食品工程原理传热

第五章传热 第一节概述 一 传热及在食品工程中的应用 1 传热 因温度差的存在而产生的能量传递 2 传热在食品工程中的应用 1 食品的加热或冷却食品加工中的加热灭菌过程 冷冻降温过程以及某些单元操作 如蒸馏 蒸发 干燥 结晶等 需传热 要求传热速度越快越好 2 回收热量或冷量 节约能源 3 保温或保冷 要求传热速度越慢越好 如冰箱冷藏食品或保温 二 传热的基本方式 根据传热机理不同 传热的基本方式有三种 热传导热对流热辐射 1 热传导 又称导热 物质在不发生宏观位移的情况下 热量从物体内部的高温处向低温处传递 或从高温物体向一个与它直接接触的低温物体的传递过程 传热机理复杂 存在分子振动学说和自由电子迁移学说等 2 热对流 又称对流传热 是流体质点发生相对位移所引起的热量传递过程 或者流动的流体与固定壁面之间的热量交换 对流传热伴有热传导 强制对流 因泵 或风机 或搅拌等外力作用所导致的对流称为强制对流 在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流 热对流的两种方式 自然对流 由于流体各处的温度不均匀而引起的密度差异 致使流体产生相对位移 这种对流称为自然对流 3 热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 称为热辐射 所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去 而不需要任何介质 但是只有在物体温度较高的时候 热辐射才能成为主要的传热形式 热辐射既有能量转移 也有转化 实际上 上述三种传热方式而往往是相互伴随着出现的 三 稳态传热与非稳态传热 四 冷热流体接触方式与间壁式换热器1 间壁式换热器 冷热流体热交换时不直接接触 用固体壁面隔开 这种换热器称为间壁式换热器 2 并流与逆流 球形冷凝管 球形冷凝管 直形冷凝管 蛇形冷凝管 3 套管换热器的传热过程 1 对流 热流体 间壁 2 导热 通过间壁 3 对流 间壁 冷流体 五 热载体 1 加热剂饱和水蒸气 100 180 热水 40 100 矿物油等低熔混合物 180 540 烟道气 500 1000 等 2 冷却剂水 20 30 空气冷冻盐水液氨 33 4 氟利昂等 六 热流量与热阻 热流量 热流率 单位时间内通过整个传热面传递的热量 W J s 热流密度q 热通量 单位时间内通过单位面积传热面传递的热量 W m2 热流量 T 推动力 R 热阻 七 热交换 热交换 两个温度不同的物体由于传热 进行热量的交换 结果 温度较高的物体焓减小 温度较低的物体焓增加 涉及物质的焓变代数和为0 基本原则 能量守恒定律 H mcp T热交换器 用于热交换的设备 第二节热传导 一 傅里叶定律 一 温度场与温度梯度1 温度场 某一时刻空间各点温度分布 是空间坐标和时间的函数 温度只延一个坐标方向变化 为 一维温度场 稳定温度场 不随时间变化 不稳定温度场 随时间变化 2 等温线和等温面 某一时刻 将温度场中具有相同温度的点连接起来所形成的线或面 等温面不能相交 热交换发生在不同的温度面之间 3 温度梯度 向量 在等温面法线上 指向温度增加的方向 1 傅里叶定律是热传导的基本定律 它指出 在温度场中 由于导热形成的热流密度正比于该时刻某一点的温度梯度 式中 为热导率 导热系数 二 傅里叶定律和热导率 二 热导率 热导率 导热系数 是某物质在单位温度梯度时所通过的热流密度 表征物质导热能力的大小 是物质的物理性质之一 单位为W m 与物质组成 结构 密度 温度及压力等有关 金属热导率大于非金属 液体较小 气体最小 热导率随温度变化而变化 如图所示 平壁壁厚为 壁面积为A 壁的材质均匀 热导率 不随温度变化 视为常数 平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化 故等温面皆为垂直于x轴的平行平面 平壁侧面的温度t1及t2恒定 三 通过平壁的稳态导热 一 单层平壁稳态导热 结论 热传导距离越小 材料导热系数越大 导热面积越大 则热阻越小 当传热推动力一定时 热流量越大 根据傅立叶定律 对稳态导热 q为常量 分离变量后积分 积分边界条件 当x 0时 t t1 x 时 t t2 t t1 t2为导热的推动力而R A则为导热的热阻 如图所示 以三层平壁为例 假定各层壁的厚度分别为 1 2 3 各层材质均匀 热导率分别为 1 2 3 皆视为常数 层与层之间接触良好 相互接触的表面上温度相等 各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面 壁的面积为A 在稳定导热过程中 穿过各层的热量必相等 二 多层平壁的稳态导热 第一层 第三层 第二层 对于稳定导热过程 1 2 3 1 1 2 3 对三层平壁 且t1 t2 t3 t4则 推广至n层平壁 结论 在稳定多层平壁导热过程中 哪层热阻大 哪层温差就大 反之 哪层温差大 哪层热阻一定大 当总温差一定时 热流量的大小取决于总热阻的大小 例5 2 某冷库壁内 外层砖壁厚均为12cm 中间夹层填以绝热材料 厚10cm 砖墙的热导率为0 70W m k 绝缘材料的热导率为0 04W m k 墙外表面温度为10 内表面为 5 试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度 解 根据题意 已知t1 10 t4 5 1 3 0 12m 2 0 10m 1 3 0 70w m k 2 0 04w m k 按温度差分配计算t2 t3 按热流密度公式计算q 如图所示 设圆筒的内半径为r1 内壁温度为t1 外半径为r2 外壁温度为t2 温度只沿半径方向变化 等温面为同心圆柱面 圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化 在半径r处取一厚度为dr的薄层 若圆筒的长度为L 则半径为r处的传热面积为A 2 rL 四 圆筒壁的稳态导热1 通过单层圆筒壁的稳态导热 将上式分离变量积分并整理得 根据傅立叶定律 对此薄圆筒层传导的热量为 令Am 2 rmL 则圆筒壁热流量可表示为 2 多层圆筒壁的稳定热传导 以三层圆筒壁为例 假定各层壁内外半径由内至外依次为r1 r2 r3 r4 各层材料的导热系数 1 2 3皆视为常数 层与层之间接触良好 相互接触的表面温度相等 各等温面皆为同心圆柱面 当稳态导热时 通过各层的热流量 相等 对于第一 二 三层圆筒壁有 根据各层温度差之和等于总温度差的原则 则 同理 对于n层圆筒壁 穿过各层热量的一般公式为 注 对于圆筒壁的稳定热传导 通过各层的热流量都是相同的 但是热流密度却不相等 例5 3 用 89 4mm的不锈钢管输送热油 管的热导率为 17W m 其内壁表面温度为130 管外包40mm的保温材料 热导率为 0 035W m 其外层表面温度为25 试求 1 每米管长的热损失 2 两层保温层交界处的温度 解 r1 0 089 2 0 004 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 L 1m 则热损失的热流量为 结论 温度降几乎都发生在保温层中 保温层较大的导热热阻避免了较大的热损失 第三节对流传热 上式称为牛顿冷却定律 其中 为对流传热系数 表示影响对流传热的所有复杂因素 对流给热是指流体流过固体壁面时与该表面发生的热量交换 很复杂 基本关系描述为 Q A T Tw 一 牛顿冷却定律 二 对流传热过程及机理分析 是在流体流动进程中发生的热量传递现象 与流体的流动情况密切相关 当流体作层流流动时 在垂直于流体流动方向上的热量传递 主要以热传导的方式进行 当流体作湍流流动时 传热速度快 主体靠对流传热 层流底层靠传导传热 热阻集中于此 热边界层 温度边界层 温度梯度较大的区域 传热的热阻即主要集中在此层中 2 流体的性质 影响较大的如密度 比定压热容cp 热导率 黏度 体胀系数 v等 三 对流传热系数 一 影响对流传热系数的主要因素 1 流体的状态 流体相态及相变化对 影响很大 有相变时对流传热系数比无相变化时大的多 3 流体的流动状况 湍流的对流传热系数比层流大得多 强制对流的对流传热系数比自然对流大的多 4 传热壁面的形状 位置及大小 形状如管 板 翅片 位置如管束的排列方式 垂直放置或水平放置 尺寸如管径 管长等 通过量纲分析 对流传热过程的特征数关联式可用下式表示 即 二 对流传热系数的特征数方程 C 特征数名称及意义 特征数方程是一种经验公式 在利用关联式求对流传热系数时 不能超出实验条件范围 在应用时应注意以下几点 3 应用范围 2 定性尺寸 通常是选取起主要影响的尺寸作为特征尺寸 1 定性温度 确定流体物理参数的温度 4 各准则式是一个无因次数群 其中涉及到的物理量必须用统一的单位制 Nu a GrPr m 定性温度 取壁面温度和流体主体温度算术平均值定性尺寸 平壁为壁长 圆管为直径 式中的a m值见书165页5 3表 四 流体无相变的对流传热 一 自然对流传热 二 强制对流传热 1 管内层流2 管内湍流3 管外对流4 波纹板壁间对流根据不同类型 使用对应的经验公式 进行对流传热系数的估算 五 流体有相变的对流传热 一 沸腾传热液体与高温壁面接触被加热汽化 并在液体内部产生气泡的现象称为沸腾 按加热面与液体饱和温度的差值不同 分为泡状沸腾和膜状沸腾 沸腾传热的应用 精馏塔的再沸器 蒸发器 蒸汽锅炉等 二 冷凝传热 以饱和蒸汽作为加热介质在传热中发生冷凝传热是工业生产中常见的传热方式 1 冷凝方式 1 膜状冷凝 由于冷凝液能润湿壁面 因而能形成一层完整的膜 在整个冷凝过程中 冷凝液膜是其主要热阻 2 滴状冷凝 若冷凝液不能润湿壁面 由于表面张力的作用 冷凝液在壁面上形成许多液滴 并沿壁面落下 热阻小 实际生产过程中 多为膜状冷凝过程 2 冷凝传热的对流传热系数略3 影响冷凝传热的因素 1 不凝性气体的影响 形成气膜 增加热阻 降低对流传热系数 要在设备顶部设置不凝气体排放装置 2 蒸汽流速和流向的影响 与液膜流向一致 液膜减薄 增大 3 冷却壁面的高度及布置方式 垂直壁面可开沟槽 第四节热交换 一 换热器的分类 1 按冷 热流体热交换的接触方式分 1 非直接接触式 间壁式 蓄热式 流化床 2 直接接触式2 按用途分 加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器 再沸器等 1 结构 壳体 管束 管板 又称花板 封头 端盖 等 二 管壳式换热器 管壳式换热器 2 名词解释 1 管程冷 热流体两种流体在管壳式换热器内进行换热时 一种流体通过管内 其行程称为管程 2 壳程另一种流体在管外流动 其行程称为壳程 双管单壳程 单管单壳程 三管双壳程 在两端封头内设置隔板 可实现多管程 通过提高管程流体的流速 增大对流传热系数 但能量损失增加 管程数以2 3 4 6程多见 在管外壳体内装有壳程隔板可实现多壳程 通过提高壳程流体的流速 增大湍流程度 以保持较高的传热系数 壳程数以2 3程多见 为防止壳体和管束受热膨胀不同导致的设备变形 管子扭弯或松脱 常采用热补偿的方法 主要有以下几种 U形管补偿 每根管子弯成U形 两端固定在同一管板上 每根管子可以自由伸缩 与其他管子和外壳无关 相当于双管程 浮头补偿 换热器两端管板之一不固定在外壳上 此端称为浮头 当管子受热或受冷时 连同浮头一起自由伸缩 而与外壳的膨胀无关 优点 容易制造 生产成本低 适应性强 尤其适于高压流体 维修清洗方便 缺点 结合面较多 易泄漏 对应常见的列管式换热器有 U形管换热器 浮头式换热器 固定管板式换热器 补偿圈补偿 在外壳上焊上一个补偿圈 当外壳和管子热胀冷缩时 补偿圈发生弹性形变 达到补偿的目的 三 板式换热器 是以板壁为换热壁的换热器 常见的有片式 螺旋板式等 1 片式换热器板片被压制成槽形或波纹形 目的是 增强刚度 不致受压变形 增强液体的湍动程度 增大传热面积 也利于流体的均匀分布 片式热交换器及板片 片式热交换器 优点 总传热系数高 污垢热阻亦较小 结构紧凑 单位体积设备提供的传热面积大 操作灵活性大 可以根据需要调节板片数目以增减传热面积 或以调节流道的办法 适应冷 热流体流量和温度变化的要求 制造容易 检修清洗方便 热损失小 缺点 允许操作压力较低 否则容易渗漏 操作温度不能太高 因受垫片耐热性能的限制 现在已有超高温板式换热器 处理量不大 因板间距小 流道截面较小 流速亦不能过大 2 螺旋板式换热器 由两张平行的薄钢卷制而成 两板之间焊有定距柱以保持两板间距和增加螺旋板的刚度 优点 结构紧凑 单位体积提供的传热面积大 总传热系数较大 传热效率高 不易堵塞 缺点 操作压力和温度不能太高 流体阻力大 不易检修 螺旋板式换热器 四 夹套式换热器 1 结构夹套装在容器外部 在夹套和器壁间形成密闭的空间 成为一种流体的通道 如夹层锅 夹层缸等 夹层蒸气锅 夹层缸 冷热缸 2 使用注意事项 1 当用蒸汽进行加热时 蒸汽由上部接管进入夹套 冷凝水由下部接管中排出 2 用于冷却时 则冷却水由下部进入 由上部流出 3 由于夹套内部清洗困难 故一般用不易产生垢层的水蒸汽 冷却水等作为载热介质 结构简单 造价低 可当作盛装容器 但传热面积小 总传热系数不高 适于传热量不大的场合 为提高传热性能 可在容器内安装搅拌器 使器内液体作强制对流 3 特点 1 结构蛇管多以金属管子弯绕而成 制成适应容器需要的形状 沉浸在容器中 两种流体分别在管内 外进行换热 五 螺旋盘管式换热器 优点 结构简单 便于制造 便于防腐 且能承受高压 缺点 管外液体的对流传热系数较小 从而总传热系数亦小 如增设搅拌装置 则可提高传热效果 2 特点 1 结构 两种直径不同的标准管组成同心套管 内管可用U形管连接 而外管之间也由管子连接 六 套管式换热器 注意 选择适当管径和较高流速 使内管与环隙间的流体呈湍流且逆流状态 以增大总传热系数 减少垢层形成 单位传热面的金属消耗量很大 占地较大 一般适用于流量不大 所需传热面不大及高压的场合 特点 传热系数大 结构简单 能耐高压 制造方便 应用灵便 传热面易于增减 套管式超高温瞬时 UHT 灭菌机 七 其它 板翅式换热器 翅片式换热器 刮板式换热器 八 稳态传热计算 一 换热基本方程对于间壁式热交换 KA Tm其中K为总传热系数 该式是换热器设计的重要公式 二 总传热系数 1 总传热系数K的获得 1 选取经验值 2 实验测定 3 计算2 总传热系数K的计算法 1 单层平壁 2 多层平壁见书180页 3 单层圆筒壁见书180页 4 多层圆筒壁见书181页 对于不同的面积Ah Ac 可以有不同的总传热系数 在计算流量时 它们等效 例5 8 见书181页 三 换热平均温差 1 恒温差传热两种流体进行热交换时 在沿传热壁面的不同位置上 在任何时间两种流体的温度皆不变化 这种传热称为稳定的恒温传热 即 T Th Tc一定 2 变温差传热 在传热过程中 间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面 在不同位置时温度不同 但各点的温度皆不随时间而变化 即为稳定的变温传热过程 换热平均温差与冷 热两流体相对流向有关 大致可分为下列四种情况 并流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相同的方向流动 逆流 参与换热的两种流体在传热面的两侧分别以相对的方向流动 错流 参与换热的两种流体在传热面的两侧彼此呈垂直方向流动 折流简单折流 一侧流体只沿一个方向流动 而另一侧的流体作折流 使两侧流体间有并流与逆流的交替存在 复杂折流 参与热交换的双方流体均作折流 对逆流和并流式中 tm称为对数平均温差 当0 5 t2 t1 2时 可用 t2 t1 2代替对数平均温差 对错流和折流 需乘以校正因数例5 9 九 传热的强化 1 强化传热的目的以最小的传热设备获得最大的生产能力 2 强化传热的途径 1 增加传热推动力 换热平均温差在一定条件下也可采用逆流或接近逆流操作 或提高加热剂温度 降低冷却剂温度 2 加大单位体积传热面采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管 3 增大总传热系数K 通过增大流速等方式 提高湍动程度 尽量采用有相变的流体作为加热剂或冷却剂 定期清洗换热器 防止污垢形成 第五节热辐射 一 辐射加热方法 一 红外线加热是波长为0 8 m 1000 m的电磁波 以辐射的形式向外传播 工业上 把0 8 m 5 6 m波长的红外线称为近红外线 把5 6 m 1000 m波长的红外线称为远红外线 红外线主要作用是加热 1 加热原理当辐射源的频率与被加热物分子固定频率一致时 该物质就易于吸收红外线