情况

作为传递热量的流体，其运动状态可分为静止和强迫流动两种。静止状态的液体或气体在加热过程中由于靠近热源与远离热源(工件附近)处的温度不同，其密度也不同，因而发生自然对流，其热量的传递就靠自然对流进行，因此其传热系数αc较小。

强迫流动是指用外加动力强制流体运动，如气体炉用风扇强制气体循环等。由于此时流体运动速度快，因此传热系数较大。强迫流动时，如果流体沿着工件表面一层层有规则地流动，则称为层流。它使流体质点与工件表面热交换后不能及时离开，影响传热。当流体不规则地流过工件表面时，流体质点能在热交换后较快地离开工件表面，因而有利于传热。流体的这种不规则运动，称为紊流。紊流的传热系数大于层流的传热系数。当以空气作为加热介质并沿着单个的圆柱方向流动时，其对流传热系数为

式中 D——圆柱体直径，m；

ΔT——空气和圆柱体的温差，℃；

ω——空气流动速度，m/s。

2)流体的物理性质

流体的导热系数、比热及密度越大，传热系数αc越大；黏度系数越大，越不易流动，传热系数则越小。

3)工件表面形状及其在炉内放置位置

工件表面形状及其在炉内放置位置(或方式)不同，传热系数也不同。工件形状和放置位置对流体流动越有利，则传热系数越大。

2.辐射传热

当物体的温度大于绝对零度时，就能从表面放出辐射能，温度越高，辐射出的总能量就越大。辐射能的载运体是电磁波。波长为0.1～100μm的辐射能被物体吸收后变为热能，而波长在此范围内的电磁波为热射线。热射线的传播过程称为热辐射。物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量为

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式中 T——物体的绝对温度，K；

c——辐射系数，J/(m2·h·K4)。

c＝20.52kJ/(m2·h·K4)的物体称为绝对黑体，即辐射来的能量全部吸收，常以c0表示。在相同温度下，一切物体的辐射能以黑体为最大，即c<c0。

工件放在炉内加热时，一方面要接受从发热体、炉壁等辐射来的能量，但一般金属材料均非绝对黑体，因此对辐射来的能量不可能全部吸收，有部分热量要反射出去；另一方面，工件本身也要辐射出去一部分热量。因而用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量，减去反射的热量及自身辐射的热量。在辐射传热时工件表面所吸收的热量Qr可用下式表示，即

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式中 An——相当吸收率，与工件表面黑度、发热体表面黑度、工件相对于发热体的位置及炉内介质等有关；

T1——发热体(或炉壁)的绝对温度，K；

T2——工件表面的绝对温度，K；

F——工件吸收热量Qr的表面积，m2。

当发热体与工件之间存在挡板等遮热物时，将使辐射传热量减少。例如，两平行板间发生辐射传热时，若中间放置另一块平板，计算表明，其辐射传热量将减少一半，这种作用称为遮热作用。

当发热体与工件之间存在气体介质时，则这些气体将吸收辐射能。有些气体吸收辐射能的数量极少，可以近似地认为它们不吸收辐射能，如单原子气体H2、O2、N2等；但是另外一些气体，如CO2、H2O等都能吸收较多的能量。气体吸收射线的波长具有选择性，亦即对有些波长范围内的射线不吸收，而对另一些波长范围内的射线有吸收作用。当射线经过气体时，其能量在行进过程中逐渐被吸收，剩余的能量则透过气体。气体层的厚度越大，压力越大，吸收能力也越强。所有气体对射线的反射率都等于零。气体本身也辐射能量，其辐射能力与绝对温度的四次方成比例。

3.传导传热

传导传热是通过传热物质质点间的相互碰撞进行热量传递。传热物质质点在原位做热振动时，它们之间的互相碰撞，促使具有较高能量的质点把部分能量(热量)传递给能量较低的质点。温度是表征物体内能高低的一种状态参数，因此，热传导过程是温度较高(内能较高)的物质向温度较低(内能较低)的物质传递热量的过程。热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量，即热流量密度q[J/(m2·h)]表示，其公式为

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式中 λ——热传导系数，J/(m·h·℃)；

——温度梯度；

- ——(负号)表示热流量方向和温度梯度方向相反。

4.综合传热

在实际工件加热过程中，上述三种传热方式往往同时存在，但会依据加热介质、加热温度的不同以其中一种或两种传热方式为主。同时考虑上述三种传热方式的称为综合传热，其传热效果可以认为是三种传热的单独传热结果之和，即

式中 Qc、Qr和Qcd分别表示对流传热、辐射传热和热传导传热的热量。

由于这三种传热过程很难截然分开，所以在工件加热时往往综合考虑，并以下式表示：

式中 α——综合传热系数，J/(m2·h·℃)。

且α＝αc＋αr＋αcd，其中αc，αr和αcd分别表示对流传热、辐射传热和热传导传热的传热系数。

5.加热介质对传热系数α的影响

热处理加热时，常用的加热介质有空气、惰性气体(氮气、氨气)、氨热分解气体、CO-H2-N2-H2O-CO2、N2-CO-H2混合气体、熔融盐类液体和熔融金属液体等。流态化炉(也称为流动粒子炉)在生产上也有应用，因为它的加热介质常为石墨粒子或砂粒(如石英砂等)，因此可以把它视为固体介质。真空加热在热处理加热中也有广泛的应用，其本质是在稀薄的空气介质中加热。

1)流态化炉中加热的特点

采用石墨粒子作为流态化物质时，石墨粒子既作为电阻发热体，又作为加热介质(石英砂只作加热介质用)。因为内热式流态化炉(类似于内热式盐炉)中，石墨粒子放在两电极之间，石墨是导体，故两电极通过石墨导电。当流态化炉工作时，一定压力和流量的气流由炉底通入炉内，吹动石墨粒子上下翻滚，犹如加热液体沸腾一样，两极间石墨粒子之间时而接触，时而分离，产生一定电阻，电流流过时发热。与此同时，通过对流直接接触及辐射将热量传给工件。据试验，在流态化炉中加热时，在高温时辐射传热约占50%。在850℃时石墨粒子流态化炉的传热系数α＝1758kJ/(m2·h·℃)，相当于中温盐炉的传热系数。

2)在液态介质(熔盐或金属)中加热的特点

工件在液体介质中加热时，以热传导为主，兼有辐射传热及对流传热。当以综合传热公式表示时，其传热系数则与液体的导热系数、比热、密度有很大关系。例如，在相同加热温度下，铅浴的传热系数比盐浴大一倍以上。有人测定50%KCl＋50%NaCl盐浴在900℃时的传热系数为2261kJ/(m2·h·℃)。

3)在气体介质中加热的特点

在气体介质中加热时，在高温区以辐射传热为主，而在低于600℃的循环气体炉中则以对流传热为主，在中间温度区域(如中温淬火加热)两者均有一定作用，故在可控气氛加热时安装气流循环风扇，不仅对炉内气氛成分均匀有很重要的作用，而且对加速传热也有一定作用。表1-1为钢材在不同温度、不同介质中加热时的传热系数计算值αt(炉温与工件最终加热温度差为10℃)及不同气流速度下的经验传热系数αe值。由于用可控气氛光亮加热时工件表面光洁，黑度较小，故传热系数小。

4)真空加热的特点

真空加热时为辐射传热。由于表面光洁，黑度更小，因而传热系数计算值αt较光亮加热时更小。

表1-1　传热系数计算值αt和经验传热系数αe

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加热介质与工件表面的传热过程优化

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