傳熱方式與工業(yè)換熱方法

1、 工業(yè)中的傳熱及換熱方法一、工業(yè)中傳熱過程及其應(yīng)用熱量傳遞過程，簡稱傳熱，它是指不同溫度的兩個物體之間或同一物體的兩個不同溫度部位之間的所進(jìn)行的熱的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極為普遍的一種能量傳遞過程。在食品工業(yè)上，大多數(shù)食品物料的加工都需要控制在一定的溫度條件下進(jìn)行，為了達(dá)到或保持所需要的溫度，通常需要對物料進(jìn)行加熱或冷卻。這種熱量交換作為單元操作，可與其他的單元操作結(jié)合在一起，或作為其他單元操作的一部分進(jìn)行。對食品進(jìn)行加熱、冷卻等，起到殺菌、抑菌，鈍化酶的活性，便于保藏；食品原料在加工中完成生化變化；液體食品的濃縮、干制食品的脫水等均離不開傳熱。根據(jù)目的不同，傳熱過程在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

2、主要有以下兩個方面。1、強(qiáng)化傳熱過程 希望在單位時間內(nèi)，單位傳熱面積上傳遞的熱量越多越好。要求設(shè)備傳熱性能良好，以達(dá)到挖掘傳熱設(shè)備的潛力或縮小設(shè)備的尺寸。2、削弱傳熱過程 當(dāng)設(shè)備或管道的壁溫高于或低于環(huán)境溫度時，必將引起熱量或冷量的交換而產(chǎn)生損失，這就需要保溫，使單位時間，單位傳熱面積上傳遞的熱量或冷量越少越好。以達(dá)到減少熱損失，節(jié)約能源，維持操作穩(wěn)定，改善操作人員的勞動條件等。二、工業(yè)中傳熱過程實(shí)例1熱殺菌圖1 UHT殺菌機(jī)組圖1為液態(tài)物料（乳品、飲料等）在加工過程中的殺菌裝置。主要部件為管式熱交換器，料液走內(nèi)管，加熱介質(zhì)走內(nèi)管外的環(huán)隙。加熱介質(zhì)通過內(nèi)管壁對料液進(jìn)行加熱，使料液溫度升高到一定

3、程度而達(dá)到殺菌目的。2保溫圖2是管道的保溫。在生產(chǎn)中，對于溫度較高（或較低）的管道和反應(yīng)器等高（低）溫設(shè)備，需要采取絕熱措施，其目的在于減少熱（冷）量的損失，以提高換熱操作的經(jīng)濟(jì)效益；可維護(hù)設(shè)備正常的操作溫度，保證生產(chǎn)在規(guī)定的溫度下進(jìn)行；可降低車間的操作溫度，改善勞動條件。為此，在設(shè)備的外壁包上一層導(dǎo)熱系數(shù)較小的絕熱材料，用于增加熱阻，減少設(shè)備外壁面上與周圍環(huán)境的熱交換。 圖2 管道保溫圖三、自然界中傳熱的基本方式熱量的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種。1.熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱，它是靠物質(zhì)的微粒相互碰撞將內(nèi)能由物體的

4、一部分傳遞到另一部分或從一個物體傳遞給另一個物體的傳熱方式。在熱傳導(dǎo)過程中，物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀位移。當(dāng)物體內(nèi)部或兩直接接觸的物體間存在溫度差時，溫度較高處的分子（或原子、自由電子等）因振動而與相鄰溫度較低處的分子（或原子、自由電子等）發(fā)生碰撞，并將能量的一部分傳給后者。熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)是物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的遷移。固體的傳熱、靜止的液體或氣體的傳熱等均屬于此類。在層流流體中，傳熱方向與流向垂直時亦為傳導(dǎo)。2.熱對流熱對流是物體各部分發(fā)生相對位移而將內(nèi)能進(jìn)行傳遞的傳熱方式。熱對流的特點(diǎn)是物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)宏觀的運(yùn)動，因此，熱對流只能存在于流體中。由于流體中始終存在著熱傳導(dǎo)過程，故單純的熱對流是不存在

5、的。通常將流體和固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱，顯然，對流傳熱是飽含熱傳導(dǎo)和熱對流的綜合傳熱過程。在對流傳熱過程中，若流體的運(yùn)動是由于受到外力的作用所引起，則稱為強(qiáng)制對流，例如對液體攪拌產(chǎn)生的對流。若流體的運(yùn)動是由于流體內(nèi)部冷、熱部分的密度差異引起的，輕者上浮，重者下沉，這種對流則稱為自然對流。3.熱輻射熱輻射既不依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動，又不依靠分子之間的碰撞，而是借助各種不同波長的電磁波來傳遞能量的。熱輻射的特點(diǎn)是不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)兩個物體以熱輻射的方式進(jìn)行熱能傳遞時，放熱物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，并以電磁波的形式向周圍空間發(fā)射，當(dāng)遇到另一物體時，電磁波的輻射能將

6、部分或全部地被該物體吸收，又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｈ魏挝矬w都能把熱能以電磁波的形式輻射出去，也能吸收別的物體輻射出的電磁波而轉(zhuǎn)變成熱能。波長在0.140m范圍的射線（電磁波）就具有磁性質(zhì)，這一范圍的射線稱為熱射線。任何物體只要其熱力學(xué)溫度大于0K，都會以電磁波的形式向外界輻射能量。習(xí)慣上，僅將和溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射。當(dāng)物體的溫度越高，則以輻射形式傳遞的熱量就越多。輻射傳熱不需要任何介質(zhì)做媒體，它可以在真空傳播，這一點(diǎn)與熱傳導(dǎo)和熱對流不同。 實(shí)際上，上述三種基本方式，在傳熱過程中很少單獨(dú)存在，往往是互相伴隨著同時出現(xiàn)。例如在焙烤食品時，在食品的烘烤區(qū)域范圍內(nèi)，兼有熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)三種傳熱方式，并

7、且是以熱輻射為主。所以，三種基本傳熱方式在某種場合下是以某種方式為主而已。四、工業(yè)上的換熱方法 熱量交換過程簡稱換熱，在食品工業(yè)生產(chǎn)中，由于換熱的目的和工作條件的不同，換熱方法可分為以下三類。1.間壁式換熱間壁式換熱是通過固體壁面將冷、熱兩種流體隔開，熱流體先將熱量傳給固體壁面，再以熱傳導(dǎo)的方式通過固體壁面，然后由固體壁面將其所吸收的熱量傳給被加熱的冷流體以達(dá)到換熱的目的。它適用于兩流體在換熱過程中不允許混合的場合。間壁式換熱是食品工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種換熱方法，設(shè)備類型多種多樣。2.混合式換熱混合式換熱是冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的一種方式。此類換熱器只能用于允許冷、熱流體直接混合的場合。常見的混合式換熱設(shè)備有涼水塔、混合冷凝器、噴灑式冷卻塔等。結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備及操作費(fèi)用均較低，傳熱效率高。3.蓄熱式換熱蓄熱式換熱時在蓄熱器內(nèi)，冷、熱流體交替流過填充物。當(dāng)熱流體流過時，填充物溫度升高，貯存熱量。而后冷流流過，填充物中貯存的熱量