《食品工程原理》第五章-傳熱

第

五章傳熱HeatTransfer第一節(jié)傳熱概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對(duì)流傳熱第四節(jié)

熱交換第五節(jié)輻射傳熱1最新版整理ppt第一節(jié)傳熱概述5-1傳熱的基本概念

1.傳熱基本方式（1）熱傳導(dǎo)（conduction）當(dāng)物體內(nèi)部或兩直接接觸的物體間有溫度差時(shí)，一部分傳給后者。熱傳導(dǎo)的機(jī)理：分子振動(dòng)自由電子遷移溫度較高處的分子與相鄰分子碰撞，并將能量的2最新版整理ppt（2）對(duì)流傳熱（convection）流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞或流體微團(tuán)改變空間位置所引起的流體和固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程。（3）輻射傳熱（radiation）是一種通過(guò)電磁波進(jìn)行的能量傳遞對(duì)流又分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流2.穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱（steady-stateheattransfer）溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過(guò)程非穩(wěn)態(tài)傳熱

溫度分布隨時(shí)間改變的傳熱過(guò)程3最新版整理ppt3.熱流量和熱阻熱流量（heatflowrate）：熱流密度又稱熱通量（heatflux）：熱流量（傳熱過(guò)程速率）=R—熱阻，K/W4最新版整理ppt4.熱交換(heatexchange)最常見(jiàn)的熱交換是冷、熱兩流體隔著間壁的換熱熱交換所涉及的物質(zhì)焓變的代數(shù)和為零焓變式中cp—定壓比熱容，J/（kg·K）混合物的cp食品物料:式中w—質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各下角標(biāo)：c為碳水化合物，p為蛋白質(zhì)，f

為油脂，a

為灰分，w為水分5最新版整理ppt第二節(jié)熱傳導(dǎo)5-2傅立葉定律5.2A溫度場(chǎng)和溫度梯度5.2B傅立葉定律和熱導(dǎo)率5-3通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.3A通過(guò)單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.3B通過(guò)多層平璧的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

5-4

通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.4A通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.4B通過(guò)多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱6最新版整理ppt5-2傅立葉定律5.2A

溫度場(chǎng)和溫度梯度

1.溫度場(chǎng)某一時(shí)刻空間各點(diǎn)的溫度分布，稱為溫度場(chǎng)(temperaturefield)2.等溫面和等溫線某t,溫度場(chǎng)中同T的點(diǎn)連接成的線或面3.溫度梯度（temperaturegradient）7最新版整理ppt5.2B

傅立葉定律和熱導(dǎo)率1.傅立葉定律式中λ—熱導(dǎo)率（thermalconductivity）,W/(m·K)2.熱導(dǎo)率

λ：物質(zhì)在單位溫度梯度時(shí)所通過(guò)的熱流密度一般情況下,金屬的熱導(dǎo)率最大,固體非金屬次之，液體較小，氣體最小.金屬的λ：50～400W/(m·K)非金屬固體的λ：0.06～3W/(m·K)其中保溫隔熱材料：λ<0.17W/(m·K)8最新版整理ppt物質(zhì)的熱導(dǎo)率λW/(m·K)鋼45.4不銹鋼17.4鑄鐵62.8銅383.8鋁203.5黃銅85.5粘土磚0.57松木0.08石棉板0.12冰2.33水0.60空氣0.026對(duì)水果蔬菜(ww>0.60)，Sweat(1974)：對(duì)肉類(ww：0.60～0.80)，Sweat(1975)：對(duì)許多固態(tài)和液態(tài)食品物料，Sweat(1986)：大多數(shù)均質(zhì)固體材料λ~T呈線性關(guān)系：9最新版整理ppt5-3通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.3A

通過(guò)單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱10最新版整理ppt5.3B

通過(guò)多層平璧的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，各層q相等應(yīng)用加比定律推廣到n層—總熱阻,K/W11最新版整理ppt解：Txδ1δ2qT1T3T212最新版整理ppt本次習(xí)題p.1955.2.13最新版整理ppt5-4

通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱5.4A

通過(guò)單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱14最新版整理ppt5.4B

通過(guò)多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(W)用加比定律推廣到n層Φ15最新版整理ppt16最新版整理ppt第三節(jié)對(duì)流傳熱5-5對(duì)流傳熱的基本原理5.5A牛頓冷卻定律5.5B對(duì)流傳熱的機(jī)理5-6無(wú)相變的對(duì)流傳熱5.6A自然對(duì)流傳熱5.6B強(qiáng)制對(duì)流傳熱5-7有相變的對(duì)流傳熱5.7A沸騰傳熱5.7B冷凝傳熱17最新版整理ppt5-5對(duì)流傳熱的基本原理5.5A

牛頓冷卻定律（Newton’sLawofcooling）式中α—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）對(duì)流傳熱的所有復(fù)雜性都集中在α中5.5B

對(duì)流傳熱的機(jī)理

1.熱邊界層1—層流底層，熱阻最大18最新版整理ppt2.影響對(duì)流傳熱的因素（1）流體狀態(tài)液態(tài)或氣態(tài)，有無(wú)相變（2）流體的性質(zhì)

密度ρ,比熱容cp

,熱導(dǎo)率λ,黏度μ,體脹系數(shù)av（3）

流體流動(dòng)狀況主要為流速u(mài),決定是層流還是湍流（4）傳熱壁面的形狀，位置和大小

代表參量為定性尺寸L19最新版整理ppt5.5C對(duì)流傳熱的量綱分析8個(gè)物理量涉及4個(gè)基本量綱：質(zhì)量M,長(zhǎng)度L,時(shí)間T,溫度Θ8個(gè)物理量的量綱式：代入各量的量綱式：20最新版整理ppt按因次一致性原則對(duì)質(zhì)量M1=c+d+e

對(duì)長(zhǎng)度L0=a+b–c+d–3e+2f+g對(duì)時(shí)間T-3=-a–c–3d–2f–2g對(duì)溫度Θ

-1=-d-f4個(gè)方程，7個(gè)因次未知，指定a,f,g已知，則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個(gè)量綱一的特征數(shù)努塞爾特?cái)?shù)：雷諾數(shù):普蘭特?cái)?shù):格拉曉夫數(shù):每一具體準(zhǔn)則方程都有其適用范圍定性尺寸

定性溫度（Nusseltnumber）（Reynoldnumber）（Prandtnumber）(Grashofnumber）各種條件下,準(zhǔn)則方程的具體形式,應(yīng)由實(shí)驗(yàn)求得的規(guī)定22最新版整理ppt5-6無(wú)相變的對(duì)流傳熱5.6A

自然對(duì)流傳熱Nu=a(Pr·Gr)m定性溫度：定性尺寸L：平壁為壁長(zhǎng)，圓管為直徑a,m—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)類型GrPram豎直平面<1041.361/5（高L<1m）水平圓管104<GrPr<1080.531/4（直徑L<20cm）23最新版整理ppt

例5-4一管徑為10cm的蒸汽管道，其管外壁暴露在大氣中。管外壁表面溫度為130℃，空氣溫度為30℃，計(jì)算自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：據(jù)此Tf，查出空氣物性參數(shù)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

強(qiáng)制對(duì)流傳熱1.管內(nèi)層流2.管內(nèi)湍流定性溫度：流體平均溫度；定性尺寸：管內(nèi)徑d圓管26最新版整理ppt3.管外對(duì)流單管管前半周和后半周差異很大平均當(dāng)Re=103~2×105時(shí)定性溫度：流體主體均溫；定性尺寸：管外徑27最新版整理ppt5-7有相變的對(duì)流傳熱5.7A

沸騰傳熱過(guò)熱度

ΔT=Tw-Ts泡狀沸騰,傳熱良膜狀沸騰，傳熱差對(duì)水：5.7B

冷凝傳熱28最新版整理ppt第四節(jié)

熱交換5-9換熱器5.9A換熱器的分類5.9B管殼式換熱器5.9C板式換熱器5.9D其它間壁式換熱器5-10穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算5.10A換熱基本方程5.10B傳熱系數(shù)5.10C換熱平均溫差5.11B忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)態(tài)換熱

5-11非穩(wěn)態(tài)換熱5.11C內(nèi)外阻共存的非穩(wěn)態(tài)換熱5.11D可忽略外阻的非穩(wěn)態(tài)換熱5.11A非穩(wěn)態(tài)換熱的基本概念29最新版整理ppt5-9換熱器5.9A

換熱器的分類1.直接接觸式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2.非直接接觸式（1）間壁式（2）蓄熱式（3）流化床間壁式換熱器又可分為：①管式換熱器包括殼管、列管、螺旋管式等②板式換熱器包括片式、螺旋板式等③擴(kuò)展表面式換熱器包括板翅式、管翅式等

30最新版整理ppt5.9B

管殼式換熱器又稱列管式換熱器1.結(jié)構(gòu)形式由圓筒形殼體及其內(nèi)部的管束組成管子兩端固定在管板上,管板將殼程和管程流體分開(kāi)管板外各有殼體封頭溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)有三種：(a)固定管板式在殼體上加裝

膨脹節(jié)1(b)U型管式(c)浮頭式浮頭2可滑動(dòng)31最新版整理ppt2.管程結(jié)構(gòu)(1)

管子采細(xì)管徑：d=15～33mm(2)

管板與管束連接：脹接，焊接與殼體連接：焊接，法蘭夾接管子在管板上的排列方式：(3)封頭和分程封頭或管箱的作用：控制和分配管程流體管程分：?jiǎn)纬蹋黧w經(jīng)1次管全長(zhǎng)）多程：2,4,6程管箱分程布置方案如圖32最新版整理ppt3.殼程結(jié)構(gòu)(1)殼體(2)

擋板D<400mm,用鋼管造；D>400mm,用鋼板卷制折流擋板有：環(huán)盤(pán)型圓缺型擋板33最新版整理ppt5.9C

板式換熱器1.

片式換熱器板片間有墊圈：●密封●形成間隙●流體分流流道基本形式（a）并流（b）串流（c）混流34最新版整理ppt傳熱板片表面壓成波紋形：◆↑板片強(qiáng)度◆↑湍流程度波紋有人字形,平直波紋（a）截面有三角形（b）,梯形（c）優(yōu)點(diǎn)①α大②緊湊例：一片式換熱器可進(jìn)行五段操作35最新版整理ppt2.螺旋板式換熱器2張平行鋼板卷制而成加頂蓋、進(jìn)出液接管5.9D

其他間壁式換熱器1.夾套式換熱器設(shè)攪拌器（4）加強(qiáng)傳熱夾套（3）中的介質(zhì)：蒸汽→1，5→水→5，1→36最新版整理ppt2.螺旋盤(pán)管式換熱器（又稱蛇管式換熱器）（a）盤(pán)管形狀（b）沉浸式（c）噴淋式3.套管式換熱器37最新版整理ppt本次習(xí)題p.195~1967.6.8.38最新版整理ppt

5-10穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算5.10A

換熱基本方程+消去壁表溫度39最新版整理ppt令若流體溫度沿間壁縱向變化,ΔT代以平均溫差ΔTm：40最新版整理ppt5.10B

傳熱系數(shù)1.單層平壁2.多層平壁總熱阻3.單層圓管壁式中Am—圓管對(duì)數(shù)平均面積：41最新版整理ppt據(jù)不同面積基準(zhǔn)AI,AII,,有不同傳熱系數(shù)KI,KII：4.多層圓管壁可據(jù)以求KI,KII42最新版整理ppt

例：內(nèi)徑25mm導(dǎo)管用來(lái)輸送80℃液體食品物料，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)為10W/(m2.K)，管壁厚5mm,熱導(dǎo)率43W/(m.K)，管外暴露大氣中，大氣溫度為20℃，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為100W/(m2.K)，管長(zhǎng)1m，分別計(jì)算管內(nèi)，管外面積作基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，并據(jù)以計(jì)算管道的熱損失。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

換熱平均溫差以逆流換熱為例為常量,Th～Φ為直線關(guān)系

為常量,

Tc～Φ亦為直線關(guān)系必然也成直線關(guān)系：斜率45最新版整理ppt將代入上式：與比較換熱平均溫差46最新版整理ppt例用刮板式換熱器冷卻蘋(píng)果醬，蘋(píng)果醬質(zhì)量流量為50kg/h，比熱容cp為3817J/（kg·K）,入口溫度80℃，出口溫度20℃。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口溫度10℃，出口溫度17℃。傳熱系數(shù)K為568W/（m2·K）求：（1）需要的冷卻水量；（2）

換熱平均溫差及換熱面積；（3）若改順流，兩流體出入口溫度同前，求(2)各值。解47最新版整理ppt48最新版整理ppta—物體的熱擴(kuò)散率（thermaldiffusivity），m2/s可用下列四個(gè)量綱一的特征數(shù)表示方程的解（1）時(shí)間比（2）

溫度比5-11非穩(wěn)態(tài)換熱5.11A

非穩(wěn)態(tài)換熱的基本概念一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：xT∞T0→Tλx149最新版整理ppt（3）熱阻比（4）

距離比m的意義：物體外部熱阻和內(nèi)部熱阻之比方程的解：若只研究固體中心，x=0,n=0：50最新版整理ppt5.11B

忽略內(nèi)阻的非穩(wěn)態(tài)換熱(m>10)51最新版整理ppt

例：ρ=980kg/m3,cp=3.95kJ/(kg·K)的番茄汁放入半徑為0.5m的半球形夾層鍋中加熱。夾層鍋初溫20℃，鍋內(nèi)充分?jǐn)嚢?。蒸汽夾套α=5000W/(m2·K),溫度90℃。計(jì)算5min后番茄汁的溫度。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內(nèi)外阻共存非穩(wěn)態(tài)換熱(10>m>1/40)已對(duì)大平板、球體和長(zhǎng)圓柱繪出不同m值的Y-X線算圖1.大平板特性尺寸：x1=板半厚度53最新版整理ppt2.球體特性尺寸：x1=球半徑54最新版整理ppt3.長(zhǎng)圓柱特性尺寸：x1=圓柱半徑55最新版整理ppt

例5-11直徑6cm、初溫15℃的蘋(píng)果放入2℃的冷水流中，水對(duì)蘋(píng)果的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為50W/（

m2·K）,蘋(píng)果的熱導(dǎo)率λ=0.355W/(m·K),比熱容cp=3.6kJ/(kg·K),密度

ρ=820kg/m3。求使蘋(píng)果中心溫度達(dá)到3℃所需時(shí)間。解查圖5-31，得對(duì)應(yīng)X=0.53．56最新版整理ppt本次習(xí)題p.19517.12.57最新版整理ppt

在討論大平板、長(zhǎng)圓柱換熱基礎(chǔ)上，可解決短圓柱等的換熱問(wèn)題：視短圓柱為長(zhǎng)圓柱和大平板的公交體5.11D

可忽略外阻的非穩(wěn)態(tài)換熱(m<1/40)此情況下，只使用m=0一條線就可。設(shè)：Y1—長(zhǎng)圓柱的溫度比Y2—大平板的溫度比Myers(1971)：短圓柱的溫度比YY=Y1·Y258最新版整理ppt例

d=6.8cm,L=10.2cm的豌豆?jié){罐頭在116℃的蒸汽中加熱，α=3820W/(m2·K),λ=0.83W/(m·K),cp=3.8kJ/(kg·K),ρ=1090kg/m3。求初溫30℃的罐頭加熱45min后的中心溫度。解

（1）求長(zhǎng)圓柱的Y1<1/40m≈0查圖5-32的m=0線,Y1=0.1959最新版整理ppt（2）求大平板的Y2查圖5-30的m=0線Y2=0.80（3）求有限圓柱體—罐頭的Y和TT=103℃60最新版整理ppt例

（習(xí)題15，p.196）蘋(píng)果醬流經(jīng)1m長(zhǎng)φ15×2.5mm的不銹鋼管道，溫度20℃→80℃，不銹鋼熱導(dǎo)率17.5W/(m·K),管外加熱蒸汽120℃，管外α=6kW/(m2·K),管內(nèi)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第五節(jié)輻射傳熱5-12

輻射的基本概念和定律5.12A輻射的基本概念5.12B輻射定律5-13固體間的輻射換熱63最新版整理ppt5-12

輻射的基本概念和定律5.12A

輻射的基本概念1.熱輻射因物體自身溫度而發(fā)出的輻射能稱為熱輻射（thermalradiation）2.吸收率和黑體稱為物體的吸收率（absorptivity）稱為物體的反射率（reflectivity）稱為物體的透過(guò)率（transmissivity）量子能量：熱輻射