食品工程原理传热ppt课件.ppt
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1、掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法;熟悉各种热交换设备的结构和特点;掌握稳定综合传热过程的计算;了解强化传热和热绝缘的措施。,本章重点和难点,第四章 传热,一、传热在食品工程中的应用,二、传热的基本方式,热传导(conduction);对流(convection);辐射(radiation)。,食品加工过程中的温度控制、灭菌过程以及各种单元操作(如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等)对温度有一定的要求。,热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的,根据传热机理不同,传热的基本方式有三种:,第一节 概述,物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传
2、导。,1.热传导(又称导热),2.热对流,流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。 热对流仅发生在流体中。,强制对流: 因泵(或风机)或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。,流动的原因不同,对流传热的规律也不同。在同一流体中有可能同时发生自然对流和强制对流。,热对流的两种方式:,自然对流: 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异,致使流体产生相对位移,这种对流称为自然对流。,3、热辐射,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递,称为热辐射。,所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去,而不需要任何介质。,任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能,但是只有在物体温度较高的时候,热辐射才能
3、成为主要的传热形式。,实际上,上述三种传热方式很少单独出现,而往往是相互伴随着出现的。,温度场(temperature field):某一瞬间空间中各点的温度分布,称为温度场(temperature field)。,第二节 热传导一、 傅立叶定律1 温度场和温度梯度,一维温度场:若温度场中温度只沿着一个坐标方向变化。 一维温度场的温度分布表达式为: t = f (x,) (4-1a),等温面的特点: (1)等温面不能相交;(2)沿等温面无热量传递。,不稳定温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变。稳定温度场:若温度不随时间而改变。 等温面:温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。,注意:沿等温面
4、将无热量传递,而沿和等温面相交的任何方向,因温度发生变化则有热量的传递。温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。,对于一维温度场,等温面x及(x+x)的温度分别为t(x,)及t(x+x,),则两等温面之间的平均温度变化率为:,温度梯度:,温度梯度是向量,其方向垂直于等温面,并以温度增加的方向为正。,傅立叶定律是热传导的基本定律,它指出:单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比,即,导热系数表征物质导热能力的大小,是物质的物理性质之一,其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。,2 傅立叶定律,如图所示:,平壁壁厚为b,壁面积为A;壁的材质均匀,导热系数不随温度
5、变化,视为常数;平壁的温度只沿着垂直于壁面的x轴方向变化,故等温面皆为垂直于x轴的平行平面。平壁侧面的温度t1及t2恒定。,二、平壁的稳定热传导1 单层平壁的热传导,式中t=t1-t2为导热的推动力(driving force),而R=b/A则为导热的热阻(thermal resistance)。,根据傅立叶定律,分离积分变量后积分,积分边界条件:当x=0时,t= t1;x=b时,t= t2,,如图所示:以三层平壁为例,假定各层壁的厚度分别为b1,b2,b3,各层材质均匀,导热系数分别为1,2,3,皆视为常数;层与层之间接触良好,相互接触的表面上温度相等,各等温面亦皆为垂直于x轴的平行平面。壁
6、的面积为A,在稳定导热过程中,穿过各层的热量必相等。,2 多层平壁的稳定热传导,第一层,第三层,第二层,对于稳定导热过程:Q1=Q2=Q3=Q,同理,对具有n层的平壁,穿过各层热量的一般公式为,式中i为n层平壁的壁层序号。,例:某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm,中间夹层厚10cm,填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/mk,绝缘材料的热导率为0.04w/mk,墙外表面温度为10 ,内表面为-5 ,试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。,按温度差分配计算t2、t3,解: 根据题意,已知t1=10 ,t4=-5 ,b1=b3=0.12m,b2=0.10m,1= 3= 0
7、.70w/mk, 2= 0.04w/mk。,按热流密度公式计算q:,如图所示:,设圆筒的内半径为r1,内壁温度为t1,外半径为r2,外壁温度为t2。温度只沿半径方向变化,等温面为同心圆柱面。圆筒壁与平壁不同点是其面随半径而变化。在半径r处取一厚度为dr的薄层,若圆筒的长度为L,则半径为r处的传热面积为A=2rL。,三、圆筒壁的稳定热传导1 单层圆筒壁的稳定热传导,将上式分离变量积分并整理得,根据傅立叶定律,对此薄圆筒层可写出传导的热量为,上式也可写成与平壁热传导速率方程相类似的形式,即,上两式相比较,可得,其中,式中 rm圆筒壁的对数平均半径,m Am圆筒壁的内、外表面对数平均面积,m2 当A
8、2/A12时,可认为Am=(A1+A2)/2,对稳定导热过程,单位时间内由多层壁所传导的热量,亦即经过各单层壁所传导的热量。,如图所示:以三层圆筒壁为例。,假定各层壁厚分别为b1= r2- r1,b2=r3- r2,b3=r4- r3;各层材料的导热系数1,2,3皆视为常数;层与层之间接触良好,相互接触的表面温度相等,各等温面皆为同心圆柱面。,2 多层圆筒壁的稳定热传导,多层圆筒壁的热传导计算,可参照多层平壁。 对于第一、二、三层圆筒壁有,根据各层温度差之和等于总温度差的原则,整理上三式可得,同理,对于n层圆筒壁,穿过各层热量的一般公式为,注:对于圆筒壁的稳定热传导,通过各层的热传导速率都是相
9、同的,但是热通量却不相等。,分析:当r1不变、r0增大时,热阻R1增大,R2减小,因此有可能使总热阻(R1+R2)下降,导致热损失增大。,通常,热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直径圆管外包扎性能不良的保温材料,随着保温层厚度的增加,可能反而使热损失增大。,假设保温层内表面温度为t1,环境温度为tf,保温层的内、外半径分别为r1和r0,保温层的导热系数为,保温层外壁与空气之间的对流传热系数为。,热损失为:,保温层的临界直径,上式对r0求导,可求出当Q最大时的临界半径,即,解得 r0=/,当保温层的外径do2/时,增加保温层的厚度才使热损失减少。对管径较小的管路包扎较大的保温材料时,要核算
10、d0是否小于dc。,所以,临界半径为 rc=/ 或 dc=2/,例 在一603.5mm的钢管外层包有两层绝热材料,里层为40mm的氧化镁粉,平均导热系数=0.07W/m,外层为20mm的石棉层,其平均导热系数=0.15W/m。现用热电偶测得管内壁温度为500,最外层表面温度为80,管壁的导热系数=45W/m。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。,解:每米管长的热损失,此处,r1=0.053/2=0.0265m r2=0.0265+0.0035=0.03m r3=0.03+0.04=0.07m r4=0.07+0.02=0.09m,保温层界面温度t3,解得 t3=131.2,对流传热:是
11、在流体流动进程中发生的热量传递现象,它是依靠流体质点的移动进行热量传递的,与流体的流动情况密切相关。,当流体作层流流动时,在垂直于流体流动方向上的热量传递,主要以热传导(亦有较弱的自然对流)的方式进行。,第三节 对流传热一、对流传热的基本概念,传热边界层(thermal boundary layer) :温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要几种在此层中。,式中 Q对流传热速率,W; A传热面积,m2 t对流传热温度差, t= T-TW或t= t-tW,; T热流体平均温度,; TW与热流体接触的壁面温度,; t冷流体的平均温度,; tW与冷流体接触的壁面温度,; a对流传热系数(
12、heat transfer confficient),W/m2K(或W/m2)。,上式称为牛顿冷却定律。,简化处理:认为流体的全部温度差集中在厚度为t的有效膜内,但有效膜的厚度t又难以测定,所以以代替/t 而用下式描述对流传热的基本关系,Q= A(T-Tw),二、对流传热速率,1 流体的状态:液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。有相 变时对流传热系数比无相变化时大的多;,2 流体的物理性质:影响较大的物性如密度、比热cp、导热系数 、粘度等;,3 流体的运动状况:层流、过渡流或湍流;,4 流体对流的状况:自然对流,强制对流;,5 传热表面的形状、位置及大小:如管、板、管束、管径、管 长、
13、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。,三、 影响对流传热系数的主要因素,无相变时,影响对流传热系数的主要因素可用下式表示:,八个物理量涉及四个基本因次:质量M,长度M,长度L,时间T,温度。,通过因次分析可得,在无相变时,准数关系式为:,即,四、对流传热中的因次分析,准数符号及意义,准数关联式是一种经验公式,在利用关联式求对流传热系数时,不能超出实验条件范围。,在应用关联式时应注意以下几点:,1、应用范围,2、特性尺寸 无因次准数Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。,3、定性温度 流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中流
14、体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温度有三种取法:进、出口流体的平均温度,壁面平均温度,流体和壁面的平均温度(膜温)。,4、准数是一个无因次数群,其中涉及到的物理量必须用统一的单位制度。,Nu=0.023Re0.8Prn,式中n值视热流方向而定,当流体被加热时,n=0.4,被冷却时,n=0.3。,应用范围 : Re10000,0.760。若 L/di60时,须乘以(1+(di/L)0.7)进行校正。特性尺寸 : 取管内径, 定性温度: 流体进、出口温度的算术平均值。,第四节 对流传热系数关联式一、流体无相变时对流传热系数的关联式1 流体在圆形直管内强制对流时的对流传热系数1.1 圆形直
15、管内强制湍流时的对流传热系数1.1.1 低粘度流体,Nu=0.023Re0.8Pr1/3(/w)0.14,应用范围 Re10000,0.760。特性尺寸 取管内径定性温度 除w取壁温外,均为流体进、出口温度的算 术平均值。,当液体被加热时(/w)0.14=1.05当液体被冷却时(/w)0.14=0.95 对于气体,不论加热或冷却皆取1。,1.1.2 高粘度流体,例: 常压下,空气以15m/s的流速在长为4m,603.5mm的钢管中流动,温度由150升到250。试求管壁对空气的对流传热系数。,解:此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=(150+250)/2=200 查200时空气的物性
16、数据(附录)如下 Cp=1.026103J/kg. =0.03928W/m. =26.010-6N.s/m2 =0.746kg/m3 Pr=0.68特性尺寸 d=0.060-20.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.550,Re=du/=(0.05315 0.746)/(0.6 10-5) =2.28 104 104(湍流)Pr=cp/=(1.026 103 26.0 10-5)/0.03928=0.68,W/m2 ,本题中空气被加热,k=0.4代入 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023(22800)0.8(0.68)0.4 =60.4,流体在圆形直管内作强制滞
17、流时,应考虑自然对流及热流方向对对流传热系数的影响。,当自然对流的影响比较小且可被忽略时,按下式计算:,Nu=1.86Re1/3Pr1/3(di/L)1/3(/w)0.14,应用范围: Re100。 特性尺寸:取管内径di 定性温度: 除w取壁温外,均为流体进、出口温度的 算术平均值。,1.2 流体在圆形直管内作强制滞流,当自然对流的影响不能忽略时,而自然对流的影响又因管子水平或垂直放置以及流体向上或向下流动方向不同而异。,对水平管,按下式计算,应用范围:Re50; 当管子较短,l/d50时,计算所得的值应校正。特性尺寸:取管内径di定性温度:壁温tw与流体进、出口平均温度的平均值tm,即 膜
18、温。 t=tw-tm,Nu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2,对于垂直管,自然对流的影响较大,可作近似校正。如强制对流方向和自然对流方向相同时, 值按上式计算结果减少15%,方向相反时,加大15%。,校正系数f的数值,在过渡流时,对流传热系数可先用湍流时的计算公式计算,根据所得的值再乘以校正系数,即可得到过渡流下的对流传热系数。,1.3 流体在圆形直管内作过渡流,流体在弯管内流动时,由于受离心力的作用,增大了流体的湍动程度,使对流传热系数较直管内大。,式中 弯管中的对流传热系数,w/(m2 ) 直管中的对流传热系数,w/(m2 ) R 弯管轴的弯曲半径,m,1.4 流体在弯管内作
19、强制对流,例:一套管换热器,套管为893.5mm钢管,内管为252.5mm钢管。环隙中为p=100kPa的饱和水蒸气冷凝,冷却水在内管中渡过,进口温度为15,出口为85。冷却水流速为0.4m/s,试求管壁对水的对流传热系数。,解:此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=(15+35)/2=25 查25时水的物性数据(见附录)如下 :Cp=4.179103J/kg =0.608W/m =90.2710-3Ns/m2 =997kg/m3,Re=du/=(0.020.4 997)/(90.27 10-5)=8836 Re在230010000之间,为过渡流区,Pr=cp/=(4.179 103 90.
20、27 10-5)/60.8 10-2 =6.2a可按式 Nu=0.023Re0.8Prn 进行计算,水被加热, k=0.4。,校正系数 f,采用上述各关联式计算,将管内径改为当量直径de即可。,当量直径按下式计算,具体采用何种当量直径,根据所选用的关联式中的规定而定。,或,1.5 流体在非圆形管内强制对流,在错列管束外流过时 Nu=0.33Re0.6Pr0.33在直列管束外流过时 Nu=0.26Re0.6Pr0.33,应用范围: Re3000定性温度:流体进、出口温度的平均值。定性尺寸:管外径,流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。管排数为10,若不为10时,计算结果应校正。,2 流体在管外强制
21、对流2.1 流体在管束外强制垂直流动,换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为25%的壳体内截面积)时,壳方流体的对流传热系数的关联式为:,(1)多诺呼法 Nu=0.23Re0.6Pr1/3(/w)0.14,应用范围: Re=(23)104 特性尺寸: 取管外径,流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。 定性温度: 除w取壁温外,均为流体进、出口温度的算 术平均值。,2.2 流体在换热器的管间流动,(2)凯恩法 Nu=0.36Re0.55Pr1/3(/w)0.14,注:若换热器的管间无挡板,管外流体沿管束平行流动,则仍用管内强制对流的公式计算,只须将公式中的管内径改为管间的当量直径。,应用范围: Re=
22、21031 105 特性尺寸: 取当量直径,管子排列不同,计算公式也不同。 定性温度: 除w取壁温外,均为流体进、出口温度的算 术平均值。,Nu=c(GrPr)n,定性温度: 取膜的平均温度,即壁面温度和流体平均温度的算 术平均值。,式中的c、n值见表,3 自然对流,蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。,膜状冷凝:由于冷凝液能润湿壁面,因而能形成一层完整的膜。在整个冷凝过程中,冷凝液膜是其主要热阻。,滴状冷凝:若冷凝液不能润湿避免,由于表面张力的作用,冷凝液在壁面上形成许多液滴,并沿壁面落下,此中冷凝称为。在实际生产过程中,多为膜状冷凝过程。,蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度
23、之差。,二、流体有相变时的对流传热系数1 蒸汽冷凝时的对流传热系数,1.1.1 在垂直管或垂直板上作膜状冷凝,1.1.2 水平管壁上作膜状冷凝,式中 l垂直板或管的高度 、冷凝液的密度、导热系数、粘度 r饱和蒸汽的冷凝潜热 t蒸汽的饱和温度和壁面温度之差 d管子外径 n管束在垂直面上的列数,1.1 膜状冷凝时对流传热系数,不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜,使传热阻力加大,冷凝对流传热系数降低。,蒸汽流速和流向的影响,冷却壁面的高度及布置方式,流体物性,影响冷凝传热的因素:,对液体对流加热时,在液相内部伴有由液相变成气相的过程称为沸腾。,工业上沸腾的方法有两种:,(
24、1) 管内沸腾:液体在管内流动时受热沸腾。,(2) 大溶积沸腾(池内沸腾):加热壁面浸没在液体中,液体在壁面受热沸腾。,沸腾传热的应用:精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等。,2 液体沸腾时的对流传热系数2.1沸腾传热的特点,液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时,随着此温度差的不同,过程中的对流传热系数和热流密度q都发生变化。,2.2 液体的沸腾过程,根据传热温差的变化,可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段:,(1) 自然对流阶段 如AB段所示,温差小,无明显沸腾现象。此阶段和q均很小,且随着温差增大而缓慢增加。,(2) 泡核沸腾阶段 如BC段所示,由于气泡运
25、动所产生的对流和扰动作用,此阶段和q均随着温差增大而迅速增加。温差越大,汽化核心越多,气泡脱离表面越多,沸腾越强烈。,2.3 影响沸腾传热的因素,(1)温度差:温度差是控制沸腾传热的重要参数,应尽量在核状沸腾阶段操作。,(2)操作压力:提高操作压力可提高液体的饱和温度,从而使液体的粘度及表面张力均下降,有利于气泡的生成与脱离壁面,其结果是强化了对流传热过程。,(3)流体物性:气泡离开表面的快慢与液体对金属表面的浸润能力及液体的表面张力的大小有关,表面张力小,润湿能力大的液体,形成的气泡易脱离表面,对沸腾传热有利。此外、等也有影响。,(4)加热面的影响:加热面的材料、粗糙度的影响。,2.4 沸腾
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