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陶瓷干燥与烧成技术:导热系数的重要性

【摘要】:(二)导热系数导热系数是指单位温度梯度下,单位时间通过单位面积的热量。它是衡量物质导热能力大小的物理量,不同物质的导热系数相差很大。表1-3-1中列出几种常见气体的导热系数值。除去水和甘油外,绝大多数的液体导热系数随温度升高而略有减小。绝大部分耐火材料的导热系数随温度升高而增大。这是一个切实可行的办法,因此,在窑炉砌筑中,常常采用导热系数小的轻质隔热材料。

(一)导热的基本定律——傅立叶定律

傅立叶在实验的基础上得出了导热的基本规律,即在导热过程中单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比。即

式中:λ——比例系数,称为导热系数,W/(m·℃);

S——传热面积,m2

式中的负号表示热流与温度梯度方向相反。

(二)导热系数

导热系数是指单位温度梯度下,单位时间通过单位面积的热量。它是衡量物质导热能力大小的物理量,不同物质的导热系数相差很大。各种物质的导热系数都是用实验方法测定的,可从有关手册中查得。

1.气体的导热系数

大多数气体的导热系数都很小,在0.0058W/(m·℃)~0.58W/(m·℃)的范围内。气体的导热系数随温度的升高而增大。表1-3-1中列出几种常见气体的导热系数值。

2.液体的导热系数

液体分金属液体和非金属液体两类。在非金属液体中,导热系数在0.093W/(m·℃)~0.7W/(m·℃)范围内。除去水和甘油外,绝大多数的液体导热系数随温度升高而略有减小。

表1-3-1 常见气体的导热系数

表中废气成分为:φCO2——13%;φH2O——11%;φN2——76%

3.固体的导热系数

(1)金属材料 金属的导热系数在2.3W/(m·℃)~417.6W/(m·℃)范围内,一般随温度升高而减小。

(2)建筑材料 建筑材料的导热系数在0.16W/(m·℃)~2.2W/(m·℃)之间。这类材料中的多数,导热系数随温度升高而增大。

(3)隔热保温材料 隔热保温材料多为多孔性材料,工程上把导热系数小于0.22 W/(m·℃)的材料称为隔热材料。

(4)耐火材料 耐火材料的导热系数在1.1W/(m·℃)~16W/(m·℃)。绝大部分耐火材料的导热系数随温度升高而增大。

大多数材料的导热系数随温度的变化呈直线关系,即

式中:λt—t℃时材料的导热系数,W/(m·℃);

λ0—0℃时材料的导热系数,W/(m·℃);

b—温度系数。

部分材料的导热系数见表1-3-2。

表1-3-2 部分耐火材料、建筑材料及隔热材料的导热系数

在实际计算中,导热系数的数值是取物体两端温度的算术平均值,并把它当作常数处理,如求温度为t1和t2之间的平均导热系数时,可采用下式:

(三)平壁的导热(www.chuimin.cn)

1.单层平壁的导热

设单层平壁厚δ,导热系数为λ,内外表面温度分别为t1、t2(t1>t2),如图1-3-1所示,根据傅立叶定律,得:

式中:λav——平壁的平均导热系数,W/(m·℃)。

图1-3-1 单层平壁的导热

图1-3-2 多层平壁的导热

2.多层平壁的导热

对于多层平壁(如图1-3-2),其推导方法基本同单层平壁,可用下式进行计算:

式中:tn+1——第n层平壁外表面的温度,℃;

δi——第 i层平壁的厚度,m;

λi——第 i层平壁的平均导热系数,W/(m·℃)。

(四)圆筒壁的导热

圆筒壁的导热与平壁略有不同,可认为温度沿径向变化,属于沿径向的一维稳定导热,见图1-3-3。

图1-3-3 多层圆筒壁的导热

用和平壁导热推导相同的方法,可推得n层圆筒壁的导热计算公式为:

式中:t1,tn+1——圆筒壁内、外表面温度,℃;

l——圆筒壁的长度,m;

λi——第 i层圆筒壁的平均导热系数,W/(m·℃);

di,di+1——第 i层圆筒壁的内、外径,m。

注意,根据稳定传热的概念,每一层圆筒壁传热量相同。由于它们的传热面积不同,故其热流量不相同。

从传导传热的公式可以探讨减少陶瓷窑炉窑墙、窑顶散热的途径:

(1)减少最内壁与最外壁的温差,可使散热损失减少。最内壁温度是受制品烧成所需温度所制约的,不能随意改变,而外壁温度亦不能太高,因此,用减少最内壁与最外壁温差的办法来减少散热损失,是非常有限的;

(2)减少传热面积,可使散热损失减少。但传热面积和窑的生产率直接相关,不能随意改变,因此,采取这项办法来减少散热损失也是很有限的;

(3)增大窑墙厚度,可使散热损失减少。但为了节省材料和方便操作,窑墙也不宜砌得太厚。因此,采取这项办法来减少散热损失,也很有限;

(4)采用导热系数小的建窑材料,可以减少散热损失。这是一个切实可行的办法,因此,在窑炉砌筑中,常常采用导热系数小的轻质隔热材料。