高手指点，钢球在水中的冷却时间计算

kwind

各种直径的钢球，材质65Mn，40Cr，45等，入水前温度850度左右，水温假设恒定20度，钢球出水温度180度左右；这种情况计算钢球在水中的时间，能计算吗？
给定一个实例：钢球直径98.5，材质40Cr，入水前温度850度，出水温度180度，水温恒定20度（循环水），请高手帮忙计算在水中的时间。

aaron01

对流换热系数基本原理

流体与固体表面之间的换热能力，比如说，物体表面与附近空气温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m^2·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。

详细内容

对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：

q = h*(tw-t∞)

Q = h*A*(tw-t∞)

式中：

q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m^2；

tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K；

A为壁面面积，单位m^2；

Q为面积A上的传热热量，单位W；

h称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。

理论发展

对流换热系数h的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时， 1m*1m壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱。

如上所述，h与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系,也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。因此，在工程传热计算中，主要的任务是计算h。计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法。

影响对流传热强弱的主要因素有：

1. 对流运动成因和流动状态；

2. 流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）；

3. 传热表面的形状、尺寸和相对位置；

4. 流体有无相变（如气态与液态之间的转化）。

实例应用

在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

对流换热系数的大致量级：

空气自然对流 5 ～ 25

气体强制对流 20 ～ 100

水的自然对流 200 ～1000

水的强制对流 1000 ～ 15000

油类的强制对流 50 ～ 1500

水蒸气的冷凝 5000 ～ 15000

有机蒸汽的冷凝 500 ～ 2000

水的沸腾 2500 ～ 25000

wanggong

严工搞得理论太深奥，太复杂化了。我觉得理论计算有难度，可用如下思路进行估算：先查水的冷却特性曲线40Cr从850度降至温度180度的时间，这个就是所谓理论值（基础值）。再考虑修正值，可能冷却特性试验材料不是40Cr，试样大小也不是这个直径，这个只能对比材料特性与尺寸效应进行修正系数的调整。而水量的充足，容积足够大，及其循环冷却，充分搅拌的目的都是为了达到理想的散热换热效果，实际散热换热效果也只能估算而不能计算。

吉祥如意

wanggong 发表于 2013-5-4 10:20

                               
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严工搞得理论太深奥，太复杂化了。我觉得理论计算有难度，可用如下思路进行估算：先查水的冷却特性曲线40Cr ...

赞同。从此出发点，实验找出具体时间。

aaron01

我说那么多，只是想告诉楼主，理论上计算是要通过换热系数来算的，这个换热系数计算非常复杂，条件也还不足，所以还是大致来估吧，或者用实验方法来确定。
我相信，如果是设计炉子的人，就需要去实际计算这个数据了。

tom

确实很难，这个出水温度180是指零件那个部分的温度，最笨的方法是用测温仪测表面温度估一下。
另外这个时间似乎没必要设计的那么精确。

dqy

我们是否可收集类似的图
会便于分析 总结参考的数据

直径为1英寸 25,4 mm的棒料在急冷度H=4的介质中淬火后， 不同位置处的冷却曲线。

wanggong

dqy 发表于 2013-5-4 13:44

                               
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会便于分析 总结参考的数据

图下方文字因打上之家LOGO 标志，有些看不清，虽然上下文推理分析可以得知，为求准确，还望麻烦抄写原文一遍。