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第五章傳熱 第一節(jié)概述 一 傳熱及在食品工程中的應(yīng)用 1 傳熱 因溫度差的存在而產(chǎn)生的能量傳遞 2 傳熱在食品工程中的應(yīng)用 1 食品的加熱或冷卻食品加工中的加熱滅菌過程 冷凍降溫過程以及某些單元操作 如蒸餾 蒸發(fā) 干燥 結(jié)晶等 需傳熱 要求傳熱速度越快越好 2 回收熱量或冷量 節(jié)約能源 3 保溫或保冷 要求傳熱速度越慢越好 如冰箱冷藏食品或保溫 二 傳熱的基本方式 根據(jù)傳熱機理不同 傳熱的基本方式有三種 熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射 1 熱傳導(dǎo) 又稱導(dǎo)熱 物質(zhì)在不發(fā)生宏觀位移的情況下 熱量從物體內(nèi)部的高溫處向低溫處傳遞 或從高溫物體向一個與它直接接觸的低溫物體的傳遞過程 傳熱機理復(fù)雜 存在分子振動學(xué)說和自由電子遷移學(xué)說等 2 熱對流 又稱對流傳熱 是流體質(zhì)點發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞過程 或者流動的流體與固定壁面之間的熱量交換 對流傳熱伴有熱傳導(dǎo) 強制對流 因泵 或風(fēng)機 或攪拌等外力作用所導(dǎo)致的對流稱為強制對流 在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流 熱對流的兩種方式 自然對流 由于流體各處的溫度不均勻而引起的密度差異 致使流體產(chǎn)生相對位移 這種對流稱為自然對流 3 熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞 稱為熱輻射 所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去 而不需要任何介質(zhì) 但是只有在物體溫度較高的時候 熱輻射才能成為主要的傳熱形式 熱輻射既有能量轉(zhuǎn)移 也有轉(zhuǎn)化 實際上 上述三種傳熱方式而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的 三 穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱 四 冷熱流體接觸方式與間壁式換熱器1 間壁式換熱器 冷熱流體熱交換時不直接接觸 用固體壁面隔開 這種換熱器稱為間壁式換熱器 2 并流與逆流 球形冷凝管 球形冷凝管 直形冷凝管 蛇形冷凝管 3 套管換熱器的傳熱過程 1 對流 熱流體 間壁 2 導(dǎo)熱 通過間壁 3 對流 間壁 冷流體 五 熱載體 1 加熱劑飽和水蒸氣 100 180 熱水 40 100 礦物油等低熔混合物 180 540 煙道氣 500 1000 等 2 冷卻劑水 20 30 空氣冷凍鹽水液氨 33 4 氟利昂等 六 熱流量與熱阻 熱流量 熱流率 單位時間內(nèi)通過整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量 W J s 熱流密度q 熱通量 單位時間內(nèi)通過單位面積傳熱面?zhèn)鬟f的熱量 W m2 熱流量 T 推動力 R 熱阻 七 熱交換 熱交換 兩個溫度不同的物體由于傳熱 進(jìn)行熱量的交換 結(jié)果 溫度較高的物體焓減小 溫度較低的物體焓增加 涉及物質(zhì)的焓變代數(shù)和為0 基本原則 能量守恒定律 H mcp T熱交換器 用于熱交換的設(shè)備 第二節(jié)熱傳導(dǎo) 一 傅里葉定律 一 溫度場與溫度梯度1 溫度場 某一時刻空間各點溫度分布 是空間坐標(biāo)和時間的函數(shù) 溫度只延一個坐標(biāo)方向變化 為 一維溫度場 穩(wěn)定溫度場 不隨時間變化 不穩(wěn)定溫度場 隨時間變化 2 等溫線和等溫面 某一時刻 將溫度場中具有相同溫度的點連接起來所形成的線或面 等溫面不能相交 熱交換發(fā)生在不同的溫度面之間 3 溫度梯度 向量 在等溫面法線上 指向溫度增加的方向 1 傅里葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律 它指出 在溫度場中 由于導(dǎo)熱形成的熱流密度正比于該時刻某一點的溫度梯度 式中 為熱導(dǎo)率 導(dǎo)熱系數(shù) 二 傅里葉定律和熱導(dǎo)率 二 熱導(dǎo)率 熱導(dǎo)率 導(dǎo)熱系數(shù) 是某物質(zhì)在單位溫度梯度時所通過的熱流密度 表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小 是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一 單位為W m 與物質(zhì)組成 結(jié)構(gòu) 密度 溫度及壓力等有關(guān) 金屬熱導(dǎo)率大于非金屬 液體較小 氣體最小 熱導(dǎo)率隨溫度變化而變化 如圖所示 平壁壁厚為 壁面積為A 壁的材質(zhì)均勻 熱導(dǎo)率 不隨溫度變化 視為常數(shù) 平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x軸方向變化 故等溫面皆為垂直于x軸的平行平面 平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定 三 通過平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 一 單層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 結(jié)論 熱傳導(dǎo)距離越小 材料導(dǎo)熱系數(shù)越大 導(dǎo)熱面積越大 則熱阻越小 當(dāng)傳熱推動力一定時 熱流量越大 根據(jù)傅立葉定律 對穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 q為常量 分離變量后積分 積分邊界條件 當(dāng)x 0時 t t1 x 時 t t2 t t1 t2為導(dǎo)熱的推動力而R A則為導(dǎo)熱的熱阻 如圖所示 以三層平壁為例 假定各層壁的厚度分別為 1 2 3 各層材質(zhì)均勻 熱導(dǎo)率分別為 1 2 3 皆視為常數(shù) 層與層之間接觸良好 相互接觸的表面上溫度相等 各等溫面亦皆為垂直于x軸的平行平面 壁的面積為A 在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中 穿過各層的熱量必相等 二 多層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 第一層 第三層 第二層 對于穩(wěn)定導(dǎo)熱過程 1 2 3 1 1 2 3 對三層平壁 且t1 t2 t3 t4則 推廣至n層平壁 結(jié)論 在穩(wěn)定多層平壁導(dǎo)熱過程中 哪層熱阻大 哪層溫差就大 反之 哪層溫差大 哪層熱阻一定大 當(dāng)總溫差一定時 熱流量的大小取決于總熱阻的大小 例5 2 某冷庫壁內(nèi) 外層磚壁厚均為12cm 中間夾層填以絕熱材料 厚10cm 磚墻的熱導(dǎo)率為0 70W m k 絕緣材料的熱導(dǎo)率為0 04W m k 墻外表面溫度為10 內(nèi)表面為 5 試計算進(jìn)入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度 解 根據(jù)題意 已知t1 10 t4 5 1 3 0 12m 2 0 10m 1 3 0 70w m k 2 0 04w m k 按溫度差分配計算t2 t3 按熱流密度公式計算q 如圖所示 設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1 內(nèi)壁溫度為t1 外半徑為r2 外壁溫度為t2 溫度只沿半徑方向變化 等溫面為同心圓柱面 圓筒壁與平壁不同點是其面隨半徑而變化 在半徑r處取一厚度為dr的薄層 若圓筒的長度為L 則半徑為r處的傳熱面積為A 2 rL 四 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱1 通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 將上式分離變量積分并整理得 根據(jù)傅立葉定律 對此薄圓筒層傳導(dǎo)的熱量為 令A(yù)m 2 rmL 則圓筒壁熱流量可表示為 2 多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 以三層圓筒壁為例 假定各層壁內(nèi)外半徑由內(nèi)至外依次為r1 r2 r3 r4 各層材料的導(dǎo)熱系數(shù) 1 2 3皆視為常數(shù) 層與層之間接觸良好 相互接觸的表面溫度相等 各等溫面皆為同心圓柱面 當(dāng)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時 通過各層的熱流量 相等 對于第一 二 三層圓筒壁有 根據(jù)各層溫度差之和等于總溫度差的原則 則 同理 對于n層圓筒壁 穿過各層熱量的一般公式為 注 對于圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 通過各層的熱流量都是相同的 但是熱流密度卻不相等 例5 3 用 89 4mm的不銹鋼管輸送熱油 管的熱導(dǎo)率為 17W m 其內(nèi)壁表面溫度為130 管外包40mm的保溫材料 熱導(dǎo)率為 0 035W m 其外層表面溫度為25 試求 1 每米管長的熱損失 2 兩層保溫層交界處的溫度 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 則熱損失的熱流量為 結(jié)論 溫度降幾乎都發(fā)生在保溫層中 保溫層較大的導(dǎo)熱熱阻避免了較大的熱損失 第三節(jié)對流傳熱 上式稱為牛頓冷卻定律 其中 為對流傳熱系數(shù) 表示影響對流傳熱的所有復(fù)雜因素 對流給熱是指流體流過固體壁面時與該表面發(fā)生的熱量交換 很復(fù)雜 基本關(guān)系描述為 Q A T Tw 一 牛頓冷卻定律 二 對流傳熱過程及機理分析 是在流體流動進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象 與流體的流動情況密切相關(guān) 當(dāng)流體作層流流動時 在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞 主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行 當(dāng)流體作湍流流動時 傳熱速度快 主體靠對流傳熱 層流底層靠傳導(dǎo)傳熱 熱阻集中于此 熱邊界層 溫度邊界層 溫度梯度較大的區(qū)域 傳熱的熱阻即主要集中在此層中 2 流體的性質(zhì) 影響較大的如密度 比定壓熱容cp 熱導(dǎo)率 黏度 體脹系數(shù) v等 三 對流傳熱系數(shù) 一 影響對流傳熱系數(shù)的主要因素 1 流體的狀態(tài) 流體相態(tài)及相變化對 影響很大 有相變時對流傳熱系數(shù)比無相變化時大的多 3 流體的流動狀況 湍流的對流傳熱系數(shù)比層流大得多 強制對流的對流傳熱系數(shù)比自然對流大的多 4 傳熱壁面的形狀 位置及大小 形狀如管 板 翅片 位置如管束的排列方式 垂直放置或水平放置 尺寸如管徑 管長等 通過量綱分析 對流傳熱過程的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式可用下式表示 即 二 對流傳熱系數(shù)的特征數(shù)方程 C 特征數(shù)名稱及意義 特征數(shù)方程是一種經(jīng)驗公式 在利用關(guān)聯(lián)式求對流傳熱系數(shù)時 不能超出實驗條件范圍 在應(yīng)用時應(yīng)注意以下幾點 3 應(yīng)用范圍 2 定性尺寸 通常是選取起主要影響的尺寸作為特征尺寸 1 定性溫度 確定流體物理參數(shù)的溫度 4 各準(zhǔn)則式是一個無因次數(shù)群 其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制 Nu a GrPr m 定性溫度 取壁面溫度和流體主體溫度算術(shù)平均值定性尺寸 平壁為壁長 圓管為直徑 式中的a m值見書165頁5 3表 四 流體無相變的對流傳熱 一 自然對流傳熱 二 強制對流傳熱 1 管內(nèi)層流2 管內(nèi)湍流3 管外對流4 波紋板壁間對流根據(jù)不同類型 使用對應(yīng)的經(jīng)驗公式 進(jìn)行對流傳熱系數(shù)的估算 五 流體有相變的對流傳熱 一 沸騰傳熱液體與高溫壁面接觸被加熱汽化 并在液體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象稱為沸騰 按加熱面與液體飽和溫度的差值不同 分為泡狀沸騰和膜狀沸騰 沸騰傳熱的應(yīng)用 精餾塔的再沸器 蒸發(fā)器 蒸汽鍋爐等 二 冷凝傳熱 以飽和蒸汽作為加熱介質(zhì)在傳熱中發(fā)生冷凝傳熱是工業(yè)生產(chǎn)中常見的傳熱方式 1 冷凝方式 1 膜狀冷凝 由于冷凝液能潤濕壁面 因而能形成一層完整的膜 在整個冷凝過程中 冷凝液膜是其主要熱阻 2 滴狀冷凝 若冷凝液不能潤濕壁面 由于表面張力的作用 冷凝液在壁面上形成許多液滴 并沿壁面落下 熱阻小 實際生產(chǎn)過程中 多為膜狀冷凝過程 2 冷凝傳熱的對流傳熱系數(shù)略3 影響冷凝傳熱的因素 1 不凝性氣體的影響 形成氣膜 增加熱阻 降低對流傳熱系數(shù) 要在設(shè)備頂部設(shè)置不凝氣體排放裝置 2 蒸汽流速和流向的影響 與液膜流向一致 液膜減薄 增大 3 冷卻壁面的高度及布置方式 垂直壁面可開溝槽 第四節(jié)熱交換 一 換熱器的分類 1 按冷 熱流體熱交換的接觸方式分 1 非直接接觸式 間壁式 蓄熱式 流化床 2 直接接觸式2 按用途分 加熱器 冷卻器 冷凝器 蒸發(fā)器 再沸器等 1 結(jié)構(gòu) 殼體 管束 管板 又稱花板 封頭 端蓋 等 二 管殼式換熱器 管殼式換熱器 2 名詞解釋 1 管程冷 熱流體兩種流體在管殼式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱時 一種流體通過管內(nèi) 其行程稱為管程 2 殼程另一種流體在管外流動 其行程稱為殼程 雙管單殼程 單管單殼程 三管雙殼程 在兩端封頭內(nèi)設(shè)置隔板 可實現(xiàn)多管程 通過提高管程流體的流速 增大對流傳熱系數(shù) 但能量損失增加 管程數(shù)以2 3 4 6程多見 在管外殼體內(nèi)裝有殼程隔板可實現(xiàn)多殼程 通過提高殼程流體的流速 增大湍流程度 以保持較高的傳熱系數(shù) 殼程數(shù)以2 3程多見 為防止殼體和管束受熱膨脹不同導(dǎo)致的設(shè)備變形 管子扭彎或松脫 常采用熱補償?shù)姆椒?主要有以下幾種 U形管補償 每根管子彎成U形 兩端固定在同一管板上 每根管子可以自由伸縮 與其他管子和外殼無關(guān) 相當(dāng)于雙管程 浮頭補償 換熱器兩端管板之一不固定在外殼上 此端稱為浮頭 當(dāng)管子受熱或受冷時 連同浮頭一起自由伸縮 而與外殼的膨脹無關(guān) 優(yōu)點 容易制造 生產(chǎn)成本低 適應(yīng)性強 尤其適于高壓流體 維修清洗方便 缺點 結(jié)合面較多 易泄漏 對應(yīng)常見的列管式換熱器有 U形管換熱器 浮頭式換熱器 固定管板式換熱器 補償圈補償 在外殼上焊上一個補償圈 當(dāng)外殼和管子熱脹冷縮時 補償圈發(fā)生彈性形變 達(dá)到補償?shù)哪康?三 板式換熱器 是以板壁為換熱壁的換熱器 常見的有片式 螺旋板式等 1 片式換熱器板片被壓制成槽形或波紋形 目的是 增強剛度 不致受壓變形 增強液體的湍動程度 增大傳熱面積 也利于流體的均勻分布 片式熱交換器及板片 片式熱交換器 優(yōu)點 總傳熱系數(shù)高 污垢熱阻亦較小 結(jié)構(gòu)緊湊 單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大 操作靈活性大 可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)板片數(shù)目以增減傳熱面積 或以調(diào)節(jié)流道的辦法 適應(yīng)冷 熱流體流量和溫度變化的要求 制造容易 檢修清洗方便 熱損失小 缺點 允許操作壓力較低 否則容易滲漏 操作溫度不能太高 因受墊片耐熱性能的限制 現(xiàn)在已有超高溫板式換熱器 處理量不大 因板間距小 流道截面較小 流速亦不能過大 2 螺旋板式換熱器 由兩張平行的薄鋼卷制而成 兩板之間焊有定距柱以保持兩板間距和增加螺旋板的剛度 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)緊湊 單位體積提供的傳熱面積大 總傳熱系數(shù)較大 傳熱效率高 不易堵塞 缺點 操作壓力和溫度不能太高 流體阻力大 不易檢修 螺旋板式換熱器 四 夾套式換熱器 1 結(jié)構(gòu)夾套裝在容器外部 在夾套和器壁間形成密閉的空間 成為一種流體的通道 如夾層鍋 夾層缸等 夾層蒸氣鍋 夾層缸 冷熱缸 2 使用注意事項 1 當(dāng)用蒸汽進(jìn)行加熱時 蒸汽由上部接管進(jìn)入夾套 冷凝水由下部接管中排出 2 用于冷卻時 則冷卻水由下部進(jìn)入 由上部流出 3 由于夾套內(nèi)部清洗困難 故一般用不易產(chǎn)生垢層的水蒸汽 冷卻水等作為載熱介質(zhì) 結(jié)構(gòu)簡單 造價低 可當(dāng)作盛裝容器 但傳熱面積小 總傳熱系數(shù)不高 適于傳熱量不大的場合 為提高傳熱性能 可在容器內(nèi)安裝攪拌器 使器內(nèi)液體作強制對流 3 特點 1 結(jié)構(gòu)蛇管多以金屬管子彎繞而成 制成適應(yīng)容器需要的形狀 沉浸在容器中 兩種流體分別在管內(nèi) 外進(jìn)行換熱 五 螺旋盤管式換熱器 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單 便于制造 便于防腐 且能承受高壓 缺點 管外液體的對流傳熱系數(shù)較小 從而總傳熱系數(shù)亦小 如增設(shè)攪拌裝置 則可提高傳熱效果 2 特點 1 結(jié)構(gòu) 兩種直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)管組成同心套管 內(nèi)管可用U形管連接 而外管之間也由管子連接 六 套管式換熱器 注意 選擇適當(dāng)管徑和較高流速 使內(nèi)管與環(huán)隙間的流體呈湍流且逆流狀態(tài) 以增大總傳熱系數(shù) 減少垢層形成 單位傳熱面的金屬消耗量很大 占地較大 一般適用于流量不大 所需傳熱面不大及高壓的場合 特點 傳熱系數(shù)大 結(jié)構(gòu)簡單 能耐高壓 制造方便 應(yīng)用靈便 傳熱面易于增減 套管式超高溫瞬時 UHT 滅菌機 七 其它 板翅式換熱器 翅片式換熱器 刮板式換熱器 八 穩(wěn)態(tài)傳熱計算 一 換熱基本方程對于間壁式熱交換 KA Tm其中K為總傳熱系數(shù) 該式是換熱器設(shè)計的重要公式 二 總傳熱系數(shù) 1 總傳熱系數(shù)K的獲得 1 選取經(jīng)驗值 2 實驗測定 3 計算2 總傳熱系數(shù)K的計算法 1 單層平壁 2 多層平壁見書180頁 3 單層圓筒壁見書180頁 4 多層圓筒壁見書181頁 對于不同的面積Ah Ac 可以有不同的總傳熱系數(shù) 在計算流量時 它們等效 例5 8 見書181頁 三 換熱平均溫差 1 恒溫差傳熱兩種流體進(jìn)行熱交換時 在沿傳熱壁面的不同位置上 在任何時間兩種流體的溫度皆不變化 這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱 即 T Th Tc一定 2 變溫差傳熱 在傳熱過程中 間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面 在不同位置時溫度不同 但各點的溫度皆不隨時間而變化 即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程 換熱平均溫差與冷 熱兩流體相對流向有關(guān) 大致可分為下列四種情況 并流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相同的方向流動 逆流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)分別以相對的方向流動 錯流 參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側(cè)彼此呈垂直方向流動 折流簡單折流 一側(cè)流體只沿一個方向流動 而另一側(cè)的流體作折流 使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替存在 復(fù)雜折流 參與熱交換的雙方流體均作折流 對逆流和并流式中 tm稱為對數(shù)平均溫差 當(dāng)0 5 t2 t1 2時 可用 t2 t1 2代替對數(shù)平均溫差 對錯流和折流 需乘以校正因數(shù)例5 9 九 傳熱的強化 1 強化傳熱的目的以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力 2 強化傳熱的途徑 1 增加傳熱推動力 換熱平均溫差在一定條件下也可采用逆流或接近逆流操作 或提高加熱劑溫度 降低冷卻劑溫度 2 加大單位體積傳熱面采用翅片或螺旋翅片管代替普通金屬管 3 增大總傳熱系數(shù)K 通過增大流速等方式 提高湍動程度 盡量采用有相變的流體作為加熱劑或冷卻劑 定期清洗換熱器 防止污垢形成 第五節(jié)熱輻射 一 輻射加熱方法 一 紅外線加熱是波長為0 8 m 1000 m的電磁波 以輻射的形式向外傳播 工業(yè)上 把0 8 m 5 6 m波長的紅外線稱為近紅外線 把5 6 m 1000 m波長的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線 紅外線主要作用是加熱 1 加熱原理當(dāng)輻射源的頻率與被加熱物分子固定頻率一致時 該物質(zhì)就易于吸收紅外線 吸收后產(chǎn)生共振 轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?1 加熱速度快 2 設(shè)備緊湊