《食品工程原理》第五章---传热

第五章传热HeatTransfer第一节传热概述第二节热传导第三节对流传热第四节热交换第五节辐射传热第一节传热概述5-1传热的基本概念1.传热基本方式（1）热传导（conduction）当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时，一部分传给后者。热传导的机理：分子振动自由电子迁移温度较高处的分子与相邻分子碰撞，并将能量的（2）对流传热（convection）流体质点发生相对位移而引起的热量传递或流体微团改变空间位置所引起的流体和固体壁面之间的热量传递过程。（3）辐射传热（radiation）是一种通过电磁波进行的能量传递对流又分为自然对流和强制对流2.稳态传热和非稳态传热稳态传热（steady-stateheattransfer）温度分布不随时间而改变的传热过程非稳态传热温度分布随时间改变的传热过程3.热流量和热阻热流量（heatflowrate）：WdtdQΦ热流密度又称热通量（heatflux）：2W/mAdtdQAΦq热流量（传热过程速率）=热阻(阻力)温度差(推动力)RTΔΦR—热阻，K/W4.热交换(heatexchange)最常见的热交换是冷、热两流体隔着间壁的换热热交换所涉及的物质焓变的代数和为零iiH0Δ焓变TmcHpΔΔ式中cp—定压比热容，J/（kg·K）混合物的cpiipipwcc食品物料:wafpcp式中w—质量分数，各下角标：c为碳水化合物，p为蛋白质，f为油脂，a为灰分，w为水分第二节热传导5-2傅立叶定律5.2A温度场和温度梯度5.2B傅立叶定律和热导率5-3通过平壁的稳态导热5.3A通过单层平壁的稳态导热5.3B通过多层平璧的稳态导热5-4通过圆筒壁的稳态导热5.4A通过单层圆筒壁的稳态导热5.4B通过多层圆筒壁的稳态导热5-2傅立叶定律5.2A温度场和温度梯度1.温度场),,,(tzyxfT某一时刻空间各点的温度分布，称为温度场(temperaturefield)2.等温面和等温线某t,温度场中同T的点连接成的线或面3.温度梯度（temperaturegradient）nT)nT(limTn0gradTT+ΔTn5.2B傅立叶定律和热导率1.傅立叶定律nTλq式中λ—热导率（thermalconductivity）,W/(m·K)2.热导率λ：物质在单位温度梯度时所通过的热流密度一般情况下,金属的热导率最大,固体非金属次之，液体较小，气体最小.金属的λ：50～400W/(m·K)非金属固体的λ：0.06～3W/(m·K)其中保温隔热材料：λ0.17W/(m·K)物质的热导率λW/(m·K)钢45.4不锈钢17.4铸铁62.8铜383.8铝203.5黄铜85.5粘土砖0.57松木0.08石棉板0.12冰2.33水0.60空气0.026对水果蔬菜(ww0.60)，Sweat(1974)：KmW/0.4930.148wwλ对肉类(ww：0.60～0.80)，Sweat(1975)：KmW/0.520.080wwλ对许多固态和液态食品物料，Sweat(1986)：wafpc大多数均质固体材料λ~T呈线性关系：bT)(1λλ05-3通过平壁的稳态导热5.3A通过单层平壁的稳态导热dxdTλq210TTdTqdxλδδ/λT)T(TδλqΔ21)λAδT/Φ(ΔqATxδdxT1T2q5.3B通过多层平璧的稳态导热niiinAλδTTqAΦ111Txδ1δ2δ3qT1T2T3T4稳态导热，各层q相等334322321121/λδTT/λδTT/λδTTq应用加比定律33221141/λδ/λδ/λδTTq推广到n层niiin/λδTTq111niiiAλδR1—总热阻,K/W面处的温度。求热流密度及两层接触C。2C和温度分别为25K)。库壁外和内表面W/(m热导率0.07mm,内层为软木，厚200K),0.7W/(m热导率红砖，厚250mm,例题1：冷库壁外层为2221318.4W/m0.20/0.070.25/9.72)(25λδλδ//TTq1,/λδTTq11210.25/0.7258.42TC222T解得：niiinλδTTq111解：Txδ1δ2qT1T3T2本次习题p.1955.2.5-4通过圆筒壁的稳态导热5.4A通过单层圆筒壁的稳态导热drdTrLπλΦ22121TTrrdTrdrλπLΦ2)T(Trr2112ln2πLλΦ1212rrlnrrrm令12rrδmrδrrln1221TTδ/λLπrΦm2LrAmmπ2令mλAδ/TΦΔ5.4B通过多层圆筒壁的稳态导热niiiinrr)TL(T1111ln12λπΦ(W)r1r2r3λ1λ2T1T2T3223321122122λπλπ/rrlnTTL/rrlnTTLΦ用加比定律2312131112rrlnrrTTL2λλπΦln推广到n层LrAmimiπ2引nimiiinAλδTTΦ111Φ和两层接触面的温度。求每米长汽管的热损失C,20和表面温度分别为120K)。汽管和石棉泥外0.151W/(m热导率mm,再包石棉泥层，厚10K);(m热导率0.070W/mm,包蛭石保温层，厚502.5mm的汽管外先例题2：Φ38。Cλ20C,120K);0.151W/(mK),0.070W/(m79mm;69mm,19mm,312132TTrrλ1解：已知r32.4W/m69790.151119690.070120)3.14(12021122321231lnlnrrlnλrrlnλ)Tπ(TΦ/L119690.0703.142132.41202112112lnrrlnTTπλLΦC25第三节对流传热5-5对流传热的基本原理5.5A牛顿冷却定律5.5B对流传热的机理5-6无相变的对流传热5.6A自然对流传热5.6B强制对流传热5-7有相变的对流传热5.7A沸腾传热5.7B冷凝传热5-5对流传热的基本原理5.5A牛顿冷却定律（Newton’sLawofcooling）TαAΦΔ式中α—表面传热系数，W/（m2·K）对流传热的所有复杂性都集中在α中5.5B对流传热的机理1.热边界层1—层流底层，热阻最大2.影响对流传热的因素（1）流体状态液态或气态，有无相变（2）流体的性质密度ρ,比热容cp,热导率λ,黏度μ,体胀系数av（3）流体流动状况VdTdVαv主要为流速u,决定是层流还是湍流（4）传热壁面的形状，位置和大小代表参量为定性尺寸L5.5C对流传热的量纲分析gΔTα,cρ,λ,μ,L,u,αvpf8个物理量涉及4个基本量纲：质量M,长度L,时间T,温度Θ8个物理量的量纲式：13ΘMTdimα1LTdimuLdimL11TMLdimμ13ΘMLTdimλ3MLdimρ122ΘTLpdimc2LTΔTgdimαvgvfpedcbaT)g(αcρλμLCuαΔg2f122e3d13c11ba113LTΘTLMLΘMLTTMLLLTΘMT代入各量的量纲式：g2f122e3d13c11ba113LTΘTLMLΘMLTTMLLLTΘMT按因次一致性原则对质量M1=c+d+e对长度L0=a+b–c+d–3e+2f+g对时间T-3=-a–c–3d–2f–2g对温度Θ-1=-d-f4个方程，7个因次未知，指定a,f,g已知，则d=1－fc=－a+f–2ge=a+2gb=a+3g－1代入式gvfpedcbaT)g(αcρλμLCuαΔ整理得gvfpa)μρgΔTLa()λμc()μLuρC(λaL223g2vfpa)TLga()c()LuC(aLμρλμμλ23Δρ按π定理，有8-4=4个量纲一的特征数努塞尔特数：λαLNu雷诺数:μLuρRe普兰特数:λμcpPr格拉晓夫数:223ΔμρTLgαGrvgfaGrCReNuPr每一具体准则方程都有其适用范围定性尺寸定性温度（Nusseltnumber）（Reynoldnumber）（Prandtnumber）(Grashofnumber）各种条件下,准则方程的具体形式,应由实验求得的规定5-6无相变的对流传热5.6A自然对流传热Nu=a(Pr·Gr)m定性温度：2wbfTTT定性尺寸L：平壁为壁长，圆管为直径a,m—经验常数类型GrPram竖直平面1041.361/5（高L1m）水平圆管104GrPr1080.531/4（直径L20cm）例5-4一管径为10cm的蒸汽管道，其管外壁暴露在大气中。管外壁表面温度为130℃，空气温度为30℃，计算自然对流表面传热系数。解：C80230130fT据此Tf，查出空气物性参数ρ=1.000kg/m3λ=0.0305W/(m·K);μ=2.11×10-5Pa·s;Pr=0.70TpnRVVdTdVav1113K102.8335312vμρTLgaGr23Δ25233)10(2.111.0000.130)(1309.81102.836106.2666104.430.70106.26PrGr查表5-3a=0.53,m=1/4Nu=a(Pr·Gr)m24.3)10(4.430.531/46λaLNuK)W/(m7.410.10.030524.32LNuλα5.6B强制对流传热1.管内层流100)Re(Prld当0.140.33Re1.86(Pr)μμ()ldNuwb2.管内湍流定性温度：流体平均温度；定性尺寸：管内径d圆管0.140.330.8)(Pr0.023RewbμμNu3.管外对流单管管前半周和后半周差异很大平均当Re=103~2×105时0.25w0.380.6)PrPr(Pr0.25ReNu定性温度：流体主体均温；定性尺寸：管外径5-7有相变的对流传热5.7A沸腾传热过热度ΔT=Tw-TsC25~5TΔ当泡状沸腾,传热良C25TΔ当膜状沸腾，传热差对水：2.330.5)(Δ0.145Tpα5.7B冷凝传热/432ΔΔ0.9431v)TLμλhgρ(α第四节热交换5-9换热器5.9A换热器的分类5.9B管壳式换热器5.9C板式换热器5.9D其它间壁式换热器5-10稳态换热计算5.10A换热基本方程5.10B传热系数5.10C换热平均温差5.11B忽略内阻的非稳态换热5-11非稳态换热5.11C内外阻共存的非稳态换热5.11D可忽略外阻的非稳态换热5.11A非稳态换热的基本概念5-9换热器5.9A换热器的分类1.直接接触式冷热两流体直接接触混合换热，传热效率很高例：喷射式冷凝器2.非直接接触式（1）间壁式（2）蓄热式（3）流化床间壁式换热器又可分为：①管式换热器包括壳管、列管、螺旋管式等②板式换热器包括片式、螺旋板式等③扩展表面式换热器包括板翅式、管翅式等5.9B管壳式换热器又称列管式换热器1.结构形式由圆筒形壳体及其内部的管束组成管子两端固定在管板上,管板将壳程和管程流体分开管板外各有壳体封头温差补偿结构有三种：(a)固定管板式在壳体上加装膨胀节1(b)U型管式(c)浮头式浮头2可滑动2.管程结构(1)管子采细管径：d=15～33mm(2)管板与管束连接：胀接，焊接与壳体连接：焊接，法兰夹接管子在管板上的排列方式：(3)封头和分程封头或管箱的作用：控制和分配管程流体管程分：单程（流体经1次