食品工程原理第二講PPT課件

1、第二章 傳熱2.12.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)2.22.2 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱2.32.3 輻射傳熱輻射傳熱2.42.4 穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算2.52.5 不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱2.62.6 換熱器簡(jiǎn)介換熱器簡(jiǎn)介基本概念基本概念熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction);(conduction);對(duì)流對(duì)流(convection);(convection);輻射輻射(radiation)(radiation)。 傳熱是由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移傳熱是由于溫度差而引起的能量轉(zhuǎn)移熱量傳遞。熱量傳遞。根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：強(qiáng)化傳熱：加熱或冷卻物料強(qiáng)化

2、傳熱：加熱或冷卻物料削弱傳熱：設(shè)備和管道的保溫，減少熱損失削弱傳熱：設(shè)備和管道的保溫，減少熱損失2.1熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（conduction）通過微觀粒子（分子、原子和電子）的運(yùn)動(dòng)通過微觀粒子（分子、原子和電子）的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰總鬟f。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰總鬟f。a a 傅立葉定律傅立葉定律 熱導(dǎo)率（熱導(dǎo)率（thermal conductivity）,w/(mk)其中保溫隔熱材料：其中保溫隔熱材料： 非金屬固體非金屬固體液體液體氣體氣體大多數(shù)食品物料熱導(dǎo)率的數(shù)量為大多數(shù)食品物料熱導(dǎo)率的數(shù)量為101熱傳導(dǎo)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能不同，熱傳導(dǎo)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能不同，也會(huì)不同，一般取兩傳熱溫度下的平均值。也

3、會(huì)不同，一般取兩傳熱溫度下的平均值。平壁平壁：一維熱傳導(dǎo)：一維熱傳導(dǎo)q為常量為常量圓筒壁圓筒壁：溫度僅沿半徑方向變：溫度僅沿半徑方向變 化化q是常量是常量a 單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱rtbttbtt/)(2121平均熱導(dǎo)率）若熱導(dǎo)率為常量（或取熱流密度dxdtq txbdxt1t2qosqq q:傳熱速度（熱流量）傳熱速度（熱流量）w(j/s)r:導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻s:傳熱面積傳熱面積傅立葉定律傅立葉定律是熱是熱傳導(dǎo)的基本定律傳導(dǎo)的基本定律當(dāng)當(dāng)為常量時(shí)為常量時(shí) )()(121ttbttq則平壁內(nèi)任一等溫面的溫度則平壁內(nèi)任一等溫面的溫度btttt)(211xt1tt2bb 單層圓筒壁單

4、層圓筒壁111221ln)(2ln2rrttlrrttlqdrdtrldrdtsq)2(則圓筒內(nèi)的溫度分布則圓筒內(nèi)的溫度分布121211lnln)(rrrrtttt溫度僅僅沿半徑方向變化溫度僅僅沿半徑方向變化傳熱面積不是常量。隨半徑而變傳熱面積不是常量。隨半徑而變q q是常數(shù)，是常數(shù)，q q不是常數(shù)不是常數(shù)a 多層平壁多層平壁334322321/bttbtt/b-ttq12133221141bbbttqtx123qt1t2t3t42.1.3 多層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱多層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱q q 相等相等某冷庫(kù)壁面由某冷庫(kù)壁面由0.076m厚的混凝土外層，厚的混凝土外層，0.100

5、厚的軟木中間厚的軟木中間層及層及0.013m厚的松木內(nèi)層組成。其相應(yīng)的熱導(dǎo)率為：混凝厚的松木內(nèi)層組成。其相應(yīng)的熱導(dǎo)率為：混凝土土0.762w/(mk)；軟木；軟木0.0433w/(mk).松木松木0.151w/(mk).冷庫(kù)內(nèi)壁面溫度為冷庫(kù)內(nèi)壁面溫度為18，外壁面溫度為，外壁面溫度為24.求進(jìn)入冷庫(kù)求進(jìn)入冷庫(kù)的熱流密度以及松木與軟木交界面的溫度。的熱流密度以及松木與軟木交界面的溫度。解：由題意為三層平壁的導(dǎo)熱，解：由題意為三層平壁的導(dǎo)熱，t1=24,t4=-18,b1=0.076m,b2=0.100m,b3=0.013m,1=0.762w/(mk),2= 0.0433w/(mk) ,3 =0.

6、151w/(mk)(1)計(jì)算熱流密度計(jì)算熱流密度q233221141/8 .16151. 0013. 00433. 0100. 0762. 0076. 0)18(24mwbbbttq(2)計(jì)算松木與軟木交界面的溫度計(jì)算松木與軟木交界面的溫度t3cqbttbtt6 .16151. 0/013. 08 .1618/33433343q12121ln12rrttlq34343ln12rrttlq23232ln12rrttlqb 多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱r1r2r312t1t2t3多層圓筒壁多層圓筒壁q q相等相等整理上三式可得整理上三式可得 34323212141ln1ln1ln1)(

7、2rrrrrrttlqr1r2r312t1t2t3。8 .7382423.63.10508.00254.00254.00254.02/0508.0127.02/0254.2c cr r3 33c,5k);w/(m0k),w/(m2m,0m,031212ttrmbr1解：已知r rw/m10.242310.01270.025421.631)3.14(538211223212310868 .370.02540.0508lnlnrrlnrrln)t(tq/l1例：內(nèi)徑為例：內(nèi)徑為25.4mm，外徑為，外徑為50.8mm的不銹鋼管，其熱的不銹鋼管，其熱導(dǎo)率為導(dǎo)率為21.63w/(m.k).外包厚度為外

8、包厚度為25.4mm的石棉保溫層，的石棉保溫層，其熱導(dǎo)率為其熱導(dǎo)率為0.2423w/(m.k).管的內(nèi)壁面溫度為管的內(nèi)壁面溫度為538，保，保溫層的外表面溫度為溫層的外表面溫度為37.8,計(jì)算鋼管單位長(zhǎng)度的熱損失計(jì)算鋼管單位長(zhǎng)度的熱損失及管壁與保溫層分界面的溫度。及管壁與保溫層分界面的溫度。（1）單位管長(zhǎng)的熱損失）單位管長(zhǎng)的熱損失q/l12211ln)(2rrttlqt2 =532.5（2）計(jì)算管壁與保溫層分界面的溫度）計(jì)算管壁與保溫層分界面的溫度5.53263.21210127.00254.0ln108653821ln)(11212rrlqtt2.2 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱2.2.1 牛頓冷卻定律

9、牛頓冷卻定律（newtons law of cooling ）t ts s式中式中 對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，w/（m2k） s 總傳熱面積，總傳熱面積，m2 t 溫度差的平均值溫度差的平均值對(duì)流傳熱的所有復(fù)雜性都集中在對(duì)流傳熱的所有復(fù)雜性都集中在中中對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱-流體與固體壁面流體與固體壁面熱對(duì)流流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過熱對(duì)流流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程程僅發(fā)生在流體僅發(fā)生在流體tsq反映了對(duì)流傳熱的快慢，反映了對(duì)流傳熱的快慢，越大表示對(duì)流傳熱愈快。越大表示對(duì)流傳熱愈快。與與不同，不是物理性質(zhì)，受許多因素影響。不同，不是物理性質(zhì)，受許多因素影響。距離距離t

10、twtwt熱流體熱流體冷流體冷流體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿嫱牧髦黧w湍流主體湍流主體湍流主體傳熱壁面?zhèn)鳠岜诿鎸恿鲗恿鞯讓拥讓訉恿鲗恿鞯讓拥讓觽鳠岱较騻鳠岱较驅(qū)α鱾鳠崾疽鈭D對(duì)流傳熱示意圖各質(zhì)點(diǎn)混合各質(zhì)點(diǎn)混合溫度梯度小溫度梯度小各處溫度基本相同各處溫度基本相同對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱熱阻對(duì)流傳熱熱阻主要滯流內(nèi)層（層流底層）主要滯流內(nèi)層（層流底層）分層流動(dòng)，分層流動(dòng)，各層通過各層通過導(dǎo)熱進(jìn)行。導(dǎo)熱進(jìn)行。熱導(dǎo)率小，熱導(dǎo)率小，導(dǎo)熱熱阻導(dǎo)熱熱阻大，溫度大，溫度梯度大。梯度大。n對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式srnrmeugparn 2.2.2 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立方法對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立方法理論方法理論方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)

11、方法量綱分析實(shí)驗(yàn)確定各準(zhǔn)數(shù)關(guān)系量綱分析實(shí)驗(yàn)確定各準(zhǔn)數(shù)關(guān)系準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)與意義 準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾（nusselt） nu對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾（reynolds）re流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)llusrnrmeugparn 準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)與意義 準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義普蘭特（prandtl） pr物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫（grashof） gr自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)pc223tlg流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在流體在圓形直管內(nèi)圓形直管內(nèi)用強(qiáng)制湍用強(qiáng)制湍流、層流、過渡流流、層流、過渡流流體在流體在圓形彎管內(nèi)圓形彎管內(nèi)作強(qiáng)制作強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流流體在流體在非圓形管內(nèi)非圓形管內(nèi)作強(qiáng)制作強(qiáng)制對(duì)流對(duì)流流體外

12、繞壁面強(qiáng)制對(duì)流流體外繞壁面強(qiáng)制對(duì)流流體平行流過平板流體平行流過平板流體流過單個(gè)球體的表面流體流過單個(gè)球體的表面流體垂直流過圓柱體流體垂直流過圓柱體流體在攪拌槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流體在攪拌槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流大空間自然對(duì)流傳熱大空間自然對(duì)流傳熱蒸氣冷凝放熱蒸氣冷凝放熱沸騰傳熱沸騰傳熱2.2.3 流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流氣體或低粘度液體nreuprn8 . 0023. 014. 0318 . 0027. 0wreuprn高粘度液體流體繞外壁強(qiáng)制對(duì)流繞方形物體繞柱形物體流體繞外壁強(qiáng)制對(duì)流2.2.6大空間自然對(duì)流傳熱n例題：某管道上有一個(gè)邊長(zhǎng)為例題：某管道上有一個(gè)邊長(zhǎng)為0.051m0.04m的長(zhǎng)的長(zhǎng)方形銅

13、片，它的溫度均勻地保持在方形銅片，它的溫度均勻地保持在82.2，當(dāng)，當(dāng)101.3kpa、7.8的冷空氣以的冷空氣以12.2m/s的速度沿長(zhǎng)邊平的速度沿長(zhǎng)邊平行流過此銅片時(shí)，試計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)。行流過此銅片時(shí)，試計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)。6.06985.0pr10310572.3re6985.0pr,/111.1)/(10791.2,10935.154325lumkgkmwspa4528 . 72 .82t解：定性溫度解：定性溫度定性尺寸定性尺寸 l0.051m在附錄中查得在附錄中查得45、101.3kpa下空氣物性如下：下空氣物性如下：)/(9 .60prre664. 0prre664. 03/15

14、. 03/15 . 0kmwllnu2.2.7蒸氣冷凝放熱n冷凝傳熱過程分析n膜狀冷凝傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式蒸氣冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝飽和蒸氣與低于其溫度的壁面接觸時(shí)，放出潛熱。1800 13. 125. 032ertlgr1800 0077. 04 . 033. 032eerrg水以水以1m/s的流速?gòu)牡牧魉購(gòu)?525mm2.5mm的管內(nèi)流過，由的管內(nèi)流過，由20加熱加熱40，管長(zhǎng)，管長(zhǎng)3m.求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：由題意得出管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)。解：由題意得出管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)。（1）定性溫度：）定性溫度： 定性尺寸：定性尺寸：3024020t（2）查取定性溫度下的物

15、性。）查取定性溫度下的物性。mdi02. 0)/(6171.0),/(174.4,1012.80,/7 .99553kmwkkgkjcspamkgp42. 56171. 01012.8010174. 4pr1011049. 21012.807 .995102. 0re6015002. 0353445piicuddl4101re)/(4588prre023. 024 . 08 . 0kmwdi（3）計(jì)算水的對(duì)流傳熱系數(shù)）計(jì)算水的對(duì)流傳熱系數(shù)為湍流，選用式為湍流，選用式210，水被加熱，水被加熱，n=0.4100的的 飽和水蒸氣在外徑為飽和水蒸氣在外徑為0.05m，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為2m的單根垂的單根

16、垂直圓管外冷凝，管外壁溫度為直圓管外冷凝，管外壁溫度為80.度求單位時(shí)間的蒸氣度求單位時(shí)間的蒸氣冷凝量。如果管子改為水平放置，問蒸氣冷凝量為多少？冷凝量。如果管子改為水平放置，問蒸氣冷凝量為多少？解：蒸氣的冷凝潛熱取解：蒸氣的冷凝潛熱取100下的值，由附錄查得下的值，由附錄查得：kgkjr/4 .22582080100t)/(5380)2021065.316804. 03 .965104 .225881. 9(13. 113. 124/15234/132kmwtlgr定性溫度定性溫度 t（10080）/290由附錄查得由附錄查得90下水的物性為下水的物性為spamkgkmw531065.31,

17、/3 .965,/6804. 0（1）單根垂直圓管外冷凝。先假設(shè)為層流，則用式）單根垂直圓管外冷凝。先假設(shè)為層流，則用式222skgrqws/015. 0104 .2258/10380. 3/34wtsq410380. 320205. 05380skgwskmwdlvhvh/0242. 0015. 061. 1/8662538061. 161. 161. 105. 0/213. 1/725. 0/13. 1/725. 0/24/10hv和180012041065.31104 .2258202538044re53rtl校對(duì)流動(dòng)類型：校對(duì)流動(dòng)類型：假設(shè)正確：假設(shè)正確：由牛頓冷卻定律，得由牛頓冷卻定

18、律，得蒸氣冷凝量為蒸氣冷凝量為單根水平管外冷凝。以單根水平管外冷凝。以 分別表示管垂直和水平放分別表示管垂直和水平放置時(shí)的冷凝傳熱系數(shù)，用式置時(shí)的冷凝傳熱系數(shù)，用式224除以式除以式222，并注意，并注意到到n1，得，得2.2.8 沸騰傳熱沸騰傳熱液體與溫度高于其液體與溫度高于其飽和溫度的壁面接飽和溫度的壁面接觸被加熱汽化、并觸被加熱汽化、并產(chǎn)生氣泡的過程稱產(chǎn)生氣泡的過程稱為液體沸騰或沸騰為液體沸騰或沸騰傳熱。傳熱。同種液體同種液體沸騰傳熱沸騰傳熱時(shí)的時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變時(shí)的大。時(shí)的大。大容器內(nèi)飽和沸騰隨加熱面壁溫與液體飽和溫度之差大容器內(nèi)飽和沸騰隨加熱面壁溫與液體飽和

19、溫度之差t ttw-tstw-ts的變化出現(xiàn)不同類型的沸騰狀（三個(gè)階段）的變化出現(xiàn)不同類型的沸騰狀（三個(gè)階段）1 當(dāng)溫差較小時(shí)，加熱表面上的液體輕微過熱，使液體當(dāng)溫差較小時(shí)，加熱表面上的液體輕微過熱，使液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流，但沒有氣泡逸出液面，只在液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流，但沒有氣泡逸出液面，只在液體表面發(fā)生蒸發(fā)。表面發(fā)生蒸發(fā)。自然對(duì)流自然對(duì)流2 當(dāng)溫差升高，氣泡開始在加熱面?zhèn)€別地點(diǎn)產(chǎn)生（稱為當(dāng)溫差升高，氣泡開始在加熱面?zhèn)€別地點(diǎn)產(chǎn)生（稱為汽化核心）。在此階段由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱汽化核心）。在此階段由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱起著主導(dǎo)的作用，起著主導(dǎo)的作用，泡核沸騰或核狀沸騰泡核沸騰或核狀沸騰3

20、 隨著溫差的進(jìn)一步增大，加熱面的汽化核心數(shù)進(jìn)一步隨著溫差的進(jìn)一步增大，加熱面的汽化核心數(shù)進(jìn)一步增多，氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離加熱表面的速度，使增多，氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離加熱表面的速度，使得氣泡在脫離壁面前就連接起來，形成一層蒸氣膜。得氣泡在脫離壁面前就連接起來，形成一層蒸氣膜。不穩(wěn)定膜狀沸騰穩(wěn)定膜狀沸騰不穩(wěn)定膜狀沸騰穩(wěn)定膜狀沸騰由泡核沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。由泡核沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。2.3.1 基本概念基本概念1.1.熱輻射熱輻射物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程稱為熱輻射能量的過程稱為熱輻射（thermal

21、radiation）2.3 輻射傳熱輻射傳熱2、吸收率、吸收率 a，反射率，反射率 r 和透過率和透過率 d （absorption,reflection and diaphaneity )3、黑體、白體和透體、黑體、白體和透體黑體黑體 a=1 白體白體 r=1 熱透體熱透體 d=1draqqqq1qqqqqqdra1dra根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：qqrqtqan理想物體，并不存在理想物體，并不存在4、灰體、灰體 灰體：灰體： 能以相同的吸收率且部分地吸收所有波長(zhǎng)范圍能以相同的吸收率且部分地吸收所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體稱灰體。的輻射能的物體稱灰體。理想物體，工程材料作為灰體處理理

22、想物體，工程材料作為灰體處理吸收率與波長(zhǎng)無關(guān)吸收率與波長(zhǎng)無關(guān)不透熱體不透熱體 a+r=12.3.2 物體的輻射能力物體的輻射能力 物體的輻射能力是指物體在一定溫度下，單位表面物體的輻射能力是指物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總能量，記做積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總能量，記做e，單，單位是位是w/m2 a 斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼波爾茨曼（stephen-boltzman ）定律定律黑體的輻射能力記做黑體的輻射能力記做eb 。 上式說明，黑體的發(fā)射能力正比于熱力學(xué)溫度的四上式說明，黑體的發(fā)射能力正比于熱力學(xué)溫度的四次方，亦稱四次方定律。次方，亦稱四次方定律。40teb

23、0為黑體的輻射常數(shù)，其值為為黑體的輻射常數(shù)，其值為5.6710-8 w/(m2k4)t 為黑體表面的絕對(duì)溫度，為黑體表面的絕對(duì)溫度，kbee黑體的輻射能力實(shí)際物體的輻射能力aeeb黑度（發(fā)射率）黑度（發(fā)射率）b b 克?；舴颍讼；舴颍╧irchhoffkirchhoff）定律）定律揭示了物體的輻射能力揭示了物體的輻射能力e與與吸收率吸收率a之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 表明灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該灰體的黑度。表明灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該灰體的黑度。物體的吸收率愈大，其輻射能力也愈強(qiáng)，物體的吸收率愈大，其輻射能力也愈強(qiáng)，善于吸收的物善于吸收的物體必善于輻射體必善于輻射a2.3.

24、3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱a 有效輻射與角系數(shù)有效輻射與角系數(shù)灰體（灰體（s，）本身輻射的能量本身輻射的能量投射能量的反射投射能量的反射有效輻射有效輻射 j單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)由灰體表面由灰體表面所射離的總所射離的總能量。能量。例圖例圖rgergejb設(shè)設(shè)q為該灰體單位表面與外界的換熱量為該灰體單位表面與外界的換熱量qejb) 11(角系數(shù)角系數(shù)f12 ：從物體從物體1的表面所發(fā)射的能量被另一物體的表面所發(fā)射的能量被另一物體2所所截獲的分?jǐn)?shù)，截獲的分?jǐn)?shù)，f12稱為物體稱為物體1對(duì)物體對(duì)物體2的角系數(shù)。的角系數(shù)。 s1f12=s2f21s1、s2分別為物體分別為物體1和物體和物體2

25、的表面積，的表面積，m2f12、f21分別為物體分別為物體1對(duì)物體對(duì)物體2的角系數(shù)和物體的角系數(shù)和物體2對(duì)物體對(duì)物體1 的角系數(shù)。的角系數(shù)。b 輻射傳熱的計(jì)算輻射傳熱的計(jì)算n對(duì)于s1=s2的大平板1112142411012ttsqn對(duì)于s1s2424110112ttsqn平行兩有限表面424112102112ttfsq. 100 25010.122，爐壁面的黑度取面包表面的黑度取為包得到的輻射熱量。之間為封閉空間，求面假設(shè)爐壁和面包面包溫度為，壁面溫度為換熱面積為壁輻射的面包塊在烤爐，爐內(nèi)有一表面積為mm例例：12ktmsktms523273250, 8 . 0,1,372273

26、100, 5 . 0,1 . 022221121w1q3 .551)1(122110 0ss4241112ttsq解：本題屬于兩表面構(gòu)成的封閉空間的輻射傳熱，解：本題屬于兩表面構(gòu)成的封閉空間的輻射傳熱，應(yīng)用式應(yīng)用式239，有，有2.3.4 對(duì)流與輻射綜合傳熱對(duì)流與輻射綜合傳熱n在食品工業(yè)中，許多設(shè)備的外表溫度高于環(huán)境溫度，通過對(duì)流和輻射方式，向周圍散熱，造成大量的能量損失。對(duì)流對(duì)流)(440awwwrttsq)(awwrrttsqawawwrtttt)(440輻射輻射)()()(ttsttsqqqwwtwwrcrc)(awwccttsq總熱損失總熱損失 對(duì)流輻射綜合傳熱系數(shù)對(duì)流輻射綜合傳熱系數(shù)

27、外徑為外徑為194mm的蒸氣管道，外包一層熱導(dǎo)率為的蒸氣管道，外包一層熱導(dǎo)率為0.09w/(m.k)的保溫材料。管道的外壁面溫度為的保溫材料。管道的外壁面溫度為133，保溫層外表面，保溫層外表面溫度要求不超過溫度要求不超過40，周圍環(huán)境溫度為，周圍環(huán)境溫度為20，求保溫層的，求保溫層的厚度應(yīng)為多少？厚度應(yīng)為多少？解：由題給條件，可選用式解：由題給條件，可選用式246計(jì)算。計(jì)算。)/(4 .10)2040(052. 04 . 9)(052. 04 . 92kmwttawtmddddttlqwl264. 0)194. 0/ln(/ )40130(09. 02)/ln(/ )(2000mddb035

28、. 02/ )(0000653)2040(4 .10ddttdlqawtl設(shè)加了保溫層以后的管道外徑為設(shè)加了保溫層以后的管道外徑為d0，則單位管長(zhǎng)的熱損失為，則單位管長(zhǎng)的熱損失為：在穩(wěn)定傳熱過程中，熱損失等于通過保溫層導(dǎo)出的熱量在穩(wěn)定傳熱過程中，熱損失等于通過保溫層導(dǎo)出的熱量無相變化無相變化上式即為上式即為換熱器的熱量恒算式換熱器的熱量恒算式。式中式中 q換熱器的熱負(fù)荷，換熱器的熱負(fù)荷，kj/h或或w ql 換熱器的熱損失，換熱器的熱損失，w cp 流體的平均定壓比熱容，流體的平均定壓比熱容，j/(kg.k) w流體的質(zhì)量流量，流體的質(zhì)量流量，kg/s 下標(biāo)下標(biāo)c、h分別表示冷流體和熱流體，下

29、標(biāo)分別表示冷流體和熱流體，下標(biāo)1和和2表示換熱器的進(jìn)口和出表示換熱器的進(jìn)口和出口口q=whcph(th1-th2)=wccpc(tc2-tc1)+ql2.4 穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算穩(wěn)定傳熱過程計(jì)算2.4.1熱量恒算熱量恒算 若換熱器中若換熱器中兩流體兩流體有相變有相變時(shí)，則有時(shí)，則有式中式中 cp流體的比熱，流體的比熱，j/（kgk ） r飽和蒸氣的冷凝潛熱，飽和蒸氣的冷凝潛熱，j/kg ts冷凝液的飽和溫度，冷凝液的飽和溫度， q=whr+cph(th1-th2)=wccpc(tc2-tc1)+qlq=whr=wccpc(tc2-tc1)+ql2.4.2 總傳熱速率方程總傳熱速率方程mtksq間壁

30、式換熱器k換熱器的平均傳熱系數(shù)，換熱器的平均傳熱系數(shù)，(總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù))w/(m2.k)主要取決于流體的物性、操作條件、換熱器類型主要取決于流體的物性、操作條件、換熱器類型a 總傳熱系數(shù)的計(jì)算總傳熱系數(shù)的計(jì)算)(2(ln)(2()(2(000cwciwcwhwhhiittlrrrttlttlrq通過管壁通過管壁的導(dǎo)熱的導(dǎo)熱外側(cè)的對(duì)外側(cè)的對(duì)流傳熱流傳熱q1qcondq0穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱通過各步的傳熱速率相等通過各步的傳熱速率相等管壁內(nèi)側(cè)管壁內(nèi)側(cè)的對(duì)流的對(duì)流0001ln11)(2rrrrttlqiiich與與q=kstm比較比較000001ln1iiirrrrrk000ln11rrrrrki

31、iiii外壁外壁內(nèi)壁內(nèi)壁0111bki平壁平壁總熱阻總熱阻0000001ln1iiirrrrrkrb 污垢熱阻污垢熱阻由于傳熱壁面上積存一層污垢，對(duì)傳熱產(chǎn)生的附加熱阻。由于傳熱壁面上積存一層污垢，對(duì)傳熱產(chǎn)生的附加熱阻。管內(nèi)外表面的污垢熱阻分別為管內(nèi)外表面的污垢熱阻分別為rsi，rso,m2.k/w 平壁平壁污垢熱導(dǎo)率污垢厚度sssbrsoiisiiirrrrrrrrrk0000001ln1sosiirbrk0111某一蒸發(fā)器，管內(nèi)通某一蒸發(fā)器，管內(nèi)通90熱流體加熱，對(duì)流傳熱系數(shù)熱流體加熱，對(duì)流傳熱系數(shù)i為為1160w/(m2k).管外有某種流體沸騰，沸點(diǎn)為管外有某種流體沸騰，沸點(diǎn)為50，對(duì)流傳

32、熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)0為為5800w/(m2k). 求以下兩種情況下的求以下兩種情況下的壁溫：壁溫：（1）管壁清潔無垢）管壁清潔無垢（2）外側(cè)有污垢產(chǎn)生，污垢熱阻為）外側(cè)有污垢產(chǎn)生，污垢熱阻為0.005w/(m2k).解：解：在傳熱過程中，金屬壁的熱阻很小，通?？梢院鲈趥鳠徇^程中，金屬壁的熱阻很小，通常可以忽略不計(jì)。根據(jù)略不計(jì)。根據(jù)溫度差與熱阻成正比溫度差與熱阻成正比，壁溫，壁溫tw，管內(nèi)流，管內(nèi)流體溫度體溫度th，管外流體溫度為，管外流體溫度為tc0011ssiicwwhrrtttthwssiittrr00/1/1cwssiittrr00/1/1壁溫更接近熱阻較小一側(cè)的流體溫度壁溫更接近熱阻較

33、小一側(cè)的流體溫度8 .560580010116015090wwwttt4 .84005. 0580010116015090wwwttt1.管壁無污垢時(shí)的壁溫管壁無污垢時(shí)的壁溫2.管壁外側(cè)有污垢時(shí)的壁溫管壁外側(cè)有污垢時(shí)的壁溫2.4.4 傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差a 恒溫傳熱時(shí)的平均溫差恒溫傳熱時(shí)的平均溫差恒溫傳熱：換熱器中間壁兩側(cè)的流體均有相變化，恒溫傳熱：換熱器中間壁兩側(cè)的流體均有相變化，兩流體溫度保持不變。兩流體溫度保持不變。 tm=th-tcb 變溫傳熱時(shí)變溫傳熱時(shí)逆流和并流逆流和并流錯(cuò)流和折流錯(cuò)流和折流1212lntttttm121212chchttttttmmttmt先按逆流計(jì)算

34、逆流時(shí)逆流時(shí)熱流體熱流體th冷流體冷流體tc進(jìn)口進(jìn)口 100出口出口 3040 出口出口15 進(jìn)口進(jìn)口t70255 .432570ln2570ln1212tttttm并流時(shí)并流時(shí)熱流體熱流體th冷流體冷流體tc進(jìn)口進(jìn)口 100進(jìn)口進(jìn)口 1540 出口出口30 出口出口t8510用一傳熱面積為用一傳熱面積為20m2的換熱器將流量為的換熱器將流量為1.4kg/s的某種的某種氣體從氣體從50冷卻到冷卻到35，使用的冷卻水初溫為，使用的冷卻水初溫為25，與氣體作逆流流動(dòng)。換熱器總傳熱系數(shù)為與氣體作逆流流動(dòng)。換熱器總傳熱系數(shù)為230w/(m2k).氣體的平均比熱容為氣體的平均比熱容為1.0kj/(kgk

35、)。求冷卻水用量及出。求冷卻水用量及出口溫度。水的比熱容取為口溫度。水的比熱容取為4.18kj/(kgk) 。)()(1221cccpchhphhttcwttcwq解：熱量衡算式解：熱量衡算式)ln()()()(1221122121chchchchhhphhttttttttksttcwq將已知數(shù)據(jù)代入上兩式得：將已知數(shù)據(jù)代入上兩式得：)25(18. 421)25(1018. 4)3550(100 . 14 . 12233cccttwskgwtttcccc/215. 04 .48253550ln)2535()50(20230)3550(1014 . 122232.4.5 傳熱面積的計(jì)算傳熱面積的

36、計(jì)算a 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)k為常數(shù)為常數(shù) 若流體的物性隨溫度變化不大，則若流體的物性隨溫度變化不大，則k可視為常數(shù)可視為常數(shù)或進(jìn)出口處傳熱系數(shù)的算數(shù)平均值?；蜻M(jìn)出口處傳熱系數(shù)的算數(shù)平均值。mtkqsb k為變數(shù)為變數(shù)12211221lntktktktksqk1，k2換熱器兩端處的傳熱系數(shù)換熱器兩端處的傳熱系數(shù)1、加大傳熱面積、加大傳熱面積 加大傳熱面積可以增大傳熱量，但設(shè)備增加大傳熱面積可以增大傳熱量，但設(shè)備增大，投資和維費(fèi)也隨之增加?？刹捎贸崞蚵菪崞艽嫫沾?，投資和維費(fèi)也隨之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金屬管。通金屬管。2、增加平均溫度差、增加平均溫度差 在理論上可采取提高加

37、熱介質(zhì)溫度或在理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法，但受客觀條件（蒸汽壓強(qiáng)、氣溫降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法，但受客觀條件（蒸汽壓強(qiáng)、氣溫、水溫）和工藝條件（熱敏性、冰點(diǎn)）的限制。提高蒸汽壓、水溫）和工藝條件（熱敏性、冰點(diǎn)）的限制。提高蒸汽壓強(qiáng)，設(shè)備造價(jià)會(huì)隨之提高。在一定氣源壓強(qiáng)下，可以采取降強(qiáng)，設(shè)備造價(jià)會(huì)隨之提高。在一定氣源壓強(qiáng)下，可以采取降低管道阻力的方法來提高加熱蒸汽的壓強(qiáng)。在一定條件下也低管道阻力的方法來提高加熱蒸汽的壓強(qiáng)。在一定條件下也可采用逆流代替并流?？刹捎媚媪鞔娌⒘?。3、減少傳熱阻力、減少傳熱阻力 （1）減少壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料）減少壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料

38、；（；（2）防止污垢形成或經(jīng)常清除污垢；（）防止污垢形成或經(jīng)常清除污垢；（3）加大流速，）加大流速，提高湍動(dòng)程度，減少層流內(nèi)層的厚度均有利于提高對(duì)流傳提高湍動(dòng)程度，減少層流內(nèi)層的厚度均有利于提高對(duì)流傳熱系數(shù)。熱系數(shù)。2.4.6 傳熱的強(qiáng)化傳熱的強(qiáng)化2.5 不穩(wěn)定傳熱不穩(wěn)定傳熱 不穩(wěn)定傳熱：不穩(wěn)定傳熱：是在傳熱過程中溫度場(chǎng)隨時(shí)間而變化的是在傳熱過程中溫度場(chǎng)隨時(shí)間而變化的傳熱過程。傳熱過程。 工業(yè)生產(chǎn)上間歇換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)換熱設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)上間歇換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)換熱設(shè)備的啟動(dòng)啟動(dòng) 及停車過程，罐頭食品和香腸在蒸氣中的加熱及停車過程，罐頭食品和香腸在蒸氣中的加熱滅菌及浸在冷水的冷卻，鮮肉的冷

39、凍或解凍等。滅菌及浸在冷水的冷卻，鮮肉的冷凍或解凍等。集總參數(shù)分析法集總參數(shù)分析法圖解法圖解法2.5.1 集總參數(shù)分析法（忽略內(nèi)阻）集總參數(shù)分析法（忽略內(nèi)阻）假定在不穩(wěn)定傳熱過程中的任意時(shí)刻物體內(nèi)部溫度均假定在不穩(wěn)定傳熱過程中的任意時(shí)刻物體內(nèi)部溫度均勻一致勻一致1ln)(ttttsvctvdtcdtttsffppf把溫度為把溫度為t1的高溫固體置于的高溫固體置于t1的冷流體中，的冷流體中，使用上式需滿足條件。使用上式需滿足條件。bia 換熱器的分類換熱器的分類1.直接接觸式直接接觸式冷熱兩流體直接接觸混合換熱，傳熱效率很高冷熱兩流體直接接觸混合換熱，傳熱效率很高例：噴射式冷凝器例：噴射式冷凝器

40、2.非直接接觸式非直接接觸式（1）間壁式）間壁式（2）蓄熱式）蓄熱式（3）流化床）流化床間壁式換熱器又可分為：間壁式換熱器又可分為：管式換熱器管式換熱器 包括殼管、列管、螺旋管式等包括殼管、列管、螺旋管式等板式換熱器板式換熱器 包括片式、螺旋板式等包括片式、螺旋板式等擴(kuò)展表面式換熱器擴(kuò)展表面式換熱器 包括板翅式、管翅式等包括板翅式、管翅式等 1 夾套式換熱器夾套式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱系數(shù)不高，可在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱系數(shù)不高，可在釜內(nèi)安裝攪拌器，可在夾套內(nèi)設(shè)釜內(nèi)安裝攪拌器，可在夾套內(nèi)設(shè)置螺旋隔板。置螺旋隔板。設(shè)攪拌器（設(shè)攪拌器（4）加強(qiáng)傳熱加強(qiáng)傳熱夾套（夾套（3）中的介質(zhì)：中的介質(zhì)：蒸汽蒸汽 1，5

41、水水 5，12 沉浸式換熱器沉浸式換熱器 沉浸在容器的液體中。結(jié)構(gòu)沉浸在容器的液體中。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能受高壓。能受高壓。 對(duì)流傳熱系數(shù)小，可在容器對(duì)流傳熱系數(shù)小，可在容器內(nèi)安裝攪拌器。內(nèi)安裝攪拌器。3 噴淋式換熱器噴淋式換熱器也為蛇管換熱器的一種，也為蛇管換熱器的一種，多用作冷卻器。便于檢多用作冷卻器。便于檢修和清洗，傳熱效果好。修和清洗，傳熱效果好。但噴淋不易均勻。但噴淋不易均勻。4 4 套管式換熱器套管式換熱器 由直徑大小不同的由直徑大小不同的直管制成的同心套管，直管制成的同心套管，并由并由u形彎頭連接而形彎頭連接而成。構(gòu)造簡(jiǎn)單，能耐成。構(gòu)造簡(jiǎn)

42、單，能耐高壓，傳熱面積可根高壓，傳熱面積可根據(jù)需要而增減，嚴(yán)格據(jù)需要而增減，嚴(yán)格逆流，有利傳熱。逆流，有利傳熱。 但接頭多，易泄漏，但接頭多，易泄漏，消耗金屬量大。適用消耗金屬量大。適用于傳熱面積不大而壓于傳熱面積不大而壓強(qiáng)較高的場(chǎng)合。強(qiáng)較高的場(chǎng)合。5 列管式換熱器列管式換熱器a.a.結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式由圓筒形由圓筒形殼體殼體及其內(nèi)部的及其內(nèi)部的管束管束組成組成 管子兩端固定在管子兩端固定在管板管板上上,管板將殼程管板將殼程和管程流體分開和管程流體分開管板外各有殼體管板外各有殼體封頭封頭溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 有三種：有三種：(a)固定管板式固定管板式在殼體上加裝在殼體上加裝 膨脹節(jié)膨脹節(jié)1(

43、c)u型管式型管式(b)浮頭式浮頭式浮頭浮頭2可滑動(dòng)可滑動(dòng)b.b.管程結(jié)構(gòu)管程結(jié)構(gòu)(1) 管子管子 采細(xì)管徑：采細(xì)管徑：d = 1533mm(2) 管板管板 與管束連接：脹接，焊接與管束連接：脹接，焊接與殼體連接：焊接，法蘭夾接與殼體連接：焊接，法蘭夾接 管子在管板管子在管板上的排列方式：上的排列方式：(3) 封頭和分程封頭和分程封頭封頭或或管箱管箱的作用：控制和分配管程流體的作用：控制和分配管程流體管程分：管程分：?jiǎn)纬虇纬蹋黧w經(jīng)（流體經(jīng)1次管全長(zhǎng)）次管全長(zhǎng)）多程：多程：2,4,6程程管箱管箱分程布置方案如圖分程布置方案如圖3.殼程結(jié)構(gòu)殼程結(jié)構(gòu)(1) 殼體殼體(2) 擋板擋板d400mm,用鋼板卷制用鋼板卷制折流擋板有：折流擋板有： 環(huán)盤型環(huán)盤型圓缺型圓缺型擋板擋板（1） 固定管板式固定管板式 帶有補(bǔ)償