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文档简介
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多层圆筒壁Ifthewallofthecylinderconsistsoflayershavingdifferentthermalconductivities.
T1andT2musttransectalayerboundedbyr1andr2,whichhasauniformthermalconductivityk1.Similarly,thelayerboundedbyrandrwherethetemperaturesareTandTmustalsohaveauniformthermalconductivity,k2.Heattransferbyconvectionαistheheattransfercoefficient,Aistheareaofthefluidsolidinterfacewhereheatisbeingtransferred,and∆T,thedrivingforceforheattransfer,isthedifferenceinfluidtemperatureandthesolidsurfacetemperatureNaturalandforcedConvectionNCdependsongravityanddensityandviscositychangesassociatedwithtemperaturedifferencesinthefluidtoinduceconvectivecurrents.HeattransfercoefficientsofFCdependsonthevelocityofthefluid,itsthermophysicalproperties,andthegeometryofthesurface.准数符号及意义准数名称符号意义努塞尔特准数(Nusselt)Nu=αl/λ
表示对流传热系数的准数雷诺准数(Reynolds)Re=luρ/μ
确定流动状态的准数普兰特准数(Prandtl)Pr=cpμ/λ
表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数(Grashof)Gr=βgΔtl3ρ2/μ2
表示自然对流影响的准数FCintube低粘度液体高粘度液体
Nu=0.023Re0.8Prn
式中n值视热流方向而定,当流体被加热时,n=0.4,被冷却时,n=0.3。应用范围
:Re>10000,0.7<Pr<120,管长与管径比L/di>60。若
L/di<60时,α须乘以(1+(di/L)0.7)进行校正。特性尺寸
:
取管内径,
定性温度:
流体进、出口温度的算术平均值。
低粘度流体
Nu=0.023Re0.8Pr1/3(μ/μw)0.14应用范围
Re>10000,0.7<Pr<16700,L/di>60。特性尺寸
取管内径定性温度
除μw取壁温外,均为流体进、出口温度的算
术平均值。当液体被加热时(μ/μw)0.14=1.05当液体被冷却时(μ/μw)0.14=0.95
对于气体,不论加热或冷却皆取1。高粘度流体
FCaroundcylinder绕方形物体绕柱形物体例题:水平放置的蒸气管道,外径为100mm,若管外壁温度为100℃,周围大气温度为20℃,试求每米管道通过自然对流的散热量。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食品工业中罐头杀菌,食品速冻等许多过程都属于不稳定传热。传热计算主要有两种类型:
设计计算
根据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积。
校核计算
计算给定换热器的传热量、流体的温度或流量。稳定传热的计算对间壁式换热器作能量恒算,在忽略热损失的情况下有上式即为换热器的热量恒算式。式中
Q——换热器的热负荷,kJ/h或w
W——流体的质量流量,kg/h
H——单位质量流体的焓,kJ/kg
下标c、h分别表示冷流体和热流体,下标1和2表示换热器的进口和出口。Q=Wh(Hh1-Hh2)=Wc(Hc2-Hc1)一、能量恒算
若换热器中两流体无相变时,且认为流体的比热不随温度而变,则有式中
cp——流体的平均比热,kJ/(kg·℃
)t——冷流体的温度,℃
T——热流体的温度,℃Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1)若换热器中的热流体有相变,如饱和蒸汽冷凝时,则有
当冷凝液的温度低于饱和温度时,则有
式中Wh——饱和蒸汽(热流体)的冷凝速率,kg/h
r——饱和蒸汽的冷凝潜热,kJ/kgQ=Whr=Wccpc(t2-t1)注:上式应用条件是冷凝液在饱和温度下离开换热器。Q=Wh[r+cph(T1-T2)]=Wccpc(t2-t1)式中
cph——冷凝液的比热,kJ/(kg·℃
)
Ts——冷凝液的饱和温度,
℃
通过换热器中任一微元面积dS的间壁两侧流体的传热速率方程(仿对流传热速率方程)为
dQ=K(T-t)dS=KΔtdS式中
K——局部总传热系数,w/(m2·℃
)
T——换热器的任一截面上热流体的平均温度,
℃t——换热器的任一截面上冷流体的平均温度,
℃上式称为总传热速率方程。二、总传热速率方程
1总传热速率微分方程
总传热系数必须和所选择的传热面积相对应,选择的传热面积不同,总传热系数的数值也不同。dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm式中
Ki、Ko、Km——基于管内表面积、外表面积、外表面平均面积
的总传热系数,w/(m2·℃
)Si、So、Sm——换热器内表面积、外表面积、外表面平均面积,
m2
注:在工程大多以外表面积为基准。
对于管式换热器,假定管内作为加热侧,管外为冷却侧,则通过任一微元面积dS的传热由三步过程构成。由热流体传给管壁
dQ=αi(T-Tw)dSi由管壁传给冷流体
dQ=αo(tw-t)dSo通过管壁的热传导
dQ=(λ/b)·(Tw-tw)dSm由上三式可得2总传热系数
2.1总传热系数的计算式
由于dQ及(T-t)两者与选择的基准面积无关,则根据总传热速率微分方程,有所以总传热系数(以外表面为基准)为同理总传热系数表示成热阻形式为
在计算总传热系数K时,污垢热阻一般不能忽视,若管壁内、外侧表面上的热阻分别为Rsi及Rso时,则有当传热面为平壁或薄管壁时,di、do、dm近似相等,则有2.2污垢热阻当管壁热阻和污垢热阻可忽略时,则可简化为若αo<<
αi,则有总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制,即当两个对流传热系数相差不大时,欲提高K值,关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。若两侧的α相差不大时,则必须同时提高两侧的α,才能提高K值。若污垢热阻为控制因素,则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。由上可知:例
一列管式换热器,由Ø25×2.5mm的钢管组成。管内为CO2,流量为6000kg/h,由55℃冷却到30℃。管外为冷却水,流量为2700kg/h,进口温度为20℃。CO2与冷却水呈逆流流动。已知水侧的对流传热系数为3000W/m2·K,CO2
侧的对流传热系数为40W/m2·K。试求总传热系数K,分别用内表面积A1,外表面积A2表示。
解:查钢的导热系数λ=45W/m·K
取CO2侧污垢热阻Ra1=0.53×10-3m2·K/W
取水侧污垢热阻Ra2=0.21×10-3m2·K/W以内、外表面计时,内、外表面分别用下标1、2表示。
HeatExchangeEquipmentSweptsurfaceheatexchangerToheat,coolorprovideheattoconcentrateviscousfoodproductsHeatExchangeEquipmentDoublepipeheatexchangerAmajordisadvantageistherelativelylargespaceitoccupiesforthequantityofheatexchangedHeatExchangeEquipmentShellandtubeheatexchangerHeatExchangeEquipmentplateheatexchanger换热器板式换热器单程列管式换热器喷淋式换热器螺旋管式换热器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:两固体表面间的辐射传热F12反映物体2可截获物体1辐射能量的分数F12称为物体1对物体2的角系数CalculationofradiationheattransferForslabsofS1=S2ForS1<<S2TwoparallelfinitesurfacesHomework有一表面积为0.1m2的面包块在烤炉内烘烤,炉内壁辐射换热面积为1m2,壁面温度为250℃,面包温度为100℃,假设炉壁和面包之间为封闭空间,求面包得到的辐射热量。面包黑度取0.5,炉壁黑度取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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