第5章-传热优秀PPT.ppt

工程上的对流传热过程，指流体与固体壁面之间的传热过程。对工程上的对流传热过程，指流体与固体壁面之间的传热过程。对流传热过程又分为自然对流和强制对流两种。流传热过程又分为自然对流和强制对流两种。3、辐射传热：物体通过电磁波进行的传热过程；特点不须要温、辐射传热：物体通过电磁波进行的传热过程；特点不须要温度差和媒介，同时伴有能量形式的转化；两物体温度差特殊大时度差和媒介，同时伴有能量形式的转化；两物体温度差特殊大时才成为主要形式。才成为主要形式。（实际进行的传热过程为三种传热过程的组合，而以其中一种（实际进行的传热过程为三种传热过程的组合，而以其中一种为主）为主）二、稳态传热和非稳态传热二、稳态传热和非稳态传热 稳态传热指系统中各点温度只随稳态传热指系统中各点温度只随位置不随时间而变更的传热过程，特点传热速率位置不随时间而变更的传热过程，特点传热速率（W）为常数。）为常数。三、典型的传热过程三、典型的传热过程 工业上常常遇到的传热是热、冷两种流体进行换热，称为热工业上常常遇到的传热是热、冷两种流体进行换热，称为热交换。最常见的是两流体通过固体壁面进行换热，所需设备称为交换。最常见的是两流体通过固体壁面进行换热，所需设备称为换热器。换热器。1、套管式换热器、套管式换热器 2、列管式换热器、列管式换热器 管板、壳体、管束、管程、壳程、管板、壳体、管束、管程、壳程、封头封头 衡量换热器的大小用传热面积表示：衡量换热器的大小用传热面积表示：A=nd L评价换热器的传热性能用传热速率表示：评价换热器的传热性能用传热速率表示：=KAT3、传热速率、传热速率的计算：通常将生产过程要求流体温度变更或相的计算：通常将生产过程要求流体温度变更或相变更时放出或吸取的热量称为热负荷，为工艺过程要求。但换热变更时放出或吸取的热量称为热负荷，为工艺过程要求。但换热器的传热速率器的传热速率必需满足工艺要求，因而两者在数值上相等。必需满足工艺要求，因而两者在数值上相等。热交换的基本原则是能量守衡，热流体的焓变与冷流体的相热交换的基本原则是能量守衡，热流体的焓变与冷流体的相同，即：同，即：Hh=HC=无相变更时无相变更时 =mhCPh（Th1Th2）=mCCPC（TC2TC1）有相变更时有相变更时 =mh r+CPh（Th1Th2）=mCCPC（TC2TC1）其中其中CP可取平均值，纯物质从手册查取，对混合物按下述方可取平均值，纯物质从手册查取，对混合物按下述方法计算：法计算：（1）CP=Cpi wi 单位：单位：J/（kgK）（2）对于食品物料：）对于食品物料：CP=1424wC+1549wP+1675wf+837wa+4187ww （3）对含水量）对含水量26%以上的肉产品和含水量以上的肉产品和含水量50%以上的果汁：以上的果汁：CP=1675+2500ww四、载热体及其选择四、载热体及其选择 为将流体加热或冷却，需另一种流体供应或取走热量，该流体为将流体加热或冷却，需另一种流体供应或取走热量，该流体称为载热体。称为载热体。1、加热剂：常用的是饱和水蒸气，、加热剂：常用的是饱和水蒸气，100180范围内运用便利、范围内运用便利、干净，可干脆或间接加热。当需加热到较高温度时接受高温载热干净，可干脆或间接加热。当需加热到较高温度时接受高温载热体，如矿物油（体，如矿物油（180250），联苯混合物（），联苯混合物（250380），），熔融盐（熔融盐（140530）等。）等。2、冷却剂：常用空气和水，但冷却温度不低于、冷却剂：常用空气和水，但冷却温度不低于2030，当要求将物料冷到，当要求将物料冷到环境温度以下时，接受冷冻剂如冷冻盐水（环境温度以下时，接受冷冻剂如冷冻盐水（0-15），氟里昂（），氟里昂（-30-40），液氨（），液氨（-33），液态乙烷（），液态乙烷（-87），液态乙烯（），液态乙烯（-103）等。）等。3、载热体的选择：不同的载热体影响传热设备型式及其操作费用，一般主要、载热体的选择：不同的载热体影响传热设备型式及其操作费用，一般主要考虑载热体的温度是否易于调整限制、平安性、稳定性、腐蚀性、价格等。考虑载热体的温度是否易于调整限制、平安性、稳定性、腐蚀性、价格等。其次节其次节 热传导及其计算热传导及其计算一、热传导的基本定律一、热传导的基本定律 导热过程和物体内各部分间的温度差有关，为进行导热过程和物体内各部分间的温度差有关，为进行导热计算要了解物体内部不同位置、不同时刻温度的状况，需知道温度在空导热计算要了解物体内部不同位置、不同时刻温度的状况，需知道温度在空间和时间上的分布及变更强度。间和时间上的分布及变更强度。1、温度场、温度场 任一时刻，温度在物体上全部各点的分布，称为温度场，即：任一时刻，温度在物体上全部各点的分布，称为温度场，即：T=f（x，y，z，t）若各点温度不随时间而变更，称为稳定温度场（其传热过程为稳态传热）若各点温度不随时间而变更，称为稳定温度场（其传热过程为稳态传热）：T=f（x，y，z）若物体内部温度只沿一个方向而变更，称为一维稳定温度场：若物体内部温度只沿一个方向而变更，称为一维稳定温度场：T=f（x）2、等温面和等温线、等温面和等温线 某时刻温度场中相同温度的点连成的线某时刻温度场中相同温度的点连成的线或组成的面，称为等温线或等温面。不同的或组成的面，称为等温线或等温面。不同的等温线或面不相交，而传热发生在不同的等等温线或面不相交，而传热发生在不同的等温线或面之间。温线或面之间。3、温度梯度、温度梯度 不同的等温面间单位距离的温度变更程度不同的等温面间单位距离的温度变更程度不同，但以法线方向上温度的变更率最大，不同，但以法线方向上温度的变更率最大，因而定义两相邻等温面间的温度差与其距离因而定义两相邻等温面间的温度差与其距离的比值为温度梯度。即：的比值为温度梯度。即：注：注：grad T为向量，正向为温度为向量，正向为温度 增加的方向，与传热的方向相反。增加的方向，与传热的方向相反。4、Fourier 定律定律 1822年年 Fourier 得出了热传导的基本定律：得出了热传导的基本定律：其中：其中：q-单位面积的传热量，单位面积的传热量，W/m2；-导热系数（热导率），导热系数（热导率），W/（mk）。）。5、导热系数（热导率）、导热系数（热导率）为物质物性参数之一，表明物质导热实力的为物质物性参数之一，表明物质导热实力的大小大小,反映物质在单位面积、单位温度梯度下传反映物质在单位面积、单位温度梯度下传导的热量。导的热量。=f(种类种类,结构结构,密度密度,温度温度,状态状态,湿度湿度,压强等压强等)，其数值由试验测定。，其数值由试验测定。通常金属的通常金属的最大（最大（35420，随温度上升而，随温度上升而降低），非金属的降低），非金属的次之（次之（0.13.0，随温度上升，随温度上升而增加）而增加）,液体的液体的较小（较小（0.070.7，大多数随温，大多数随温度上升而降低），气体的度上升而降低），气体的最小（最小（0.0060.6，随，随温度上升而上升）。温度上升而上升）。注注:0.17的材料可作为保温隔热材料。的材料可作为保温隔热材料。二、平壁的一维稳态热传导二、平壁的一维稳态热传导 平壁指长和宽远大于厚度的壁面，沿边缘平壁指长和宽远大于厚度的壁面，沿边缘散热不计，温度只沿散热不计，温度只沿x方向发生变更。方向发生变更。1、单层平壁的一维稳态热传导、单层平壁的一维稳态热传导 由一种材料组成由一种材料组成为常数，温度不随时间变更，为常数，温度不随时间变更，T1T2。在平壁内取厚度为在平壁内取厚度为dx的微元，温差的微元，温差dT，据，据Fourier 定律：定律：T T1 Q dT T2 dx x由此得到（由此得到（1）传热速率）传热速率 （2）温度分布）温度分布2、多层平壁的一维稳态热传导、多层平壁的一维稳态热传导 由几种不同材料组成的平壁，称为多层平壁。其中各由几种不同材料组成的平壁，称为多层平壁。其中各层传热面积相等为层传热面积相等为A，厚度，厚度i，导热系数，导热系数i为常数，层为常数，层与层间紧密接触，各点温度不随时间变更，传热沿与层间紧密接触，各点温度不随时间变更，传热沿 x 方方向进行，设向进行，设T1T4。当稳态传热时，通过各层的传热速率相等，即：当稳态传热时，通过各层的传热速率相等，即：T T1 T2 T3 T4 多层平壁稳态传热的特点：（多层平壁稳态传热的特点：（1）通过每一层的）通过每一层的、q均相同（为常数）；（均相同（为常数）；（2）对每一层温差和热阻成正比，）对每一层温差和热阻成正比，TiRi ；（；（3）在每一层中温度分布为直线。）在每一层中温度分布为直线。三、圆筒壁的一维稳态热传导三、圆筒壁的一维稳态热传导 T1、单层圆筒壁的一维稳态热传导、单层圆筒壁的一维稳态热传导 T1常见的管道、设备多为圆筒壁，传热沿常见的管道、设备多为圆筒壁，传热沿 r 方向方向 T1变更（设长度变更（设长度Lr）进行，为一维稳态热传）进行，为一维稳态热传 导，但温度、传热面积随半径的变更而变更。导，但温度、传热面积随半径的变更而变更。T1 取半径取半径 r 处厚度为处厚度为 dr 的薄圆筒体，由的薄圆筒体，由Fourier 定律：定律：T2 r1 r2其中：其中：由此得到（由此得到（1）传热速率）传热速率 （2）温度分布）温度分布 为对数曲线。为对数曲线。2、多层圆筒壁的一维稳态热传导、多层圆筒壁的一维稳态热传导多层圆筒壁稳态传热的特点：多层圆筒壁稳态传热的特点：（1）通过每一层的通过每一层的相同相同（为常数）（为常数），但，但q不相同不相同；（2）对每一层温度差和热阻成正比，对每一层温度差和热阻成正比，TiRi ；（3）在每一层中温度分布为曲线。）在每一层中温度分布为曲线。第三第三 节节 对流传热及其计算对流传热及其计算 当流淌的流体与固体壁面进行传热时，过当流淌的流体与固体壁面进行传热时，过程包括由流体质点的运动、混合和热传导的方式程包括由流体质点的运动、混合和热传导的方式进行，因而对流传热实质是对流和导热两者共同进行，因而对流传热实质是对流和导热两者共同作用的结果，而且与流淌状况有关。作用的结果，而且与流淌状况有关。一、对流传热过程分析一、对流传热过程分析 Q 实际的对流传热过程特别困难，工程上实际的对流传热过程特别困难，工程上 T为了便利计算，将对流传热过程简化为为了便利计算，将对流传热过程简化为 TW tW t通过厚度为通过厚度为的虚拟层流膜层的热传导问的虚拟层流膜层的热传导问题。题。二、对流传热速率方程式二、对流传热速率方程式 该方程称该方程称Newton Law of Cooling，其中，其中称为称为对流传热系数，对流传热系数，W/（m2K）。）。表示单位温表示单位温度差下、单位传热面积上通过对流传热方式传过度差下、单位传热面积上通过对流传热方式传过的热量，其大小反映对流传热的快慢程度。的热量，其大小反映对流传热的快慢程度。不不是物性参数，而与流淌的状态亲密相关，表是物性参数，而与流淌的状态亲密相关，表51列出其数值范围。计算对流传热的关键是计算列出其数值范围。计算对流传热的关键是计算。三、对流传热的机理三、对流传热的机理 T 1、传热边界层、传热边界层 TW 流体与固体壁面之间的传热，在近壁处也会流体与固体壁面之间的传热，在近壁处也会形成一个具有温度梯度的薄层，称为传热边界层。形成一个具有温度梯度的薄层，称为传热边界层。一般规定（一般规定（TWT）=0.99（TWT）处为传）处为传热边界层，厚度热边界层，厚度。在传热边界层中，最大的温。在传热边界层中，最大的温度梯度发生在层流底层，边界层以外不存在传热度梯度发生在层流底层，边界层以外不存在传热阻力，传热边界层内的传热以热传导为主。传热阻力，传热边界层内的传热以热传导为主。传热边界层的厚度受流淌状况的干脆影响，若改善流边界层的厚度受流淌状况的干脆影响，若改善流淌状况，降低层流底层厚度，传热边界层变薄，淌状况，降低层流底层厚度，传热边界层变薄，热阻减小，热阻减小，就会提高，为强化传热的主要途径。就会提高，为强化传热的主要途径。2、影响对流传热的因素、影响对流传热的因素 理论分析和试验表明影响理论分析和试验表明影响的主要因素有：的主要因素有：流体的种类和状态流体的种类和状态(气、液、蒸汽，相变更）；气、液、蒸汽，相变更）；流体的性质（流体的性质（,Cp,）；）；流体的流淌形态；流体的流淌形态；引起流淌的缘由引起流淌的缘由(自然对流自然对流vgT，强制对流），强制对流）；传热面的形态、位置和大小（常用特征尺寸传热面的形态、位置和大小（常用特征尺寸L表示）。表示）。四、对流传热的量纲分析四、对流传热的量纲分析 对无相变更的对流传热过程，对无相变更的对流传热过程，与下列因素与下列因素有关：有关：=f（u，L，vgT，CP）可表示为：可表示为：=K ua Lb（vgT）c d e f CPh 式中有式中有8个物理量，个物理量，4个基本量纲（质量个基本量纲（质量M、长度、长度L、时间、时间、温度、温度T），按），按定理，无定理，无量纲数量纲数 I=84=4。量纲方程式：量纲方程式：依据因次一样性原则：依据因次一样性原则：（M）1=d+e+f，（T）1=e h （）3=a 2c d 3e2h（L）0=a+d+e3f+h 因而：因而：b=1+a+3c，d=a 2c+h，e=1 h，f=a+2c带入得：带入得：即得到准数关联式：即得到准数关联式：各准数的名称和意义：各准数的名称和意义：Nusselt准数准数 ，表征对流传热强弱程度的准数；，表征对流传热强弱程度的准数；Reynolds准数准数 ，表征流体流淌湍动程度的准数；，表征流体流淌湍动程度的准数；Prandtl准数准数 ，表征物性对对流传热影响的准，表征物性对对流传热影响的准 数；数；Grashof准数准数 ，表征自然对流流，表征自然对流流 动状况的准数。动状况的准数。在对流传热中，在对流传热中，Nu=f（Re，Pr，Gr）的具体方程式与传热有关，通过试验获得）的具体方程式与传热有关，通过试验获得特定的方程式。运用时留意：特定的方程式。运用时留意：方程式的适用范围；方程式的适用范围；定性尺寸定性尺寸L的取法；的取法；定性温度的规定。定性温度的规定。五、流体无相变更时的对流传热系数五、流体无相变更时的对流传热系数的准数关联式的准数关联式 1、自然对流传热时、自然对流传热时的准数关联式的准数关联式 Nu=a（Pr Gr）m 适用范围：大空间的自然对流；适用范围：大空间的自然对流；L的取法：平壁取长度，圆管取直径；的取法：平壁取长度，圆管取直径；定性温度：定性温度：Tf=（Tb+TW）/2。2、强制对流传热时、强制对流传热时的准数关联式的准数关联式 （1）圆管内的层流：）圆管内的层流：若若适用范围适用范围Re2000；L取管内径；取管内径；定性温度：定性温度：Tf=（T1+T2）/2。工程上工程上 的近似取法：当液体被加热时取的近似取法：当液体被加热时取1.05，被冷却时取，被冷却时取0.95；气体不论被加热、冷却均取气体不论被加热、冷却均取1.0。（2）圆管内的湍流：）圆管内的湍流：适用范围：适用范围：Re10000；L取管内径；取管内径；定性温度：定性温度：Tf=（T1+T2）/2。提高管内提高管内的途径：的途径：（3）圆管内的过渡流：）圆管内的过渡流：Re=200010000，*=（16105 Re-1.8)（4）非圆管）非圆管:用用de代替代替d，选用相应方程式计算即可，选用相应方程式计算即可(若流体在列若流体在列管换热器管间流淌，无挡板时，可依据管内方程式计算）。管换热器管间流淌，无挡板时，可依据管内方程式计算）。（5）圆形弯管内的流淌：按上述方法计算后乘校正系数）圆形弯管内的流淌：按上述方法计算后乘校正系数（6）管外单管时（垂直流过）：）管外单管时（垂直流过）：Re=101000 Re=1000200000适用范围：流速取最大流速，适用范围：流速取最大流速，Re10；L取法：管外径；取法：管外径；定性温度：定性温度：Tf=（T1+T2）/2，但，但 PrW取壁面温度时的值。取壁面温度时的值。提高管外提高管外的途径：的途径：（7）管外管束中垂直流过：）管外管束中垂直流过：（8）水纹板壁间的对流传热：）水纹板壁间的对流传热：六、流体有相变更时对流传热系数六、流体有相变更时对流传热系数的准数关联式的准数关联式 1、液体沸腾传热时、液体沸腾传热时的准数关联式的准数关联式 当液体与高温壁面接触被加热到饱和温度时，产生大量气泡形成蒸汽的过程称为当液体与高温壁面接触被加热到饱和温度时，产生大量气泡形成蒸汽的过程称为液体沸腾，壁面对液体传热的过程为液体沸腾传热。过程包括传热、气泡形成并且液体沸腾，壁面对液体传热的过程为液体沸腾传热。过程包括传热、气泡形成并且渐渐长大，气泡脱离壁面上升，穿过液体层而形成蒸汽。由于气泡形成、合并和穿渐渐长大，气泡脱离壁面上升，穿过液体层而形成蒸汽。由于气泡形成、合并和穿过液体层运动的猛烈扰动，传热系数要大于无相变更。过液体层运动的猛烈扰动，传热系数要大于无相变更。液体沸腾传热时液体沸腾传热时的大小与的大小与T=TWTS 有关，大致如下：有关，大致如下：自然对流自然对流 泡状沸腾泡状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾 0 5 25 T对于水：对于水：=0.145 p0.5 T2.33 2、蒸汽冷凝、蒸汽冷凝 当蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触，蒸汽将凝当蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触，蒸汽将凝合为液体，此时蒸汽与固体壁面的传热称为蒸汽冷凝合为液体，此时蒸汽与固体壁面的传热称为蒸汽冷凝传热。分为滴状冷凝和膜状冷凝两种，滴状冷凝传热传热。分为滴状冷凝和膜状冷凝两种，滴状冷凝传热优于膜状冷凝传热，工业上大多为膜状冷凝，由于发优于膜状冷凝传热，工业上大多为膜状冷凝，由于发生相变更放出冷凝热，传热系数大于无相变更。生相变更放出冷凝热，传热系数大于无相变更。蒸汽在垂直壁面冷凝时蒸汽在垂直壁面冷凝时 蒸汽在水平管外冷凝时蒸汽在水平管外冷凝时为利于蒸汽冷凝，应不断导走冷凝液，刚好排出不凝性气体。为利于蒸汽冷凝，应不断导走冷凝液，刚好排出不凝性气体。七、流化床中的传热七、流化床中的传热1、固体流态化、固体流态化 流体通过颗粒床层时，随颗粒特性和流速的不同，可能出现：流体通过颗粒床层时，随颗粒特性和流速的不同，可能出现：流速很小时，颗粒静止，流体从颗粒间隙通过，称为固定床；流速很小时，颗粒静止，流体从颗粒间隙通过，称为固定床；流速增加时，床层起先膨胀（颗粒间空隙拉大），直至颗粒流速增加时，床层起先膨胀（颗粒间空隙拉大），直至颗粒悬浮在流体中。此时床层内颗粒向各个方向作不规则的运动，悬浮在流体中。此时床层内颗粒向各个方向作不规则的运动，并且具有与流体同样的流淌性，称为流化床（沸腾床）。这种并且具有与流体同样的流淌性，称为流化床（沸腾床）。这种现象称为固体的流态化，对应流体的速度称为临界流化速度现象称为固体的流态化，对应流体的速度称为临界流化速度umf，床层高度用，床层高度用Lmf表示。表示。流速接着增大时，颗粒随流体一起流出，称为气体的输送。流速接着增大时，颗粒随流体一起流出，称为气体的输送。在食品工业中固体的流态化技术主要用于物料的加热、冷却、冷在食品工业中固体的流态化技术主要用于物料的加热、冷却、冷冻、干燥、造粒等物理过程，均伴有传热问题。冻、干燥、造粒等物理过程，均伴有传热问题。Lmf2、流化床中传热的特点、流化床中传热的特点（1）床层内部温度分布匀整；）床层内部温度分布匀整；（2）传热速率大（对流传热系数为固定床的）传热速率大（对流传热系数为固定床的10倍）。倍）。3、流化床床层与器壁间的传热、流化床床层与器壁间的传热4、流化床中固体颗粒与流体间的传热、流化床中固体颗粒与流体间的传热 第五节第五节 传热过程及其计算传热过程及其计算一、换热器一、换热器1、换热器的分类、换热器的分类（1）干脆接触式（混合式）：两种流体干）干脆接触式（混合式）：两种流体干脆接触进行换热。脆接触进行换热。（2）非干脆接触式：两种流体不干脆接触）非干脆接触式：两种流体不干脆接触而进行换热。而进行换热。蓄热式蓄热式两流体在蓄热体中交替通过交换两流体在蓄热体中交替通过交换热量（气体冷却）。热量（气体冷却）。间壁式间壁式两种流体通过固体壁面而进行换两种流体通过固体壁面而进行换热。具体分为：热。具体分为：管式（换热面为管状）：套管、列管、管式（换热面为管状）：套管、列管、蛇管等及其扩展式；蛇管等及其扩展式；板式（换热面为板状）：螺旋板式、板式（换热面为板状）：螺旋板式、板式等及其扩展式。板式等及其扩展式。此外依据用途分为：加热器、冷却器、此外依据用途分为：加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、灭菌器等。再沸器、冷凝器、灭菌器等。2、列管式换热器（结构简洁、适应性强、运、列管式换热器（结构简洁、适应性强、运用广泛，传热效果好；但金属材料用广泛，传热效果好；但金属材料 用量大，用量大，单位体积换热面积小，为单位体积换热面积小，为40150 m2/m3）（1）管程结构：管子（）管程结构：管子（192、252.5、382.5）,管板（固定管束管板（固定管束)，管子排列方式，管子排列方式（正三角形、正方形、同心圆）、封头（汇（正三角形、正方形、同心圆）、封头（汇合安排流体）合安排流体）（2）壳程结构：壳体、挡板。）壳程结构：壳体、挡板。（3）结构型式：依据热补偿方式的不同分为：）结构型式：依据热补偿方式的不同分为：固定管板式、固定管板式、U型管式、浮头式三种。型管式、浮头式三种。五段片式牛奶杀菌器五段片式牛奶杀菌器3、板式换热器、板式换热器（1）板式换热器：由一组长方形金属水纹）板式换热器：由一组长方形金属水纹薄板（薄板（0.53mm）组装而成，冷热流体）组装而成，冷热流体在板两侧逆流交替流过通过板面换热。在板两侧逆流交替流过通过板面换热。特点结构紧凑，单位体积换热面积可达特点结构紧凑，单位体积换热面积可达到到2501500 m2/m3，传热面积可调整，传热面积可调整，传热效率高，传热系数大；缺点是不能传热效率高，传热系数大；缺点是不能承受高温高压，用于杀菌、啤酒冷却过承受高温高压，用于杀菌、啤酒冷却过程。程。（2）螺旋板式换热器：由两张平行金属薄）螺旋板式换热器：由两张平行金属薄板（板（1.53mm）卷制而成，冷热流体在）卷制而成，冷热流体在板两侧逆流交替流过螺旋型通道通过板板两侧逆流交替流过螺旋型通道通过板面换热。特点结构紧凑，单位体积换热面换热。特点结构紧凑，单位体积换热面积可达到面积可达到150500 m2/m3，传热面积，传热面积固定，受离心力作用湍动程度高，不易固定，受离心力作用湍动程度高，不易堵塞，传热效率高，传热系数大；缺点堵塞，传热效率高，传热系数大；缺点是不能承受高压，检修和清洗困难，用是不能承受高压，检修和清洗困难，用于加热、冷却过程。于加热、冷却过程。4、其它型式换热器、其它型式换热器 夹套式、蛇管式、夹套式、蛇管式、套管式等套管式等二、稳态传热过程计算二、稳态传热过程计算（T与与t无关无关，物料量、，物料量、为常量为常量）1、传热基本方程式、传热基本方程式 设热流体在管内，冷流体在管外通过壁面换热，过程为三步：设热流体在管内，冷流体在管外通过壁面换热，过程为三步：（1）管内对流传热：）管内对流传热：（2）管壁导热传热：）管壁导热传热：（3）管外对流传热：）管外对流传热：故：故：称为传热基本方程式，其中：称为传热基本方程式，其中：称为传热热阻，称为传热热阻，K称为总传热系数，单位称为总传热系数，单位 W/m2K。2、总传热系数、总传热系数K的计算的计算 确定确定K的方法：取阅历值（表的方法：取阅历值（表56）；试验测定；计）；试验测定；计算法。算法。K与与A有关，以有关，以AO为基准时用为基准时用Ko表示，对应表示，对应=Ko AoT 由于由于 所以：所以：同理以同理以Ai为计算基准时用为计算基准时用Ki表示，对应表示，对应=Ki AiT以以Am为计算基准时用为计算基准时用Km表示，对应表示，对应=Km AmT留意：留意：（1）当传热壁面上）当传热壁面上 有污垢生成时：有污垢生成时：（2）总传热热阻表示：）总传热热阻表示：（3）对平壁或薄壁管：）对平壁或薄壁管：（4）提高）提高K的途径：管壁和污垢热阻不计的途径：管壁和污垢热阻不计 当两侧当两侧接近时，同时提高两侧接近时，同时提高两侧；当两侧当两侧相差大时，关键是提高相差大时，关键是提高小的一侧流体的小的一侧流体的。3、传热温度差、传热温度差Tm的计算的计算 冷热两流体通过壁面换热时，据温度变更可分为：冷热两流体通过壁面换热时，据温度变更可分为：（1）恒温换热：参与换热的冷热两种流体沿固体壁面）恒温换热：参与换热的冷热两种流体沿固体壁面温度不发生变更。温度不发生变更。Tm=ThTc（2）变温换热：参与换热的冷热两流体沿壁面温度发）变温换热：参与换热的冷热两流体沿壁面温度发生变更时，则生变更时，则 T也沿壁面发生变更，接受平均温度也沿壁面发生变更，接受平均温度差差 Tm表示。表示。具体又分为：并流、逆流、错流和折流。具体又分为：并流、逆流、错流和折流。对于并流和逆流：对于并流和逆流：其中其中T2和和T1分别分别 表示换热器两端处热流表示换热器两端处热流 体和冷流体的温度差。体和冷流体的温度差。对于错流和折流：先按逆流计算，然后进行校正；对于错流和折流：先按逆流计算，然后进行校正；当当 时，可用算术平均值计算时，可用算术平均值计算 ；当两流体进出口温度相同时，逆流当两流体进出口温度相同时，逆流 Tm大于并流大于并流Tm；当两流体有一种发生相变更时，逆流当两流体有一种发生相变更时，逆流 Tm 同并同并流。流。4、传热面积的计算：、传热面积的计算：三、非稳态传热过程计算三、非稳态传热过程计算 固态或粘稠食品的加热（冷却）固态或粘稠食品的加热（冷却）:起先食品起先食品内部温度一样，加热时表面先升温；然后内部内部温度一样，加热时表面先升温；然后内部渐渐升温；最终温度达到一样。特点：传热包渐渐升温；最终温度达到一样。特点：传热包括流体与食品表面的对流传热和表面与内部间括流体与食品表面的对流传热和表面与内部间的导热过程，温度梯度、传热速率的导热过程，温度梯度、传热速率随时间而随时间而变更，为非稳态传热过程。对无内热源一维非变更，为非稳态传热过程。对无内热源一维非稳态传热过程，导热微分方程式：稳态传热过程，导热微分方程式：称导称导温系数（温系数（m2/s）对简洁几何体常用对简洁几何体常用4个无因次特征数表示解：个无因次特征数表示解：Y=f（X，m，n）Y温度比；温度比；X时间比；时间比；m热阻比；热阻比；n距距离比。离比。通常通常n=0,Y=f（X，m）1、忽视内热阻的非稳态传热过程（、忽视内热阻的非稳态传热过程（m10）当当RiRO时，可认为物体内部温度匀整，仅随时，可认为物体内部温度匀整，仅随时间而变更，过程受对流传热限制（如固粒在流体中时间而变更，过程受对流传热限制（如固粒在流体中的加热、冷却，容器内液态食品搅拌良好时的换热等）的加热、冷却，容器内液态食品搅拌良好时的换热等）。将冷颗粒放入到将冷颗粒放入到T的热流体中，据热量衡算：的热流体中，据热量衡算：见例见例5-10，计算内容，计算内容t或或T。2、内外热阻共存时的非稳态传热（、内外热阻共存时的非稳态传热（10m0.025）对具有模拟形体的食品（水果及其片、香肠、豌豆）对具有模拟形体的食品（水果及其片、香肠、豌豆），即使是大平板、圆柱体、球体仅一维方向传热的非，即使是大平板、圆柱体、球体仅一维方向传热的非稳态传热过程，此时内部热阻与外部热阻均不能忽视，稳态传热过程，此时内部热阻与外部热阻均不能忽视，其解的表达式相当困难其解的表达式相当困难 工程上对大平板、圆柱体、球体作出了不同工程上对大平板、圆柱体、球体作出了不同m值的值的YX算算图（图图（图5-30、5-31、5-32），运用时查取图表计算），运用时查取图表计算t或或T。特性尺寸特性尺寸x1的取法：平板为半厚度；圆柱体、球体为半径的取法：平板为半厚度；圆柱体、球体为半径（例（例5-1）。）。两种特殊状况：两种特殊状况：（1）对有限长的短圆柱体，可视为长圆柱体和厚度等于短）对有限长的短圆柱体，可视为长圆柱体和厚度等于短圆柱高度的大平板的公交体，因而其温度比圆柱高度的大平板的公交体，因而其温度比 Y=Y1Y2 ；（2）当物体的）当物体的m0.025时，可认为外部热阻很小可忽视不时，可认为外部热阻很小可忽视不计，此时查取计，此时查取m=0 的曲线即可。的曲线即可。（例（例5-12）四、间歇式传热过程的计算四、间歇式传热过程的计算 食品工业常在搅拌槽中利用加热剂（或冷却剂）对料液食品工业常在搅拌槽中利用加热剂（或冷却剂）对料液进行间歇加热（或冷却），特点是槽内料液的温度匀整但随时进行间歇加热（或冷却），特点是槽内料液的温度匀整但随时间而变更，属非稳态传热过程。常见的是利用夹套和沉醉式换间而变更，属非稳态传热过程。常见的是利用夹套和沉醉式换热器进行的换热过程。设热器进行的换热过程。设K、CP为常数；为常数；料液恒定，温料液恒定，温度匀整；度匀整；热损失不计。热损失不计。1、以恒温加热剂（或冷却剂）对料液进行加热（或冷却）、以恒温加热剂（或冷却剂）对料液进行加热（或冷却）设加热剂设加热剂Th=常数，料液量常数，料液量qm，比热，比热CP，初温，初温TC0，经，经t时时间后加热到间后加热到TC，传热面积，传热面积A，传热系数，传热系数K，传热量，传热量（J），），则：则：2、以变温加热剂（或冷却剂）对料液进行加热（或冷却）、以变温加热剂（或冷却剂）对料液进行加热（或冷却）设加热剂进口温度设加热剂进口温度Th1，出口，出口Th2，流量，流量qmh=常数，比热常数，比热CPh；料液量料液量qm，比热，比热CP，初温，初温TC0，经过，经过t时间后加热到时间后加热到TC，传热，传热面积面积A，传热系数，传热系数K，在微分时间，在微分时间dt内进行热量衡算（特点槽内内进行热量衡算（特点槽内液体温度和加热剂温度随时间不断变更）：液体温度和加热剂温度随时间不断变更）：由此得到由此得到t和和TC的关系。的关系。第五节第五节 辐射传热辐射传热 辐射传热是指不同物体辐射传热是指不同物体间相互辐射和吸取能量并转间相互辐射和吸取能量并转化为热量的过程，净结果是化为热量的过程，净结果是高温物体将热量传给了低温高温物体将热量传给了低温物体。食品中的应用主要为：物体。食品中的应用主要为：接受辐射加热的方法对食品接受辐射加热的方法对食品进行焙烤和干燥；高温设备进行焙烤和干燥；高温设备外壁面与四周大气进行辐射外壁面与四周大气进行辐射传热。传热。一、辐射的基本概念一、辐射的基本概念 1、热辐射、热辐射 以热的缘由引以热的缘由引起的电磁波辐射称热辐射，起的电磁波辐射称热辐射，其物理本质同其它辐射，均其物理本质同其它辐射，均是以电磁波的形式传播辐射是以电磁波的形式传播辐射能，区分在波长范围不同能，区分在波长范围不同（0.440m，其中，其中0.4 0.8m为可见光，为可见光，0.840m为红外线，统称为热为红外线，统称为热射线），特点辐射不需任何射线），特点辐射不需任何媒介。媒介。2、吸取率和黑体、灰体的概、吸取率和黑体、灰体的概念念 当热射线携带辐射能当热射线携带辐射能投射到物体表面时将发生吸投射到物体表面时将发生吸取、反射和透过现象。取、反射和透过现象。Q QR QA QT 投射到物体表面的能量遵循能量守恒定律：投射到物体表面的能量遵循能量守恒定律：Q=QA+QR+QT即：即：QA/Q+QR/Q+QT/Q=1令令：=QA/Q，称为物体的吸取率；当，称为物体的吸取率；当=1时表示物体能全部吸时表示物体能全部吸取辐射能，该物体称为黑体。取辐射能，该物体称为黑体。=QR/Q，称为物体的反射率；当，称为物体的反射率；当=1时表示物体能全部反射辐时表示物体能全部反射辐射能，该物体称为白体或镜体。射能，该物体称为白体或镜体。=QT/Q，称为物体的透过率；当，称为物体的透过率；当=1时表示物体能全部透过辐时表示物体能全部透过辐射能，该物体称为透热体。射能，该物体称为透热体。大多数固液体为不透热体，而气体对辐射能几乎无反射实大多数固液体为不透热体，而气体对辐射能几乎无反射实力，实际物体介于黑体和白体间，能部分地吸取全部波长范力，实际物体介于黑体和白体间，能部分地吸取全部波长范围的辐射能。为便利计定义对全部波长范围的辐射能具有相围的辐射能。为便利计定义对全部波长范围的辐射能具有相同吸取率的物体为灰体，特点是同吸取率的物体为灰体，特点是吸取无选择性；吸取无选择性；+=1。3、物体的辐射实力（辐能流率）、物体的辐射实力（辐能流率）在确定温度下，物体单位时间、单位表面积上在确定温度下，物体单位时间、单位表面积上放射的全部波长范围的总辐射能，称物体的辐放射的全部波长范围的总辐射能，称物体的辐射实力射实力 （W/m2）；）；而波长而波长的单色辐射实力为的单色辐射实力为 。二、辐射定律二、辐射定律1、Plank定律：定律：由此得不同由此得不同T下下 随随变更的连续分布曲线变更的连续分布曲线（图（图5-34）。当）。当=0和和=时，时，=0；其间存；其间存在最大值（波长在最大值（波长max），），Wien推出：推出：maxT=2897.6（mK），随），随T上升上升max向短向短波方向移动。在波方向移动。在1800K以下，辐射能集中在以下，辐射能集中在0.7610 m之间，随之间，随T上升辐射能中可见光比上升辐射能中可见光比例增加，物体的亮度发生变更。例增加，物体的亮度发生变更。2、Stefan-Boltzman定律定律 对于黑体将对于黑体将Plank定律在定律在0 波长范围内积分，得黑体的辐射波长范围内积分，得黑体的辐射实力：实力：式中式中=5.67108 Wm-2K-4，称为称为Stefan-Boltzman常数。常数。3、实际物体的辐射实力、实际物体的辐射实力 黑体在任何温度下具有最大的辐射实力黑体在任何温度下具有最大的辐射实力，并且是全部物体，并且是全部物体辐射实力比较的标准。试验证明灰体的辐射实力也遵守辐射实力比较的标准。试验证明灰体的辐射实力也遵守Stefan-Boltzman定律定律，两者之比称为物体的黑度，两者之比称为物体的黑度，即：，即：因而，对于灰体：因而，对于灰体：取决于物体的性质、表面状况和温度，常见材料的黑度值见表取决于物体的性质、表面状况和温度，常见材料的黑度值见表5-7。4、Kirchhoff定律定律物体的吸取率与其辐射实力有关，在物体的吸取率与其辐射实力有关，在空腔空腔2内放置内放置 2灰体灰体1，当辐射换热达到平衡时：，当辐射换热达到平衡时：若将物体若将物体1换为黑体，当辐射换热换为黑体，当辐射换热达到平衡时：达到平衡时：相比可得：相比可得：该式称为该式称为Kirchhoff定律，表明在同一定律，表明在同一温度下，灰体的吸取率与其黑度在数温度下，灰体的吸取率与其黑度在数值上相等。对任何物体均适用，即：值上相等。对任何物体均适用，即：=；物体的吸取率大，则辐射物体的吸取率大，则辐射实力也大实力也大 。依据上述定律，灰体在确定温依据上述定律，灰体在确定温度下的辐射和吸取热量的实力为：度下的辐射和吸取热量的实力为：三、两固体间的辐射传热三、两固体间的辐射传热 工程上常遇到的是固体间的辐射传热（可工程上常遇到的是固体间的辐射传热（可作为灰体），传热过程实质是相互间进行多作为灰体），传热过程实质是相互间进行多次辐射、吸取和反射的过程，净结果是高温次辐射、吸取和反射的过程，净结果是高温物体将热量传给了低温物体，传热量的大小物体将热量传给了低温物体，传热量的大小与物体的温度、黑度、形态、大小及距离、与物体的温度、黑度、形态、大小及距离、相互位置有关。探讨稳态传热过程。相互位置有关。探讨稳态传热过程。1、极大的两平行板间的辐射传热、极大的两平行板间