无机非金属材料热工基础

材料是人类赖以生存的物质基础和科学技术发展的核心与先导。材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。无机非金属材料制品因其应用范围广而成为材料领域研究和开发的重点。

“无机非金属材料热工基础”课程是高等院校无机非金属材料专业的主干课程之一，是从基础课到专业课的过渡课程，也是无机非金属材料专业的枢纽课程。它是深入学习和掌握无机非金属材料工业热工设备的理论基础，也是无机非金属材料工业热工设备设计计算、合理操作和控制的理论基础；对于降低窑炉燃料消耗量、提高热量利用率、提高产品质量、降低生产成本、保护环境具有重要的理论指导意义。

全书主要内容包括气体力学及其在窑炉系统中的应用、燃料及其燃烧、传热原理、传质原理、干燥过程与设备。每章末附思考题与习题，书后附有附录及习题答案。本书在编写过程中，既注重基本概念和基本原理的阐述，又注重基本原理在无机非金属材料热工过程中的应用，并着力增加反映当代生产技术、科学研究和与我国国民经济发展紧密相关的内容，使本书在内容和体系上有较大的改革和创新，以适应当今复合型人才培养的需要。

本书融理论性和实用性于一体，既可作为高等院校无机非金属材料工程专业、材料科学与工程专业、材料化学专业、粉末冶金专业及相关专业的热工基础课程的教材，也可作为从事无机非金属材料研究、生产、工厂设计以及节能降耗的广大科研人员、技术人员和管理人员的参考书。

本教材按64～84学时编写，共分五章，各章的建议学时数如下（供参考）：

绪论  1～2 学时

章气体力学及其在窑炉系统中的应用  15～20学时

第二章燃料及其燃烧  12～16学时

第三章传热原理  20～26学时

第四章传质原理  6～8 学时

第五章干燥过程与设备  10～12学时

本书的出版得到了华北理工大学材料科学与工程学院和化学工业出版社的大力支持，在此一并表示衷心的感谢！同时对书中所列参考文献的中外作者致以诚挚的谢意！

鉴于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请各位读者和专家批评指正。

作者

2020年9月于华北理工大学

《无机非金属材料热工基础》系统地阐述了无机非金属材料工业热工过程中的基础理论，主要包括气体力学及其在窑炉系统中的应用、燃料及其燃烧、传热原理、传质原理、干燥过程与设备。本书既注重基本概念和基本原理的阐述，又注重基本原理在无机非金属材料热工过程中的应用，并着力增加反映当代生产技术、科学研究和与我国国民经济发展紧密相关的内容。

本书既可作为高等院校无机非金属材料工程专业、材料科学与工程专业、材料化学专业、粉末冶金专业及相关专业的热工基础课程的教材，也可作为从事无机非金属材料研究、生产、工厂设计以及节能降耗的广大科研人员、技术人员和管理人员的参考书。

裴秀娟，华北理工大学材料科学与工程学院，副教授，1986年毕业于唐山工程技术学院（今华北理工大学）硅酸盐工程专业，获工学学士学位。毕业后一直从事无机非金属专业的教学和科研工作，并且一直担任“无机非金属材料热工基础”课程的主讲。撰写并出版了《陶瓷墙地砖工厂技术员手册》、《卫生陶瓷工厂技术员手册》和《日用陶瓷工厂技术员手册》等陶瓷生产技术著作三部；发表了有关无机非金属材料专业方面的论文十余篇；主研和参研了省、市级以上的科研项目八项；负责和主研的陶瓷窑炉热工方面的横向项目二项；获得了有关无机非金属材料专业方面的国家发明专利一项，正在申请的陶瓷窑炉热工方面的国家发明专利一项。

绪论

章气体力学及其在窑炉系统中的应用

节气体力学基础003

一、气体的物理属性003

二、气体动力学基本方程008

第二节窑炉系统中的气体流动017

一、不可压缩气体的流动017

二、可压缩气体的流动022

三、喷射流股与流股作用下窑内气体的流动031

第三节烟囱和喷射器034

一、烟囱034

二、喷射器040

思考题与习题047

第二章燃料及其燃烧

节燃料的种类和组成049

一、燃料的种类049

二、燃料的组成与换算052

第二节燃料的热工性质056

一、发热量（热值）056

二、其他热工性质060

三、燃料的选用原则065

第三节燃烧计算065

一、计算的目的、内容与基本概念065

二、空气量、烟气量及烟气组成的计算068

三、燃烧温度的计算080

第四节燃烧过程的基本理论086

一、着火温度087

二、着火浓度范围088

三、固态炭的燃烧089

四、可燃气体的燃烧090

五、火焰传播速度092

六、火焰的特性095

第五节气体燃料的燃烧过程及燃烧设备095

一、气体燃料的燃烧过程和燃烧方法095

二、气体燃料的燃烧设备099

第六节液体燃料的燃烧过程及燃烧设备107

一、重油的燃烧方法与燃烧过程107

二、重油的雾化108

三、重油烧嘴110

第七节固体燃料的燃烧过程及燃烧设备115

一、固体燃料的燃烧过程115

二、固体燃料的燃烧方法及设备116

思考题与习题124

第三章传热原理

节导热126

一、导热的基本概念126

二、导热的基本定律——傅里叶定律128

三、热导率128

四、导热微分方程131

五、导热过程的单值性条件133

六、无内热源的稳定导热的计算134

第二节对流换热145

一、对流换热的基本概念145

二、对流换热的基本定律——牛顿冷却定律145

三、边界层概念146

四、对流换热微分方程组147

五、对流换热过程的相似理论149

六、流体自然对流换热153

七、流体强制流动时的对流换热157

第三节辐射换热161

一、热辐射的基本概念161

二、热辐射定律164

三、固体间的辐射换热168

四、遮热板和遮热罩的作用178

五、气体辐射181

六、火焰辐射189

第四节综合传热191

一、高温流体通过器壁将热量传给低温流体191

二、窑内火焰空间的传热195

三、换热器198

第五节无内热源的不稳定导热204

一、一维不稳定导热的分析解204

二、集总热容法210

三、多维不稳定导热计算212

思考题与习题216

第四章传质原理

节传质概论219

一、传质的基本方式219

二、基本概念219

第二节分子扩散的基本定律223

一、菲克定律——稳态分子扩散的基本定律223

二、两组分扩散系统中扩散通量JA和JB的关系224

三、两组分扩散系统中扩散系数DAB和DBA的关系225

第三节传质微分方程225

一、传质微分方程的推导225

二、传质微分方程的特定形式228

第四节分子扩散过程228

一、气体中的稳态分子扩散228

二、液体中的稳态分子扩散233

三、固体中的稳态分子扩散234

第五节对流传质238

一、对流传质的通量方程238

二、浓度边界层238

三、对流传质的常用特征数239

四、对流传质系数的计算239

五、对流传质的实验式242

六、对流传质比拟关系式242

思考题与习题243

第五章干燥过程与设备

节概述245

第二节湿空气的性质246

一、湿空气中干空气与水蒸气的分压246

二、空气的湿度247

三、湿空气的密度和比体积249

四、湿空气的热含量249

五、湿空气的温度参数249

第三节湿空气的I-x图及其应用252

一、I-x图的组成252

二、I-x图的应用254

第四节干燥过程的物料平衡与热量平衡259

一、干燥设备及流程260

二、物料平衡261

三、热量平衡263

四、干燥过程的图解法266

第五节干燥的物理过程269

一、物料中的水分269

二、物料的干燥过程270

三、干燥速率及其影响因素272

四、恒定干燥条件下干燥时间的确定276

五、制品在干燥过程中的收缩与变形278

第六节干燥方法与干燥设备279

一、干燥器的分类及对干燥器的要求279

二、对流干燥279

三、辐射干燥292

四、电干燥294

五、综合干燥296

思考题与习题296

附录

附录一国际制、工程制和英制单位换算表298

附录二常见局部阻力损失及综合阻力系数299

附录三常用材料的物理参数304

附录四烟气的物理参数306

附录五干空气的物理参数（ρ=1.01×105Pa）306

附录六在饱和线上水蒸气的物理参数307

附录七在饱和线上水的物理参数308

附录八某些材料在法线方向上的发射率309

附录九计算辐射角系数和核算面积的公式及图310

附录十不稳定导热计算图317

附录十一湿空气的相对湿度表320

附录十二湿空气I-x图（p=99.3kPa，t=－10～200℃）(见文后插页)

附录十三湿空气I-x图（p=99.3kPa，t=0～1450℃）(见文后插页)

习题答案

参考文献

《无机非金属材料热工基础》系统地阐述了无机非金属材料工业热工过程中的基础理论，主要包括气体力学及其在窑炉系统中的应用、燃料及其燃烧、传热原理、传质原理、干燥过程与设备。本书既注重基本概念和基本原理的阐述，又注重基本原理在无机非金属材料热工过程中的应用，并着力增加反映当代生产技术、科学研究和与我国国民经济发展紧密相关的内容。

本书既可作为高等院校无机非金属材料工程专业、材料科学与工程专业、材料化学专业、粉末冶金专业及相关专业的热工基础课程的教材，也可作为从事无机非金属材料研究、生产、工厂设计以及节能降耗的广大科研人员、技术人员和管理人员的参考书。

裴秀娟，华北理工大学材料科学与工程学院，副教授，1986年毕业于唐山工程技术学院（今华北理工大学）硅酸盐工程专业，获工学学士学位。毕业后一直从事无机非金属专业的教学和科研工作，并且一直担任“无机非金属材料热工基础”课程的主讲。撰写并出版了《陶瓷墙地砖工厂技术员手册》、《卫生陶瓷工厂技术员手册》和《日用陶瓷工厂技术员手册》等陶瓷生产技术著作三部；发表了有关无机非金属材料专业方面的论文十余篇；主研和参研了省、市级以上的科研项目八项；负责和主研的陶瓷窑炉热工方面的横向项目二项；获得了有关无机非金属材料专业方面的国家发明专利一项，正在申请的陶瓷窑炉热工方面的国家发明专利一项。