食品工程原理传热

第五章传热第一节概述一、传热及在食品工程中的应用•1、传热：因温度差的存在而产生的能量传递。•2、传热在食品工程中的应用•（1）食品的加热或冷却•食品加工中的加热灭菌过程、冷冻降温过程以及某些单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）需传热，要求传热速度越快越好。•（2）回收热量或冷量，节约能源。•（3）保温或保冷：要求传热速度越慢越好，如冰箱冷藏食品或保温。二、传热的基本方式根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：•热传导•热对流•热辐射1、热传导•又称导热，物质在不发生宏观位移的情况下，热量从物体内部的高温处向低温处传递，或从高温物体向一个与它直接接触的低温物体的传递过程。•传热机理复杂，存在分子振动学说和自由电子迁移学说等。2、热对流又称对流传热，是流体质点发生相对位移所引起的热量传递过程，或者流动的流体与固定壁面之间的热量交换。对流传热伴有热传导。强制对流：因泵（或风机）或搅拌等外力作用所导致的对流称为强制对流。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。热对流的两种方式：自然对流：由于流体各处的温度不均匀而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。3、热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。但是只有在物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。热辐射既有能量转移，也有转化。实际上，上述三种传热方式而往往是相互伴随着出现的。三、稳态传热与非稳态传热•四、冷热流体接触方式与间壁式换热器•1、间壁式换热器：冷热流体热交换时不直接接触，用固体壁面隔开，这种换热器称为间壁式换热器。•2、并流与逆流•球形冷凝管球形冷凝管直形冷凝管蛇形冷凝管•3、套管换热器的传热过程•（1）对流（热流体→间壁）•（2）导热（通过间壁）•（3）对流（间壁→冷流体）五、热载体•（1）加热剂•饱和水蒸气（100～180℃）•热水（40～100℃）•矿物油等低熔混合物（180～540℃）•烟道气（500～1000℃）等。•（2）冷却剂•水（20～30℃）•空气•冷冻盐水•液氨（-33.4℃）•氟利昂等。六、热流量与热阻•热流量φ（热流率）：单位时间内通过整个传热面传递的热量，W（J/s）。•热流密度q（热通量）：单位时间内通过单位面积传热面传递的热量，W/m2。•热流量φ＝△T(推动力)/R(热阻)七、热交换•热交换：两个温度不同的物体由于传热，进行热量的交换。•结果：温度较高的物体焓减小，温度较低的物体焓增加，涉及物质的焓变代数和为0。•基本原则：能量守恒定律•△H=mcp△T•热交换器：用于热交换的设备第二节热传导一、傅里叶定律•（一）温度场与温度梯度•1、温度场：某一时刻空间各点温度分布，是空间坐标和时间的函数。温度只延一个坐标方向变化，为“一维温度场”。•稳定温度场（不随时间变化）•不稳定温度场（随时间变化）•2、等温线和等温面：某一时刻，将温度场中具有相同温度的点连接起来所形成的线或面。•等温面不能相交，热交换发生在不同的温度面之间。•3、温度梯度：向量，在等温面法线上，指向温度增加的方向1、傅里叶定律是热传导的基本定律，它指出：在温度场中，由于导热形成的热流密度正比于该时刻某一点的温度梯度。式中λ为热导率（导热系数）。（二）傅里叶定律和热导率二、热导率热导率（导热系数）是某物质在单位温度梯度时所通过的热流密度。表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/(m.℃)，与物质组成、结构、密度、温度及压力等有关。金属热导率大于非金属，液体较小，气体最小。热导率随温度变化而变化。如图所示：平壁壁厚为δ，壁面积为A；壁的材质均匀，热导率λ不随温度变化，视为常数；平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化，故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。平壁侧面的温度t1及t2恒定。三、通过平壁的稳态导热（一）单层平壁稳态导热δRtAttttAQ2121)(结论：热传导距离越小，材料导热系数越大，导热面积越大，则热阻越小，当传热推动力一定时，热流量越大。根据傅立叶定律对稳态导热，q为常量，分离变量后积分，积分边界条件：当x=0时，t=t1；x=δ时，t=t2，Δt=t1-t2为导热的推动力而R=δ/λA则为导热的热阻φ如图所示：以三层平壁为例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各层壁的厚度分别为δ1，δ2，δ3，各层材质均匀，热导率分别为λ1，λ2，λ3，皆视为常数；层与层之间接触良好，相互接触的表面上温度相等，各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁的面积为A，在稳定导热过程中，穿过各层的热量必相等。（二）多层平壁的稳态导热)(21111ttAQ121111tttAQ33133tAQ2222tAQ第一层第三层第二层对于稳定导热过程：φ1=φ2=φ3=φΦ1φ1φ2φ3•对三层平壁，且t1t2t3t4则：•推广至n层平壁：RttAttQnniiiin11011结论：在稳定多层平壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，热流量的大小取决于总热阻的大小。φ)()(33221141332211321AAAttAAAtttQφ•例5－2：某冷库壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层填以绝热材料，厚10cm，砖墙的热导率为0.70W/m·k，绝缘材料的热导率为0.04W/m·k，墙外表面温度为10℃，内表面为-5℃，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。•解：根据题意，已知t1=10℃，t4=-5℃，δ1=δ3=0.12m，δ2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算t2、t31.970.012.027.5101112bqtt℃1.4)5(70.012.027.54333tbqt℃按热流密度公式计算q：Qt2t1r1rr2drL如图所示：设圆筒的内半径为r1，内壁温度为t1，外半径为r2，外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化，等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L，则半径为r处的传热面积为A=2πrL。四、圆筒壁的稳态导热1、通过单层圆筒壁的稳态导热drdtrLdrdtAQ21221ln2rrttLQ将上式分离变量积分并整理得根据傅立叶定律，对此薄圆筒层传导的热量为：令Am=2∏rmL，则圆筒壁热流量可表示为122121)()(rrttAbttAQmmφφφ2、多层圆筒壁的稳定热传导•以三层圆筒壁为例。•假定各层壁内外半径由内至外依次为r1、r2、r3、r4；•各层材料的导热系数λ1，λ2，λ3皆视为常数；•层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等，各等温面皆为同心圆柱面。r1r2r3r4t1t2t3t412211ln2rrttLQ34433ln2rrttLQ23322ln2rrttLQ当稳态导热时，通过各层的热流量φ相等，对于第一、二、三层圆筒壁有：φφφ根据各层温度差之和等于总温度差的原则，则34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQniiiiinrrttLQ1111ln1)(2同理，对于n层圆筒壁，穿过各层热量的一般公式为注：对于圆筒壁的稳定热传导，通过各层的热流量都是相同的，但是热流密度却不相等。φφ•例5-3：用89×4mm的不锈钢管输送热油，管的热导率为λ=17W/m·℃，其内壁表面温度为130℃，管外包40mm的保温材料，热导率为λ=0.035W/m·℃，其外层表面温度为25℃，试求：（1）每米管长的热损失；（2）两层保温层交界处的温度。•解：r1=0.089/2－0.004=0.0405m；•r2=0.089/2=0.0445m；r3=0.0445+0.04=0.0845m•λ1=17W/m·℃；λ2=0.035W/m·℃，t1=130℃,•t2=25℃,L＝1m，则热损失的热流量为：•结论：温度降几乎都发生在保温层中，保温层较大的导热热阻避免了较大的热损失。第三节对流传热RtATTQw1上式称为牛顿冷却定律。其中α为对流传热系数，表示影响对流传热的所有复杂因素。对流给热是指流体流过固体壁面时与该表面发生的热量交换，很复杂，基本关系描述为：Q=αA（T-Tw）一、牛顿冷却定律φφ二、对流传热过程及机理分析•是在流体流动进程中发生的热量传递现象，与流体的流动情况密切相关。•当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导的方式进行。•当流体作湍流流动时，传热速度快，主体靠对流传热，层流底层靠传导传热，热阻集中于此。传热过程高温流体湍流主体壁面两侧层流底层湍流主体低温流体湍流主体对流传热温度分布均匀层流底层导热温度梯度大壁面导热(导热系数较流体大)有温度梯度不同区域的传热特性：热边界层：温度边界层，温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。温度距离TTwtwt热流体冷流体传热壁面湍流主体湍流主体传热壁面层流底层层流底层传热方向对流传热示意图2、流体的性质：影响较大的如密度ρ、比定压热容cp、热导率λ、黏度μ，体胀系数αv等；三、对流传热系数（一）影响对流传热系数的主要因素1、流体的状态：流体相态及相变化对α影响很大。有相变时对流传热系数比无相变化时大的多。3、流体的流动状况：湍流的对流传热系数比层流大得多。强制对流的对流传热系数比自然对流大的多；4、传热壁面的形状、位置及大小：形状如管、板、翅片；位置如管束的排列方式、垂直放置或水平放置；尺寸如管径、管长等。cbaGrANuPrRe通过量纲分析，对流传热过程的特征数关联式可用下式表示：即（二）对流传热系数的特征数方程C特征数名称及意义准数名称符号意义努塞尔数Nu=αL/λ表示对流传热系数的特征数雷诺数Re=Luρ/μ确定流动状态的特征数普朗特数Pr=cpμ/λ表示物性影响的特征数格拉晓夫数Gr=αvgΔtL3ρ2/μ2表示自然对流影响的特征数特征数方程是一种经验公式，在利用关联式求对流传热系数时，不能超出实验条件范围。在应用时应注意以下几点：3、应用范围2、定性尺寸：通常是选取起主要影响的尺寸作为特征尺寸。1、定性温度：确定流体物理参数的温度4、各准则式是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必须用统一的单位制。加热表面形状特征尺寸GrPr范围am水平圆管外径d0104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3Nu=a（GrPr）m定性温度:取壁面温度和流体主体温度算术平均值定性尺寸：平壁为壁长，圆管为直径。式中的a、m值见书165页5-3表四、流体无相变的对流传热•（一）自然对流传热（二）强制对流传热•1、管内层流•2、管内湍流•3、管外对流•4、波纹板壁间对流•根据不同类型，使用对应的经验公式，进行对流传热系数的估算。五、流体有相变的对流传热（一）沸腾传热液体与高温壁面接触被加热汽化，并在液体内部产生气泡的现象称为沸腾。按加热面与液体饱和温度的差值不同，分为泡状沸腾和膜状沸腾。沸腾传热的应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。（二）冷凝传热•以饱和蒸汽作为加热介质在传热中发生冷凝传热是工业生产中常见的传热方式。•1、冷凝方式•（1）膜状冷凝：由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。•（2）滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁