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第5章 传热现在学习的是第1页，共52页工程上的对流传热过程，指工程上的对流传热过程，指流体与固体壁面流体与固体壁面之间的传热过程。对流传热之间的传热过程。对流传热过程又分为自然对流和强制对流两种。过程又分为自然对流和强制对流两种。3、辐射传热辐射传热：物体通过电磁波进行的传热过程；特点不需要温度差和媒介，：物体通过电磁波进行的传热过程；特点不需要温度差和媒介，同时伴有能量形式的转化；两物体温度差特别大时才成为主要形式。同时伴有能量形式的转化；两物体温度差特别大时才成为主要形式。（实际进行的传热过程为三种传热过程的组合，而以其中一种为主）（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）二、稳态传热和非稳态传热二、稳态传热和非稳态传热 稳态传热指系统中稳态传热指系统中各点温度只随位置不随时各点温度只随位置不随时间而变化的传热过程间而变化的传热过程，特点，特点传热速率传热速率（W）为常数）为常数。三、典型的传热过程三、典型的传热过程 工业上经常遇到的传热是热、冷两种流体进行换热，称为热交换。最常见的是两流体工业上经常遇到的传热是热、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，所需设备称为换热器。通过固体壁面进行换热，所需设备称为换热器。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、封头管板、壳体、管束、管程、壳程、封头 现在学习的是第2页，共52页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：的计算：通常将生产过程要求流体温度变化或相变化时放出或吸收的热量称通常将生产过程要求流体温度变化或相变化时放出或吸收的热量称为热负荷，为工艺过程要求。但换热器的传热速率为热负荷，为工艺过程要求。但换热器的传热速率必须满足工艺要求，因而两者在数值上相必须满足工艺要求，因而两者在数值上相等。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同，即：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：Hh=HC=无相变化时无相变化时 =mhCPh（Th1Th2）=mCCPC（TC2TC1）有相变化时有相变化时 =mh r+CPh（Th1Th2）=mCCPC（TC2TC1）其中其中CP可取平均值，纯物质从手册查取，对混合物按下述方法计算：可取平均值，纯物质从手册查取，对混合物按下述方法计算：（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，需另一种流体供给或取走热量，该流体称为载热体。为将流体加热或冷却，需另一种流体供给或取走热量，该流体称为载热体。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范围内使用方便、洁净，可直接或间接加热。范围内使用方便、洁净，可直接或间接加热。当需加热到较高温度时采用高温载热体，如矿物油（当需加热到较高温度时采用高温载热体，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。现在学习的是第3页，共52页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，当要求将物料冷到环境温度以下，当要求将物料冷到环境温度以下时，采用冷冻剂如冷冻盐水（时，采用冷冻剂如冷冻盐水（0-15），氟里昂（），氟里昂（-30-40），液氨（），液氨（-33），液态），液态乙烷（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，一般主要考虑载热体的温度、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节控制、安全性、稳定性、腐蚀性、价格等。是否易于调节控制、安全性、稳定性、腐蚀性、价格等。第二节第二节 热传导及其计算热传导及其计算一、一、热传导的基本定律热传导的基本定律 导热过程和物体内各部分间的温度差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，需知道温度在空间和时间上的分布及变化强度。知道温度在空间和时间上的分布及变化强度。1、温度场温度场 任一时刻，温度在物体上所有各点的分布，任一时刻，温度在物体上所有各点的分布，称为温度场，即：称为温度场，即：T=f（x，y，z，t）若各点温度不随时间而变化，称为稳定温度场（其传热过若各点温度不随时间而变化，称为稳定温度场（其传热过程为稳态传热）：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化，称为一维稳定若物体内部温度只沿一个方向而变化，称为一维稳定温度场：温度场：T=f（x）现在学习的是第4页，共52页2、等温面等温面和和等温线等温线 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。不同的等温线或面不相交，而传热发生在不同的等温线或等温面。不同的等温线或面不相交，而传热发生在不同的等温线或面之间。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化程度不同，但以法线方向不同的等温面间单位距离的温度变化程度不同，但以法线方向上温度的变化率最大，因而定义上温度的变化率最大，因而定义两相邻等温面间的温度差与其距两相邻等温面间的温度差与其距离的比值为温度梯度离的比值为温度梯度。即：。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。现在学习的是第5页，共52页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，表明物质导热能力的大小为物质物性参数之一，表明物质导热能力的大小,反映物质反映物质在单位面积、单位温度梯度下传导的热量。在单位面积、单位温度梯度下传导的热量。=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)，其数值由实验测定。，其数值由实验测定。通常金属的通常金属的最大（最大（35420，随温度升高而降低，随温度升高而降低），非金属的），非金属的次之（次之（0.13.0，随温度升高而增加，随温度升高而增加）,液体的液体的较小（较小（0.070.7，大多数随温度升高而降低大多数随温度升高而降低），气体的），气体的最小（最小（0.0060.6，随温度升，随温度升高而升高高而升高）。）。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。现在学习的是第6页，共52页二、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，沿边缘散热不平壁指长和宽远大于厚度的壁面，沿边缘散热不计，温度只沿计，温度只沿x方向发生变化。方向发生变化。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，温度不随时间变化，为常数，温度不随时间变化，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：现在学习的是第7页，共52页 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）温度分布现在学习的是第8页，共52页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。其中各层传热面积相等为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A，厚度，厚度i，导热，导热系数系数i为常数，层与层间紧密接触，各点温度不随时间变化，传热沿为常数，层与层间紧密接触，各点温度不随时间变化，传热沿 x 方向进行，方向进行，设设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均相同均相同（为（为常数）；（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）在每一层中温度分布为直线。一层中温度分布为直线。现在学习的是第9页，共52页 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变化（设长度变化（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化而变化。导，但温度、传热面积随半径的变化而变化。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：现在学习的是第10页，共52页由此得到（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。现在学习的是第11页，共52页 第三第三 节节 对流传热及其计算对流传热及其计算 当流动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、混合和热传导当流动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，而且与流动状况的方式进行，因而对流传热实质是对流和导热两者共同作用的结果，而且与流动状况有关。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十分复杂，工程上实际的对流传热过程十分复杂，工程上 T为了方便计算，将为了方便计算，将对流传热过程对流传热过程简化简化为为 TW tW t通过厚度为通过厚度为的虚拟层流膜层的热传导的虚拟层流膜层的热传导问问题。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，其中称为对流传热系数称为对流传热系数，W/（m2K）。表示表示单位温度差下、单位传热面积上通过对流传热方式传过的热量，其大小反映对流单位温度差下、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。传热的快慢程度。不是物性参数，而与流动的状态密切相关，表不是物性参数，而与流动的状态密切相关，表51列出其数值范列出其数值范围。围。计算对流传热的计算对流传热的关键是计算关键是计算。现在学习的是第12页，共52页 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，在近壁处也会形成一个具有温度梯度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。一般规定（的薄层，称为传热边界层。一般规定（TWT）=0.99（TWT）处为）处为传热边界层，厚度传热边界层，厚度。在传热边界层中，最大的温度梯度发生在层流底。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阻力，传热边界层内的传热以热传导为主。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。传热边界层的厚度受流动状况的直接影响，若改善流动状况，降低层传热边界层的厚度受流动状况的直接影响，若改善流动状况，降低层流底层厚度，传热边界层变薄，热阻减小，流底层厚度，传热边界层变薄，热阻减小，就会提高，为强化传热的主就会提高，为强化传热的主要途径。要途径。2、影响对流传热的因素、影响对流传热的因素 理论分析和实验表明影响理论分析和实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、气、液、蒸汽，相变化）蒸汽，相变化）；流体的性质（流体的性质（,Cp,）；）；流体的流动形态；流体的流动形态；引起引起流动的原因流动的原因(自然对流自然对流vgT，强制对流）；，强制对流）；传热面的形状、位置和大传热面的形状、位置和大小（常用特征尺寸小（常用特征尺寸L表示）。表示）。现在学习的是第13页，共52页四、对流传热的量纲分析四、对流传热的量纲分析 对无相变化的对流传热过程，对无相变化的对流传热过程，与下列因素有关：与下列因素有关：=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（个基本量纲（质量质量M、长度、长度L、时间、时间、温度、温度T），），按按定理，无量纲数定理，无量纲数 I=84=4。量纲方程式：量纲方程式：现在学习的是第14页，共52页根据因次一致性原则：根据因次一致性原则：（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：现在学习的是第15页，共52页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 ，表征流体流动湍动程度的准数；，表征流体流动湍动程度的准数；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。现在学习的是第16页，共52页 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，通过实验获得特定的方程）的具体方程式与传热有关，通过实验获得特定的方程式。使用时注意：式。使用时注意：方程式的方程式的适用范围适用范围；定性尺寸定性尺寸L的取法的取法；定性温度定性温度的规定。的规定。五、流体无相变化时的对流传热系数五、流体无相变化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：当的近似取法：当液体被加热时取液体被加热时取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。现在学习的是第17页，共52页（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(若流体在列管换热若流体在列管换热器管间流动，无挡板时，可按照管内方程式计算）。器管间流动，无挡板时，可按照管内方程式计算）。现在学习的是第18页，共52页（5）圆形弯管内的流动：按上述方法计算后乘校正系数）圆形弯管内的流动：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：现在学习的是第19页，共52页 （7）管外管束中垂直流过：）管外管束中垂直流过：（8）波纹板壁间的对流传热：）波纹板壁间的对流传热：六、流体有相变化时对流传热系数六、流体有相变化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，壁面向液体传热的过程为液体沸腾传热。过程包括传过程称为液体沸腾，壁面向液体传热的过程为液体沸腾传热。过程包括传热、气泡形成并且逐渐长大，气泡脱离壁面上升，穿过液体层而形成蒸汽。热、气泡形成并且逐渐长大，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强烈扰动，传热系数要大于无相由于气泡形成、合并和穿过液体层运动的强烈扰动，传热系数要大于无相变化。变化。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：现在学习的是第20页，共52页 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，蒸汽将凝结为液体，此当蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触，蒸汽将凝结为液体，此时蒸汽与固体壁面的传热称为蒸汽冷凝传热。分为时蒸汽与固体壁面的传热称为蒸汽冷凝传热。分为滴状滴状冷凝和冷凝和膜膜状状冷凝两种，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，由于发生相变化放出冷凝热，传热系数大于无相变化。凝，由于发生相变化放出冷凝热，传热系数大于无相变化。现在学习的是第21页，共52页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，及时排出不凝性气体。为利于蒸汽冷凝，应不断导走冷凝液，及时排出不凝性气体。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，称为流速很小时，颗粒静止，流体从颗粒间隙通过，称为固定床固定床；流速增加时，床层开始膨胀（颗粒间空隙拉大），直至颗粒悬浮在流流速增加时，床层开始膨胀（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，并且具有与流体体中。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动性，称为同样的流动性，称为流化床流化床（沸腾床）。这种现象称为（沸腾床）。这种现象称为固体的流态固体的流态化化，对应流体的速度称为临界流化速度，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。流速继续增大时，颗粒随流体一起流出，称为流速继续增大时，颗粒随流体一起流出，称为气体的输送气体的输送。现在学习的是第22页，共52页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、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。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）床层内部温度分布均匀；）床层内部温度分布均匀；（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现在学习的是第23页，共52页 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）直接接触式（混合式）：两种流体直接接触进行换热。）直接接触式（混合式）：两种流体直接接触进行换热。（2）非直接接触式：两种流体不直接接触而进行换热。）非直接接触式：两种流体不直接接触而进行换热。蓄热式蓄热式两流体在蓄热体中交替通过交换热量（气体冷却）。两流体在蓄热体中交替通过交换热量（气体冷却）。间壁式间壁式两种流体通过固体壁面而进行换热。具体分为：两种流体通过固体壁面而进行换热。具体分为：管式管式（换热面为管状）：套管、列管、蛇管等及其扩展式；（换热面为管状）：套管、列管、蛇管等及其扩展式；板式板式（换热面为板状）：螺旋板式、板式等及其扩展式。（换热面为板状）：螺旋板式、板式等及其扩展式。此外按照用途分为：加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、灭菌器等。此外按照用途分为：加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、灭菌器等。现在学习的是第24页，共52页2、列管式换热器列管式换热器（结构简单、适应性强、使用广泛，（结构简单、适应性强、使用广泛，传热效果好；但金属材料传热效果好；但金属材料 用量大，单位体积换热面积小，用量大，单位体积换热面积小，为为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（正三角形、正方形、，管子排列方式（正三角形、正方形、同心圆）、封头（汇集分配流体）同心圆）、封头（汇集分配流体）（2）壳程结构：壳体、挡板。）壳程结构：壳体、挡板。（3）结构型式：按照）结构型式：按照热补偿方式的不同热补偿方式的不同分为：分为：固定管板式固定管板式、U型管式型管式、浮头式浮头式三种。三种。现在学习的是第25页，共52页现在学习的是第26页，共52页现在学习的是第27页，共52页五段片式牛奶杀菌器五段片式牛奶杀菌器现在学习的是第28页，共52页现在学习的是第29页，共52页3、板式换热器板式换热器（1）板式换热器：）板式换热器：由一组长方形金属波纹薄板（由一组长方形金属波纹薄板（0.53mm）组装而成，冷热流体在板两侧逆流交替流过通过板面换热。特）组装而成，冷热流体在板两侧逆流交替流过通过板面换热。特点结构紧凑，点结构紧凑，单位体积换热面积可达到单位体积换热面积可达到2501500 m2/m3，传热面，传热面积可调节，传热效率高，传热系数大；缺点是不能承受高温高积可调节，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、啤酒冷却过程。压，用于杀菌、啤酒冷却过程。（2）螺旋板式换热器：）螺旋板式换热器：由两张平行金属薄板（由两张平行金属薄板（1.53mm）卷制而成，冷热流体在板两侧逆流交替流过螺旋型通道通）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面换热。特点结构紧凑，过板面换热。特点结构紧凑，单位体积换热面积可达到单位体积换热面积可达到150500 m2/m3，传热面积固定，受离心力作用湍动程度高，不易堵塞，传热效，传热面积固定，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；缺点是不能承受高压，检修和清洗困难，用于加热、率高，传热系数大；缺点是不能承受高压，检修和清洗困难，用于加热、冷却过程。冷却过程。4、其它型、其它型式换热器式换热器 夹套式、蛇管式、套管式等夹套式、蛇管式、套管式等现在学习的是第30页，共52页二、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：现在学习的是第31页，共52页现在学习的是第32页，共52页现在学习的是第33页，共52页故：故：称为称为传热基本方程式传热基本方程式，其中：，其中：称为传热热阻，称为传热热阻，K称为总传热系数称为总传热系数，单位，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：取经验值（表的方法：取经验值（表56）；实验测定；计算法。）；实验测定；计算法。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：现在学习的是第34页，共52页同理以同理以Ai为计算基准时为计算基准时用用Ki表示，对应表示，对应=Ki AiT以以Am为计算基准时为计算基准时用用Km表示，对应表示，对应=Km AmT注意：注意：（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：现在学习的是第35页，共52页（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的途径的途径：管壁和污垢热阻不计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，据温度变化可分为：冷热两流体通过壁面换热时，据温度变化可分为：（1）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化。）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化。Tm=ThTc现在学习的是第36页，共52页（2）变温换热：）变温换热：参与换热的冷热两流体沿壁面温度发生变化时，参与换热的冷热两流体沿壁面温度发生变化时，则则 T也沿壁面发生变化，采用平均温度差也沿壁面发生变化，采用平均温度差 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 表示换热器表示换热器两端两端处热流处热流 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化时，逆流当两流体有一种发生相变化时，逆流 Tm 同并流。同并流。4、传热面积的计算：、传热面积的计算：现在学习的是第37页，共52页三、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）:开始食品内部温度一致，加热时表开始食品内部温度一致，加热时表面先升温；然后内部逐渐升温；最后温度达到一致。面先升温；然后内部逐渐升温；最后温度达到一致。特点特点：传热包：传热包括流体与食品表面的对流传热括流体与食品表面的对流传热和和表面与内部间的导热过程，温度表面与内部间的导热过程，温度梯度、传热速率梯度、传热速率随时间而变化，为非稳态传热过程。对无内热源随时间而变化，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：一维非稳态传热过程，导热微分方程式：称导温系数（称导温系数（m2/s）对简单几何体常用对简单几何体常用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距离比。距离比。通常通常n=0,Y=f（X，m）现在学习的是第38页，共52页1、忽略内热阻的非稳态传热过程（、忽略内热阻的非稳态传热过程（m10）当当RiRO时，可认为时，可认为物体内部温度均匀，仅随时间而变化，物体内部温度均匀，仅随时间而变化，过程受对流传热控制过程受对流传热控制（如固粒在流体中的加热、冷却，容器内液（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）。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），即使是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稳态传热过程，此时大平板、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略，其解的表达式相当复杂内部热阻与外部热阻均不能忽略，其解的表达式相当复杂现在学习的是第39页，共52页 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算图（图算图（图5-30、5-31、5-32），使用时查取图表计算），使用时查取图表计算t或或T。特性尺寸特性尺寸x1的取法：的取法：平板为半厚度平板为半厚度；圆柱体、球体为半径圆柱体、球体为半径（例（例5-1）。）。两种特殊情况：两种特殊情况：（1）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）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，因而其度的大平板的公交体，因而其温度比温度比 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略不计，时，可认为外部热阻很小可忽略不计，此时查取此时查取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）对料液进行间歇加热（或冷却），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），特点是特点是槽内料液的温度均匀但随时间而变化槽内料液的温度均匀但随时间而变化，属非稳态传热过程。常见的是利用夹套，属非稳态传热过程。常见的是利用夹套和沉浸式换热器进行的换热过程。设和沉浸式换热器进行的换热过程。设K、CP为常数；为常数；料液恒定，温度均匀；料液恒定，温度均匀；热热损失不计。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时间后加热到时间后加热到TC，传热面，传热面积积A，传热系数，传热系数K，传热量，传热量（J），则：），则：现在学习的是第40页，共52页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，传热面积，传热面积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（特点槽内液体温度和加热剂温内进行热量衡算（特点槽内液体温度和加热剂温度随时间不断变化）：度随时间不断变化）：现在学习的是第41页，共52页 由此得到由此得到t和和TC的关系。的关系。现在学习的是第42页，共52页 第五节第五节 辐射传热辐射传热 辐射传热是指不同物体间相互辐射和吸收能量并转化为热量的过程，辐射传热是指不同物体间相互辐射和吸收能量并转化为热量的过程，净结果是高温物体将热量传给了低温物体。食品中的应用主要为：采用辐净结果是高温物体将热量传给了低温物体。食品中的应用主要为：采用辐射加热的方法对食品进行焙烤和干燥；高温设备外壁面与周围大气进行辐射加热的方法对食品进行焙烤和干燥；高温设备外壁面与周围大气进行辐射传热。射传热。一、辐射的基本概念一、辐射的基本概念 1、热辐射、热辐射 以以热的原因引起的电磁波辐射热的原因引起的电磁波辐射称称热辐射热辐射，其物理本质同，其物理本质同其它辐射，均是以电磁波的形式传播辐射能，区别在波长范围不其它辐射，均是以电磁波的形式传播辐射能，区别在波长范围不同（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，为红外线，统称为热射线），特点辐射不需任何媒介。统称为热射线），特点辐射不需任何媒介。2、吸收率和黑体、灰体的概念、吸收率和黑体、灰体的概念 当热射线携带辐射能投射到物体表面时将发生吸收、反射和透过现象。当热射线携带辐射能投射到物体表面时将发生吸收、反射和透过现象。Q QR QA QT现在学习的是第43页，共52页 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，称为物体的吸收率吸收率；当；当=1时表示物体能全时表示物体能全部吸收辐射能，该物体称为部吸收辐射能，该物体称为黑体黑体。=QR/Q，称为物体的，称为物体的反射率反射率；当；当=1时表示物体能全部反射时表示物体能全部反射辐射能，该物体称为辐射能，该物体称为白体或镜体白体或镜体。=QT/Q，称为物体的，称为物体的透过率透过率；当；当=1时表示物体能全部透时表示物体能全部透过辐射能，该物体称为过辐射能，该物体称为透热体透热体。大多数固液体为不透热体，而气体对辐射能几乎无反射能力，实大多数固液体为不透热体，而气体对辐射能几乎无反射能力，实际物体介于黑体和白体间，能部分地吸收所有波长范围的辐射能。际物体介于黑体和白体间，能部分地吸收所有波长范围的辐射能。为方便计定义为方便计定义对所有波长范围的辐射能具有相同吸收率的物对所有波长范围的辐射能具有相同吸收率的物体为体为灰体灰体，特点是，特点是吸收无选择性吸收无选择性；+=1。现在学习的是第44页，共52页3、物体的辐射能力、物体的辐射能力（辐能流率）（辐能流率）在一定温度下，物体单位时间、单位表面积上发射的全部波长范围在一定温度下，物体单位时间、单位表面积上发射的全部波长范围的总辐射能，称物体的辐射能力的总辐射能，称物体的辐射能力 （W/m2）；）；而波长而波长的单色辐射能力为的单色辐射能力为 。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 随随变化的连续分布曲线（图变化的连续分布曲线（图5-34）。当）。当=0和和=时，时，=0；其间存在最大值（波长；其间存在最大值（波长max），），Wien推出：推出：maxT=2897.6（mK），随），随T升高升高max向短波方向移动。在向短波方向移动。在1800K以下，辐射能集以下，辐射能集中在中在0.7610 m之间，随之间，随T升高辐射能中可见光比例增加，物体的升高辐射能中可见光比例增加，物体的亮度发生变化。亮度发生变化。现在学习的是第45页，共52页 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，得黑体的辐射能力：波长范围内积分，得黑体的辐射能力：式中式中=5.67108 Wm-2K-4，称为称为Stefan-Boltzman常数常数。3、实际物体的辐射能力、实际物体的辐射能力 黑体在任何温度下具有最大的辐射能力黑体在任何温度下具有最大的辐射能力，并且是所有物体辐射能力比较的标准。实，并且是所有物体辐射能力比较的标准。实验证明灰体的辐射能力也遵守验证明灰体的辐射能力也遵守Stefan-Boltzman定律定律，两者之比称为物体的，两者之比称为物体的黑度黑度，即：，即：因而，因而，对于灰体对于灰体：取决于