食品工程原理第二章傳熱習(xí)題課

1、傳 熱基本概念和基本理論基本概念和基本理論傳熱是由于傳熱是由于 引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處熱從高溫處傳遞到低溫處。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式： 、 和和 。熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞；微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞；熱對流熱對流是流體各部分之間發(fā)生相對是

2、流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的自然對流自然對流和由外力所致的質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)制運(yùn)動引起的和由外力所致的質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)制運(yùn)動引起的強(qiáng)制對流強(qiáng)制對流），流體流過固體表面時），流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程稱為發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程稱為對流傳熱對流傳熱；熱輻射熱輻射是因熱的是因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依發(fā)射

3、輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時進(jìn)行?？科渲械囊环N方式或幾種方式同時進(jìn)行。傳熱速率傳熱速率Q是指單位時間通過傳熱面的熱量（是指單位時間通過傳熱面的熱量（W）；）；熱流密度熱流密度q是指每單是指每單位面積的傳熱速率位面積的傳熱速率（W/m2）。RTbTTq21一熱傳導(dǎo) 導(dǎo)熱基本方程傅立葉定律導(dǎo)熱系數(shù)，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/（mK）。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。式中負(fù)號表示熱流方向總是和溫度梯度的方向相反。2平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁：多層（n層）平壁：公式表明導(dǎo)熱速

4、率與導(dǎo)熱推動力（溫度差）成正比，與導(dǎo)熱熱阻（R）成反比。由多層等厚平壁構(gòu)成的導(dǎo)熱壁面中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈小，其兩側(cè)的溫差愈小，但導(dǎo)熱速率相同。nTdSdQ注意食品物料中注意食品物料中水分的多少對導(dǎo)水分的多少對導(dǎo)熱系數(shù)的影響熱系數(shù)的影響+n1ii11111RqnniiiinTTbTT圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁：單層圓筒壁：1221ln2rrTTLQp+niiiiinrrTTLQ1111ln1)(2pn層圓筒壁層圓筒壁一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效果會一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效果會降低降低，主要原因是因主

5、要原因是因水的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)水的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材，受潮后，使保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)料導(dǎo)熱系數(shù)增大增大，保溫效果降低。，保溫效果降低。對流傳熱系數(shù)，單位為：W/（m2K）- 牛頓冷卻定律。牛頓冷卻定律。 TSQnpiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14 Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響 在蒸汽冷凝時不凝性氣體在液在蒸汽冷凝時不凝性氣體在液膜表面形成一層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對流傳熱系數(shù)膜表

6、面形成一層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對流傳熱系數(shù)降低降低。 蒸汽流速和流向的影響蒸汽流速和流向的影響 冷凝傳熱過程的強(qiáng)化冷凝傳熱過程的強(qiáng)化流體物性及液膜兩側(cè)的溫差流體物性及液膜兩側(cè)的溫差 蒸汽過熱的影響蒸汽過熱的影響 溫度差溫度差t A B C D 液體沸騰傳熱過程的推動力是加熱面溫度和液體飽和溫液體沸騰傳熱過程的推動力是加熱面溫度和液體飽和溫度之差。在大空間內(nèi)沸騰時，隨著此溫度差的不同，過程中度之差。在大空間內(nèi)沸騰時，隨著此溫度差的不同，過程中的對流傳熱系數(shù)的對流傳熱系數(shù)和熱流密度和熱流密度q都發(fā)生變化。都發(fā)生變化。 自然對流自然對流泡核沸騰泡核沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰注意：由于泡核注意：由于泡

7、核沸騰的傳熱系數(shù)沸騰的傳熱系數(shù)比膜狀沸騰的大，比膜狀沸騰的大，故一般都設(shè)法控故一般都設(shè)法控制蒸發(fā)器在泡核制蒸發(fā)器在泡核狀態(tài)下工作。狀態(tài)下工作。對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，定性溫度定性溫度是指確定準(zhǔn)數(shù)中各物性是指確定準(zhǔn)數(shù)中各物性參數(shù)的溫度。參數(shù)的溫度。沸騰傳熱沸騰傳熱可分為三個區(qū)域，它們是可分為三個區(qū)域，它們是自然對流區(qū)自然對流區(qū)、核狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰核狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)區(qū)，生產(chǎn)中的沸騰傳熱過程應(yīng)維持在生產(chǎn)中的沸騰傳熱過程應(yīng)維持在核狀沸騰區(qū)核狀沸騰區(qū)操作。操作。無相變的對流傳熱過程中，無相變的對流傳熱過程中，熱阻熱阻主要集中在主要集中在傳熱邊界層或滯

8、流層內(nèi)傳熱邊界層或滯流層內(nèi)，減少，減少熱阻的最有效的措施是熱阻的最有效的措施是提高流體湍動程度提高流體湍動程度。在兩流體的間壁換熱過程中，計算式在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=KSt，式中，式中t表示為兩流體表示為兩流體溫度溫度差的平均值差的平均值；。；。在兩流體的間壁換熱過程中，計算式在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q= St，式中，式中t=tw-tm 或或 Tm-Tw；S表示為表示為一側(cè)的傳熱壁面一側(cè)的傳熱壁面。滴狀冷凝滴狀冷凝的對流傳熱系數(shù)大于的對流傳熱系數(shù)大于膜狀冷凝膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)。對流傳熱系數(shù)。式中式中 cp流體的平均比熱，流體的平均比熱，kJ/（kg ） Tc冷流體的溫度

9、，冷流體的溫度， Th熱流體的溫度，熱流體的溫度， Q=Whcph(Th1-Th2)=Wccpc(Tc2-Tc1) )()(122ccpcchsphhTTcWTTcrWQ+)/ln(2121TTTTTm換熱器總傳熱速率方程換熱器總傳熱速率方程Q=KSTm式中K為總傳熱系數(shù)，單位為：W/（m2）；Tm為兩流體的平均溫度差，對兩流體作并流或逆流時的換熱器而言，恒溫傳熱時變溫傳熱時錯流和折流時mT00000001)ln(1+siisiiiRrrrrrRrrK總傳熱系數(shù)chTTTm換熱器換熱器間壁式換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高間壁式換熱器傳熱系數(shù)的主要途徑是提

10、高流體流速、增強(qiáng)人工擾動；防止結(jié)垢，及時清除污垢。消除列管換熱器溫差應(yīng)力常用的方法有三種，即在殼體上加膨脹節(jié)，采用浮頭式結(jié)構(gòu)或采用U型管式結(jié)構(gòu)。翅片式換熱器安裝翅片的目的是增加傳熱面積；增強(qiáng)流體的湍動程度以提高。為提高冷凝器的冷凝效果，操作時要及時排除不凝氣和冷凝水。間壁換熱器管壁溫度Tw接近大的一側(cè)的流體溫度；總傳熱系數(shù)K的數(shù)值接近熱阻大的一側(cè)的值。如在傳熱實(shí)驗中用飽和水蒸氣加熱空氣，總傳熱系數(shù)接近于空氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于水蒸氣側(cè)的溫度。對于間壁換熱器WhCph(Th1-Th2)=W2Cp2(Tc1-Tc2)=KSTm等式成立的條件是穩(wěn)定傳熱、無熱損失、無相變化。列管換熱器，在殼

11、程設(shè)置折流擋板的目的是增大殼程流體的湍動程度，強(qiáng)化對流傳熱，提高值，支撐管子。在確定列管換熱器冷熱流體的流徑時，一般來說，蒸汽走管外；易結(jié)垢的流體走管內(nèi)；高壓流體走管內(nèi)；有腐蝕性的流體走管內(nèi)；粘度大或流量小的流體走管外。1. 蒸汽冷凝液的型態(tài)有滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種，工程設(shè)蒸汽冷凝液的型態(tài)有滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種，工程設(shè)計采用計采用_冷凝。冷凝。2. 大容積的飽和沸騰傳熱可分為大容積的飽和沸騰傳熱可分為_、_和和_三個階段，而在工業(yè)生產(chǎn)中常在三個階段，而在工業(yè)生產(chǎn)中常在_階段操作。階段操作。3. 在對流傳熱中，按其產(chǎn)生的原因，可分為在對流傳熱中，按其產(chǎn)生的原因，可分為_對流與對流與_對流。對流

12、。 5. 定性溫度指定性溫度指_。 填空題填空題1. 間壁傳熱時，各層的溫度降與各相應(yīng)層的熱阻間壁傳熱時，各層的溫度降與各相應(yīng)層的熱阻( )A. 成正比成正比 B. 成反比成反比 C. 沒關(guān)系沒關(guān)系2. 翅片管換熱器的翅片應(yīng)安裝在翅片管換熱器的翅片應(yīng)安裝在( )。 A. 小的一側(cè)小的一側(cè) B. 大的一側(cè)大的一側(cè) C. 管內(nèi)管內(nèi) D. 管外管外 3. 套管冷凝器的內(nèi)管走空氣，管間走飽和水蒸汽，如套管冷凝器的內(nèi)管走空氣，管間走飽和水蒸汽，如果蒸汽壓力一定，空氣進(jìn)口溫度一定，當(dāng)空氣流量增加時果蒸汽壓力一定，空氣進(jìn)口溫度一定，當(dāng)空氣流量增加時: （1）傳熱系數(shù)）傳熱系數(shù)K應(yīng)應(yīng) A 增大增大 B 減小減

13、小 C 基本不變基本不變 ( ) （2）空氣出口溫度）空氣出口溫度 A 增大增大 B 減小減小 C 基本不變基本不變 ( )（答案（答案 A、B）選擇題選擇題4. 工業(yè)采用翅片狀的暖氣管代替圓鋼管，其目的是（工業(yè)采用翅片狀的暖氣管代替圓鋼管，其目的是（ ）。）。 A. 增加熱阻，減少熱量損失增加熱阻，減少熱量損失; B. 節(jié)約鋼材、增強(qiáng)美觀節(jié)約鋼材、增強(qiáng)美觀 C. 增加傳熱面積，提高傳熱效果。增加傳熱面積，提高傳熱效果。5. 蒸汽冷凝時，膜狀冷凝的蒸汽冷凝時，膜狀冷凝的( )滴狀冷凝的滴狀冷凝的。A. 等于等于 B. 大于大于 C. 小于小于6. 導(dǎo)熱是（導(dǎo)熱是（ ）熱量傳遞的主要方式。）熱量

14、傳遞的主要方式。A. 固體中固體中 B. 液體中液體中 C. 氣體中氣體中7. 熱量傳遞的基本方式是（熱量傳遞的基本方式是（ ）。）。 A. 恒溫傳熱和穩(wěn)態(tài)變溫傳熱恒溫傳熱和穩(wěn)態(tài)變溫傳熱 B. 導(dǎo)熱給熱和熱交換導(dǎo)熱給熱和熱交換 C. 氣化、冷凝與冷卻氣化、冷凝與冷卻 D. 傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱與輻射傳熱傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱與輻射傳熱8. 湍流流體與器壁間的對流傳熱（即給熱過程）其熱阻主要湍流流體與器壁間的對流傳熱（即給熱過程）其熱阻主要存在于（存在于（ ）。）。 A. 流體內(nèi)流體內(nèi); B. 器壁內(nèi)器壁內(nèi); C. 湍流體滯流內(nèi)層中湍流體滯流內(nèi)層中; D. 流體湍流區(qū)域內(nèi)。流體湍流區(qū)域內(nèi)。9. 對一臺

15、正在工作的列管式換熱器，已知對一臺正在工作的列管式換熱器，已知1116，211600， 要提高傳熱系數(shù)（要提高傳熱系數(shù)（K），最簡單有效的途徑是（），最簡單有效的途徑是（ ）。）。 設(shè)法增大設(shè)法增大1 B. 設(shè)法增大設(shè)法增大2C. 同時增大同時增大1和和211. 對于沸騰傳熱，工業(yè)生產(chǎn)一般應(yīng)設(shè)法控制在（對于沸騰傳熱，工業(yè)生產(chǎn)一般應(yīng)設(shè)法控制在（ ）沸騰下操作。沸騰下操作。 A.核狀核狀 B. 穩(wěn)定的膜狀穩(wěn)定的膜狀 C. 不穩(wěn)定的膜狀不穩(wěn)定的膜狀12. 蒸汽中不凝性氣體的存在，會使它的對流傳熱系數(shù)蒸汽中不凝性氣體的存在，會使它的對流傳熱系數(shù)值（值（ ）。）。 A. 降低降低 B. 升高升高 C.

16、不變不變13. 為了減少室外設(shè)備的熱損失，在保溫層外包一層金為了減少室外設(shè)備的熱損失，在保溫層外包一層金屬皮，一般而言，應(yīng)該選擇屬皮，一般而言，應(yīng)該選擇_材料。材料。A. 表面粗糙，顏色較深表面粗糙，顏色較深 B.表面粗糙，顏色較淺表面粗糙，顏色較淺 C. 表面表面光滑，顏色較深光滑，顏色較深 D.表面光滑，顏色較淺表面光滑，顏色較淺1 在定態(tài)的多層平壁導(dǎo)熱中，若某層的熱阻大，則這層的導(dǎo)熱在定態(tài)的多層平壁導(dǎo)熱中，若某層的熱阻大，則這層的導(dǎo)熱溫差就小。（溫差就小。（ ）2 保溫材料應(yīng)該選用導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料。（保溫材料應(yīng)該選用導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料。（ ）3 自然對流主要受溫度引起的流體密度變化

17、的影響。自然對流主要受溫度引起的流體密度變化的影響。 （ ）4 輻射傳熱與傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱的主要差別在于輻射傳熱可輻射傳熱與傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱的主要差別在于輻射傳熱可以在真空中傳播。以在真空中傳播。 （ ）6 輻射能力強(qiáng)的物體其吸收能力也強(qiáng)。輻射能力強(qiáng)的物體其吸收能力也強(qiáng)。 （ ）7 物質(zhì)的黑度在數(shù)值上等于該物體對輻射能的吸收率。物質(zhì)的黑度在數(shù)值上等于該物體對輻射能的吸收率。 （ ）判斷題判斷題1). 在內(nèi)管為在內(nèi)管為18910mm的套管換熱器中，的套管換熱器中，將流量為將流量為 3500kg/h的某液態(tài)烴從的某液態(tài)烴從 100冷卻到冷卻到60，其平均比熱，其平均比熱 CP烴烴=2.38kJ

18、/kg.， 環(huán)隙環(huán)隙走冷卻水，其進(jìn)出口溫度分別為走冷卻水，其進(jìn)出口溫度分別為40和和50，平均比熱平均比熱p水水4.17kJ/kg.，基于傳熱外面，基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)積的總傳熱系數(shù)K0=2000W/m2, 設(shè)其值恒定設(shè)其值恒定, 忽略熱損失。試求：忽略熱損失。試求： A)冷卻水用量；冷卻水用量；B)分別分別計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及所需管長。所需管長。 QLttrrrrrr+211123141803514519165100769191015796947103010121232p()lnlnln.()ln.ln.ln.QLttrr21

19、23232p()ln471235101579692.().lnp t4）382.5mm的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。 第一層是50 mm厚的氧化鋅粉，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.07 W/(m)；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m)。若管內(nèi)壁溫度為180，石棉層外表面溫度為35，試求每米管長的熱損失及兩保溫層界面處的溫度？解：r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r11 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r22 = 0.0690.01 = 0.079 m0 = 45 W/(m)W/m 即

20、 t2 = 41.8 7)略同理由）解得到那些結(jié)論。流和并流做一比較，可根據(jù)計算結(jié)果，對逆換熱面積。平均溫度差和所需要的兩種流體做并流時的換熱面積。平均溫度差和所需要的兩種流體做逆流時的冷水流量。試求：總傳熱系數(shù)為升到冷水溫度從卻到冷溫度從加熱冷水，熱水流量為在列管換熱器。用熱水)489. 285.25) 5/75(/ ) 575() 389. 1) 8.39108. 23600/(10181. 440105. 48.39)35/45(/ )3545()2/6010/174. 4/181. 41)./(108. 2,5020,5595,/105. 4)2620233300002300003mS

21、CLntmSTCWtKSCLnthkgWCkgkJCCkgkJCtCWTCWQQCmWCCCChkgmphhmCpcphpcCphhChQ2300200200005300002020008 .15)6 .23603/(102256 .23)15/35(/ )1535()/(603)/(/001611. 0900/1)3545/(38003. 0)322500/(38/1/135)32/38(3238(/1025. 210508 . 15 . 2/8 . 1552/ )3080(,45),/(900),2500W/(,3080 /5 . 2.15338)28mSCLntCmWKCmWddbdKm

22、mLndsJQCkgkJCCtCCmWCmCCskgCmmmiimP+）查得甲苯的物性數(shù)據(jù)：解：器的傳熱面積。試求該換熱水的出口溫度不能高于污垢熱阻忽略不計。若側(cè)的給熱系數(shù)分別為水走管程，水側(cè)和甲苯冷卻到苯由的甲的水將，用初溫為規(guī)格為在逆流換熱器中，管子149. 1/:149. 1/2 .60809 .64752 .60)55/7 .65()557 .65(9 .64)60/70()6070(3 .84)15()70150()1580()75150(:707515080 15)300002200000LLSSKSCWKSCWtKSQtKSQCLntCLntCttCWCWCWCWtCWTCWQQ

23、CCCCCphhphhmmmmpccphhpccphhpccphhCh即又則解生產(chǎn)要求？原來的多少倍才能滿足試問此換熱器管長增為失忽略不計，發(fā)生變化，換熱器的損溫度，流量及物性均不假設(shè)水和液體的進(jìn)出口，體進(jìn)出口溫度降至。現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求液和體的進(jìn)出口溫度分別為，液和口溫度分別為冷卻某液體，水的進(jìn)出在逆流換熱器中，用水Q9)t +2080250uVndpp412010360010934002300324242.Re.du0020324109319610361105410) 120飽和水蒸汽將空氣從20加熱至80，空氣流量1.20104kg/h?，F(xiàn)有單程列管換熱器，252.5mm鋼管300根，管長

24、3m，0 = 104W/(m2)，污垢及管壁熱阻不計。問此換熱器能否滿足要求。解：50空氣， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)， = 0.02824W/(m) = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s100004 . 08 . 044 . 08 . 0698. 01061. 3020. 002824. 0023. 0PrRe023. 0iid5 .1541201036004.1004010040655ln. W/(m2)0i Ki = i = 124.5 W/(m2)Q = WcCpct = 1.00560 = 201 kJ/stm = Q =

25、KiAitm 即 201103 = 124.5Ai65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = npdiL 即 24.6 = 300p0.020L L = 1.31 m3 m 滿足要求 11）一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進(jìn)口溫度分別為155和20。已知逆流操作時，柴油出口溫度50，原油出口60，若采用并流操作，兩種油的流量、物性數(shù)據(jù)、初溫和傳熱系數(shù)皆與逆流時相同，試問并流時柴油可冷卻到多少溫度？CCtCTtKSQtTtTttCWTCWtCWTCWQQCWKStKSQCtCWCWtCWTCWQQmmpccphhpccphhchphhmmpccphhpccphhch0020222222207 .644 .547 .6421)2()/(135ln/)(135)20()155() 1 (862. 14 .56)30/95ln()3095()2060()50150(即并流時柴油冷卻到）解得：）（聯(lián)立方程（則并流時：則解：逆流時：12）一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為55和115。并流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為75和95。試問逆流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為多少？假定流體物性數(shù)據(jù)與傳熱系數(shù)均為常量。CtCTtTtTTtTtttttTtTttTtCWTCWCWKStKSQCtCWCWCWCWtCWTCWQQmpCCphhphh