《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/（kgK）,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/(mK),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：50400W/(mK),非金属固体的：0.063W/(mK),其中保温隔热材料：0.60)，Sweat(1974)：,对肉类(ww：0.600.80)，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,（NewtonsLawofcooling）,式中表面传热系数，W/（m2K）,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+bc+d3e+2f+g,对时间T-3=-ac3d2f2g,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=1f,c=a+f2g,e=a+2g,b=a+3g1,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(PrGr)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L1m）,水平圆管104GrPrm1/40),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/（m2K）,苹果的热导率=0.355W/(mK),比热容cp=3.6kJ/(kgK),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(m1/40),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=Y1Y2,例d=6.8cm,L=10.2cm的豌豆浆罐头在116的蒸汽中加热，=3820W/(m2K),=0.83W/(mK),cp=3.8kJ/(kgK),=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,m0,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152.5mm的不锈钢管道，温度2080，不锈钢热导率17.5W/(mK),管外加热蒸汽120，管外=6kW/(m2K),管内=267W/(m2K)。求K和。,解,r1=5mm,r2=7.5mm,K=168W/(m2K),Th120120,Tc2080,T10040,A=2r21=23.140.0075=0.047m2,=KATm=1680.04765.5=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：0.440m,=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,=5.6710-8W/(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,故,同温下，灰体的吸收率与黑度在数值上相等,5-13固体间的辐射换热,1.极大的两平行板间的辐射换热,板1，板2发出的辐能流率,q1,q2板2,板1单位时间单位面积接受的辐射能,后式代入前式：,同理,12的净辐