[农学]中国农业大学《食品工程原理》课件第2章

第2章传热1传热的基本概念2热传导中国农业大学【天地农大BBS】传热的基本概念传热是由于温度差而引起的能量转移，又称热量传递。热量总是自动地由高温区传递到低温区。(3)热辐射因为热的原因而产生的电磁波在空间的传播，称为热辐射。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。辐射传热不仅有能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质来传递能量。1.1传热的基本方式根据传热机理的不同,传热有以下3种基本方式：(1)热传导(又称导热)主要是通过微观粒子的运动传递能量，物质没有宏观位移。(2)热对流热对流是指流体质点间发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。对流可分为自然对流与强制对流。因温度不同而引起密度的差异，使轻者上浮，重者下沉，流体质点间发生相对位移，这种对流称为自然对流；因水泵、风机或其他外力作用而引起的流体流动，这种对流称为强制对流。1．2．1温度场温度场即是任一瞬间物体或系统内各点温度分布的总和。温度场的数学表达式为T=f(x，y，z，t)稳定温度场：温度场不随时间而变化的传热过程；不稳定温度场：温度场随时间而变化的传热过程。在稳定温度场中的传热称为稳定传热。温度场中同一时刻温度相同的各点组成的面称为等温面，温度不同的等温面不会相交。nTgradT温度梯度是向量，它的正方向是指向温度增加的方向。通常，也将温度梯度的标量称为温度梯度。对于一维温度场，温度梯度可表示为gradT=dT/dx1．2温度场与温度梯度1．2．2温度梯度将沿等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度，记做gradT：传热速率（热流量）Q：单位时间通过传热面的热量，W（J/s）；dSdQq/热通量（热流密度）q：单位时间通过单位传热面的热量，W/m2。1．3传热速率与热通量在稳定传热过程中，通过各个传热面的热量均相等（为一常数）。此为稳定传热的基本特点。传热速率与热通量的关系为：冷却剂：起冷却作用的载热体。常用的冷却剂有以下几种：(1)水和空气；⑵载冷剂与制冷剂。1．4载热体用于传送热量的介质称为载热体。加热剂：起加热作用的载热体。工业上常用的加热剂有以下几种：(1)饱和水蒸气；(2)烟道气；(3)热水；(4)电加热。实现冷、热介质热量交换的设备称为换热器。食品生产中最常用的是间壁式换热器。间壁式换热器就是冷、热流体不能直接接触，但可通过壁面传热。最典型的换热器是套管换热器。1．5换热器傅立叶（导热）定律：nTq热导率表征物质导热能力的大小，它反映了导热的快慢，λ越大表示导热越快。λ是物质的物性之一，其数值与物质的组成、结构、温度等有关。一般，λ金属λ非金属固体λ液体λ气体2热传导2．1傅立叶导热定律与热导率式中：q-热流密度，W/m2；λ-热导率（导热系数），W/(m·K)。一些食品的热导率见表2-1和表2-2。(2)液体和气体的热导率一般T↑，↓，λg↑。（水和甘油除外）(1)固体的热导率对大多数的固体物质，其热导率在一定的温度范围内与温度成线性关系：式中：λ为固体在温度T时的热导率；,k为经验常数。kkT0一般，金属材料，k0；非金属材料，k0。即T↑，λ金属↓，λ非金属↑。k0lRTbTTq21bTTSQ212.2.1单层平壁的稳定热传导温度仅沿x方向变化，导热为一维热传导。由傅立叶定律可写出：q=－λdT/dx若材料的热导率为常量，积分上式可得：q=λ（T1-T2）/b或工程计算中，热导率可取两壁面温度下λ值的算术平均值，或取两壁面温度之算术平均值下的λ值。2.2通过单层壁的稳定热传导或温度分布：当λ为常量时，由于q=λ（T1-T2）/b=λ（T1-T）/x故平壁内任一等温面的温度为T=T1-(T1-T2)x/b。显然，λ为常量时，单层平壁内的温度分布为直线。式中，R=b/λ，导热热阻，m2•℃/W。1221)(2rrLnTTLQ121211)(rrLnrrLnTTTT2．2．2单层圆筒壁的热传导温度仅沿半径方向变化，导热为一维热传导。对于半径为r的等温圆柱面，由傅立叶定律可写出：Q=-λSdT/dr=-λ（2πrL）dT/dr当λ为常量时，圆筒壁内的温度分布为圆筒壁内的温度按对数规律分布。若λ为常量，将上式分离变量积分并整理得：334322321121bTTbTTbTTq33221141bbbTTqniiinbTTq1112．3通过多层壁的稳定热传导稳定导热时，通过各层的热流密度相等，即：将数学上的加比定律应用于上式，可得对于n层平壁，有多层平壁热传导的总推动力（总温度差）为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。2．3．1多层平壁的稳定热传导niiiinrrLnTTLQ11111)(22．3．2多层圆筒壁的稳定热传导稳定导热时，通过各层的热流量相等，由此可推得：［例2-1］某冷库壁面由0.076m厚的混凝土外层，0.100m厚的软木中间层及0.013m厚的松木内层所组成。其相应的热导率为：混凝土0.762W/(m·K)；软木0.0433W/(m·K)；松木0.151W/(m·K)。冷库内壁面温度为-18℃，外壁面温度为24℃。求进入冷库的热流密度以及松木与软木交界面的温度。233221141/8.16151.0013.00433.0100.0762.0076.0)18(24mWbbbTTq(2)计算松木与软木交界面的温度T3由q=λ3(T3-T4)/b3得T3=T4+qb3/λ3=-18+16.8×0.013/0.151=-16.6℃三层的导热，T1=24℃，T4=-18℃；b1=0.076m，b2=0.100m，b3=0.013m；λ1=0.762W/(m·K)，λ2=0.0433W/(m·K)，λ3=0.151W/(m·K)。解：(1)计算热流密度qmWLnLnrrLnrrLnTTLQ/10860254.00508.02423.010127.00254.063.211)8.37538(211)(223212131［例2-2］内径为25.4mm，外径为50.8mm的不锈钢管，其热导率为21.63W/(m·K)。外包厚度为25.4mm的石棉保温层，其热导率为0.2423W/(m·K)。管的内壁面温度为538℃，保温层的外表面温度为37.8℃，计算钢管单位长度的热损失及管壁与保温层分界面的温度。(1)单位管长的热损失Q/L两层的导热，T1=538℃，T3=37.8℃；r1=0.0254/2=0.0127m，r2=00508/2=0.0254m，r3=r2+b=0.0254+0.0254=0.0508m；λ1=21.63W/(m·K)λ2=0.2423W/(m·K)。解：(2)管壁与保温层分界面的温度T212211)(2rrLnTTLQ得1121221)(rrLnLQTT5.53263.21210127.00254.01086538Ln℃由对流传热是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率由牛顿冷却定律给出：Q=αS·ΔT3对流传热3．1牛顿冷却定律与对流传热系数式中：α-对流传热系数，W/(m2·K)；S-总传热面积，m2；ΔT-流体与壁面(或反之）间温度差的平均值，K或℃。对流传热系数α在数值上等于单位温度差下的热通量，它反映了对流传热的快慢，α越大表示对流传热越快。α不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。几种对流传热情况下的α值范围见表2-3。由于流体的粘性，在靠近壁面处存在一滞流内层，因此在垂直于流体流动方向上，热量的传递只能通过导热进行。由于流体的热导率较小，故滞流内层内的导热热阻较大，因此，该层中温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡，因此，湍流主体中温度梯度极小，各处温度基本相同，热量传递主要靠对流进行。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。流体的流动状态对α的影响如下：3．2．1对流传热系数的获取途径目前求取对流传热系数关联式的方法有两种：理论方法&实验方法3．2对流传热系数关联式的建立方法3．2．2对流传热过程的因次分析无相变对流传热的准数关系式为：Nu=ARemPrnGrs式中A，m，n，s都为常数，其值由实验确定。准数的名称、符号及意义列于表2-4，5。通常，定性温度取：①流体进、出口温度的算术平均值(受迫流动下)；②流体平均温度与换热壁面温度的算术平均值(自由流动下)。定性尺寸：是指在准数关联式中指定的某个固体边界的尺寸。应用准数关联式应注意的事项：(1)公式的应用条件要在应用条件范围内使用这些经验公式。(2)定性温度与定性尺寸定性温度：是指用于决定准数中各物性的温度，也就是准数关联式中指定的用来查取物性的温度。nPiiCudd)())((023.08.07.0)(1Ldi对于气体或低粘度（2倍常温水的粘度）液体，采用如下关联式：Nu=0.023Re0.8Prn应用条件：Re104，0.7Pr120，管长与管内径之比L/≥60。当L/di60时，用由上式计算出的α乘以定性温度：流体进、出口温度的算术平均值；定性尺寸：管内径di。3．3流体在管内作强制对流3．3．1流体在圆形直管内作强制湍流或当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。进行校正。di当壁面温度未知时，粘度修正项(μ/)0.14可取下列数值：液体被加热时：取(μ/)0.14=1.05液体被冷却时：取(μ/)0.14=0.95对于高粘度的液体，采用如下关联式：应用条件：Re104，0.7Pr16700，管长与管内径之比L/di≥60。定性温度：除取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值；定性尺寸：管内径。)/(PrRe14.03/18.027.wooNuwwwwdinPiiCudd)())((023.08.08.02.0)5.04.0(4.03.08.07.06.0023.0udCip。,;,,,pC关于低粘度流体α的讨论：得：1）物性的影响：2）若同一流体在同一换热器中换热，仅流量发生变化，则有α∝u0.8；3)若同一流体在一套管换热器中换热，流量不变，但换热管径发生变化，则有α∝1/di1.8由下面给出求取α的一般过程：①由题意确定定性温度与定性尺寸；②在定性温度下查取流体的物性；③计算Re，Pr，Gr等准数；④选公式计算α。其它求取α的关系式见式2-21～2-31。3024020Tmdi02.0)./(6171.0),./(174.4.1012.80,/7.99553KmWKkgkJcsPamkgp42.56171.01012.8010174.4Pr1011049.21012.807.995102.0Re6015002.0353445piicuddL4101Re4.0n)./(4588)42.5()1049.2(02.06171.0023.0PrRe023.024.08.044.08.0KmWdi［例2-3］水以1m/s的流速从Φ25mm×2.5mm的管内流过，由20℃加热到40℃，管长3m。求水与管壁之间的对流传热系数。定性尺寸：管内径30℃下水的物性如下：为湍流，水被加热，解：管内流动。定性温度：℃3.7大空间自然对流传热大空间自然对流传热是指在热表面或冷表面和四周没有其他阻碍自然对流的物体存在。对流传热系数准数关联式为Nu=C（GrPr）n式中常数C，n的值见下表。定性温度：壁面温度与流体平均温度的算术平均值(称为膜温)。加热表面形状定性尺寸（GrPr）范围Cn垂直壁面高度L0.590.131/41/3水平圆管外径0.590.11/41/3d0101094~101094~101