食品工程原理傳熱課件

第五章傳熱1可編輯ppt第一節(jié)概述2可編輯ppt一、傳熱及在食品工程中的應用1、傳熱：因溫度差的存在而產生的能量傳遞。2、傳熱在食品工程中的應用（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。3可編輯ppt二、傳熱的基本方式根據傳熱機理不同，傳熱的基本方式有三種：

熱傳導熱對流熱輻射4可編輯ppt1、熱傳導

又稱導熱，物質在不發(fā)生宏觀位移的情況下，熱量從物體內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。傳熱機理復雜，存在分子振動學說和自由電子遷移學說等。5可編輯ppt2、熱對流又稱對流傳熱，是流體質點發(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。6可編輯ppt強制對流：因泵（或風機）或攪拌等外力作用所導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，致使流體產生相對位移，這種對流稱為自然對流。7可編輯ppt3、熱輻射因熱的原因而產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。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。熱輻射既有能量轉移，也有轉化。實際上，上述三種傳熱方式而往往是相互伴隨著出現的。8可編輯ppt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9可編輯ppt球形冷凝管球形冷凝管直形冷凝管蛇形冷凝管10可編輯ppt3、套管換熱器的傳熱過程（1）對流（熱流體→間壁）（2）導熱（通過間壁）

（3）對流（間壁→冷流體）

11可編輯ppt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。12可編輯ppt六、熱流量與熱阻熱流量φ（熱流率）：單位時間內通過整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，W（J/s）。熱流密度q（熱通量）：單位時間內通過單位面積傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，W/m2。熱流量φ＝△T(推動力)/R(熱阻)

13可編輯ppt七、熱交換熱交換：兩個溫度不同的物體由于傳熱，進行熱量的交換。結果：溫度較高的物體焓減小，溫度較低的物體焓增加，涉及物質的焓變代數和為0?；驹瓌t：能量守恒定律

△H=mcp△T熱交換器：用于熱交換的設備14可編輯ppt第二節(jié)熱傳導15可編輯ppt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，是空間坐標和時間的函數。溫度只延一個坐標方向變化，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16可編輯ppt

1、傅里葉定律是熱傳導的基本定律，它指出：在溫度場中，由于導熱形成的熱流密度正比于該時刻某一點的溫度梯度。式中λ為熱導率（導熱系數）。（二）傅里葉定律和熱導率17可編輯ppt二、熱導率

熱導率（導熱系數）是某物質在單位溫度梯度時所通過的熱流密度。表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，單位為W/(m.℃)，與物質組成、結構、密度、溫度及壓力等有關。金屬熱導率大于非金屬，液體較小，氣體最小。熱導率隨溫度變化而變化。18可編輯ppt如圖所示：平壁壁厚為δ，壁面積為A；壁的材質均勻，熱導率λ不隨溫度變化，視為常數；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。平壁側面的溫度t1及t2恒定。三、通過平壁的穩(wěn)態(tài)導熱

（一）單層平壁穩(wěn)態(tài)導熱δ19可編輯ppt結論：熱傳導距離越小，材料導熱系數越大，導熱面積越大，則熱阻越小，當傳熱推動力一定時，熱流量越大。根據傅立葉定律對穩(wěn)態(tài)導熱，q為常量，分離變量后積分，積分邊界條件：當x=0時，t=t1；x=δ

時，t=t2，Δt=t1-t2為導熱的推動力而R=δ/λA則為導熱的熱阻φ20可編輯ppt如圖所示：以三層平壁為例Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為δ1，δ2，δ3，各層材質均勻，熱導率分別為λ1，λ2，λ3，皆視為常數；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)導熱

21可編輯ppt第一層第三層第二層對于穩(wěn)定導熱過程：φ1=φ2=φ3=φΦ1

φ1φ2φ322可編輯ppt對三層平壁，且t1>t2>t3>t4則：推廣至n層平壁：結論：在穩(wěn)定多層平壁導熱過程中，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。當總溫差一定時，熱流量的大小取決于總熱阻的大小。

φφ23可編輯ppt例5－2：某冷庫壁內、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層填以絕熱材料，厚10cm，磚墻的熱導率為0.70W/m·k，絕緣材料的熱導率為0.04W/m·k，墻外表面溫度為10℃，內表面為-5℃，試計算進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：根據題意，已知t1=10℃，t4=-5℃，δ1=δ3=0.12m，δ2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。

24可編輯ppt按溫度差分配計算t2、t3℃℃按熱流密度公式計算q：25可編輯pptQt2t1r1rr2drL如圖所示：設圓筒的內半徑為r1，內壁溫度為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=2πrL。四、圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱

1、通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱26可編輯ppt將上式分離變量積分并整理得

根據傅立葉定律，對此薄圓筒層傳導的熱量為：令Am=2∏rmL，則圓筒壁熱流量可表示為φφφ27可編輯ppt2、多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導以三層圓筒壁為例。假定各層壁內外半徑由內至外依次為r1、r2、r3、r4；各層材料的導熱系數λ1，λ2，λ3皆視為常數；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。r1r2r3r4t1t2t3t428可編輯ppt當穩(wěn)態(tài)導熱時，通過各層的熱流量φ相等，對于第一、二、三層圓筒壁有：φφφ29可編輯ppt根據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，通過各層的熱流量都是相同的，但是熱流密度卻不相等。φφ30可編輯ppt例5-3：用

89×4mm的不銹鋼管輸送熱油，管的熱導率為λ=17W/m·℃，其內壁表面溫度為130℃，管外包40mm的保溫材料，熱導率為λ=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=0.0845mλ1=17W/m·℃；λ2=0.035W/m·℃，t1=130℃,t2=25℃,L＝1m，則熱損失的熱流量為：結論：溫度降幾乎都發(fā)生在保溫層中，保溫層較大的導熱熱阻避免了較大的熱損失。31可編輯ppt第三節(jié)對流傳熱32可編輯ppt上式稱為牛頓冷卻定律。其中α為對流傳熱系數，表示影響對流傳熱的所有復雜因素。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，很復雜，基本關系描述為：

Q=αA（T-Tw）一、牛頓冷卻定律φφ33可編輯ppt二、對流傳熱過程及機理分析是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞現象，與流體的流動情況密切相關。當流體作層流流動時，在垂直于流體流動方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導的方式進行。當流體作湍流流動時，傳熱速度快，主體靠對流傳熱，層流底層靠傳導傳熱，熱阻集中于此。34可編輯ppt傳熱過程高溫流體湍流主體壁面兩側層流底層湍流主體低溫流體湍流主體對流傳熱溫度分布均勻層流底層導熱溫度梯度大壁面導熱(導熱系數較流體大)有溫度梯度不同區(qū)域的傳熱特性：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。溫度距離TTwtwt熱流體冷流體傳熱壁面湍流主體湍流主體傳熱壁面層流底層層流底層傳熱方向對流傳熱示意圖35可編輯ppt2、流體的性質：影響較大的如密度ρ、比定壓熱容cp、熱導率λ、黏度μ，體脹系數αv等；

三、對流傳熱系數（一）影響對流傳熱系數的主要因素1、流體的狀態(tài)：流體相態(tài)及相變化對α影響很大。有相變時對流傳熱系數比無相變化時大的多。36可編輯ppt

3、流體的流動狀況：湍流的對流傳熱系數比層流大得多。強制對流的對流傳熱系數比自然對流大的多；4、傳熱壁面的形狀、位置及大?。盒螤钊绻堋?、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。37可編輯ppt通過量綱分析，對流傳熱過程的特征數關聯(lián)式可用下式表示：即（二）對流傳熱系數的特征數方程C38可編輯ppt特征數名稱及意義準數名稱符號意義努塞爾數Nu=αL/λ

表示對流傳熱系數的特征數雷諾數Re=Luρ/μ

確定流動狀態(tài)的特征數普朗特數Pr=cpμ/λ

表示物性影響的特征數格拉曉夫數Gr=αv

gΔtL3ρ2/μ2

表示自然對流影響的特征數39可編輯ppt

特征數方程是一種經驗公式，在利用關聯(lián)式求對流傳熱系數時，不能超出實驗條件范圍。在應用時應注意以下幾點：3、應用范圍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：確定流體物理參數的溫度4、各準則式是一個無因次數群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制。40可編輯ppt加熱表面形狀特征尺寸GrPr

范圍am水平圓管外徑d0104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/3Nu=a（GrPr）m定性溫度:

取壁面溫度和流體主體溫度算術平均值定性尺寸：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41可編輯ppt（二）強制對流傳熱1、管內層流2、管內湍流3、管外對流4、波紋板壁間對流根據不同類型，使用對應的經驗公式，進行對流傳熱系數的估算。42可編輯ppt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，并在液體內部產生氣泡的現象稱為沸騰。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。沸騰傳熱的應用：精餾塔的再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐等。43可編輯ppt（二）冷凝傳熱以飽和蒸汽作為加熱介質在傳熱中發(fā)生冷凝傳熱是工業(yè)生產中常見的傳熱方式。

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。實際生產過程中，多為膜狀冷凝過程。44可編輯ppt2、冷凝傳熱的對流傳熱系數

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。要在設備頂部設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，α增大。（3）冷卻壁面的高度及布置方式：垂直壁面可開溝槽。45可編輯ppt第四節(jié)熱交換46可編輯ppt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。47可編輯ppt1、結構：殼體、管束、管板（又稱花板）、封頭（端蓋）等。二、管殼式換熱器48可編輯ppt管殼式換熱器49可編輯ppt2、名詞解釋（1）管程冷、熱流體兩種流體在管殼式換熱器內進行換熱時，一種流體通過管內，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。50可編輯ppt隔板擋板管束殼體雙管單殼程單管單殼程三管雙殼程51可編輯ppt在兩端封頭內設置隔板，可實現多管程，通過提高管程流體的流速，增大對流傳熱系數，但能量損失增加，管程數以2、3、4、6程多見。在管外殼體內裝有殼程隔板可實現多殼程，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，殼程數以2、3程多見。52可編輯ppt為防止殼體和管束受熱膨脹不同導致的設備變形、管子扭彎或松脫，常采用熱補償的方法，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，相當于雙管程。53可編輯ppt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。54可編輯ppt優(yōu)點：容易制造、生產成本低，適應性強，尤其適于高壓流體，維修清洗方便。缺點：結合面較多，易泄漏。

對應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。當外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發(fā)生彈性形變，達到補償的目的。55可編輯ppt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。56可編輯ppt

片式熱交換器及板片

57可編輯ppt片式熱交換器58可編輯ppt優(yōu)點總傳熱系數高，污垢熱阻亦較小；結構緊湊，單位體積設備提供的傳熱面積大；操作靈活性大，可以根據需要調節(jié)板片數目以增減傳熱面積，或以調節(jié)流道的辦法，適應冷、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。59可編輯ppt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。60可編輯ppt2、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：結構緊湊，單位體積提供的傳熱面積大，總傳熱系數較大，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。61可編輯ppt螺旋板式換熱器62可編輯ppt四、夾套式換熱器1、結構

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

63可編輯ppt夾層缸（冷熱缸）64可編輯ppt2、使用注意事項（1）當用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水由下部接管中排出。（2）用于冷卻時，則冷卻水由下部進入，由上部流出。（3）由于夾套內部清洗困難，故一般用不易產生垢層的水蒸汽、冷卻水等作為載熱介質。65可編輯ppt結構簡單，造價低，可當作盛裝容器，但傳熱面積小，總傳熱系數不高。適于傳熱量不大的場合，為提高傳熱性能，可在容器內安裝攪拌器，使器內液體作強制對流。

3、特點66可編輯ppt

1、結構蛇管多以金屬管子彎繞而成，制成適應容器需要的形狀，沉浸在容器中，兩種流體分別在管內、外進行換熱。

五、螺旋盤管式換熱器

67可編輯ppt

優(yōu)點：結構簡單、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較小，從而總傳熱系數亦小，如增設攪拌裝置，則可提高傳熱效果。2、特點68可編輯pptt1t2T1T21、結構：兩種直徑不同的標準管組成同心套管，內管可用U形管連接，而外管之間也由管子連接。六、套管式換熱器69可編輯ppt注意：選擇適當管徑和較高流速，使內管與環(huán)隙間的流體呈湍流且逆流狀態(tài)，以增大總傳熱系數，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：傳熱系數大，結構簡單、能耐高壓、制造方便、應用靈便、傳熱面易于增減。70可編輯ppt套管式超高溫瞬時（UHT）滅菌機71可編輯ppt七、其它板翅式換熱器翅片式換熱器72可編輯ppt刮板式換熱器73可編輯ppt八、穩(wěn)態(tài)傳熱計算（一）換熱基本方程對于間壁式熱交換：Φ=KAΔTm其中K為總傳熱系數。該式是換熱器設計的重要公式。74可編輯ppt（二）總傳熱系數1、總傳熱系數K的獲得（1）選取經驗值（2）實驗測定（3）計算2、總傳熱系數K的計算法（1）單層平壁δ75可編輯ppt（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，在計算流量時，它們等效。例5－8：見書181頁76可編輯ppt（三）換熱平均溫差1、恒溫差傳熱兩種流體進行熱交換時，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：ΔT＝Th-Tc一定。77可編輯ppt2、變溫差傳熱在傳熱過程中，間壁一側或兩側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。大致可分為下列四種情況：78可編輯ppt并流：參與換熱的兩種流體在傳熱面的兩側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彼此呈垂直方向流動。折流簡單折流：一側流體只沿一個方向流動，而另一側的流體作折流，使兩側流體間有并流與逆流的交替存在。復雜折流：參與熱交換的雙方流體均作折流。79可編輯pptT2T1t1t2T1T2t1t2圖兩側流體變溫時的溫度變化并流逆流錯流折流12121212圖換熱器中流體流向示意圖80可編輯ppt對逆流和并流式中Δtm稱為對數平均溫差。當0.5≤Δt2/Δt1≤2時，可用（Δt2+Δt1）/2代替對數平均溫差。對錯流和折流：需乘以校正因數例5－981可編輯ppt九、傳熱的強化1、強化傳熱的目的以最小的傳熱設備獲得最大的生產能力。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。82可編輯ppt（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K①通過增大流速等方式，提高湍動程度。②盡量采用有相變的流體作為加熱劑或冷卻劑；③定期清洗換熱器，防止污垢形成。83可編輯ppt第五節(jié)熱輻射84可編輯ppt一、輻射加熱方法（一）紅外線加熱是波長為0.8μm～1000μm的電磁波，以輻射的形式向外傳播。工業(yè)上，把0.8μm～5.6μm波長的紅外線稱為近紅外線，把5.6μm～1000μm波長的紅外線稱為遠紅外線。紅外線主要作用是加熱