《食品工程原理》第五章-傳熱

第

五章傳熱HeatTransfer第一節(jié)傳熱概述第二節(jié)熱傳導第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)

熱交換第五節(jié)輻射傳熱1最新版整理ppt第一節(jié)傳熱概述5-1傳熱的基本概念

1.傳熱基本方式（1）熱傳導（conduction）當物體內部或兩直接接觸的物體間有溫度差時，一部分傳給后者。熱傳導的機理：分子振動自由電子遷移溫度較高處的分子與相鄰分子碰撞，并將能量的2最新版整理ppt（2）對流傳熱（convection）流體質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞或流體微團改變空間位置所引起的流體和固體壁面之間的熱量傳遞過程。（3）輻射傳熱（radiation）是一種通過電磁波進行的能量傳遞對流又分為自然對流和強制對流2.穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱（steady-stateheattransfer）溫度分布不隨時間而改變的傳熱過程非穩(wěn)態(tài)傳熱

溫度分布隨時間改變的傳熱過程3最新版整理ppt3.熱流量和熱阻熱流量（heatflowrate）：熱流密度又稱熱通量（heatflux）：熱流量（傳熱過程速率）=R—熱阻，K/W4最新版整理ppt4.熱交換(heatexchange)最常見的熱交換是冷、熱兩流體隔著間壁的換熱熱交換所涉及的物質焓變的代數和為零焓變式中cp—定壓比熱容，J/（kg·K）混合物的cp食品物料:式中w—質量分數，各下角標：c為碳水化合物，p為蛋白質，f

為油脂，a

為灰分，w為水分5最新版整理ppt第二節(jié)熱傳導5-2傅立葉定律5.2A溫度場和溫度梯度5.2B傅立葉定律和熱導率5-3通過平壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.3A通過單層平壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.3B通過多層平璧的穩(wěn)態(tài)導熱

5-4

通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.4A通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.4B通過多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱6最新版整理ppt5-2傅立葉定律5.2A

溫度場和溫度梯度

1.溫度場某一時刻空間各點的溫度分布，稱為溫度場(temperaturefield)2.等溫面和等溫線某t,溫度場中同T的點連接成的線或面3.溫度梯度（temperaturegradient）7最新版整理ppt5.2B

傅立葉定律和熱導率1.傅立葉定律式中λ—熱導率（thermalconductivity）,W/(m·K)2.熱導率

λ：物質在單位溫度梯度時所通過的熱流密度一般情況下,金屬的熱導率最大,固體非金屬次之，液體較小，氣體最小.金屬的λ：50～400W/(m·K)非金屬固體的λ：0.06～3W/(m·K)其中保溫隔熱材料：λ<0.17W/(m·K)8最新版整理ppt物質的熱導率λW/(m·K)鋼45.4不銹鋼17.4鑄鐵62.8銅383.8鋁203.5黃銅85.5粘土磚0.57松木0.08石棉板0.12冰2.33水0.60空氣0.026對水果蔬菜(ww>0.60)，Sweat(1974)：對肉類(ww：0.60～0.80)，Sweat(1975)：對許多固態(tài)和液態(tài)食品物料，Sweat(1986)：大多數均質固體材料λ~T呈線性關系：9最新版整理ppt5-3通過平壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.3A

通過單層平壁的穩(wěn)態(tài)導熱10最新版整理ppt5.3B

通過多層平璧的穩(wěn)態(tài)導熱

穩(wěn)態(tài)導熱，各層q相等應用加比定律推廣到n層—總熱阻,K/W11最新版整理ppt解：Txδ1δ2qT1T3T212最新版整理ppt本次習題p.1955.2.13最新版整理ppt5-4

通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱5.4A

通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱14最新版整理ppt5.4B

通過多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱(W)用加比定律推廣到n層Φ15最新版整理ppt16最新版整理ppt第三節(jié)對流傳熱5-5對流傳熱的基本原理5.5A牛頓冷卻定律5.5B對流傳熱的機理5-6無相變的對流傳熱5.6A自然對流傳熱5.6B強制對流傳熱5-7有相變的對流傳熱5.7A沸騰傳熱5.7B冷凝傳熱17最新版整理ppt5-5對流傳熱的基本原理5.5A

牛頓冷卻定律（Newton’sLawofcooling）式中α—表面?zhèn)鳠嵯禂担琖/（m2·K）對流傳熱的所有復雜性都集中在α中5.5B

對流傳熱的機理

1.熱邊界層1—層流底層，熱阻最大18最新版整理ppt2.影響對流傳熱的因素（1）流體狀態(tài)液態(tài)或氣態(tài)，有無相變（2）流體的性質

密度ρ,比熱容cp

,熱導率λ,黏度μ,體脹系數av（3）

流體流動狀況主要為流速u,決定是層流還是湍流（4）傳熱壁面的形狀，位置和大小

代表參量為定性尺寸L19最新版整理ppt5.5C對流傳熱的量綱分析8個物理量涉及4個基本量綱：質量M,長度L,時間T,溫度Θ8個物理量的量綱式：代入各量的量綱式：20最新版整理ppt按因次一致性原則對質量M1=c+d+e

對長度L0=a+b–c+d–3e+2f+g對時間T-3=-a–c–3d–2f–2g對溫度Θ

-1=-d-f4個方程，7個因次未知，指定a,f,g已知，則d=1－fc=－a+f–2ge=a+2gb=a+3g－1代入式整理得21最新版整理ppt按π定理，有8-4=4個量綱一的特征數努塞爾特數：雷諾數:普蘭特數:格拉曉夫數:每一具體準則方程都有其適用范圍定性尺寸

定性溫度（Nusseltnumber）（Reynoldnumber）（Prandtnumber）(Grashofnumber）各種條件下,準則方程的具體形式,應由實驗求得的規(guī)定22最新版整理ppt5-6無相變的對流傳熱5.6A

自然對流傳熱Nu=a(Pr·Gr)m定性溫度：定性尺寸L：平壁為壁長，圓管為直徑a,m—經驗常數類型GrPram豎直平面<1041.361/5（高L<1m）水平圓管104<GrPr<1080.531/4（直徑L<20cm）23最新版整理ppt

例5-4一管徑為10cm的蒸汽管道，其管外壁暴露在大氣中。管外壁表面溫度為130℃，空氣溫度為30℃，計算自然對流表面?zhèn)鳠嵯禂怠＝猓簱薚f，查出空氣物性參數ρ=1.000kg/m3λ=0.0305W/(m·K);μ=2.11×10-5Pa·s;Pr=0.7024最新版整理ppt查表5-3a=0.53,m=1/4Nu=a(Pr·Gr)m25最新版整理ppt5.6B

強制對流傳熱1.管內層流2.管內湍流定性溫度：流體平均溫度；定性尺寸：管內徑d圓管26最新版整理ppt3.管外對流單管管前半周和后半周差異很大平均當Re=103~2×105時定性溫度：流體主體均溫；定性尺寸：管外徑27最新版整理ppt5-7有相變的對流傳熱5.7A

沸騰傳熱過熱度

ΔT=Tw-Ts泡狀沸騰,傳熱良膜狀沸騰，傳熱差對水：5.7B

冷凝傳熱28最新版整理ppt第四節(jié)

熱交換5-9換熱器5.9A換熱器的分類5.9B管殼式換熱器5.9C板式換熱器5.9D其它間壁式換熱器5-10穩(wěn)態(tài)換熱計算5.10A換熱基本方程5.10B傳熱系數5.10C換熱平均溫差5.11B忽略內阻的非穩(wěn)態(tài)換熱

5-11非穩(wěn)態(tài)換熱5.11C內外阻共存的非穩(wěn)態(tài)換熱5.11D可忽略外阻的非穩(wěn)態(tài)換熱5.11A非穩(wěn)態(tài)換熱的基本概念29最新版整理ppt5-9換熱器5.9A

換熱器的分類1.直接接觸式冷熱兩流體直接接觸混合換熱，傳熱效率很高例：噴射式冷凝器2.非直接接觸式（1）間壁式（2）蓄熱式（3）流化床間壁式換熱器又可分為：①管式換熱器包括殼管、列管、螺旋管式等②板式換熱器包括片式、螺旋板式等③擴展表面式換熱器包括板翅式、管翅式等

30最新版整理ppt5.9B

管殼式換熱器又稱列管式換熱器1.結構形式由圓筒形殼體及其內部的管束組成管子兩端固定在管板上,管板將殼程和管程流體分開管板外各有殼體封頭溫差補償結構有三種：(a)固定管板式在殼體上加裝

膨脹節(jié)1(b)U型管式(c)浮頭式浮頭2可滑動31最新版整理ppt2.管程結構(1)

管子采細管徑：d=15～33mm(2)

管板與管束連接：脹接，焊接與殼體連接：焊接，法蘭夾接管子在管板上的排列方式：(3)封頭和分程封頭或管箱的作用：控制和分配管程流體管程分：單程（流體經1次管全長）多程：2,4,6程管箱分程布置方案如圖32最新版整理ppt3.殼程結構(1)殼體(2)

擋板D<400mm,用鋼管造；D>400mm,用鋼板卷制折流擋板有：環(huán)盤型圓缺型擋板33最新版整理ppt5.9C

板式換熱器1.

片式換熱器板片間有墊圈：●密封●形成間隙●流體分流流道基本形式（a）并流（b）串流（c）混流34最新版整理ppt傳熱板片表面壓成波紋形：◆↑板片強度◆↑湍流程度波紋有人字形,平直波紋（a）截面有三角形（b）,梯形（c）優(yōu)點①α大②緊湊例：一片式換熱器可進行五段操作35最新版整理ppt2.螺旋板式換熱器2張平行鋼板卷制而成加頂蓋、進出液接管5.9D

其他間壁式換熱器1.夾套式換熱器設攪拌器（4）加強傳熱夾套（3）中的介質：蒸汽→1，5→水→5，1→36最新版整理ppt2.螺旋盤管式換熱器（又稱蛇管式換熱器）（a）盤管形狀（b）沉浸式（c）噴淋式3.套管式換熱器37最新版整理ppt本次習題p.195~1967.6.8.38最新版整理ppt

5-10穩(wěn)態(tài)換熱計算5.10A

換熱基本方程+消去壁表溫度39最新版整理ppt令若流體溫度沿間壁縱向變化,ΔT代以平均溫差ΔTm：40最新版整理ppt5.10B

傳熱系數1.單層平壁2.多層平壁總熱阻3.單層圓管壁式中Am—圓管對數平均面積：41最新版整理ppt據不同面積基準AI,AII,,有不同傳熱系數KI,KII：4.多層圓管壁可據以求KI,KII42最新版整理ppt

例：內徑25mm導管用來輸送80℃液體食品物料，管內對流傳熱系數為10W/(m2.K)，管壁厚5mm,熱導率43W/(m.K)，管外暴露大氣中，大氣溫度為20℃，管外表面?zhèn)鳠嵯禂禐?00W/(m2.K)，管長1m，分別計算管內，管外面積作基準的傳熱系數，并據以計算管道的熱損失。解r1=0.0125m,r2=0.0175mKI=9.32W/(m2·K)43最新版整理pptKII=6.66W/(m2·K)表明KI,KII等效44最新版整理ppt5.10C

換熱平均溫差以逆流換熱為例為常量,Th～Φ為直線關系

為常量,

Tc～Φ亦為直線關系必然也成直線關系：斜率45最新版整理ppt將代入上式：與比較換熱平均溫差46最新版整理ppt例用刮板式換熱器冷卻蘋果醬，蘋果醬質量流量為50kg/h，比熱容cp為3817J/（kg·K）,入口溫度80℃，出口溫度20℃。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口溫度10℃，出口溫度17℃。傳熱系數K為568W/（m2·K）求：（1）需要的冷卻水量；（2）

換熱平均溫差及換熱面積；（3）若改順流，兩流體出入口溫度同前，求(2)各值。解47最新版整理ppt48最新版整理ppta—物體的熱擴散率（thermaldiffusivity），m2/s可用下列四個量綱一的特征數表示方程的解（1）時間比（2）

溫度比5-11非穩(wěn)態(tài)換熱5.11A

非穩(wěn)態(tài)換熱的基本概念一維非穩(wěn)態(tài)導熱：xT∞T0→Tλx149最新版整理ppt（3）熱阻比（4）

距離比m的意義：物體外部熱阻和內部熱阻之比方程的解：若只研究固體中心，x=0,n=0：50最新版整理ppt5.11B

忽略內阻的非穩(wěn)態(tài)換熱(m>10)51最新版整理ppt

例：ρ=980kg/m3,cp=3.95kJ/(kg·K)的番茄汁放入半徑為0.5m的半球形夾層鍋中加熱。夾層鍋初溫20℃，鍋內充分攪拌。蒸汽夾套α=5000W/(m2·K),溫度90℃。計算5min后番茄汁的溫度。解A=2πr2=2×3.14×0.52=1.57m2V=2/3πr3=2/3×3.14×0.53

=0.26m3

T=83.3℃52最新版整理ppt5.11C內外阻共存非穩(wěn)態(tài)換熱(10>m>1/40)已對大平板、球體和長圓柱繪出不同m值的Y-X線算圖1.大平板特性尺寸：x1=板半厚度53最新版整理ppt2.球體特性尺寸：x1=球半徑54最新版整理ppt3.長圓柱特性尺寸：x1=圓柱半徑55最新版整理ppt

例5-11直徑6cm、初溫15℃的蘋果放入2℃的冷水流中，水對蘋果的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?0W/（

m2·K）,蘋果的熱導率λ=0.355W/(m·K),比熱容cp=3.6kJ/(kg·K),密度

ρ=820kg/m3。求使蘋果中心溫度達到3℃所需時間。解查圖5-31，得對應X=0.53．56最新版整理ppt本次習題p.19517.12.57最新版整理ppt

在討論大平板、長圓柱換熱基礎上，可解決短圓柱等的換熱問題：視短圓柱為長圓柱和大平板的公交體5.11D

可忽略外阻的非穩(wěn)態(tài)換熱(m<1/40)此情況下，只使用m=0一條線就可。設：Y1—長圓柱的溫度比Y2—大平板的溫度比Myers(1971)：短圓柱的溫度比YY=Y1·Y258最新版整理ppt例

d=6.8cm,L=10.2cm的豌豆?jié){罐頭在116℃的蒸汽中加熱，α=3820W/(m2·K),λ=0.83W/(m·K),cp=3.8kJ/(kg·K),ρ=1090kg/m3。求初溫30℃的罐頭加熱45min后的中心溫度。解

（1）求長圓柱的Y1<1/40m≈0查圖5-32的m=0線,Y1=0.1959最新版整理ppt（2）求大平板的Y2查圖5-30的m=0線Y2=0.80（3）求有限圓柱體—罐頭的Y和TT=103℃60最新版整理ppt例

（習題15，p.196）蘋果醬流經1m長φ15×2.5mm的不銹鋼管道，溫度20℃→80℃，不銹鋼熱導率17.5W/(m·K),管外加熱蒸汽120℃，管外α=6kW/(m2·K),管內α=267W/(m2·K)。求K和Φ。解

r1=5mm,r2=7.5mm61最新版整理pptKⅠ=168W/(m2·K)Th120—120Tc20—80ΔT10040AⅠ=2πr2×1=2×3.14×0.0075=0.047m2Φ=KⅠAⅠΔTm=168×0.047×65.5=517W

62最新版整理ppt第五節(jié)輻射傳熱5-12

輻射的基本概念和定律5.12A輻射的基本概念5.12B輻射定律5-13固體間的輻射換熱63最新版整理ppt5-12

輻射的基本概念和定律5.12A

輻射的基本概念1.熱輻射因物體自身溫度而發(fā)出的輻射能稱為熱輻射（thermalradiation）2.吸收率和黑體稱為物體的吸收率（absorptivity）稱為物體的反射率（reflectivity）稱為物體的透過率（transmissivity）量子能量：熱輻射