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1、1,掌握导热、对流换热的基本规律及计算方法； 掌握稳定综合传热过程的计算； 了解强化传热的措施。,本章重点和难点,第四章 传热,2,第四章 传热,3,一、传热在食品工程中的应用,（）食品生产中一般必要的加热、冷却过程； （）为延长食品贮藏时间而进行的杀菌或冷藏； （）以除去食品中水分为目的的蒸发或结晶过程的加热或冷却； （）为食品完成一定生物化学变化而进行的蒸煮、焙烤等。,第一节 概述,4,二、传热的基本方式,热传导(conduction); 热对流(convection); 热辐射(radiation)。,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：
2、,第一节 概述,5,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。,第一节 概述,6,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。,第一节 概述,7,3、热辐射,因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称
3、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。,第一节 概述,8,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（经验定律） 1 温度场和温度梯度,9,一维温度场：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
4、）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。,10,注意：沿等温面将无热量传递，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。,11,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
5、向的截面积成正比，即,2 傅立叶定律,12,2 傅立叶定律,13,负号表示传热方向与温度梯度方向相反,表征材料导热性能的物性参数。越大，导热性能越好，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。,用热通量来表示,对一维稳态热传导,2 傅立叶定律,14,(2) 是分子微观运动的宏观表现。,(1) 在数值上等于单位温度梯度下的热通量。, = f(结构,组成,密度,温度,压力）,(3) 各种物质的导热系数,金属固体 非金属固体 液体 气体,2 傅立叶定律,15,在一定温度范围内：,式中 0, 0, t时的导热系数，W/(mK)； a 温度系数。 对大多数金属材料a 0 ， t
6、 ,1)固体,金属：纯金属 合金 非金属：同样温度下，越大， 越大。,2 傅立叶定律,16,2)液体,金属液体较高，非金属液体低，水的最大。,t （除水和甘油）,一般来说，纯液体的大于溶液,2 傅立叶定律,17,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,18,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
7、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，,19,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,20,第一层,第三层,第二层,对于稳定导热过程：Q1=Q2=Q3=Q,21,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。,22,例：某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚1
8、0cm，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= 0.70w/mk， 2= 0.04w/mk。,按热流密度公式计算q：,23,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。圆筒壁与平壁不同的是其面积A随半径而变化,是个变量. 在半径r处取一厚度为dr的
9、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,24,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,25,两式相比较，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A2/A12时，可认为Am=（A1+A2）/2,26,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；
10、 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,27,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,28,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同的，但是热通量却不相等。,29,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
11、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,30,保温层界面温度t3,解得 t3=131.2,31,对流传热：是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。 -对流传热服从牛顿冷却定律，也称牛顿传热定律。,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）
12、的方式进行。,第三节 对流传热 一、对流传热的基本概念,32,传热边界层（thermal boundary layer） ：温度边界层。有温度梯度较大的区域。传热的热阻即主要集中在此层中。,33,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(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的有效膜内，但有效膜的厚度又
13、难以测定，所以以代替/ 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,34,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。 -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之差。,35,影响蒸汽冷凝传热的因素：,）蒸汽的流速和流向：相对速度较大时，若蒸汽与液膜流向相同，蒸汽加速冷凝液的的流动，使膜厚减小，增大；若逆向流动，则相反。如逆向流速很大，
14、可能冲散液膜时，则增大。 ）不凝气体的含量：如空气，不凝气体逐渐累积后形成导热系数很低的气膜 ，使热阻增大， 降低。 ）蒸汽的过热程度：如蒸汽过热程度较高，将有相当部分壁面用于过热蒸汽的冷却，在蒸汽内部存在温度梯度和热阻，从而大大降低。因此，工业上一般不采用过热蒸汽作为加热热源。 ）液膜的厚度：热阻集中于液膜。 -设法减小液膜厚度是强化冷凝传热的有效措施。,36,减小液膜厚度的方法：,）对垂直壁面，可在壁面上开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟流下，可减薄其壁面上的液膜厚度，强化冷凝传热过程；,）对于水平布置的管束，可设法减少垂直方向上管排的数目 或将管束改为错列，防止冷凝液从上部各排管子流到下部管排
15、使液膜变厚，也可提高平均传热系数。,37,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：,(1) 管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾。,(2) 大容积沸腾（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。,三、液体沸腾时的对流传热系数 3.1沸腾传热的特点,38,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。,3.2 液体的沸腾过程,39,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
16、) 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。,3.2液体的沸腾过程,40,3）膜状沸腾阶段 图中CD所示。因汽化核心过多而形成不稳定汽膜，使加热面与液体隔开， 和q下降。,4）稳定膜状沸腾阶段 图中D点以后，汽泡在加热面上形成和发展。,41,（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
17、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。,3.影响沸腾传热的因素,42,强化传热的目的：以最小的传热设备获得最大的生产能力。,强化传热的途径：,1、加大传热面积 加大传热面积可以增大传热量，但设备增大，投资和维费也随之增加。可采用翅片或螺旋翅片管代替普通金属管。,2、增加平均温度差 在理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法，
18、但受客观条件（蒸汽压强、气温、水温）和工艺条件（热敏性等）的限制。提高蒸汽压强，设备造价会随之提高。在一定压强下，可以采取降低管道阻力的方法来提高加热蒸汽的压强。在一定条件下也可采用逆流代替并流。,3、减少传热阻力 （1）减少壁厚或使用热导率较高的材料；（2）防止污垢形成或经常清除污垢；（3）加大流速，提高湍动程度，减少层流内层的厚度均有利于提高对流传热系数。,四、传热的强化,43,1、辐射能 物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。,10-101010,射线,无线电波,微波,X射线,紫外,热射线（0.4-40m),
19、红外,能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。,2、电磁波的波长范围及热射线,第五节 热辐射 一、基本慨念,44,3、吸收率 A，反射率 R 和透过率 T （Absorption,Reflection and Transmissivity ),4、黑体、白体和透体,黑体 A=1 白体 R=1 透体 T=1,根据能量守恒定律：,45,5、灰体和黑度,灰体： 能吸收从0无穷长的所有波长范围的辐射能且吸收率相等的物体称灰体。 生产上遇到的大部分固体和液体称作“灰体”。 -只能部分吸收发射来的热射线，其余部分需反射回去。 即A+R1 T0,第五节 热辐射 一、基本慨念,46,小结：,掌握导热、对流换热的基本规律 了解强化传热的措施。,