《食品工程原理》第五章-传热

第

五章传热HeatTransfer第一节传热概述第二节热传导第三节对流传热第四节

热交换第五节辐射传热1最新版整理ppt第一节传热概述5-1传热的基本概念

1.传热基本方式（1）热传导（conduction）当物体内部或两直接接触的物体间有温度差时，一部分传给后者。热传导的机理：分子振动自由电子迁移温度较高处的分子与相邻分子碰撞，并将能量的2最新版整理ppt（2）对流传热（convection）流体质点发生相对位移而引起的热量传递或流体微团改变空间位置所引起的流体和固体壁面之间的热量传递过程。（3）辐射传热（radiation）是一种通过电磁波进行的能量传递对流又分为自然对流和强制对流2.稳态传热和非稳态传热稳态传热（steady-stateheattransfer）温度分布不随时间而改变的传热过程非稳态传热

温度分布随时间改变的传热过程3最新版整理ppt3.热流量和热阻热流量（heatflowrate）：热流密度又称热通量（heatflux）：热流量（传热过程速率）=R—热阻，K/W4最新版整理ppt4.热交换(heatexchange)最常见的热交换是冷、热两流体隔着间壁的换热热交换所涉及的物质焓变的代数和为零焓变式中cp—定压比热容，J/（kg·K）混合物的cp食品物料:式中w—质量分数，各下角标：c为碳水化合物，p为蛋白质，f

为油脂，a

为灰分，w为水分5最新版整理ppt第二节热传导5-2傅立叶定律5.2A温度场和温度梯度5.2B傅立叶定律和热导率5-3通过平壁的稳态导热5.3A通过单层平壁的稳态导热5.3B通过多层平璧的稳态导热

5-4

通过圆筒壁的稳态导热5.4A通过单层圆筒壁的稳态导热5.4B通过多层圆筒壁的稳态导热6最新版整理ppt5-2傅立叶定律5.2A

温度场和温度梯度

1.温度场某一时刻空间各点的温度分布，称为温度场(temperaturefield)2.等温面和等温线某t,温度场中同T的点连接成的线或面3.温度梯度（temperaturegradient）7最新版整理ppt5.2B

傅立叶定律和热导率1.傅立叶定律式中λ—热导率（thermalconductivity）,W/(m·K)2.热导率

λ：物质在单位温度梯度时所通过的热流密度一般情况下,金属的热导率最大,固体非金属次之，液体较小，气体最小.金属的λ：50～400W/(m·K)非金属固体的λ：0.06～3W/(m·K)其中保温隔热材料：λ<0.17W/(m·K)8最新版整理ppt物质的热导率λW/(m·K)钢45.4不锈钢17.4铸铁62.8铜383.8铝203.5黄铜85.5粘土砖0.57松木0.08石棉板0.12冰2.33水0.60空气0.026对水果蔬菜(ww>0.60)，Sweat(1974)：对肉类(ww：0.60～0.80)，Sweat(1975)：对许多固态和液态食品物料，Sweat(1986)：大多数均质固体材料λ~T呈线性关系：9最新版整理ppt5-3通过平壁的稳态导热5.3A

通过单层平壁的稳态导热10最新版整理ppt5.3B

通过多层平璧的稳态导热

稳态导热，各层q相等应用加比定律推广到n层—总热阻,K/W11最新版整理ppt解：Txδ1δ2qT1T3T212最新版整理ppt本次习题p.1955.2.13最新版整理ppt5-4

通过圆筒壁的稳态导热5.4A

通过单层圆筒壁的稳态导热14最新版整理ppt5.4B

通过多层圆筒壁的稳态导热(W)用加比定律推广到n层Φ15最新版整理ppt16最新版整理ppt第三节对流传热5-5对流传热的基本原理5.5A牛顿冷却定律5.5B对流传热的机理5-6无相变的对流传热5.6A自然对流传热5.6B强制对流传热5-7有相变的对流传热5.7A沸腾传热5.7B冷凝传热17最新版整理ppt5-5对流传热的基本原理5.5A

牛顿冷却定律（Newton’sLawofcooling）式中α—表面传热系数，W/（m2·K）对流传热的所有复杂性都集中在α中5.5B

对流传热的机理

1.热边界层1—层流底层，热阻最大18最新版整理ppt2.影响对流传热的因素（1）流体状态液态或气态，有无相变（2）流体的性质

密度ρ,比热容cp

,热导率λ,黏度μ,体胀系数av（3）

流体流动状况主要为流速u,决定是层流还是湍流（4）传热壁面的形状，位置和大小

代表参量为定性尺寸L19最新版整理ppt5.5C对流传热的量纲分析8个物理量涉及4个基本量纲：质量M,长度L,时间T,温度Θ8个物理量的量纲式：代入各量的量纲式：20最新版整理ppt按因次一致性原则对质量M1=c+d+e

对长度L0=a+b–c+d–3e+2f+g对时间T-3=-a–c–3d–2f–2g对温度Θ

-1=-d-f4个方程，7个因次未知，指定a,f,g已知，则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个量纲一的特征数努塞尔特数：雷诺数:普兰特数:格拉晓夫数:每一具体准则方程都有其适用范围定性尺寸

定性温度（Nusseltnumber）（Reynoldnumber）（Prandtnumber）(Grashofnumber）各种条件下,准则方程的具体形式,应由实验求得的规定22最新版整理ppt5-6无相变的对流传热5.6A

自然对流传热Nu=a(Pr·Gr)m定性温度：定性尺寸L：平壁为壁长，圆管为直径a,m—经验常数类型GrPram竖直平面<1041.361/5（高L<1m）水平圆管104<GrPr<1080.531/4（直径L<20cm）23最新版整理ppt

例5-4一管径为10cm的蒸汽管道，其管外壁暴露在大气中。管外壁表面温度为130℃，空气温度为30℃，计算自然对流表面传热系数。解：据此Tf，查出空气物性参数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

强制对流传热1.管内层流2.管内湍流定性温度：流体平均温度；定性尺寸：管内径d圆管26最新版整理ppt3.管外对流单管管前半周和后半周差异很大平均当Re=103~2×105时定性温度：流体主体均温；定性尺寸：管外径27最新版整理ppt5-7有相变的对流传热5.7A

沸腾传热过热度

ΔT=Tw-Ts泡状沸腾,传热良膜状沸腾，传热差对水：5.7B

冷凝传热28最新版整理ppt第四节

热交换5-9换热器5.9A换热器的分类5.9B管壳式换热器5.9C板式换热器5.9D其它间壁式换热器5-10稳态换热计算5.10A换热基本方程5.10B传热系数5.10C换热平均温差5.11B忽略内阻的非稳态换热

5-11非稳态换热5.11C内外阻共存的非稳态换热5.11D可忽略外阻的非稳态换热5.11A非稳态换热的基本概念29最新版整理ppt5-9换热器5.9A

换热器的分类1.直接接触式冷热两流体直接接触混合换热，传热效率很高例：喷射式冷凝器2.非直接接触式（1）间壁式（2）蓄热式（3）流化床间壁式换热器又可分为：①管式换热器包括壳管、列管、螺旋管式等②板式换热器包括片式、螺旋板式等③扩展表面式换热器包括板翅式、管翅式等

30最新版整理ppt5.9B

管壳式换热器又称列管式换热器1.结构形式由圆筒形壳体及其内部的管束组成管子两端固定在管板上,管板将壳程和管程流体分开管板外各有壳体封头温差补偿结构有三种：(a)固定管板式在壳体上加装

膨胀节1(b)U型管式(c)浮头式浮头2可滑动31最新版整理ppt2.管程结构(1)

管子采细管径：d=15～33mm(2)

管板与管束连接：胀接，焊接与壳体连接：焊接，法兰夹接管子在管板上的排列方式：(3)封头和分程封头或管箱的作用：控制和分配管程流体管程分：单程（流体经1次管全长）多程：2,4,6程管箱分程布置方案如图32最新版整理ppt3.壳程结构(1)壳体(2)

挡板D<400mm,用钢管造；D>400mm,用钢板卷制折流挡板有：环盘型圆缺型挡板33最新版整理ppt5.9C

板式换热器1.

片式换热器板片间有垫圈：●密封●形成间隙●流体分流流道基本形式（a）并流（b）串流（c）混流34最新版整理ppt传热板片表面压成波纹形：◆↑板片强度◆↑湍流程度波纹有人字形,平直波纹（a）截面有三角形（b）,梯形（c）优点①α大②紧凑例：一片式换热器可进行五段操作35最新版整理ppt2.螺旋板式换热器2张平行钢板卷制而成加顶盖、进出液接管5.9D

其他间壁式换热器1.夹套式换热器设搅拌器（4）加强传热夹套（3）中的介质：蒸汽→1，5→水→5，1→36最新版整理ppt2.螺旋盘管式换热器（又称蛇管式换热器）（a）盘管形状（b）沉浸式（c）喷淋式3.套管式换热器37最新版整理ppt本次习题p.195~1967.6.8.38最新版整理ppt

5-10稳态换热计算5.10A

换热基本方程+消去壁表温度39最新版整理ppt令若流体温度沿间壁纵向变化,ΔT代以平均温差ΔTm：40最新版整理ppt5.10B

传热系数1.单层平壁2.多层平壁总热阻3.单层圆管壁式中Am—圆管对数平均面积：41最新版整理ppt据不同面积基准AI,AII,,有不同传热系数KI,KII：4.多层圆管壁可据以求KI,KII42最新版整理ppt

例：内径25mm导管用来输送80℃液体食品物料，管内对流传热系数为10W/(m2.K)，管壁厚5mm,热导率43W/(m.K)，管外暴露大气中，大气温度为20℃，管外表面传热系数为100W/(m2.K)，管长1m，分别计算管内，管外面积作基准的传热系数，并据以计算管道的热损失。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

换热平均温差以逆流换热为例为常量,Th～Φ为直线关系

为常量,

Tc～Φ亦为直线关系必然也成直线关系：斜率45最新版整理ppt将代入上式：与比较换热平均温差46最新版整理ppt例用刮板式换热器冷却苹果酱，苹果酱质量流量为50kg/h，比热容cp为3817J/（kg·K）,入口温度80℃，出口温度20℃。套管环隙逆流通冷水，入口温度10℃，出口温度17℃。传热系数K为568W/（m2·K）求：（1）需要的冷却水量；（2）

换热平均温差及换热面积；（3）若改顺流，两流体出入口温度同前，求(2)各值。解47最新版整理ppt48最新版整理ppta—物体的热扩散率（thermaldiffusivity），m2/s可用下列四个量纲一的特征数表示方程的解（1）时间比（2）

温度比5-11非稳态换热5.11A

非稳态换热的基本概念一维非稳态导热：xT∞T0→Tλx149最新版整理ppt（3）热阻比（4）

距离比m的意义：物体外部热阻和内部热阻之比方程的解：若只研究固体中心，x=0,n=0：50最新版整理ppt5.11B

忽略内阻的非稳态换热(m>10)51最新版整理ppt

例：ρ=980kg/m3,cp=3.95kJ/(kg·K)的番茄汁放入半径为0.5m的半球形夹层锅中加热。夹层锅初温20℃，锅内充分搅拌。蒸汽夹套α=5000W/(m2·K),温度90℃。计算5min后番茄汁的温度。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内外阻共存非稳态换热(10>m>1/40)已对大平板、球体和长圆柱绘出不同m值的Y-X线算图1.大平板特性尺寸：x1=板半厚度53最新版整理ppt2.球体特性尺寸：x1=球半径54最新版整理ppt3.长圆柱特性尺寸：x1=圆柱半径55最新版整理ppt

例5-11直径6cm、初温15℃的苹果放入2℃的冷水流中，水对苹果的表面传热系数为50W/（

m2·K）,苹果的热导率λ=0.355W/(m·K),比热容cp=3.6kJ/(kg·K),密度

ρ=820kg/m3。求使苹果中心温度达到3℃所需时间。解查图5-31，得对应X=0.53．56最新版整理ppt本次习题p.19517.12.57最新版整理ppt

在讨论大平板、长圆柱换热基础上，可解决短圆柱等的换热问题：视短圆柱为长圆柱和大平板的公交体5.11D

可忽略外阻的非稳态换热(m<1/40)此情况下，只使用m=0一条线就可。设：Y1—长圆柱的温度比Y2—大平板的温度比Myers(1971)：短圆柱的温度比YY=Y1·Y258最新版整理ppt例

d=6.8cm,L=10.2cm的豌豆浆罐头在116℃的蒸汽中加热，α=3820W/(m2·K),λ=0.83W/(m·K),cp=3.8kJ/(kg·K),ρ=1090kg/m3。求初温30℃的罐头加热45min后的中心温度。解

（1）求长圆柱的Y1<1/40m≈0查图5-32的m=0线,Y1=0.1959最新版整理ppt（2）求大平板的Y2查图5-30的m=0线Y2=0.80（3）求有限圆柱体—罐头的Y和TT=103℃60最新版整理ppt例

（习题15，p.196）苹果酱流经1m长φ15×2.5mm的不锈钢管道，温度20℃→80℃，不锈钢热导率17.5W/(m·K),管外加热蒸汽120℃，管外α=6kW/(m2·K),管内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第五节辐射传热5-12

辐射的基本概念和定律5.12A辐射的基本概念5.12B辐射定律5-13固体间的辐射换热63最新版整理ppt5-12

辐射的基本概念和定律5.12A

辐射的基本概念1.热辐射因物体自身温度而发出的辐射能称为热辐射（thermalradiation）2.吸收率和黑体称为物体的吸收率（absorptivity）称为物体的反射率（reflectivity）称为物体的透过率（transmissivity）量子能量：热辐射