化工原理第三章 传热

1、第一，传热在生物(食品)工程中的应用，传热的基本概念，传热：在不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部分之间发生的传热。传热在生物(食品)工程中的应用：(1)一般加热、冷却、冷凝过程；(2)食品的杀菌和保存；(3)蒸发浓缩、干燥、结晶(加热去除水分)；(4)烹饪，烘焙(加热使食物具有一定的生化反应)。食品生产过程的传热要求：传热(加热或冷却材料)强化传热(设备和管道绝热)；第二，传热的基本方法；传热是由于系统内部或物体的温度不同而发生的；根据传热机制的不同，传热的基本方法有三种：传热(conduction)。对流(conection)；辐射(radiation)。物体各部分之间不会发生

2、相对位移，分子、原子和自由电子等微小粒子的热运动产生的传热称为热传导。金属固体：热传导主要取决于自由电子运动。不良导体的固体和液体：主要由分子、原子的振动。气体：主要取决于分子的不规则热运动。1 .热传导(也称为热传导)，2 .热对流，流体各部分之间相对位移引起的传热过程称为热对流。热对流仅发生在流体中。流体和固体壁之间的传热称为对流，强制对流。泵(或风扇)或搅拌等外力引起的对流称为强制对流。流动的原因不同，对流换热的规律也不同。在同一流体中，自然对流和强制对流可能同时发生。自然对流的两种方法：自然对流：由于不同流体温度不同而产生的密度差异，流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。3，热辐射，

3、向由热原因产生的电磁波空间的传输称为热辐射。所有物体不需要任何介质就能以电磁波的形式发射热量。电磁波碰到物体，就会再次变成热。虽然有只在绝对零度以上发射辐射的物体，但热辐射只有在物体温度高的情况下才能成为主要的传热形式。实际上，上述三种传热方法很少单独出现，并且经常相互伴随。第三，换热器类型，换热器：实现冷却、热媒热交换的装置，冷却、热流体交换流过热载波，热流体将热输送到冷却流体。点火炉的气体燃烧系统是使用再生传热。直接混合热流体与冷流体直接混合的传热方法。再生列存储在热载体中，并被传递到冷流体。例如，(图3-3动画)，用于传热的介质-载体。加热介质(加热剂):起加热作用的载体。水蒸气、热水等

4、。冷却介质(冷却液):起到冷却作用的托架列。冷水，空气制冷剂。内壁热流体通过中间壁将热量传递给冷流体，广泛用于化学、食品生产。主要是夹式换热器；蛇形换热器；套管换热器；管换热器；板式换热器。(套管换热器)、(带补偿源)、4、传热过程中的基本问题和传热机理，传热过程中的基本问题概括如下：热载体量计算传热面积计算换热器结构设计提高换热器生产能力的方法。解决这些问题主要取决于两种基本关系。根据能量守恒的概念，热平衡计算称为Q列=Q冷却，热量平衡方程式(如果在操作过程中忽略热量损失)。这种关系可以看作是热体的使用量。热传递率热传递率q(热流):在单位时间内通过传热面的列称为热传递率，对应的单位w-(j

5、/s)。热流q:每单位时间通过传热面的热，W/m2。Q=Q/S实践证明，传热速度的值与热流体和冷却流体之间的温度差tm和传热面积S成正比。也就是说，对于Q=KStm (1-1) S=nd L (1-2)表达式：q 传热速度，w；S传热面积，m2； TM 温差，c；K表示传热设备性能好坏的传热系数，受换热器结构性能、流体流动情况、流体动物等因素的影响，w/m2；N 管数；D 直径，m；L 管长度，m .温度场：特定瞬时空间中每个点的温度分布，称为温度场。第二节热传导1，傅里叶定律1温度场和温度梯度，一维温度场：温度场的温度仅在一个坐标方向上变化。一维温度场的温度分布表达为t=f (x，) (2-

6、1a)，等温面的特性：(1)等温面不能相交；(2)沿等温表面没有热量。不稳定温度场：温度场每个点的温度随时间变化。不稳定温度场下的传热是不稳定的传热。温度场稳定：温度不随时间变化。这是稳定的传热。等温面：温度场中同一时间同一温度的每个点组成的面。注意：热量不会沿等温面传递，在与等温面相交的所有方向上存在温度变化的传热。温度随距离的变化程度沿等温面的垂直(法线)方向最大。沿等温面法向的温度变化率称为温度梯度。温度梯度：温度梯度是垂直于等温线，在温度增加的方向上为正值的向量。对于一维温度场，当等温面x和(x x)温度分别为t(x，)和t (x x，)时，两个等温面之间的平均温度变化率为：2-2，2

7、-2a，傅立叶定律是热传导的基本定律，即在单位时间内传导的热量与温度梯度和热流方向垂直的横截面面积，即在Q单位中传导的热量，传热速度。W A热面积，即垂直于热流方向的表面积、m2 热传导、w/m.k .型式中的负号指示热流方向和温度拔模方向相反。2傅里叶(Fourier)定律，常识称为：Q/S=q:单位时间，每单位面积传递的热量，热流。傅里叶定律意味着热流与温度梯度成正比。2-3a，表示物质导热系数的大小是物质的物理特性之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度和压力有关。通过实验测量。普通金属(固体)的导热系数非金属(固体)液体气体大部分固体与温度的关系=k0 kt单位：w/(m k) k0-

8、0 的导热系数k是经验常数。对于大多数金属材质，k值为负值。对于非金属材料，为正值。3 .热导率，2-3b，单位：w/(m k)，金属(通过自由电子运动)非金属t(通过晶格结构振动)液体的t系统的压力P，3kpa P或P200Mpa随着压力的减少，导热系数也减少，到达真空时约为零，温度保护瓶的夹层为空，这就是这个道理。如图所示：平整壁厚度为b，壁区域为a；壁的材料均匀，导热系数不随温度变化，被认为是常数。平坦壁的温度只会在垂直于壁面的x轴方向上变更，因此等温面是垂直于x轴的平行平面。一维热传导。平坦壁侧的温度t1和T2是恒定的。2，平面壁稳定热传导1单平面壁的热导率， t=t1-T2是热传导的

9、驱动力，R=b/S是热传导的热阻。根据傅里叶定律向上积分，积分边界条件：x=0时t=t1当X=b时，如果t=T2，2-6解得更宽，则传递过程的典型关系是流程传递速度=流程的驱动力/流程的阻力。(与传热、传质、动量传递“3前”相等)，随温度变化时单层扁壁的温度分布是曲线。例如，以三层平整壁为例，各层的厚度分别为B1、B2、B3，各层的材料均匀，热导率分别为1、2、3，被认为是常数。层和层之间的接触良好，相互接触的表面温度相同，每个等温面也是垂直于x轴的平行平面。墙的面积为s，热传导率稳定时，通过每个层的热量必须相同。与、2多层平整壁的稳定热传导一样，对于具有n层的平整壁，通过各层热量的一般公式是

10、，表达式中的I是n层平整壁的壁层序号。s，多层扁壁热传导性是串行传热过程、自下而上、串行传热过程的功率(总温差)是每个过程的温差总和，总热阻是串行热阻叠加原理，在总温差不变的情况下，传热速度取决于总热阻。例如：冷藏的外墙内外砖墙厚度为12厘米，中间层厚度为10厘米，用绝缘材料填充。请计算砖墙的导热系数为0.70w/mk，隔热层的导热系数为0.04w/mk，墙的外部表面温度为10c，内部表面为-5c，进入冷藏库的热流密度(热流密度)，以及隔热层和砖墙接触表面的温度。T2，T3，解决方案：t1=10c，T4=-5c，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，1=3=0.700温度仅在半径方向发生变

11、化，等温面是同心圆柱面。圆柱壁和平整壁的不同之处在于，等温线会根据半径发生变化。在半径r处，厚度为dr的薄层；如果圆柱体的长度为l，则在半径r处，传热区域为A=2rL。3，根据气缸壁的稳定热传导，1单缸壁的稳定热传导，统一和整理向上分离变量的傅立叶法则，薄壁气缸层可以写入传导的热量，常识可以使用类似于平坦壁热导率方程的形式，即与s，相比较。其中，rm气缸壁的对数平均半径、M Sm气缸壁内部、平均外观面积、m2 S2/s 11000，0.7 104(湍流)pr=CP /=(1.026 103 26.0 10-5)，在自然对流的影响较小且可以忽略时计算：nu=1.86 re 1/3par 1/3(

12、di/l)1/3(/w)0.14，复盖范围：Re100。性质大小：取得管内径di。定性温度：除w壁温度外的流体流入、出口温度的算术平均值。1.2流体从圆形直管到强制滞流，自然对流的影响不可忽视时，自然对流的影响取决于管道的水平或垂直布局以及流体的向上或向下流动方向。对于水平管道，计算依据：复盖范围：Re50；管道较短时，l/d60，re=du/=(0 . 020 . 4 997)/(90 . 27 10-5)=8836 re介于2300和10000之间；对于过渡流区域，a为表达式Nupr=CP/=(4 . 179103 90 . 27 10-5)/60 . 8 10-2=6 . 2，修正系数:

13、使用上述角度关联计算，将管内径变更为等效直径de即可。基于等效直径或1.5流体在非圆形管中强制对流，注：传热计算中使用的等效直径由特定关联确定。但是，将关联中的di替换为de是近似算法。对于常用的非圆形管道，通过实验可以直接计算的相关性。例如，在套管回路间隙、水和空气中进行实验时，关联：表达式：D1是套管的内部管道直径，D2是套管的内部管道直径。在错误的管束中，旧Nu=0.33Re0.6Pr0.33内嵌管束中，旧Nu=0.26Re0.6Pr0.33，复盖范围：Re3000正温度：流体流入，出口温度的平均值。正尺寸：取管道的外径时，流速从每行中最窄的渠道获取流速。如果管道行为10且不是10，则必

14、须更正计算结果。2流体在管外强制对流2.1流体在管束外垂直流动，在换热器内有圆形缺失挡板(缺口区域为25%的壳体内的截面面积)的情况下，壳体流体对流换热系数的相关性为：(1) donohull方法Nu=0.23Re0.6Pr1/3(/w)0.14，复盖范围： Re=(23)104特性大小：从每行的最窄通道获取流速定性温度：是除w壁温度以外的流体输入和输出温度的算术平均值。2.2流体在换热器的管间流动，(2)凯恩帕纽=0.36 re 0.55 pr1/3 (/ w) 0.14，注：换热器没有管间挡板，管外流体沿管束平行流动时，使用管内强制对流公式计算公式中的管内径，适用范围： Re=2103到1

15、 105特性大小：等效直径，管道阵列和计算公式不同。定性温度：是除w壁温度以外的流体输入和输出温度的算术平均值。Nu=c(GrPr)n，正温度：薄膜的平均温度，即壁温度和流体平均温度的计算平均值。c，n值为表，3自然对流，蒸汽冷凝有膜冷凝和液滴冷凝。膜状冷凝：冷凝液可以润湿壁面，从而形成完整的膜。凝结水膜是整个冷凝过程中的主要热阻。第二，流体在相变的对流换热系数、1蒸汽冷凝的对流换热系数、冷凝膜在重力作用下向下流动时，产生的液膜变得更厚，因此在壁面高或水平布置时，整个对流换热系数变小。液滴冷凝：冷凝液不湿壁面时，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上制造了很多液滴，沿壁落下。实际生产过程中，大部分都是刚冷凝过程