食品工程原理03传热讲述.ppt

食品工程原理 食品科学与工程专业本科教学课件 3 传热（Heat Transfer） 本章内容 3.1 概述 3.2 热传导 3.3 对流传热 3.4 稳定传热及计算 3.5 不稳态传热 3.6 热辐射及其传热计算 3.7 换热器 【学习要求】 掌握热传导计算的基本原理、公式和方法； 掌握对流传热计算的基本原理、公式和计算； 理解热辐射计算的原理和方法； 了解换热器的基本原理、结构、设计和使用； 运用类比方法，根据已有的动量传递的知识，依照图0-1所揭示的三传系统化和简化表达方法，简化学习本章内容。 3.1 概述3.1.1 食品加工中传热操作的目的 传热是食品加工中重要单元操作。主要目的有： ①加工线上一般必要的加热、冷却、冷凝的过程； ②加热和冷却的目的在于杀菌和保藏； ③获浓缩成干制食品、结晶食品； ④完成一定的生物化学变化，如蒸煮、焙烤等。 3.1.2 传热的基本方式 传热的基本方式有热传导（Conduction）、热对流（Convection）和热辐射（radiation）。 热传导是物体各部分间没有宏观上的相对位移，仅是分子，原子和自由电子等的热运动而产生的传热过程。 流体各部分之间产生相对位移引起的热量传递称为热对流（常伴有热传导），有自然对流和强制对流之分。 物体将热能以电磁波形式发射并可接收此类电磁波转化成热能的传热方式，称为热辐射。 三种传热方式在工业中往往是组合的，如热对流中存在热传导，高温气体与壁面间的换热要同时考虑热对流和热辐射。 3.1.3 冷、热介质及接触方式 冷剂：冷空气、冷水、冷冻盐水（NaCl用于大于零下21℃，CaCl2用于大于零下45℃、液氟、冷冻乙二醇（乙醇）等。 加热剂：水蒸气、热水、热空气、高温烟气、联苯混合物（255～380℃），熔盐（硝酸钾53%+亚硝酸钠40%+硝酸钠7%，140～530℃）。 接触方式有： 直接接触式，如将水蒸气通入冷水等； 通过间壁的换热，如列管式、薄板换热器等； 蓄热式，先通热流体蓄热，再通和入要加热流体。 主要的换热设备自己阅读教材，并在课程设计中掌握。课上只提及下面2种。 套管式换热器结构图 管壳式换热器（列管式换热器） 板式换热器 3.2 热传导 热传导是由分子或原子的碰撞（气体）、分子振动弹性波（固体、液体）或自由电子运动引起的热传递过程。 3.2.1 傅立叶（Fourier）第一导热定律和导热系数 Fourier认为： λ称为导热系数，是物质的一种性质参数，可由实验测定。 注意：ppt用S表教材上A（面积），不再修改 λ数值量的概念（大致范围）： 金属较大， 100～2量级 非金属， 10-2～0量级 液体， 10-1量级 气体， 10-3～-2-1量级 T↑，λ非金属↑λ气↑，λ金↓λ液↓（水和甘油例外） 混合气体和混合液体的入按有关出式计算。 3.2.2 稳态一维方向上的热传导计算 工业上大平板（如保温墙等），长圆管的稳态导热属于一维导热。 导热热流量的计算公式为： 或根据教材图0-1的主线，总结为 其中，a为导温系数，m2/s Sm为垂直热流的面积平均值 对平面： 对圆球： 对圆筒： 证明 对平壁，稳态时： 对多层平壁： 对圆筒壁： 在r半径处取一薄圆筒， 稳态导热时有： （对数平均） 对球壁 在虚线延薄壁球处，温度梯度为dt/dr,表面积为4πr2，稳态时 【例】 多层圆筒壁的热传导计算 外径d1=100mm的蒸气管，覆有两层各为25mm热绝缘层。内层材料氧化镁保温λ1=0.07W/(m·K)，外层是石棉保温层，λ2=0.087 W/(m·K)，保温层外表面温度为℃，蒸汽管外表面温度为200℃，求长蒸汽管的热损失及两层绝缘层接触面的温度。 3.3 对流传热（convection thermal transfer） 流体因宏观质点运动所产生的热量传递过程称对流传热或对流给热。热对流中的流体必然存在分子运动，故必然伴随热传导，只是热传导所占比例一般较小。 一般会涉及到一相流体向界面进行对流传热的情况。 与界面接触的流体相中有可能出现层流边界层，边界层中的传热过程是热传导过程。 对稳态过程而言，流体主体至层流层外缘的对流传热速率应与层流层的热传导速率相等。但此关系的实际应用是受到限制，因为求层流层的热传导并非易事。所以要寻求对流传热计算的方法。 3.3.1 对流传热的产生原因，牛顿冷却定律和对流传热膜系数 （1）对流传热产生的原因 对流传热产生的原因很复杂，有自然对流，如温差引起密度差从而产生自然对流；有外界施加作用流体强迫运动而并进行传热；流体还会有相的变化，如冷凝和沸腾。另外，壁面形状，设备尺寸、温度、物性等因