《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 热流密度又称热通量 heatflux 热流量 传热过程速率 R 热阻 K W 4 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 焓变 式中cp 定压比热容 J kg K 混合物的cp 食品物料 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 1 温度场 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 5 2B傅立叶定律和热导率 1 傅立叶定律 式中 热导率 thermalconductivity W m K 2 热导率 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 50 400W m K 非金属固体的 0 06 3W m K 其中保温隔热材料 0 17W m K 物质的热导率 W 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 ww 0 60 Sweat 1974 对肉类 ww 0 60 0 80 Sweat 1975 对许多固态和液态食品物料 Sweat 1986 大多数均质固体材料 T呈线性关系 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 稳态导热 各层q相等 应用加比定律 推广到n层 总热阻 K W 解 本次习题 p 195 5 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 5 4B通过多层圆筒壁的稳态导热 W 用加比定律 推广到n层 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 Newton sLawofcooling 式中 表面传热系数 W m2 K 对流传热的所有复杂性都集中在 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 比热容cp 热导率 黏度 体胀系数av 3 流体流动状况 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L 5 5C对流传热的量纲分析 8个物理量涉及4个基本量纲 质量M 长度L 时间T 温度 8个物理量的量纲式 代入各量的量纲式 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 1 d f 4个方程 7个因次未知 指定a f g已知 则 d 1 f c a f 2g e a 2g b a 3g 1 代入式 整理得 按 定理 有8 4 4个量纲一的特征数 努塞尔特数 雷诺数 普兰特数 格拉晓夫数 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 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L 1m 水平圆管104 GrPr 1080 531 4 直径L 20cm 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 据此Tf 查出空气物性参数 1 000kg m3 0 0305W m K 2 11 10 5Pa s Pr 0 70 查表5 3a 0 53 m 1 4 Nu a Pr Gr m 5 6B强制对流传热 1 管内层流 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 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 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 T Tw Ts 泡状沸腾 传热良 膜状沸腾 传热差 对水 5 7B冷凝传热 第四节热交换 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 管式换热器包括壳管 列管 螺旋管式等 板式换热器包括片式 螺旋板式等 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 管程分 单程 流体经1次管全长 多程 2 4 6程 管箱分程布置方案如图 3 壳程结构 1 壳体 2 挡板 D400mm 用钢板卷制 折流挡板有 环盘型 圆缺型 挡板 5 9C板式换热器 1 片式换热器 板片间有垫圈 密封 形成间隙 流体分流 流道基本形式 a 并流 b 串流 c 混流 传热板片表面压成波纹形 板片强度 湍流程度 波纹有人字形 平直波纹 a 截面有三角形 b 梯形 c 优点 大 紧凑例 一片式换热器可进行五段操作 2 螺旋板式换热器 2张平行钢板卷制而成 加顶盖 进出液接管 5 9D其他间壁式换热器 1 夹套式换热器 设搅拌器 4 加强传热 夹套 3 中的介质 蒸汽 1 5 水 5 1 2 螺旋盘管式换热器 又称蛇管式换热器 a 盘管形状 b 沉浸式 c 喷淋式 3 套管式换热器 本次习题 p 195 196 7 6 8 5 10稳态换热计算 5 10A换热基本方程 消去壁表温度 令 若流体温度沿间壁纵向变化 T代以平均温差 Tm 5 10B传热系数 1 单层平壁 2 多层平壁 总热阻 3 单层圆管壁 式中Am 圆管对数平均面积 据不同面积基准AI AII 有不同传热系数KI KII 4 多层圆管壁 可据以求KI KII 例 内径25mm导管用来输送80 液体食品物料 管内对流传热系数为10W m2 K 管壁厚5mm 热导率43W m K 管外暴露大气中 大气温度为20 管外表面传热系数为100W m2 K 管长1m 分别计算管内 管外面积作基准的传热系数 并据以计算管道的热损失 解 r1 0 0125m r2 0 0175m KI 9 32W m2 K KII 6 66W m2 K 表明KI KII等效 5 10C换热平均温差 以逆流换热为例 为常量 Th 为直线关系 为常量 Tc 亦为直线关系 必然也成直线关系 斜率 与比较 换热平均温差 例用刮板式换热器冷却苹果酱 苹果酱质量流量为50kg h 比热容cp为3817J kg K 入口温度80 出口温度20 套管环隙逆流通冷水 入口温度10 出口温度17 传热系数K为568W m2 K 求 1 需要的冷却水量 2 换热平均温差及换热面积 3 若改顺流 两流体出入口温度同前 求 2 各值 解 a 物体的热扩散率 thermaldiffusivity m2 s 可用下列四个量纲一的特征数表示方程的解 1 时间比 2 温度比 5 11非稳态换热 5 11A非稳态换热的基本概念 一维非稳态导热 x T T0 T x1 3 热阻比 4 距离比 m的意义 物体外部热阻和内部热阻之比 方程的解 若只研究固体中心 x 0 n 0 5 11B忽略内阻的非稳态换热 m 10 例 980kg m3 cp 3 95kJ kg K 的番茄汁放入半径为0 5m的半球形夹层锅中加热 夹层锅初温20 锅内充分搅拌 蒸汽夹套 5000W m2 K 温度90 计算5min后番茄汁的温度 解 A 2 r2 2 3 14 0 52 1 57m2 V 2 3 r3 2 3 3 14 0 53 0 26m3 T 83 3 5 11C内外阻共存非稳态换热 10 m 1 40 已对大平板 球体和长圆柱绘出不同m值的Y X线算图 1 大平板 特性尺寸 x1 板半厚度 2 球体 特性尺寸 x1 球半径 3 长圆柱 特性尺寸 x1 圆柱半径 例5 11直径6cm 初温15 的苹果放入2 的冷水流中 水对苹果的表面传热系数为50W m2 K 苹果的热导率 0 355W m K 比热容cp 3 6kJ kg K 密度 820kg m3 求使苹果中心温度达到3 所需时间 解 查图5 31 得对应X 0 53 本次习题 p 195 17 12 在讨论大平板 长圆柱换热基础上 可解决短圆柱等的换热问题 视短圆柱为长圆柱和大平板的公交体 5 11D可忽略外阻的非稳态换热 m 1 40 此情况下 只使用m 0一条线就可 设 Y1 长圆柱的温度比 Y2 大平板的温度比 Myers 1971 短圆柱的温度比Y Y Y1 Y2 例d 6 8cm L 10 2cm的豌豆浆罐头在116 的蒸汽中加热 3820W m2 K 0 83W m K cp 3 8kJ kg K 1090kg m3 求初温30 的罐头加热45min后的中心温度 解 1 求长圆柱的Y1 1 40 m 0 查图5 32的m 0线 Y1 0 19 2 求大平板的Y2 查图5 30的m 0线Y2 0 80 3 求有限圆柱体 罐头的Y和T T 103 例 习题15 p 196 苹果酱流经1m长 15 2 5mm的不锈钢管道 温度20 80 不锈钢热导率17 5W m K 管外加热蒸汽120 管外 6kW m2 K 管内 267W m2 K 求K和 解 r1 5mm r2 7 5mm K 168W m2 K Th120 120 Tc20 80 T10040 A 2 r2 1 2 3 14 0 0075 0 047m2 K A Tm 168 0 047 65 5 517W 第五节辐射传热 5 12辐射的基本概念和定律 5 12A辐射的基本概念 5 12B辐射定律 5 13固体间的辐射换热 5 12辐射的基本概念和定律 5 12A辐射的基本概念 1 热辐射 因物体自身温度而发出的辐射能称为热辐射 thermalradiation 2 吸收率和黑体 称为物体的吸收率 absorptivity 称为物体的反射率 reflectivity 称为物体的透过率 transmissivity 量子能量 热辐射 0 4 40 m 1的物体 称为黑体 blackbody 1的物体 称为灰体 graybody 3 辐能流率 1 辐射功率 2 辐能流 3 辐能流率 4 单色辐能流率 5 12B辐射定律 1 普朗克 Planck 定律 式中 黑体在波长 的单色辐能流率 W m3 c1 第一辐射常量 c2 第二辐射常量 2 斯蒂芬 波尔兹曼 Stefan Boltzman 定律 黑体辐射流率 Stefan Boltzman常量 5 67 10 8W m2K4 灰体的黑度 blackness 灰体的辐能流率与黑体的辐能流率之比 3 克希霍夫 kirchhoff 定律 空腔与腔内物体1处于热平衡 若物体1为灰体 1 若物体1为黑体 两式相除 而黑度