《食品工程原理》课件第五章.ppt

1、第五章第五章5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 热传导热传导5.3 5.3 对流传热对流传热 5.4 5.4 传热过程计算传热过程计算5.5 5.5 传热的强化传热的强化 5.6 5.6 换热器换热器 5.7 5.7 热辐射热辐射 5.1 5.1 概述概述 5.1.1 5.1.1 传热在食品工业中的应用传热在食品工业中的应用 传热是指不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所进行的热的传递。在食品工业上，大多数生产过程都需要控制在一定的温度下进行，为了达到或保持所需要的温度，通常需要对物料进行加热或冷却。并且，这种热交换作为单元操作，总是与其他的单元操作结合在一起，或作为其

2、他单元操作的一部分。例如对食品进行加热、冷却等，起到杀菌，便于保藏的作用；食品原料在加工中完成生化变化；液体食品的浓缩、干制食品的脱水等均离不开传热。食品生产中对传热过程的要求有以下两种情况:一种是强化传热过程。要求设备传热性能良好，以达到挖掘传热设备的潜力或缩小设备的尺寸；另一种是削弱传热过程，以达到减少热损失，节约能源，维持操作稳定，改善操作人员的劳动条件等。5.1.2 5.1.2 传热的基本理论传热的基本理论 1.1.传热的基本方式传热的基本方式 热量的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、热对流、热辐射三种。（1）热传导 它是内能由

3、物体的一部分传递给另一部分或从一个物体传递给另一个物体，同时无物质质点迁移的传热方式。物体中温度较高的分子（或原子、自由电子等）因振动而与相邻温度较低的分子（或原子、自由电子等）发生碰撞，并将能量的一部分传给后者。热传导的特点是物体中的分子或质点不发生宏观的迁移。热传导通常发生在固体中，静止的液体或气体中也常常发生热传导。在层流流体中，传热方向与流向垂直时亦为传导。在流体中导热的作用并不明显。（2）热对流 热对流是流体各部分发生相对位移而引起的传热现象。对流传热时，伴随着流体质点相对运动，不同温度的质点因相互混合而交换热量。若流体的运动是由于受到外力(如机械搅拌)的作用所引起，则称为强制对流；

4、若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同引起的，则称为自然对流。（3）热辐射 热辐射既不依靠流体质点的移动，又不依靠分子之间的碰撞，而是借助各种不同波长的电磁波来传递能量的。热辐射的特点是不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换。当两个物体以热辐射的方式进行热能传递时，放热物体的热能先转化为辐射能，并以电磁波的形式向周围空间发射，当遇到另一物体时，电磁波的辐射能将部分或全部地被该物体吸收，又转变为热能。任何物体都能把热能以电磁波的形式辐射出去，也能吸收别的物体辐射出的电磁波而转变成热能。当物体的温度越高，则以辐射形式传递的热量就越多。实际上，上述三种基本方式，在传热过程中很少单独存

5、在，往往是互相伴随着同时出现。例如在焙烤食品时，在食品的烘烤区域范围内，兼有热辐射、热对流、热传导三种传热方式，并且是以热辐射为主。所以，三种基本传热方式在某种场合下是以某种方式为主而已。2.2.工业上的换热方式工业上的换热方式 在食品生产中，由于换热的目的和工作条件的不同，换热方式可分为以下两类。（1）间壁式换热 间壁式换热是通过固体壁面将冷、热两种流体隔开，热流体先将热量传给固体壁面，再以热传导的方式通过固体壁面，然后由固体壁面将其所吸收的热量传给被加热的冷流体以达到换热的目的。它是食品工业上应用最广泛的一种换热形式。（2）混合式换热 混合式换热是冷、热流体直接接触而进行传热的一种方式。此

6、类换热器只能用于允许冷、热流体直接混合的场合。常见的换热器有凉水塔、混合冷凝器等。（3）蓄热式换热 蓄热式换热是在蓄热器内，冷、热流体交替流过填充物。当热流体流过时，填充物温度升高，贮存热量。而后冷流体流过，填充物中贮存的热量再传递给冷流体，使自身降温。就这样反复进行换热过程。因此蓄热式换热是反复利用固体填充物积蓄和释放热量而达到使冷、热两股流体换热的一种方法。5.1.3 5.1.3 传热的基本概念传热的基本概念 传热的根本原因是由于温度差的存在。所以传热过程与温度分布有着密切的联系。1.1.温度场温度场 任一瞬间物体或系统内各点的温度分布称温度场。一般情况下，物体内部的温度分布是空间坐标X、

7、Y、Z和时间的函数。即 t=f（X、Y、Z、）2.2.稳定传热和不稳定传热稳定传热和不稳定传热 若传热系统中各点的温度仅随位置变化而不随时间变化，称为稳定温度场。与这种温度场相应的传热过程称为稳定传热过程。其在单位时间内传递的热量是不变的。反之，若传热系统中各点的温度不仅随位置的改变而改变，而且随时间的变化而发生变化，称为不稳定温度场。与这种温度场相应的传热过程称为不稳定传热过程。即在单位时间内传递的热量是变化的。生产实践中的连续生产过程中的传热一般属于稳定传热；而间歇式生产和连续生产的开、停车阶段的传热，一般属于不稳定传热。本章只讨论稳定传热。3.3.温度梯度温度梯度 传热过程中的温度变化往

8、往是用温度梯度来表示的。温度梯度是指某时刻在该点向温度增加方向的温度变化率，它表示该点温度变化的剧烈程度，其值沿温度增加方向为正，沿温度降低方向为负。5.2 5.2 热传导热传导 5.2.1 5.2.1 热传导的基本定律热传导的基本定律 固体中的热量传递主要是热传导；气体和液体因具有流动性，热传导和热对流总是同时出现，热传导虽然会发生，但通常不起主要作用。傅立叶定律是反映热传导规律的基本定律，它表示导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：Q=A （5-1）式中 Q导热速率，单位时间内的传导的热量，其方向与温度梯度相反，W；A传热面积，垂直于导热方向的截面积，m2；温度梯度，K/m；材料的导热系

9、数，W/（mK）。“-”表示热流方向与温度梯度的方向相反。傅立叶定律不是根据基本原理推导得到的，它与牛顿粘性定律相类似，导热系数与黏度一样，也是粒子微观运动特性的表现。dtdxdtdx5.2.2 5.2.2 导热系数导热系数 导热系数又称热导率，是表示物质导热能力的物性参数。导热系数值越大，物质的导热能力越强。不同物质的导热系数各不同，同一物质，其导热系数随该物质的组成、结构、密度、温度和压力等而变化。工程计算中所用的各种物质的导热系数，其值都是由实验测定的。一般说来，金属的导热系数最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小。1.1.固体的导热系数固体的导热系数 在所有的固体物质中，金属是最好的

10、导热体。其导热系数=2.5420 W/（mK）。随着金属纯度降低，其导热系数会降低。非金属材料的=0.063 W/（mK）：其中 t2，热量以热传导的方式传热，其导热速率为：Q=A （5-2）式中 平壁厚度，m;R导热热阻，R=,K/W。121212tttttttRRAA图5-1 单层平壁热传导 实际上，物体内部不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之不同。但在工程计算中，对于各处温度不同的物体，其导热系数可以取固体两侧面温度下值求得算术平均值，或取两侧面温度的算术平均值下的值。式（5-2）表明导热速率与传热推动力成正比，与热阻成反比；导热距离越大，传热面积和导热系数越小，热阻越大。2.2

11、.多层平壁的热传导多层平壁的热传导 生产中常见的是多层平壁的热传导，如用耐火砖、保温砖和青砖等构成的三层炉壁。如图5-2所示，其中各层壁厚依次为1、2、3，材料的导热系数为1、2、3，壁面温度依次为T1、T2、T3、T4。图5-2 多层平壁的热传导根据傅立叶定律，各层的导热速率可写成 1212111111tttttQRRA2323222222tttttQRRA3434333333tttttQRRA在稳定传热条件下，Q=Q1=Q2=Q3。应用加合定律可得：（5-3）上式为三层平壁的导热速率方程。对于n层平壁，其导热速率方程可表示为 （5-4）由此可见，多层平壁热传导的导热速率与热传导总推动力成正

12、比，与总热阻成反比，总推动力为各层平壁温差之和，总热阻为各层平壁热阻之和。12314312123123tttttQRRRAAA 111nniiitttQRA 例5-1 锅炉钢板壁厚1=20，其导热系数1=58.2 W/（mK），若粘附在锅炉内壁的水垢厚度2=1，其导热系数2=1.162 W/（mK）。已知锅炉钢板外表面温度t1=523K，水垢内表面温度t3=473K，求锅炉每平方米表面积的传热速率，并求钢板内表面的温度t2。解 由式（5-3）得 41493.8W/t2=t1-=523-41493.8 =508.7K1321125234730.020.00158.21.162ttQA11QA0.

13、0258.25.2.4 5.2.4 圆筒壁的热传导圆筒壁的热传导 1.1.单层圆筒壁的热传导单层圆筒壁的热传导 生产中常遇到流体通过管壁和圆筒形设备壁的导热。它与平壁导热的本质相同。不同点在于圆筒壁导热时，导热面积沿着管半径r的方向逐渐变化，而平壁导热时沿传热方向导热面积是不变的。如图5-3是一个单层圆筒壁，设其内半径为r1，外半径为r2，长度为L。其内外壁温度分别为t1、t2，且t1t2。应用傅立叶定律，进行积分得到通过该圆筒壁的导热速率方程为 （5-5）12121222112()lnln2LttttttQrrRrrL 图5-3单层圆筒壁的热传导 式（5-5）可知，单位时间内通过单层圆筒壁的

14、热量与导热系数、筒长L及内外壁温t成正比，与圆筒外径和内径比值的自然对数成反比。为便于理解，设圆筒壁的平均导热面积为A，与A相对应的筒的平均半径为，则通过圆筒壁的导热速率又可按平壁的公式写成：（5-6）1212212()()mmALrQttttrr 与式（5-5）比较得：=则 rm=（5-7）rm称为单层圆筒壁的对数平均半径。当筒壁比较薄，r2/r12时,可用算术平均值表示，与对数平均半径相比，误差不超过4%，在工程计算中常作这样的简化处理。12212()mLrttrr12212()lnLttrr 2121lnrrrr 2.2.多层圆筒壁的热传导多层圆筒壁的热传导 多层圆筒壁的热传导可视为各单

15、层圆筒壁串联进行的导热过程。对稳态的导热过程，单位时间内由多层圆筒壁所传导的热量，等于通过各层圆筒壁所传导的热量。以三层圆筒壁为例，假设层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等。各层材料的导热系数分别为1、2、3，视为常数。各层厚度分别为1=r2r1；2=r3r2；3=r4r3。其导热速率方程可与多层平壁的稳定导热方程相类比。即 （5-8）对于n层圆筒壁的稳态导热，其传热速率方程为 （5-9）1414342123312123lnlnln222ttttQrrrRRRrrrLLL 111nniiiittQA 例5-2 用894的不锈钢管输送热油，管的热导率为17 W/（mK），其内表面温度为40

16、3K，管外包4厚的保温材料，其导热率为0.035W/（mK），其外表面温度为298K，计算钢管与保温材料交界处的温度。解 r1=0.0405 m r2=0.0445m r3=0.0445+0.04=0.0845 m由式（5-9)得再由式（5-5）得 由计算结果可知，钢管与保温层交界处的温度与管内温度相差很小，是因为钢的热导率较大。如果无保温层，将会有很大的热损失。3(892 4)102 389 102133212122()2 3.14(403298)36.010.044510.0845lnlnlnln170.04050.0350.0445L ttLQL Wrrrr21210.0445ln36.0 ln0.0405403422.9722 3.14 17rQrttKL 5.3 5.3 对流传热对流传热 对流传热是指流体与固体壁面之间依靠流体质点位移产生的热对流和分子运动所产生的热传导而进行的热量交换过程，又称为对流给热。由于固体壁面附近存在流体层流内层（靠近管壁处作层流流动的流体薄层），故对流传热的全过程必然包括热量由流体主体向层流内层外缘的传递过程，以及通过层流内层的传递而到达固体壁面的