第七章换热设备

第七章换热设备传热或热交换两个物体之间或同一物体的两个不同部位之间由于温度不同而引起的热量转移。由热力学第二定律可知，凡有温度差存在时，必然发生热量从高温处向低温处的传递。因此，传热是自然界普遍存在的现象。传热学就是研究各种传热过程，以便有效而合理地控制传热过程的科学。热和冷是相对的概念。对物体加入热量===就是除去冷量。反之，除去物体的热量===就是加人冷量。，在食品工业中传热是广泛应用的单元操作。例如：①食品生产中一般必要的加热、冷却过程。②为延长食品贮藏时间而进行的杀菌或冷藏。③以除去食品中水分为目的的蒸发或结晶过程的加热和冷却;④为使食品完成一定生物化学变化而进行的蒸煮、培烤等。传热介质食品工业所用的加热剂或冷却剂多为流体。作为加热剂常用的有水蒸气、烟道气、热空气和热水，作为冷却剂常用的有冷水、冷冻盐水、液氮等。而被加工的物体，多为液体或固体。在大规模工业生产中，流体间的传热常用连续稳定操作。而流体与固体间的传热则多用半连续或间歇式的不稳定操作。

加热方式的种类、用途和经济性：1.利用热源或燃烧燃料产生烟气，直接或间接对物料加热2.利用热源产生的蒸汽，通过换热器，将空气、水或油等先进行预热，成为载热体，再直接或间接对物料加热，前者主要是介质与物料进行对流传热的过程，后者主要是介质再通过设备中的器件（管、壁等）对物料进行传导加热的过程；3.物料被加热产生电磁波，以辐射方式对物料加热。热传递三种基本方式：热传导（导热）、对流传热、辐射传热热源的种类：媒、电、液体燃料、太阳能、气体燃料一、热传导的基本概念（－）温度场和温度梯度传热现象之所以发生，主要是由于物体间或物体内存在温度差，温度差就是传输的推动力。因此，传热过程与温度分布密切相关。温度场空间各点在某一瞬间的温度分布称为温度场。一般情况下，物体内部的温度分布定空间应标x、y、z和时间τ函数，即：

t=f(x,y,z,τ)稳定温度场如果温度场不随时间而变，称为稳定温度场；相应的传热现象称稳定传热。反之，则称为不稳定温度场和不稳定传热。等温面在温度场中，把温度相同的各点连接起来，就得到一系列等温面。由于温度场内任一点的温度只能有一个数值，所以等温面互不相交。此外，在同一等温面上各点间无温度差，也就没有传热现象发生。只有在穿过等温面的方向上才有温度的变化，才有可能发生传热现象，且沿等温面的法向。温度梯度和热传导微分方程2.热传导微分方程：1.温度梯度：如图表示温度差值为△t的若干个等温面。温度梯度是一个在等温面法线上向着温度增加方向的矢量，用符号gradt表示，其定义如下：式中，为在法线上朝温度增加方向的单位矢量。温度梯度的物理意义式：某时刻温度场在该点朝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。式中称为热扩散率单位为m2/s。它是物体热惯性的特征，其值越小，表示热惯性越大。对稳定热传导，，故有：此即稳定热传导微分方程式。傅立叶定律热传导的宏观规律可用傅立叶定律来描述，即：式中，Φ为传热流量，即单位时间内传导的热量，W；S为等温表面的面积，m2；λ为比例系数，称为热导率，W/(m·K)。式中负号表示热流方向总是和温度梯度方向相反。热导率是表示物质导热能力的物性参数。物质的热导率随温度、密度、压强、温度而变化。一般金属的热导率最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小。1.固体热导率：λ＝2.5～420W/(m·K)。金属的纯度降低，热导率会迅速降低。2.液体热导率：λ＝0.09～0.7W/(m·K)。水比所有水溶液的热导率都高，液体的热导率随浓度的增加而降低，纯液体的热导率比其溶液高。3.气体热导率：λ＝0.0058～0.58W/(m·K)。空气在0摄氏度时的热导率为0.0245

W/(m·K)，故静止空气是一种良好的绝热材料。一般物质的热导率均随温度而变化，金属材料的热导率随温度升高而降低，非金属材料的热导率则相反。除水和甘油外，大多数液体热导率随温度升高而降低。气体的热导率随温度的升高而增大。平壁热传导和圆筒壁热传导平壁热传导：1.单层平壁的热传导：平壁内温度只烟壁方向发生变化，故温度场时一维的。2.多层平壁热传导：多层平壁的总热阻为串联的高层热阻之和。其各层的温差分配正比于各层热阻的相对大小，某层热阻越大，该层的温度降落也就越大。圆筒壁热传导：圆筒壁热传导与平壁热传导的不同处在于圆筒壁的传热面积随半径而变，不是常量；温度也随半径而变。温度只沿径向r变化，故温度场仍为一维的，其等温面是与筒壁同轴的圆柱面。单位时间内通过单层圆筒壁的热量与导热系数、筒长及内外壁温差成正比，而与圆筒外径、内径比值的自然对数成反比。对流传热对流传热：是指流体中质点发生相对位移而因起的热交换。仅发生在流体中，由运动着的流体起在热作用。产生对流的原因：流体质点的位移，是温度不同引起的密度差，轻者上浮，重者下沉，形成自然对流。流体质点的运动，以外力（泵或搅拌等）所致，称为强制对流。传热的加强与减弱一、传热的增强：加大传热面积：增大温度差：减小传热阻力：减小间两侧面对流传热热阻：流体的流动状态：Q=Sδt/R流体的流动状态辐射传热

任何物体，只要其绝对温度不是零度，都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量，同时又不断的吸收来自其他物体的辐射能。辐射传热：是不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程。其结果是高温物体向低温物体传递了能量。辐射加热方法：红外线加热：0.8~100μm电磁波。红外线被物体吸收后，产生共振，引起原子分子的振动和转动，转变为热。高频加热：将加热物料置于高频电场内，依靠高频电场的交变作用使物料加热。微波加热：波长0.001~1m，频率300~300000MHz的电磁波。与高频加热一样，也是分子振动而发生热量。工业锅炉蒸发量蒸汽锅炉每小时产生的额定蒸汽量压力蒸汽锅炉出汽口处的蒸汽额定压力或热水锅炉出水口的热水额定压力称为锅炉的工作压力温度生产过热蒸汽的锅炉或热水锅炉，必须表明蒸汽过热器出口处热蒸汽的温度或热水出口处的水温锅炉的效率锅炉用于生产蒸汽或热水的热量占所消耗燃料的全部热量的百分比煤水比锅炉单位时间的耗煤量和所产生的蒸汽量之比金属消耗率制造锅炉耗用的金属重量与其额定蒸发量之比空气预热设备用于空气预热的有蒸汽、烟气、电、太阳能和其他燃料加热的各种设备其中前三种应用广泛。蒸汽加热的空气预热设备农产品和食品的热加工中，制作淀粉、味精的气流干燥、制左淀粉、血粉的喷物干燥和干制果蔬的隧道式干燥，都采用蒸汽加热的空气预热设备，它具有卫生条件好，热风温度较易调节控制等优点。设备由蒸汽锅炉、空气过滤器、热交换器和管、阀等组成烟气加热的空气预热设备1.管式热风炉：燃煤炉或燃烧室、热换器、烟囱和风机等部分组成2.无管式热风炉：炉壳体、燃烧室、炉蕊、冷风罩和环形风道、烟道组成

管式热交换器结构工作过程是燃煤产生的烟气由烟道气进口送入，在管内往返流动，然后排入大气。冷空气由风机引入管壳间与烟气进行换热形成热风。优点：结构简单，容易制造，设备费低。缺点：换热器易漏气，使用寿命短，不易清灰在国内虽未大量应用，但对农副产品和土特产品的干燥发挥了作用无管式热风炉由炉壳体、燃烧室、炉蕊、冷风罩和环形风道、烟道组成外界冷空气靠风机引力，从热风炉顶部进入，经两辊回程通过炉蕊由炉体中部排出。燃烧室产生的烟气经两个回程从炉下部排出特点：炉体除冷风罩外，所有金属面都参加热交换，换热面积大；炉蕊内壁焊有散热片，能够强化换热、降低炉壳体温度、延长使用寿命；散热面多为垂直布置，减少积灰；安装简便。但金属耗量大、造价较高。第四节加热、冷却和杀菌设备加热、冷却和加热杀菌的设备种类甚多，乳品、果品和肉食品加工厂常用的有代表性的设备有夹层式、筒式、管式、片式和闪蒸式等类型。换热器：主要指实现流体与流体间热交换的设备1.贮槽式换热器2.筒式换热器3.管式换热器：(1).列管式换热器；(2).螺线管式换热器(3).套管式换热器；(4).板式换热器；(5).闪蒸式灭菌器分类：分类：1、按传热方式：间壁式，混合式。2、按使用目的：预热式、加热式、过热式、冷凝式、深冷式等。3、按结构和传热面积对间壁式又分：管式、板式。管式又分：列管式、蛇（盘）管式、套管式、翅片管式等贮槽式换热器内胆用不锈钢制造，外壳采用优质碳素钢，外覆玻璃棉及镀锌铁皮保温层。内胆与外壳间为传热夹层，当夹层内通入蒸汽或热水时，可对贮存在内胆中的物料进行升温或保温。底部排水口与疏水器衔接，以排出冷凝水，如用作冷却降温时，载冷体则由底部进口管进入，经热交换后由上部溢流管排出。传热夹层与压力表及安全阀相通，便于观察调节蒸汽压力，并保证操作安全。内胆中装有锚式搅拌器7及挡板6，可搅拌物料，上下翻动，以提高物料与器壁的热交换作用，达到均匀加热或冷却的目的。优点：结构简单、操作方便、清洗检修容易，一般要配置2～3台，以便轮流周转。筒式换热器呈圆筒形，有立式和卧式两种，适于瓶装罐头食品的杀菌操作立式杀菌器一般是先用蒸汽直接对锅内的水加热，然后热水通过罐壁内食品加热，常用于中小罐头厂的常压杀菌。卧式杀菌器多用蒸汽直接对器内罐头加热，常用于大型罐头厂的高压杀菌。由筒体14、门15、进气管2和控制仪表、阀门等组成。筒体内底部装有两根平行轨道，供盛罐头用的杀菌车推进推出之用在轨道下面设有两条平行的蒸汽管道，管道上开有小孔。为了便于杀菌时排水，下部设有地槽。泄气阀在筒体顶部用于排除蒸汽进入的空气。筒体上还装有其他各种管道接口、仪表和阀门。管式换热器列管式换热器：按结构分成固定板式、U形管式和浮头式工作时液料从管内往返流过，加热或冷却介质从管间流过特点：可以补偿热膨胀，清洗和维修方便，但结构复杂，造价较高列管式换热器：按结构分成固定板式U形管式和浮头式。图7-12为浮头式，由壳体、浮头、传热管束等组成。工作时液料从管内往返流过，加热或冷却介质从管间流过。螺旋管式换热器组成：由壳体、螺旋管、蒸汽管、调节器和输料泵等组成。螺旋管制成扁形，并缠绕在壳体内的中心圆柱上。工作时液料通过泵由液料入口进入螺旋管内，自下向上流动，从出料管排出，装入瓶或罐内。蒸汽自上方输入壳内与螺旋管之间，对管内的料液加热。特点：结构简单，操作方便，容易清洗，能连续生产应用：主要用于果汁的巴式短时杀菌套管式换热器组成：用一组蛇管和一组套管串联作业的换热器应用：适于果汁、蔬菜汁、乳汁等液料的超高温瞬时灭菌结构：供料泵、加热器、套管、贮槽、中间泵、仪表工作过程：贮槽16内注清水，打开进料三通旋塞5的循环通道，即关闭进料通道，启动供料泵，用清水洗清灭菌机；贮槽水放尽，转动旋塞，开始供料。料液进入套管8进行预热，再进入蛇行管内进行高温瞬时灭菌，然后返回套管进行冷却，最后通过出料三通旋塞15输出。若没有达到要求，可转动出料三通旋塞，使料液回流入贮槽，重新送入管内再次灭菌。列管式换热器乳进乳出列管式蛇管式翅片管式片（板）式热交换装置板式换热器，适于果汁、乳汁等液体食品的冷却、加热、巴式杀菌、高温短时杀菌和超高温灭菌、还用于真空浓缩操作片形式螺旋板式板式换热器结构：导杆、压紧板、传热板、连接管、垫圈波纹板：该板上冲压有于流体流向垂直活成一定角度的波纹，使流体均匀地再板的水平面上形成薄膜，并沿垂直于波纹的方向流动。当流体通过传热板间时，流体的流向和流速经