食品工程原理傳熱.ppt

1、第五章 傳 熱,第一節(jié) 概述,一、傳熱及在食品工程中的應用,1、傳熱：因溫度差的存在而產生的能量傳遞。 2、傳熱在食品工程中的應用 （1）食品的加熱或冷卻 食品加工中的加熱滅菌過程、冷凍降溫過程以及某些單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)、干燥、結晶等）需傳熱，要求傳熱速度越快越好。 （2）回收熱量或冷量，節(jié)約能源。 （3）保溫或保冷：要求傳熱速度越慢越好，如冰箱冷藏食品或保溫。,二、傳熱的基本方式,根據傳熱機理不同，傳熱的基本方式有三種： 熱傳導 熱對流 熱輻射,1、熱傳導,又稱導熱，物質在不發(fā)生宏觀位移的情況下，熱量從物體內部的高溫處向低溫處傳遞，或從高溫物體向一個與它直接接觸的低溫物體的傳遞過程。 傳

2、熱機理復雜，存在分子振動學說和自由電子遷移學說等。,2、熱對流,又稱對流傳熱，是流體質點發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞過程，或者流動的流體與固定壁面之間的熱量交換。 對流傳熱伴有熱傳導。,強制對流： 因泵（或風機）或攪拌等外力作用所導致的對流稱為強制對流。,在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。,熱對流的兩種方式：,自然對流： 由于流體各處的溫度不均勻而引起的密度差異，致使流體產生相對位移，這種對流稱為自然對流。,3、熱輻射,因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。,所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何介質。但是只有在物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱

3、形式。熱輻射既有能量轉移，也有轉化。,實際上，上述三種傳熱方式而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。,三、穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,四、冷熱流體接觸方式與間壁式換熱器 1、間壁式換熱器：冷熱流體熱交換時不直接接觸，用固體壁面隔開，這種換熱器稱為間壁式換熱器。 2、并流與逆流,球形冷凝管,球形冷凝管,直形冷凝管,蛇形冷凝管,3、套管換熱器的傳熱過程 （1）對流（熱流體間壁） （2）導熱（通過間壁） （3）對流（間壁冷流體）,五、熱載體,（1）加熱劑 飽和水蒸氣（100180） 熱水（40100） 礦物油等低熔混合物（180540） 煙道氣（5001000）等。 （2）冷卻劑 水（2030） 空氣 冷凍鹽水 液氨

4、（-33.4） 氟利昂等。,六、熱流量與熱阻,熱流量（熱流率）：單位時間內通過整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，W（J/s）。 熱流密度q（熱通量）：單位時間內通過單位面積傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，W/m2。 熱流量T(推動力)/R(熱阻),七、熱交換,熱交換：兩個溫度不同的物體由于傳熱，進行熱量的交換。 結果：溫度較高的物體焓減小，溫度較低的物體焓增加，涉及物質的焓變代數(shù)和為0。 基本原則：能量守恒定律 H=mcpT 熱交換器：用于熱交換的設備,第二節(jié) 熱傳導,一、傅里葉定律,（一）溫度場與溫度梯度 1、溫度場：某一時刻空間各點溫度分布，是空間坐標和時間的函數(shù)。溫度只延一個坐標方向變化，為“一維溫度場”。 穩(wěn)定

5、溫度場（不隨時間變化） 不穩(wěn)定溫度場（隨時間變化） 2、等溫線和等溫面：某一時刻，將溫度場中具有相同溫度的點連接起來所形成的線或面。 等溫面不能相交，熱交換發(fā)生在不同的溫度面之間。 3、溫度梯度：向量，在等溫面法線上，指向溫度增加的方向,1、傅里葉定律 是熱傳導的基本定律，它指出：在溫度場中，由于導熱形成的熱流密度正比于該時刻某一點的溫度梯度。 式中為熱導率（導熱系數(shù)）。,（二）傅里葉定律和熱導率,二、熱導率,熱導率（導熱系數(shù)）是某物質在單位溫度梯度時所通過的熱流密度。 表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，單位為W/(m.)，與物質組成、結構、密度、溫度及壓力等有關。 金屬熱導率大于

6、非金屬，液體較小，氣體最小。熱導率隨溫度變化而變化。,如圖所示：,平壁壁厚為，壁面積為A； 壁的材質均勻，熱導率不隨溫度變化，視為常數(shù)； 平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化，故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面。 平壁側面的溫度t1及t2恒定。,三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)導熱（一）單層平壁穩(wěn)態(tài)導熱,結論：熱傳導距離越小，材料導熱系數(shù)越大，導熱面積越大，則熱阻越小，當傳熱推動力一定時，熱流量越大。,根據傅立葉定律,對穩(wěn)態(tài)導熱，q為常量，分離變量后積分，積分邊界條件：當x=0時，t= t1；x= 時，t= t2，,t=t1-t2為導熱的推動力而R=/A則為導熱的熱阻,如圖所示：以三層平壁為例,假定各層壁

7、的厚度分別為1，2，3，各層材質均勻，熱導率分別為1，2，3，皆視為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面。 壁的面積為A，在穩(wěn)定導熱過程中，穿過各層的熱量必相等。,（二）多層平壁的穩(wěn)態(tài)導熱,第一層,第三層,第二層,對于穩(wěn)定導熱過程：1=2=3=,1,1,2,3,對三層平壁，且t1t2t3t4則： 推廣至n層平壁：,結論：在穩(wěn)定多層平壁導熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當總溫差一定時，熱流量的大小取決于總熱阻的大小。,例52：某冷庫壁內、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層填以絕熱材料，厚10cm，磚墻的熱導率

8、為0.70W/mk，絕緣材料的熱導率為0.04W/mk，墻外表面溫度為10 ，內表面為-5 ，試計算進入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。 解：根據題意，已知t1=10，t4=-5，1=3=0.12m，2=0.10m，1=3= 0.70w/mk，2=0.04w/mk。,按溫度差分配計算t2、t3,按熱流密度公式計算q：,如圖所示：,設圓筒的內半徑為r1，內壁溫度為t1，外半徑為r2，外壁溫度為t2。 溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其面隨半徑而變化。 在半徑r處取一厚度為dr的薄層，若圓筒的長度為L，則半徑為r處的傳熱面積為A=2rL。,四、圓筒壁

9、的穩(wěn)態(tài)導熱1、通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱,將上式分離變量積分并整理得,根據傅立葉定律，對此薄圓筒層傳導的熱量為：,令Am=2rmL，則圓筒壁熱流量可表示為,2、多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導,以三層圓筒壁為例。 假定各層壁內外半徑由內至外依次為r1、r2、r3、r4； 各層材料的導熱系數(shù)1，2，3皆視為常數(shù)； 層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。,當穩(wěn)態(tài)導熱時，通過各層的熱流量相等，對于第一、二、三層圓筒壁有：,根據各層溫度差之和等于總溫度差的原則，則,同理，對于n層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為,注：對于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導，通過各層的熱流量都是相同的，但是熱流密度卻不

10、相等。,例5-3：用 894mm的不銹鋼管輸送熱油，管的熱導率為=17W/m，其內壁表面溫度為130，管外包40mm的保溫材料，熱導率為=0.035W/m，其外層表面溫度為25，試求：（1）每米管長的熱損失；（2）兩層保溫層交界處的溫度。 解：r1=0.089/20.004=0.0405m； r2=0.089/2=0.0445m；r3=0.0445+0.04=0.0845m 1=17W/m；2=0.035W/m，t1=130, t2=25,L1m，則熱損失的熱流量為： 結論：溫度降幾乎都發(fā)生在保溫層中，保溫層較大的導熱熱阻避免了較大的熱損失。,第三節(jié) 對流傳熱,上式稱為牛頓冷卻定律。其中為對流

11、傳熱系數(shù)，表示影響對流傳熱的所有復雜因素。,對流給熱是指流體流過固體壁面時與該表面發(fā)生的熱量交換，很復雜，基本關系描述為：,Q= A（T-Tw）,一、牛頓冷卻定律,二、對流傳熱過程及機理分析,是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，與流體的流動情況密切相關。 當流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導的方式進行。 當流體作湍流流動時，傳熱速度快，主體靠對流傳熱，層流底層靠傳導傳熱，熱阻集中于此。,熱邊界層：溫度邊界層，溫度梯度較大的區(qū)域。傳熱的熱阻即主要集中在此層中。,2、流體的性質：影響較大的如密度、比定壓熱容cp、熱導率、黏度，體脹系數(shù)v等；,三、對流傳熱系數(shù),（一）

12、影響對流傳熱系數(shù)的主要因素,1、流體的狀態(tài)：流體相態(tài)及相變化對影響很大。有相變時對流傳熱系數(shù)比無相變化時大的多。,3、流體的流動狀況：湍流的對流傳熱系數(shù)比層流大得多。強制對流的對流傳熱系數(shù)比自然對流大的多；,4、傳熱壁面的形狀、位置及大?。盒螤钊绻?、板、翅片；位置如管束的排列方式、垂直放置或水平放置；尺寸如管徑、管長等。,通過量綱分析，對流傳熱過程的特征數(shù)關聯(lián)式可用下式表示：,即,（二）對流傳熱系數(shù)的特征數(shù)方程,C,特征數(shù)名稱及意義,特征數(shù)方程是一種經驗公式，在利用關聯(lián)式求對流傳熱系數(shù)時，不能超出實驗條件范圍。,在應用時應注意以下幾點：,3、應用范圍,2、定性尺寸：通常是選取起主要影響的尺寸作

13、為特征尺寸。,1、定性溫度：確定流體物理參數(shù)的溫度,4、各準則式是一個無因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制。,Nu=a（GrPr）m,定性溫度: 取壁面溫度和流體主體溫度算術平均值 定性尺寸：平壁為壁長，圓管為直徑。,式中的a、m值見書165頁5-3表,四、流體無相變的對流傳熱,（一）自然對流傳熱,（二）強制對流傳熱,1、管內層流 2、管內湍流 3、管外對流 4、波紋板壁間對流 根據不同類型，使用對應的經驗公式，進行對流傳熱系數(shù)的估算。,五、流體有相變的對流傳熱,（一）沸騰傳熱 液體與高溫壁面接觸被加熱汽化，并在液體內部產生氣泡的現(xiàn)象稱為沸騰。 按加熱面與液體飽和溫度的差值不同，分

14、為泡狀沸騰和膜狀沸騰。 沸騰傳熱的應用：精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。,（二）冷凝傳熱,以飽和蒸汽作為加熱介質在傳熱中發(fā)生冷凝傳熱是工業(yè)生產中常見的傳熱方式。 1、冷凝方式 （1）膜狀冷凝：由于冷凝液能潤濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個冷凝過程中，冷凝液膜是其主要熱阻。 （2）滴狀冷凝：若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下。熱阻小。 實際生產過程中，多為膜狀冷凝過程。,2、冷凝傳熱的對流傳熱系數(shù) 略 3、影響冷凝傳熱的因素 （1）不凝性氣體的影響：形成氣膜，增加熱阻，降低對流傳熱系數(shù)。要在設備頂部設置不凝氣體排放裝置。 （2）蒸汽流速和

15、流向的影響：與液膜流向一致，液膜減薄，增大。 （3）冷卻壁面的高度及布置方式：垂直壁面可開溝槽。,第四節(jié) 熱交換,一、換熱器的分類,1、按冷、熱流體熱交換的接觸方式分： （1）非直接接觸式（間壁式、蓄熱式、流化床） （2）直接接觸式 2、按用途分：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等。,1、結構：殼體、管束、管板（又稱花板）、封頭（端蓋）等。,二、管殼式換熱器,管殼式換熱器,2、名詞解釋,（1）管程 冷、熱流體兩種流體在管殼式換熱器內進行換熱時，一種流體通過管內，其行程稱為管程。 （2）殼程 另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。,雙管單殼程,單管單殼程,三管雙殼程,在兩端封頭內設置隔板，

16、可實現(xiàn)多管程，通過提高管程流體的流速，增大對流傳熱系數(shù)，但能量損失增加，管程數(shù)以2、3、4、6程多見。,在管外殼體內裝有殼程隔板可實現(xiàn)多殼程，通過提高殼程流體的流速，增大湍流程度，以保持較高的傳熱系數(shù)，殼程數(shù)以2、3程多見。,為防止殼體和管束受熱膨脹不同導致的設備變形、管子扭彎或松脫，常采用熱補償?shù)姆椒?，主要有以下幾種：,U形管補償：每根管子彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可以自由伸縮，與其他管子和外殼無關，相當于雙管程。,浮頭補償：換熱器兩端管板之一不固定在外殼上（此端稱為浮頭），當管子受熱或受冷時，連同浮頭一起自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。,優(yōu)點：容易制造、生產成本低，適應性強，尤

17、其適于高壓流體，維修清洗方便。 缺點：結合面較多，易泄漏。,對應常見的列管式換熱器有：U形管換熱器、浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、,補償圈補償：在外殼上焊上一個補償圈。當外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發(fā)生彈性形變，達到補償?shù)哪康摹?三、板式換熱器,是以板壁為換熱壁的換熱器，常見的有片式、螺旋板式等。 1、片式換熱器 板片被壓制成槽形或波紋形，目的是： 增強剛度，不致受壓變形； 增強液體的湍動程度，增大傳熱面積，也利于流體的均勻分布。,片式熱交換器及板片,片式熱交換器,優(yōu) 點,總傳熱系數(shù)高，污垢熱阻亦較??； 結構緊湊，單位體積設備提供的傳熱面積大； 操作靈活性大，可以根據需要調節(jié)板片數(shù)目以增減傳

18、熱面積，或以調節(jié)流道的辦法，適應冷、熱流體流量和溫度變化的要求； 制造容易、檢修清洗方便、熱損失小。,缺 點,允許操作壓力較低，否則容易滲漏； 操作溫度不能太高，因受墊片耐熱性能的限制；（現(xiàn)在已有超高溫板式換熱器） 處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過大。,2、螺旋板式換熱器,由兩張平行的薄鋼卷制而成，兩板之間焊有定距柱以保持兩板間距和增加螺旋板的剛度。,優(yōu)點：結構緊湊，單位體積提供的傳熱面積大，總傳熱系數(shù)較大，傳熱效率高，不易堵塞。,缺點：操作壓力和溫度不能太高，流體阻力大，不易檢修。,螺旋板式換熱器,四、夾套式換熱器,1、結構 夾套裝在容器外部，在夾套和器壁間形成密閉的空間，

19、成為一種流體的通道。如夾層鍋、夾層缸等。,夾層蒸氣鍋,夾層缸（冷熱缸）,2、使用注意事項,（1）當用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管中排出。 （2）用于冷卻時，則冷卻水由下部進入，由上部流出。 （3）由于夾套內部清洗困難，故一般用不易產生垢層的水蒸汽、冷卻水等作為載熱介質。,結構簡單，造價低，可當作盛裝容器，但傳熱面積小，總傳熱系數(shù)不高。 適于傳熱量不大的場合，為提高傳熱性能，可在容器內安裝攪拌器，使器內液體作強制對流。,3、特點,1、結構 蛇管多以金屬管子彎繞而成，制成適應容器需要的形狀，沉浸在容器中，兩種流體分別在管內、外進行換熱。,五、螺旋盤管式換熱器,優(yōu)點：結構

20、簡單、便于制造、便于防腐、且能承受高壓。 缺點：管外液體的對流傳熱系數(shù)較小，從而總傳熱系數(shù)亦小，如增設攪拌裝置，則可提高傳熱效果。,2、特點,1、結構：兩種直徑不同的標準管組成同心套管，內管可用U形管連接，而外管之間也由管子連接。,六、套管式換熱器,注意：選擇適當管徑和較高流速，使內管與環(huán)隙間的流體呈湍流且逆流狀態(tài)，以增大總傳熱系數(shù)，減少垢層形成。,單位傳熱面的金屬消耗量很大，占地較大，一般適用于流量不大、所需傳熱面不大及高壓的場合。,特點：傳熱系數(shù)大，結構簡單、能耐高壓、制造方便、應用靈便、傳熱面易于增減。,套管式超高溫瞬時（UHT）滅菌機,七、其它,板翅式換熱器,翅片式換熱器,刮板式換熱器

21、,八、穩(wěn)態(tài)傳熱計算,（一）換熱基本方程 對于間壁式熱交換：=KATm 其中K為總傳熱系數(shù)。該式是換熱器設計的重要公式。,（二）總傳熱系數(shù),1、總傳熱系數(shù)K的獲得 （1）選取經驗值 （2）實驗測定 （3）計算 2、總傳熱系數(shù)K的計算法 （1）單層平壁,（2）多層平壁 見書180頁 （3）單層圓筒壁 見書180頁 （4）多層圓筒壁 見書181頁，對于不同的面積Ah、Ac，可以有不同的總傳熱系數(shù)，在計算流量時，它們等效。 例58：見書181頁,（三）換熱平均溫差,1、恒溫差傳熱 兩種流體進行熱交換時，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。 即：TTh

22、-Tc 一定。,2、變溫差傳熱,在傳熱過程中，間壁一側或兩側的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時溫度不同，但各點的溫度皆不隨時間而變化，即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。 換熱平均溫差與冷、熱兩流體相對流向有關。大致可分為下列四種情況：,并流：參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側分別以相同的方向流動。 逆流：參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側分別以相對的方向流動。 錯流：參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側彼此呈垂直方向流動。 折流 簡單折流：一側流體只沿一個方向流動，而另一側的流體作折流，使兩側流體間有并流與逆流的交替存在。 復雜折流：參與熱交換的雙方流體均作折流。,對逆流和并流 式中tm稱為對數(shù)平均溫差。當0.5

23、t2/t12時，可用（t2+ t1）/2代替對數(shù)平均溫差。 對錯流和折流：需乘以校正因數(shù) 例59,九、傳熱的強化,1、強化傳熱的目的 以最小的傳熱設備獲得最大的生產能力。 2、強化傳熱的途徑 （1）增加傳熱推動力換熱平均溫差 在一定條件下也可采用逆流或接近逆流操作，或提高加熱劑溫度，降低冷卻劑溫度。,（2）加大單位體積傳熱面 采用翅片或螺旋翅片管代替普通金屬管。 （3）增大總傳熱系數(shù)K 通過增大流速等方式，提高湍動程度。 盡量采用有相變的流體作為加熱劑或冷卻劑； 定期清洗換熱器，防止污垢形成。,第五節(jié) 熱輻射,一、輻射加熱方法,（一）紅外線加熱 是波長為0.8m1000m的電磁波，以輻射的形式向外傳播。工業(yè)上，把0.8m5.6m波長的紅外線稱為近紅外線，把5.6m1000m波長的紅外線稱為遠紅外線。紅外線主要作用是加熱。 1、加熱原理 當輻射源的頻率與被加熱物分子固定頻率一致時，該物質就易于吸收紅外線，吸收后產生共振，轉變?yōu)闊崮堋?（1