《食品工程原理》第五章传热.ppt
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1、第 五 章,传 热,Heat Transfer,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,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)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
2、对流和强制对流,2.稳态传热和非稳态传热,稳态传热,(steady-state heat transfer),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.热流量和热阻,热流量(heat flow rate):,热流密度 又称热通量(heat flux):,热流量(传热过程速率)=,R热阻,K/W,4.热交换(heat exchange),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/(kgK),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
3、为灰分,w为水分,第二节 热传导,5-2 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,(temperature field),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(temperature gradient),5.2B 傅立叶定律和热导率,1.傅立叶定律,式中 热导率(thermal conductivity),W/(mK),2.热导率,: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:50400W/(mK),非金属固体的:0.063W/(mK
4、),其中保温隔热材料:0.17 W/(mK),物质的热导率 W/(mK),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(ww0.60),Sweat(1974):,对肉类(ww:0.600.80),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T 呈线性关系:,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,稳态导热,各层 q 相等,应用加比
5、定律,推广到n层,总热阻,K/W,解:,本 次 习 题,p.195,5.,2.,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,(W),用加比定律,推广到n层,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,(Newtons Law of cooling),式中 表面传热系数,W/(m2K),对流传热的所有复杂性都集中在中,5.5B 对流传热的机理,1.热边界层,1层流底层,热阻最大,2.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,比热容cp,热导率,黏度,体胀系数av,(3)
6、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L,5.5C 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,8个物理量的量纲式:,代入各量的量纲式:,按因次一致性原则,对质量M 1=c+d+e,对长度L 0=a+b c+d 3e+2f+g,对时间T-3=-a c 3d 2f 2g,对温度-1=-d-f,4个方程,7个因次未知,指定a,f,g已知,则,d=1 f,c=a+f 2g,e=a+2g,b=a+3g 1,代入式,整理得,按定理,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
7、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,(Nusselt number),(Reynold number),(Prandt number),(Grashof number),各种条件下,准则方程的具体形式,应由实验求得,的规定,5-6 无相变的对流传热,5.6A 自然对流传热,Nu=a(PrGr)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 GrPr a m,竖直平面 104 1.36 1/5(高L1m),水平圆管 104GrPr108 0.53 1/4(直径L20cm),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
8、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=1.000kg/m3,=0.0305W/(mK);,=2.1110-5Pas;Pr=0.70,查表5-3 a=0.53,m=1/4,Nu=a(PrGr)m,5.6B 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,3.管外对流,单管 管前半周和后半周差异很大,平均,当Re=1032105时,定性温度:流体主体均温;定性尺寸:管外径,5-7 有相变的对流传热,5.7A 沸腾传热,过热度 T=Tw-Ts,泡状沸腾,传热良,膜状沸腾,传热差,对 水:,5.7B 冷凝传热
9、,第四节 热交换,5-9 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:,管式换热器 包括壳管、列管、螺旋管式等,板式换热器 包括片式、螺旋板式等,扩展表面式换热器 包括板翅式、管翅式等,5.9B 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,2
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