1、熱工基礎報告熱工基礎在工業中的應用姓名:學號:班級:目錄：熱工基礎的發展歷史1、熱力學發展2、傳熱學發展二、工業中的應用概述1、傳熱學在傳統工業機械領域和農業機械領域中的應用2、在機械高新技術領域中的應用三、真空井式退火爐型號簡介結構簡介：熱工基礎的發展歷史 31、熱力學發展古代人類早就學會了取火和用火，不過后來才注意探究熱、冷現象的實質。 但直到 17 世紀末，人們還不能正確區分溫度和熱量這兩個基本概念的本質。在 當時流行的“熱質說”統治下，人們誤認為物體的溫度高是由于儲存的“熱質” 數量多。17091714年華氏溫標和17421745年攝氏溫標的建立，才使測溫有 了公認的標準。隨后又發展了

2、量熱技術，為科學地觀測熱現象提供了測試手段， 使熱學走上了近代實驗科學的道路。1798 年，朗福德觀察到用鉆頭鉆炮筒時，消耗機械功的結果使鉆頭和筒身 都升溫。 1799 年，英國人戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化，這顯然無法由 “熱質說”得到解釋。 1842 年，邁爾提出了能量守恒理論，認定熱是能的一種 形式，可與機械能互相轉化， 并且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計算出 熱功當量。英國物理學家焦耳于 1840年建立電熱當量的概念， 1842年以后用不同方式 實測了熱功當量。 1850年，焦耳的實驗結果已使科學界徹底拋棄了“熱質說” 。 公認能量守恒、 能的形式可以互換的熱力學第一定律為客

3、觀的自然規律。 能量單 位焦耳就是以他的名字命名的。熱力學的形成與當時的生產實踐迫切要求尋找合理的大型、高效熱機有關。 1824 年，法國人卡諾提出著名的卡諾定理，指明工作在給定溫度范圍的熱機所 能達到的效率極限，這實質上已經建立起熱力學第二定律。但受“熱質說”的影 響，他的證明方法還有錯誤。 1848 年，英國工程師開爾文根據卡諾定理制定了 熱力學溫標。 1850年和 1851 年，德國的克勞修斯和開爾文先后提出了熱力學第 二定律，并在此基礎上重新證明了卡諾定理。1 850 1 854 年，克勞修斯根據卡諾定理提出并發展了熵的概念。熱力學第 一定律和第二定律的確認， 對于兩類“永動機” 的不

4、可能實現作出了科學的最后 結論，正式形成了熱現象的宏觀理論熱力學。同時也形成了“工程熱力學”這門 技術科學，它成為研究熱機工作原理的理論基礎，使內燃機、汽輪機、燃氣輪機 和噴氣推進機等相繼取得迅速進展。與此同時，在應用熱力學理論研究物質性質的過程中， 還發展了熱力學的數 學理論，找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函數， 研究了物質在相變、 化 學反應和溶液特性方面所遵循的各種規律 。 1 906年，德國的能斯脫在觀察低溫 現象和化學反應中發現熱定理； 1912 年，這個定理被修改成熱力學第三定律的 表述形式。二十世紀初以來， 對超高壓、 超高溫水蒸汽等物性， 和極低溫度的研究不斷 獲得新成果

5、。 隨著對能源問題的重視， 人們對與節能有關的復合循環、 新型的復 合工質的研究發生了很大興趣。2、傳熱學發展傳熱學作為學科形成于 19 世紀。在熱對流方面，英國科學家牛頓于 1701 年在估算燒紅鐵棒的溫度時， 提出了被后人稱為牛頓冷卻定律的數學表達式， 不 過它并沒有揭示出對流換熱的機理。對流換熱的真正發展是 19 世紀末葉以后的事情。 1904年德國物理學家普朗 特的邊界層理論和 1915 年努塞爾的因次分析，為從理論和實驗上正確理解和定 量研究對流換熱奠定了基礎。 1929 年，施密特指出了傳質與傳熱的類同之處。 在熱傳導方面，法國物理學家畢奧于 1804 年得出的平壁導熱實驗結果是導

6、熱定 律的最早表述。 稍后，法國的傅里葉運用數理方法， 更準確地把它表述為后來稱 為傅里葉定律的微分形式。熱輻射方面的理論比較復雜。 1860 年，基爾霍夫通過人造空腔模擬絕對黑 體，論證了在相同溫度下以黑體的輻射率 （黑度） 為最大，并指出物體的輻射率與 同溫度下該物體的吸收率相等，被后人稱為基爾霍夫定律。1878 年，斯忒藩由實驗發現輻射率與絕對溫度四次方成正比的事實， 1884 年又為玻耳茲曼在理論上所證明， 稱為斯忒藩 -玻耳茲曼定律， 俗稱四次方定律。 1900 年，普朗克在研究空腔黑體輻射時，得出了普朗克熱輻射定律。這個定律 不僅描述了黑體輻射與溫度、 頻率的關系， 還論證了維恩提

7、出的黑體能量分布的 位移定律。20 世紀以前，傳熱學是作為物理熱學的一部分而逐步發展起來的。 20 世紀 以后，傳熱學作為一門獨立的技術學科獲得迅速發展， 越來越多地與熱力學、 流 體力學、燃燒學、電磁學和機械工程學等一些學科相互滲透，形成多相傳熱、非 牛頓流體傳熱、燃燒傳熱、等離子體傳熱和數值計算傳熱等許多重要分支。二、工業中的應用概述1、傳熱學在傳統工業機械領域和農業機械領域中的應用(1) 在鑄造、焊接、金屬熱處理等常規機械加工工藝過程中，存在大量的非穩 態導熱、移動邊界的固液相變傳熱以及各類對流換熱問題。 在精密機械和精密儀 器的制造和使用過程中， 熱應力和熱變形量的預測、 修正及控制也

8、同樣有賴于傳 熱原理的指導。(2) 在各類機械控制方面，即在強電或弱電方面的應用，元器件的有效冷卻和 設備的更新換代都與強化傳熱研究有關。 例如大型發電機的轉子、 定子繞組和定 子鐵心的冷卻就是典型的對流傳熱問題。 近百年來單機容量從幾萬干瓦擴大到百 萬千瓦，很大程度上是靠冷卻技術的不斷改進得以實現的， 從空冷、 氫冷發展到 水冷，冷卻技術的進步顯著提高了電磁負荷強度和材料的利用率。(3) 農業機械是指在作物種植業和畜牧業生產過程中，以及農、畜產品初加工 和處理過程中所使用的各種機械。農業機械包括農用動力機械、農田建設機械、 土壤耕作機械、 種植和施肥機械、 植物保護機械、 農田排灌機械、 作

9、物收獲機械、 農產品加工機械、 畜牧業機械和農業運輸機械等。 各種機械的研發設計都離不開 熱工基礎(工程熱力學與傳熱學)這一門學科。2、在機械高新技術領域中的應用(1) 航空航天領域是當今世界上各領域高技術、新材料研究最集中的體現。其 中傳熱學所起的作用功不可沒。據美國航空和宇宙航行局(NASA)所作的技術分析，美國航天飛機的技術關鍵只有一個半， 這半個是大推力的液氫液氧火箭發 動機(其中自然與傳熱有密切的關系 )，而那一個關鍵則是所謂“熱防護系統” (TPS),即指以航天飛機外表面的防熱瓦為主的整個熱防護結構。(2) 生物傳熱學是近年才發展起來的新興傳熱學科分支。雖然遠末達到完善的 程度,卻

10、已經顯示出強大的生命力和令人鼓舞的應用前景。 它是由生物學、 臨床 醫學和傳熱學多個學科領域交叉形成的一門新學科, 其目的在于通過把傳熱學的 基本原理和研究方法、 手段引入到生物和醫學工程領域中, 探討物質和能量在生 物體內的傳輸規律,以便為諸多至今末解開的生物醫學難題尋求有效的解決方 案。在這一領域產生了各種新興的機械, 而這些機械的研發設計都離不開工程熱 力學與傳熱學。(3) 以化石燃料 (煤炭、石油和天然氣 )為主構成的常規能源終將耗盡,而且已 經為期不遠。 以太陽能、地熱能、海洋能(包括海洋溫差和波浪能 )以及效率更高 的發電方式, 如氫燃料電池、 磁流體發電乃至可控核聚變為代表的新能

11、源總要逐 步走向前臺, 成為人類的主要消費能源。 能源的短缺, 促進各種耗能機械朝著節 能或者新能源方向發展,每一類新能源的發現都促進某一類機械的出現迅速發 展,而這些新能源機械的出現和發展都與傳熱學有著密切的聯系。(4) 以計算機芯片為代表的微電子元器件發展迅速,隨著芯片體積微型化,線IO6w/m2因此有“熱障”之說,l05wm2。寬迅速下降,芯片表面的熱流密度已經超過 這對微型化高效冷卻技術提出了極高的要求。 近年用于高端服務器和桌面工作站 的新型空氣冷卻裝置的冷卻能力也已經達到合理運用傳熱 延長刀具和設相當多的 例如戰斗機燃(5) 現代的機械加工工藝已經不限于傳統的車、鉗、銑、刨,像激光

12、鉆孔、激 光切割這類高熱流、 超短時間的新型加工手段已經用于石油鉆井管等一些有特殊 要求的場合, 并取得了良好的技術和經濟效益。 這類特殊加工方式所涉及的熱量 傳遞問題己不能再用傳統的導熱理論來分析,而必須加入對熱量傳輸速度的考 慮,這類問題被稱為“非傅里葉導熱” 。這是在機械生產設備領域的又一個里程 碑。又如鈦及其合金的加工, 由于鈦及其合金陰傳熱率低, 在其切削加工過程中, 由切屑的塑性變形、 切屑與刀具之間的滑動摩擦等產生熱量, 不能及時散發, 而 集中在刀具刀刃上,造成刀具壽命降低,加工質量差等,其實不僅僅是鈦合金, 像其他一些新材料都有不同的加工難題。 因此正確選用加工條件, 學的理

13、論進行導熱, 顯得極其重要, 不僅可以提高切削加工速率, 備壽命,還可提高加工件的加工質量。(6) 軍事領域里的機械用到的傳熱知識更是數不勝數。從歷史上看, 傳熱技術是從軍事用途開始發展并逐步走向完善和大規模應用的。氣渦輪發動機的技術參數一貫代表這一領域的最高水平。 再如紅外攝像裝置和傳 感器,最早也僅用于軍事目的, 像偵察用的夜視儀、 導彈的紅外跟蹤尋的裝置等。的幾種加工處理手段,而以上的加工方法離不開熱工基礎 熱學)。(7) 各種材料的熱處理,例如金屬材料的鍛造、鑄造、淬火、退火、回火,還 有一些工程塑料的注塑成型等都離不開溫度的控制。 機械零件的制造離不開以上工程熱力學與傳三、真空井式退

14、火爐型號簡介爐罐有效裝料區尺寸： 爐罐最大有效裝料重量： 額定溫度： 額定功率： 控溫區數： 控溫精度： 爐罐溫度均勻性： 升溫速度：（至 350C） 爐罐極限真空度：RZJ-60-4 型預抽真空井式退火爐系非標周期作業爐。主要用于銅包鋁線材、銅 包鋁鎂線材等產品在額定350C以下真空狀態中進行無氧退火熱處理加熱。 1300X1300mm;2000 kg；C ；± 10% ;區控溫； 3 區監測± 1C；（以爐罐為主控）± 5 C；空爐 150min; 實爐 200min；< 10P a;< 10Pa/h< 40C：可編程1.350 60kw32

15、.3.4.5.6.7.8.9.10. 爐罐壓升率：11. 爐體表面溫升：PID+12. 控溫方式： 結構簡介本系列真空退火爐主要由爐體、 加熱元件、爐蓋總成、 爐罐、料架、導流筒、 冷卻桶、預抽真空系統、充放氮氣系統及溫度控制系統等部分組成。1 、爐體：1）、爐殼：爐殼采用Q235A鋼板和型鋼焊接成圓筒形結構，保證足夠的剛度和強 度能承重爐罐而不影響爐襯的穩固，側面鋼板厚度 6mm2）、爐襯： 爐襯爐體部分采用優質磚纖維復合結構形式砌筑而成。 爐膛采用高強度輕質節能 型耐火磚砌筑， 爐膛與爐殼之間的保溫層填充硅酸鋁纖維棉作為保溫材料， 保溫 節能絕緣性好，爐殼的表面溫升不超過 38C，爐底面采

16、用重質磚砌筑。該結構 型式爐襯低密度低熱容量，大大減少了該爐襯蓄熱量，意味著爐襯吸收熱量少，同功率爐升溫快，節能顯著等優點，爐體外表溫升W 45C。 整臺爐子的砌筑嚴格按照國家筑爐標準執行。3）、防護圈： 在爐口處采用耐熱鋼護圈， 以保護爐襯及加熱元件不被頻繁吊出吊 入的爐罐撞壞。2、加熱元件：加熱元件采用高溫電熱合金絲（材質：0Cr25Al5） ，繞制成螺旋管狀，置于爐膛 周圍擱磚上，用小鉤定位，低表面負荷 （ 1.4w/cm2）長壽命設計。 電熱元件引出棒局部集中引出，并設防護罩； 加熱元件繞制表面平整光滑 , 無明顯裂紋和劃傷；3、爐蓋總成： 主要由厚板法蘭、耐熱鋼絕熱箱、進氣裝置、轉子

17、流量計、排氣裝置、真空充排 氣閥、抽空管路、真空壓力表、恒壓裝置、電熱偶、安全閥、密封的均溫用強對 流風機、耐熱風扇、導風板等組成。爐蓋上的真空管路、充排氣管路等連接，全 部采用真空卡箍連接，方便拆卸與檢修。1）、厚板法蘭蓋板：采用優質 Q235Affl板制成（厚度25mm,具有高的強度，防 止使用時間長后蓋板變形，導致爐子密封性能降低。在靠近密封圈處加水冷套。 為提高冷卻效果，降低爐蓋表面升溫，上下同時加水冷套。2）、隔熱包：采用Q345耐熱鋼板焊接制成（厚度5mm，內置硅酸鋁纖維毯塞緊。 隔熱性能好、隔熱包密封安全可靠。3）、爐蓋風機： 風機用電機采用水冷真空密封爐用電機， 主軸及葉輪均采

18、用 Q345 耐熱鋼制成，風扇為大風量離心式風扇。該風機風量大、使用壽命長、轉動平穩、無噪音。4）、導風板：采用Q345耐熱鋼鋼板焊接制成，厚度 6mm耐高溫、不變形，與 導風筒配合能較好實現熱風循環。5）、在爐蓋上裝有水源分配器和電力分配器。4、爐罐：采用Q345耐熱鋼板密封焊接制成，厚度10mm爐口采用水冷橡膠密封，連接螺 釘采用跌倒式螺釘。在罐身發蘭下部設置高度為100mn的冷卻水套。內有料架托 盤、導流桶。5、料架料盤、導流筒：采用Q345耐熱鋼鋼板焊接制成，導流筒厚度 5mm并壓制波紋。爐蓋下端導風板 與導流筒配合使用， 使爐內形成熱風循環， 要求對流循環流暢、 加熱和冷卻均勻、 耐

19、高溫、不變形。6、冷卻桶：采用Q235A鋼板和型鋼焊接制成，保證高的強度。桶底配有風機，具有風冷功能， 采用兩臺風機螺旋式吹風冷卻、冷卻均勻。風機選用 2.2kw， 4-68 型離心風機， 具有較高風壓579pa,每臺風機風量最大可達7245m3/h,具有足夠風冷卻量，能 確保冷卻速度的要求，并且風力可調。裝料架：（參照甲方提供的裝料尺寸制造，材料選用 Q345,料盤鋼板厚度（8mm 保證使用壽命 2 年以上不變形）2 套（共 2 個吊架、 20 個料盤）7、預抽真空系統：1）、真空泵：采用2X-70A旋片式真空泵，抽空軟管采用真空膠管。2）、真空度檢測儀：采用數顯式電阻真空計；3）、真空管路

20、：抽真空接管安裝在爐罐蓋上，高出蓋頂 300mn以上，管外設置冷 水套。4）、抽空閥：采用國產名優真空電磁閥，能承受正壓而不泄漏，閥的使用壽命保 證在兩年以上，且不漏氣。具有真空泵出現故障時，自動關閉真空閥，以防止真 空泵油返回罐內的功能。8 、充放氮器系統：包括氮氣軟管（耐高溫且在頻繁使用中不會開裂） 、轉子流量計、安全閥、氮氣 充放氣閥、管路、數顯壓力控制表等構成；真空和保護氣氛控制流程：在冷爐狀態（或爐溫低于200C）,打開自動運行開關，真空泵運行，抽空電磁閥將自動關閉，同時自動打開大流量進氣閥充氮氣， 當壓力達到工藝設定值時, 大流量進氣閥自動關閉, 小流量進氣閥自動打開進氣, 此時壓

21、力由數顯壓力控制表控制, 達到設定最大壓力值時, 放氣閥自動放氣, 放 氣至設定的最小壓力值時, 放氣閥關閉,小流量進氣閥自動打開進氣, 如此反復。 此過程自動控制,也可手動控制。1）、氮氣進、排氣管：材料采用 0Cr18Ni9不銹鋼管，高出蓋頂300mn以上，管 外設置冷水套。氮氣軟管與管路之間采用快換接頭連接。2）、數顯壓力控制表：采用日本導電3）、充放氣閥：采用進口電磁閥，壽命保證在兩年以上。9、溫度控制系統：由具有編程功能的溫控儀控制，采用PID編程控制方式，采用罐內3區控溫（采 用鎧裝熱電偶精確測溫） ，爐膛 3區檢測溫度，以保證罐內的均溫性，不采用可 控硅調功器而采用移相控制。溫控儀具有故障查詢及報警系統；1）、溫控表：溫控儀表均采用日本導電 SRS13型 PID智能程序溫控儀；2）、記錄儀：采用重慶橫河川儀 AX110-4-3/A1/Z 型無紙記錄儀記錄各種工藝參 數、電器參數，對全過程進行記錄和監控，能適時顯示、記錄一個爐罐加熱和另 一個爐罐冷卻的溫度曲線，并可儲存、打印；3）、熱電偶：熱電偶采用雙芯“ K”分度熱電偶。熱電偶線采用有隔熱層的多芯