第七章?lián)Q熱設(shè)備

第七章?lián)Q熱設(shè)備傳熱或熱交換兩個(gè)物體之間或同一物體的兩個(gè)不同部位之間由于溫度不同而引起的熱量轉(zhuǎn)移。由熱力學(xué)第二定律可知，凡有溫度差存在時(shí)，必然發(fā)生熱量從高溫處向低溫處的傳遞。因此，傳熱是自然界普遍存在的現(xiàn)象。傳熱學(xué)就是研究各種傳熱過(guò)程，以便有效而合理地控制傳熱過(guò)程的科學(xué)。熱和冷是相對(duì)的概念。對(duì)物體加入熱量===就是除去冷量。反之，除去物體的熱量===就是加人冷量。，在食品工業(yè)中傳熱是廣泛應(yīng)用的單元操作。例如：①食品生產(chǎn)中一般必要的加熱、冷卻過(guò)程。②為延長(zhǎng)食品貯藏時(shí)間而進(jìn)行的殺菌或冷藏。③以除去食品中水分為目的的蒸發(fā)或結(jié)晶過(guò)程的加熱和冷卻;④為使食品完成一定生物化學(xué)變化而進(jìn)行的蒸煮、培烤等。傳熱介質(zhì)食品工業(yè)所用的加熱劑或冷卻劑多為流體。作為加熱劑常用的有水蒸氣、煙道氣、熱空氣和熱水，作為冷卻劑常用的有冷水、冷凍鹽水、液氮等。而被加工的物體，多為液體或固體。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，流體間的傳熱常用連續(xù)穩(wěn)定操作。而流體與固體間的傳熱則多用半連續(xù)或間歇式的不穩(wěn)定操作。

加熱方式的種類(lèi)、用途和經(jīng)濟(jì)性：1.利用熱源或燃燒燃料產(chǎn)生煙氣，直接或間接對(duì)物料加熱2.利用熱源產(chǎn)生的蒸汽，通過(guò)換熱器，將空氣、水或油等先進(jìn)行預(yù)熱，成為載熱體，再直接或間接對(duì)物料加熱，前者主要是介質(zhì)與物料進(jìn)行對(duì)流傳熱的過(guò)程，后者主要是介質(zhì)再通過(guò)設(shè)備中的器件（管、壁等）對(duì)物料進(jìn)行傳導(dǎo)加熱的過(guò)程；3.物料被加熱產(chǎn)生電磁波，以輻射方式對(duì)物料加熱。熱傳遞三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、對(duì)流傳熱、輻射傳熱熱源的種類(lèi)：媒、電、液體燃料、太陽(yáng)能、氣體燃料一、熱傳導(dǎo)的基本概念（－）溫度場(chǎng)和溫度梯度傳熱現(xiàn)象之所以發(fā)生，主要是由于物體間或物體內(nèi)存在溫度差，溫度差就是傳輸?shù)耐苿?dòng)力。因此，傳熱過(guò)程與溫度分布密切相關(guān)。溫度場(chǎng)空間各點(diǎn)在某一瞬間的溫度分布稱(chēng)為溫度場(chǎng)。一般情況下，物體內(nèi)部的溫度分布定空間應(yīng)標(biāo)x、y、z和時(shí)間τ函數(shù)，即：

t=f(x,y,z,τ)穩(wěn)定溫度場(chǎng)如果溫度場(chǎng)不隨時(shí)間而變，稱(chēng)為穩(wěn)定溫度場(chǎng)；相應(yīng)的傳熱現(xiàn)象稱(chēng)穩(wěn)定傳熱。反之，則稱(chēng)為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)和不穩(wěn)定傳熱。等溫面在溫度場(chǎng)中，把溫度相同的各點(diǎn)連接起來(lái)，就得到一系列等溫面。由于溫度場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的溫度只能有一個(gè)數(shù)值，所以等溫面互不相交。此外，在同一等溫面上各點(diǎn)間無(wú)溫度差，也就沒(méi)有傳熱現(xiàn)象發(fā)生。只有在穿過(guò)等溫面的方向上才有溫度的變化，才有可能發(fā)生傳熱現(xiàn)象，且沿等溫面的法向。溫度梯度和熱傳導(dǎo)微分方程2.熱傳導(dǎo)微分方程：1.溫度梯度：如圖表示溫度差值為△t的若干個(gè)等溫面。溫度梯度是一個(gè)在等溫面法線上向著溫度增加方向的矢量，用符號(hào)gradt表示，其定義如下：式中，為在法線上朝溫度增加方向的單位矢量。溫度梯度的物理意義式：某時(shí)刻溫度場(chǎng)在該點(diǎn)朝溫度增加方向的溫度變化率，它表示該點(diǎn)溫度變化的劇烈程度，其值沿溫度增加方向?yàn)檎?，沿溫度降低方向?yàn)樨?fù)。式中稱(chēng)為熱擴(kuò)散率單位為m2/s。它是物體熱慣性的特征，其值越小，表示熱慣性越大。對(duì)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，，故有：此即穩(wěn)定熱傳導(dǎo)微分方程式。傅立葉定律熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律可用傅立葉定律來(lái)描述，即：式中，Φ為傳熱流量，即單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，W；S為等溫表面的面積，m2；λ為比例系數(shù)，稱(chēng)為熱導(dǎo)率，W/(m·K)。式中負(fù)號(hào)表示熱流方向總是和溫度梯度方向相反。熱導(dǎo)率是表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)。物質(zhì)的熱導(dǎo)率隨溫度、密度、壓強(qiáng)、溫度而變化。一般金屬的熱導(dǎo)率最大，固體非金屬次之，液體較小，氣體最小。1.固體熱導(dǎo)率：λ＝2.5～420W/(m·K)。金屬的純度降低，熱導(dǎo)率會(huì)迅速降低。2.液體熱導(dǎo)率：λ＝0.09～0.7W/(m·K)。水比所有水溶液的熱導(dǎo)率都高，液體的熱導(dǎo)率隨濃度的增加而降低，純液體的熱導(dǎo)率比其溶液高。3.氣體熱導(dǎo)率：λ＝0.0058～0.58W/(m·K)?？諝庠?攝氏度時(shí)的熱導(dǎo)率為0.0245

W/(m·K)，故靜止空氣是一種良好的絕熱材料。一般物質(zhì)的熱導(dǎo)率均隨溫度而變化，金屬材料的熱導(dǎo)率隨溫度升高而降低，非金屬材料的熱導(dǎo)率則相反。除水和甘油外，大多數(shù)液體熱導(dǎo)率隨溫度升高而降低。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。平壁熱傳導(dǎo)和圓筒壁熱傳導(dǎo)平壁熱傳導(dǎo)：1.單層平壁的熱傳導(dǎo)：平壁內(nèi)溫度只煙壁方向發(fā)生變化，故溫度場(chǎng)時(shí)一維的。2.多層平壁熱傳導(dǎo)：多層平壁的總熱阻為串聯(lián)的高層熱阻之和。其各層的溫差分配正比于各層熱阻的相對(duì)大小，某層熱阻越大，該層的溫度降落也就越大。圓筒壁熱傳導(dǎo)：圓筒壁熱傳導(dǎo)與平壁熱傳導(dǎo)的不同處在于圓筒壁的傳熱面積隨半徑而變，不是常量；溫度也隨半徑而變。溫度只沿徑向r變化，故溫度場(chǎng)仍為一維的，其等溫面是與筒壁同軸的圓柱面。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單層圓筒壁的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)、筒長(zhǎng)及內(nèi)外壁溫差成正比，而與圓筒外徑、內(nèi)徑比值的自然對(duì)數(shù)成反比。對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱：是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而因起的熱交換。僅發(fā)生在流體中，由運(yùn)動(dòng)著的流體起在熱作用。產(chǎn)生對(duì)流的原因：流體質(zhì)點(diǎn)的位移，是溫度不同引起的密度差，輕者上浮，重者下沉，形成自然對(duì)流。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，以外力（泵或攪拌等）所致，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。傳熱的加強(qiáng)與減弱一、傳熱的增強(qiáng)：加大傳熱面積：增大溫度差：減小傳熱阻力：減小間兩側(cè)面對(duì)流傳熱熱阻：流體的流動(dòng)狀態(tài)：Q=Sδt/R流體的流動(dòng)狀態(tài)輻射傳熱

任何物體，只要其絕對(duì)溫度不是零度，都會(huì)不停地以電磁波的形式向外界輻射能量，同時(shí)又不斷的吸收來(lái)自其他物體的輻射能。輻射傳熱：是不同物體間相互輻射和吸收能量的綜合過(guò)程。其結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量。輻射加熱方法：紅外線加熱：0.8~100μm電磁波。紅外線被物體吸收后，產(chǎn)生共振，引起原子分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。高頻加熱：將加熱物料置于高頻電場(chǎng)內(nèi)，依靠高頻電場(chǎng)的交變作用使物料加熱。微波加熱：波長(zhǎng)0.001~1m，頻率300~300000MHz的電磁波。與高頻加熱一樣，也是分子振動(dòng)而發(fā)生熱量。工業(yè)鍋爐蒸發(fā)量蒸汽鍋爐每小時(shí)產(chǎn)生的額定蒸汽量壓力蒸汽鍋爐出汽口處的蒸汽額定壓力或熱水鍋爐出水口的熱水額定壓力稱(chēng)為鍋爐的工作壓力溫度生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽的鍋爐或熱水鍋爐，必須表明蒸汽過(guò)熱器出口處熱蒸汽的溫度或熱水出口處的水溫鍋爐的效率鍋爐用于生產(chǎn)蒸汽或熱水的熱量占所消耗燃料的全部熱量的百分比煤水比鍋爐單位時(shí)間的耗煤量和所產(chǎn)生的蒸汽量之比金屬消耗率制造鍋爐耗用的金屬重量與其額定蒸發(fā)量之比空氣預(yù)熱設(shè)備用于空氣預(yù)熱的有蒸汽、煙氣、電、太陽(yáng)能和其他燃料加熱的各種設(shè)備其中前三種應(yīng)用廣泛。蒸汽加熱的空氣預(yù)熱設(shè)備農(nóng)產(chǎn)品和食品的熱加工中，制作淀粉、味精的氣流干燥、制左淀粉、血粉的噴物干燥和干制果蔬的隧道式干燥，都采用蒸汽加熱的空氣預(yù)熱設(shè)備，它具有衛(wèi)生條件好，熱風(fēng)溫度較易調(diào)節(jié)控制等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備由蒸汽鍋爐、空氣過(guò)濾器、熱交換器和管、閥等組成煙氣加熱的空氣預(yù)熱設(shè)備1.管式熱風(fēng)爐：燃煤爐或燃燒室、熱換器、煙囪和風(fēng)機(jī)等部分組成2.無(wú)管式熱風(fēng)爐：爐殼體、燃燒室、爐蕊、冷風(fēng)罩和環(huán)形風(fēng)道、煙道組成

管式熱交換器結(jié)構(gòu)工作過(guò)程是燃煤產(chǎn)生的煙氣由煙道氣進(jìn)口送入，在管內(nèi)往返流動(dòng)，然后排入大氣。冷空氣由風(fēng)機(jī)引入管殼間與煙氣進(jìn)行換熱形成熱風(fēng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，設(shè)備費(fèi)低。缺點(diǎn)：換熱器易漏氣，使用壽命短，不易清灰在國(guó)內(nèi)雖未大量應(yīng)用，但對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品和土特產(chǎn)品的干燥發(fā)揮了作用無(wú)管式熱風(fēng)爐由爐殼體、燃燒室、爐蕊、冷風(fēng)罩和環(huán)形風(fēng)道、煙道組成外界冷空氣靠風(fēng)機(jī)引力，從熱風(fēng)爐頂部進(jìn)入，經(jīng)兩輥回程通過(guò)爐蕊由爐體中部排出。燃燒室產(chǎn)生的煙氣經(jīng)兩個(gè)回程從爐下部排出特點(diǎn)：爐體除冷風(fēng)罩外，所有金屬面都參加熱交換，換熱面積大；爐蕊內(nèi)壁焊有散熱片，能夠強(qiáng)化換熱、降低爐殼體溫度、延長(zhǎng)使用壽命；散熱面多為垂直布置，減少積灰；安裝簡(jiǎn)便。但金屬耗量大、造價(jià)較高。第四節(jié)加熱、冷卻和殺菌設(shè)備加熱、冷卻和加熱殺菌的設(shè)備種類(lèi)甚多，乳品、果品和肉食品加工廠常用的有代表性的設(shè)備有夾層式、筒式、管式、片式和閃蒸式等類(lèi)型。換熱器：主要指實(shí)現(xiàn)流體與流體間熱交換的設(shè)備1.貯槽式換熱器2.筒式換熱器3.管式換熱器：(1).列管式換熱器；(2).螺線管式換熱器(3).套管式換熱器；(4).板式換熱器；(5).閃蒸式滅菌器分類(lèi)：分類(lèi)：1、按傳熱方式：間壁式，混合式。2、按使用目的：預(yù)熱式、加熱式、過(guò)熱式、冷凝式、深冷式等。3、按結(jié)構(gòu)和傳熱面積對(duì)間壁式又分：管式、板式。管式又分：列管式、蛇（盤(pán)）管式、套管式、翅片管式等貯槽式換熱器內(nèi)膽用不銹鋼制造，外殼采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，外覆玻璃棉及鍍鋅鐵皮保溫層。內(nèi)膽與外殼間為傳熱夾層，當(dāng)夾層內(nèi)通入蒸汽或熱水時(shí)，可對(duì)貯存在內(nèi)膽中的物料進(jìn)行升溫或保溫。底部排水口與疏水器銜接，以排出冷凝水，如用作冷卻降溫時(shí)，載冷體則由底部進(jìn)口管進(jìn)入，經(jīng)熱交換后由上部溢流管排出。傳熱夾層與壓力表及安全閥相通，便于觀察調(diào)節(jié)蒸汽壓力，并保證操作安全。內(nèi)膽中裝有錨式攪拌器7及擋板6，可攪拌物料，上下翻動(dòng)，以提高物料與器壁的熱交換作用，達(dá)到均勻加熱或冷卻的目的。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、清洗檢修容易，一般要配置2～3臺(tái)，以便輪流周轉(zhuǎn)。筒式換熱器呈圓筒形，有立式和臥式兩種，適于瓶裝罐頭食品的殺菌操作立式殺菌器一般是先用蒸汽直接對(duì)鍋內(nèi)的水加熱，然后熱水通過(guò)罐壁內(nèi)食品加熱，常用于中小罐頭廠的常壓殺菌。臥式殺菌器多用蒸汽直接對(duì)器內(nèi)罐頭加熱，常用于大型罐頭廠的高壓殺菌。由筒體14、門(mén)15、進(jìn)氣管2和控制儀表、閥門(mén)等組成。筒體內(nèi)底部裝有兩根平行軌道，供盛罐頭用的殺菌車(chē)推進(jìn)推出之用在軌道下面設(shè)有兩條平行的蒸汽管道，管道上開(kāi)有小孔。為了便于殺菌時(shí)排水，下部設(shè)有地槽。泄氣閥在筒體頂部用于排除蒸汽進(jìn)入的空氣。筒體上還裝有其他各種管道接口、儀表和閥門(mén)。管式換熱器列管式換熱器：按結(jié)構(gòu)分成固定板式、U形管式和浮頭式工作時(shí)液料從管內(nèi)往返流過(guò)，加熱或冷卻介質(zhì)從管間流過(guò)特點(diǎn)：可以補(bǔ)償熱膨脹，清洗和維修方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高列管式換熱器：按結(jié)構(gòu)分成固定板式U形管式和浮頭式。圖7-12為浮頭式，由殼體、浮頭、傳熱管束等組成。工作時(shí)液料從管內(nèi)往返流過(guò)，加熱或冷卻介質(zhì)從管間流過(guò)。螺旋管式換熱器組成：由殼體、螺旋管、蒸汽管、調(diào)節(jié)器和輸料泵等組成。螺旋管制成扁形，并纏繞在殼體內(nèi)的中心圓柱上。工作時(shí)液料通過(guò)泵由液料入口進(jìn)入螺旋管內(nèi)，自下向上流動(dòng)，從出料管排出，裝入瓶或罐內(nèi)。蒸汽自上方輸入殼內(nèi)與螺旋管之間，對(duì)管內(nèi)的料液加熱。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，容易清洗，能連續(xù)生產(chǎn)應(yīng)用：主要用于果汁的巴式短時(shí)殺菌套管式換熱器組成：用一組蛇管和一組套管串聯(lián)作業(yè)的換熱器應(yīng)用：適于果汁、蔬菜汁、乳汁等液料的超高溫瞬時(shí)滅菌結(jié)構(gòu)：供料泵、加熱器、套管、貯槽、中間泵、儀表工作過(guò)程：貯槽16內(nèi)注清水，打開(kāi)進(jìn)料三通旋塞5的循環(huán)通道，即關(guān)閉進(jìn)料通道，啟動(dòng)供料泵，用清水洗清滅菌機(jī)；貯槽水放盡，轉(zhuǎn)動(dòng)旋塞，開(kāi)始供料。料液進(jìn)入套管8進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)入蛇行管內(nèi)進(jìn)行高溫瞬時(shí)滅菌，然后返回套管進(jìn)行冷卻，最后通過(guò)出料三通旋塞15輸出。若沒(méi)有達(dá)到要求，可轉(zhuǎn)動(dòng)出料三通旋塞，使料液回流入貯槽，重新送入管內(nèi)再次滅菌。列管式換熱器乳進(jìn)乳出列管式蛇管式翅片管式片（板）式熱交換裝置板式換熱器，適于果汁、乳汁等液體食品的冷卻、加熱、巴式殺菌、高溫短時(shí)殺菌和超高溫滅菌、還用于真空濃縮操作片形式螺旋板式板式換熱器結(jié)構(gòu)：導(dǎo)桿、壓緊板、傳熱板、連接管、墊圈波紋板：該板上沖壓有于流體流向垂直活成一定角度的波紋，使流體均勻地再板的水平面上形成薄膜，并沿垂直于波紋的方向流動(dòng)。當(dāng)流體通過(guò)傳熱板間時(shí)，流體的流向和流速經(jīng)