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文檔簡介
Chapter4HeattransferHeattransferHeattransferisthemovementofenergyfromonepointtoanotherbyvirtueofadifferenceintemperature.HeattransferConduction:Heatwillbetransferredbetweenadjacentmolecules.Convection:Heatistransferredwhenmoleculesmovefromonepointtoanotherandexchangesenergywithanothermoleculeintheotherlocation.Radiation:thephenomenonofheattransferbyelectromagneticwaves.HeattransferbyconductionFourier’sFirstLawofHeatTransferQistherateofheatflow,Aistheareathroughwhichheatistransferred.Theexpressionq/A,therateofheattransferperunitareas,iscalledtheheatflux.q.ThederivativedT/dxisthetemperaturegradient.Kisthermalconductivity.EstimationofthermalconductivityoffoodproductsChoiandOkos(1987)Kiscalculatedfromthethermalconductivityofthepurecomponentkiandthevolumefractionofeachcomponent,Xvi:kiobtainedfromChoiandOkos(1987):Purewater,protein,fat,carbohydrate,fiber,andashXviobtainedfromChoiandOkos(1987):Purewater,protein,fat,carbohydrate,fiber,andashXi,massfractionFourier’ssecondlawofheattransferTheratiok/(Cp)ish,thethermaldiffusivityHeattransferbyconductionHeattransferthoughaslabExample7.3.Thermocouplesembeddedattwopointswithinasteelbar,1and2mmfromthesurface,indicatetemperaturesof100Cand98C,respectively.Assumingnoheattransferoccurringfromthesides,calculatethesurfacetemperature.Solution:
T2=98,T1=100,x2=2mmandx1=1mm.ThetemperaturegradientT/x=(T2?T1)/(x2?x1)=(98?100)/0.001(2?1)=?2000.T=?(?2000)(x1?x)+T1Atthesurface,x=0,andatpointx1=0.001,T1=100.Thus:T=2000(0.001)+100=102CExample7.4.Acylindricalsampleofbeef5cmthickand3.75cmindiameterispositionedbetweentwo5-cm-thickacryliccylindersofexactlythesamediameterasthemeatsample.Theassemblyispositionedinsideaninsulatedcontainersuchthatthebottomoftheloweracryliccylindercontactsaheatedsurfacemaintainedat50C,andthetopoftheuppercylindercontactsacoolplatemaintainedat0C.Twothermocoupleseachareembeddedintheacryliccylinders,positioned0.5cmand1.5cmfromthesample-acrylicinterface.Iftheacrylichasathermalconductivityof1.5W/(m·K),andthetemperaturesrecordedatsteadystateare,respectively,45?C,43?C,15C,and13C,calculatethethermalconductivityofthemeatsample.Conductionheattransferthroughwallsofacylinder多層圓筒壁Ifthewallofthecylinderconsistsoflayershavingdifferentthermalconductivities.
T1andT2musttransectalayerboundedbyr1andr2,whichhasauniformthermalconductivityk1.Similarly,thelayerboundedbyrandrwherethetemperaturesareTandTmustalsohaveauniformthermalconductivity,k2.Heattransferbyconvectionαistheheattransfercoefficient,Aistheareaofthefluidsolidinterfacewhereheatisbeingtransferred,and?T,thedrivingforceforheattransfer,isthedifferenceinfluidtemperatureandthesolidsurfacetemperatureNaturalandforcedConvectionNCdependsongravityanddensityandviscositychangesassociatedwithtemperaturedifferencesinthefluidtoinduceconvectivecurrents.HeattransfercoefficientsofFCdependsonthevelocityofthefluid,itsthermophysicalproperties,andthegeometryofthesurface.準數(shù)符號及意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾特準數(shù)(Nusselt)Nu=αl/λ
表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)(Reynolds)Re=luρ/μ
確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)(Prandtl)Pr=cpμ/λ
表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)(Grashof)Gr=βgΔtl3ρ2/μ2
表示自然對流影響的準數(shù)FCintube低粘度液體高粘度液體
Nu=0.023Re0.8Prn
式中n值視熱流方向而定,當流體被加熱時,n=0.4,被冷卻時,n=0.3。應(yīng)用范圍
:Re>10000,0.7<Pr<120,管長與管徑比L/di>60。若
L/di<60時,α須乘以(1+(di/L)0.7)進行校正。特性尺寸
:
取管內(nèi)徑,
定性溫度:
流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。
低粘度流體
Nu=0.023Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14應(yīng)用范圍
Re>10000,0.7<Pr<16700,L/di>60。特性尺寸
取管內(nèi)徑定性溫度
除μw取壁溫外,均為流體進、出口溫度的算
術(shù)平均值。當液體被加熱時(μ/μw)0.14=1.05當液體被冷卻時(μ/μw)0.14=0.95
對于氣體,不論加熱或冷卻皆取1。高粘度流體
FCaroundcylinder繞方形物體繞柱形物體例題:水平放置的蒸氣管道,外徑為100mm,若管外壁溫度為100℃,周圍大氣溫度為20℃,試求每米管道通過自然對流的散熱量。Theproblemofheattransferthroughmultiplelayerscanbeanalyzedasaprobleminvolvingaseriesofresistancetoheattransfer.Thetransferofheatcanbeconsideredasanalogoustothetransferofelectricalenergythroughaconductor.TisthedrivingforceequivalenttothevoltageEinelectricalcircuits.Theheatfluxqisequivalenttothecurrent,I.STEADY-STATEHEATTRANSFERTheConceptofResistancetoHeatTransferOverallresistancetoheattransferisthesumoftheindividualresistanceinseries:R=R1+R2+R3+......Rn;Thus,Forheattransferthroughacylinder,Forconvectionheattransfer:CombinedConvectionandConduction:TheOverallHeatTransferCoefficientThetemperaturesoffluidsonbothsidesofasolidareknownandtherateofheattransfer
acrossthesolidistobedetermined.
Heattransferinvolvesconvectiveheattransferbetweenafluid
ononesurface,conductiveheattransferthroughthesolidandconvectiveheattransferagainatthe
oppositesurfacetotheotherfluid.Rateofheattransfer:UExample7.11.Calculatetherateofheattransferacrossaglasspanethatconsistsoftwo1.6-mmthickglassseparatedby0.8-mmlayerofair.Theheattransfercoefficientononesidethatisat21Cis2.84W/(m2·K)andontheoppositesidethatisat?15Cis11.4W/(m2·K).Thethermalconductivityofglassis0.52W/(m·K)andthatofairis0.031W/(m·K).TheLogarithmicMeanTemperatureDifferenceExample7.13.Applesauceisbeingcooledfrom80Cto20Cinasweptsurfaceheatexchanger.Theoverallcoefficientofheattransferbasedontheinsidesurfaceareais568W/m2·K.Theapplesaucehasaspecificheatof3187J/kg·Kandisbeingcooledattherateof50kg/h.Coolingwaterentersincountercurrentflowat10Candleavestheheatexchangerat17C.Calculate:(a)thequantityofcoolingwaterrequired;(b)therequiredheattransfersurfaceareafortheheatexchanger.UNSTEADY-STATEHEATTRANSFERHeatingofSolidsHavingInfiniteThermalConductivityExample7.17.Asteam-jacketedkettleconsistsofahemisphericalbottomhavingadiameterof69cmandcylindricalside30cmhigh.Thesteamjacketofthekettleisoverthehemisphericalbottomonly.Thekettleisfilledwithafoodproductthathasadensityof1008kg/m3toapoint10cmfromtherimofthekettle.Iftheoverallheattransfercoefficientbetweensteamandthefoodinthejacketedpartofthekettleis1000W/(m2·K),andsteamat120Cisusedforheatinginthejacket,calculatethetimeforthefoodproducttoheatfrom20Cto98C.Thespecificheatofthefoodis3100J/(kg·K).SolidswithFiniteThermalConductivityUNSTEADY-STATEHEATTRANSFER食品工業(yè)中罐頭殺菌,食品速凍等許多過程都屬于不穩(wěn)定傳熱。傳熱計算主要有兩種類型:
設(shè)計計算
根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負荷確定換熱器的傳熱面積。
校核計算
計算給定換熱器的傳熱量、流體的溫度或流量。穩(wěn)定傳熱的計算對間壁式換熱器作能量恒算,在忽略熱損失的情況下有上式即為換熱器的熱量恒算式。式中
Q——換熱器的熱負荷,kJ/h或w
W——流體的質(zhì)量流量,kg/h
H——單位質(zhì)量流體的焓,kJ/kg
下標c、h分別表示冷流體和熱流體,下標1和2表示換熱器的進口和出口。Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)一、能量恒算
若換熱器中兩流體無相變時,且認為流體的比熱不隨溫度而變,則有式中
cp——流體的平均比熱,kJ/(kg·℃
)t——冷流體的溫度,℃
T——熱流體的溫度,℃Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若換熱器中的熱流體有相變,如飽和蒸汽冷凝時,則有
當冷凝液的溫度低于飽和溫度時,則有
式中Wh——飽和蒸汽(熱流體)的冷凝速率,kg/h
r——飽和蒸汽的冷凝潛熱,kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注:上式應(yīng)用條件是冷凝液在飽和溫度下離開換熱器。Q=Wh[r+cph(T1-T2)]=Wccpc(t2-t1)式中
cph——冷凝液的比熱,kJ/(kg·℃
)
Ts——冷凝液的飽和溫度,
℃
通過換熱器中任一微元面積dS的間壁兩側(cè)流體的傳熱速率方程(仿對流傳熱速率方程)為
dQ=K(T-t)dS=KΔtdS式中
K——局部總傳熱系數(shù),w/(m2·℃
)
T——換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度,
℃t——換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度,
℃上式稱為總傳熱速率方程。二、總傳熱速率方程
1總傳熱速率微分方程
總傳熱系數(shù)必須和所選擇的傳熱面積相對應(yīng),選擇的傳熱面積不同,總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中
Ki、Ko、Km——基于管內(nèi)表面積、外表面積、外表面平均面積
的總傳熱系數(shù),w/(m2·℃
)Si、So、Sm——換熱器內(nèi)表面積、外表面積、外表面平均面積,
m2
注:在工程大多以外表面積為基準。
對于管式換熱器,假定管內(nèi)作為加熱側(cè),管外為冷卻側(cè),則通過任一微元面積dS的傳熱由三步過程構(gòu)成。由熱流體傳給管壁
dQ=αi(T-Tw)dSi由管壁傳給冷流體
dQ=αo(tw-t)dSo通過管壁的熱傳導
dQ=(λ/b)·(Tw-tw)dSm由上三式可得2總傳熱系數(shù)
2.1總傳熱系數(shù)的計算式
由于dQ及(T-t)兩者與選擇的基準面積無關(guān),則根據(jù)總傳熱速率微分方程,有所以總傳熱系數(shù)(以外表面為基準)為同理總傳熱系數(shù)表示成熱阻形式為
在計算總傳熱系數(shù)K時,污垢熱阻一般不能忽視,若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的熱阻分別為Rsi及Rso時,則有當傳熱面為平壁或薄管壁時,di、do、dm近似相等,則有2.2污垢熱阻當管壁熱阻和污垢熱阻可忽略時,則可簡化為若αo<<
αi,則有總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱所控制,即當兩個對流傳熱系數(shù)相差不大時,欲提高K值,關(guān)鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α。若兩側(cè)的α相差不大時,則必須同時提高兩側(cè)的α,才能提高K值。若污垢熱阻為控制因素,則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時清除污垢。由上可知:例
一列管式換熱器,由?25×2.5mm的鋼管組成。管內(nèi)為CO2,流量為6000kg/h,由55℃冷卻到30℃。管外為冷卻水,流量為2700kg/h,進口溫度為20℃。CO2與冷卻水呈逆流流動。已知水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為3000W/m2·K,CO2
側(cè)的對流傳熱系數(shù)為40W/m2·K。試求總傳熱系數(shù)K,分別用內(nèi)表面積A1,外表面積A2表示。
解:查鋼的導熱系數(shù)λ=45W/m·K
取CO2側(cè)污垢熱阻Ra1=0.53×10-3m2·K/W
取水側(cè)污垢熱阻Ra2=0.21×10-3m2·K/W以內(nèi)、外表面計時,內(nèi)、外表面分別用下標1、2表示。
HeatExchangeEquipmentSweptsurfaceheatexchangerToheat,coolorprovideheattoconcentrateviscousfoodproductsHeatExchangeEquipmentDoublepipeheatexchangerAmajordisadvantageistherelativelylargespaceitoccupiesforthequantityofheatexchangedHeatExchangeEquipmentShellandtubeheatexchangerHeatExchangeEquipmentplateheatexchanger換熱器板式換熱器單程列管式換熱器噴淋式換熱器螺旋管式換熱器HeattransferbyradiationspectralIrradiationRadiosity,absorptivity,reflectivity,transmissivityBlackbodyisonethatabsorbsallincidentradiation.Emissivity()isapropertythatisthefractionofradiationemittedorabsorbedbyablackbodyatagiventemperaturethatisactuallyemittedorabsorbedbyasurfaceatthesametemperature.Blackbodieshave=1,q/A=T4.Graybodieshave<1,q/A=T4.,Stephan-Boltzmanconstant,5.6732×10?8W/(m2·K4).Stephan-BoltzmanLawTheenergyfluxfromaBlacksurfaceatanabsolutetemperatureT,asafunctionofthewavelengthis:兩固體表面間的輻射傳熱F12反映物體2可截獲物體1輻射能量的分數(shù)F12稱為物體1對物體2的角系數(shù)CalculationofradiationheattransferForslabsofS1=S2ForS1<<S2TwoparallelfinitesurfacesHomework有一表面積為0.1m2的面包塊在烤爐內(nèi)烘烤,爐內(nèi)壁輻射換熱面積為1m2,壁面溫度為250℃,面包溫度為100℃,假設(shè)爐壁和面包之間為封閉空間,求面包得到的輻射熱量。面包黑度取0.5,爐壁黑度取0.8。Electromagneticspectrumbetween300MHzand300GHz;Mwmaybereflectedorabsorbedbymaterialsortransmitthroughmaterialswithoutanyabsorption,dependingonthedielectricpropertiesofamaterial.Mwpenetrateafood,andheatfoodwithintheentirefoodmorerapid.Mwisnonionizingradiation,itgeneratesheatbyinteractionwithfood.MicrowaveandDielectricHeatingMicrowaveHeatingq/V=energyabsorbed,W/cm3;f=frequency,Hz;
e=dielectricconstant,anindexoftherateatwhichenergypenetratesasolid;tan()=dielectriclossfactor,anindexoftheextenttowhichenergyenteringthesolidisconvertedtoheat;E=fieldstrengthinvolts/cm2,setbythetypeofmicrowavegeneratorused.eandtan()propertiesofthematerialandarefunctionsofcompositionandtemperature
Example7.10.Thedielectricconstantofbeefat23Cand2450MHzis28andthelosstangentis0.2.Thedensityis1004kg/m3andthespecificheatis3250J/(kg·K).Potatoat23Cand2450MHzhasadielectricconstantof38andalosstangentof0.3.Thedensityis1010kg/m3andthespecificheatis3720J/(kg·K).(a)Amicrowaveovenhasaratedoutputof600W.When0.25kgofpotatoeswereplacedinsidetheoven,thetemperatureriseafter1minuteofheatingwas38.5C.When60gofpotatowasheatedintheoven,atemperatureriseof40Cwasobse
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