食品工程原理第五章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传 热,第五章,传 热,5.1,概述,5.2,热传导,5.3 对流传热,5.4 传热过程计算,5.5 传热的强化,5.6 换热器,5.7 热辐射,传 热,5.1,概述,5.1.1,传热在食品工业中的应用,传热是指不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温度部位之间所进行的热的传递。,在食品工业上，大多数生产过程都需要控制在一定的温度下进行，为了达到或保持所需要的温度，通常需要对物料进行加热或冷却。并且，这种热交换作为单元操作，总是与其他的单元操作结合在一起，或作为其他单元操作的一部分。例如对食品进行加热、冷却等，起到杀菌，便于保藏的作用；食品原料在加工中完成生化变化；液体食品的浓缩、干制食品的脱水等均离不开传热。,传 热,食品生产中对传热过程的要求有以下两种情况:一种是强化传热过程。要求设备传热性能良好，以达到挖掘传热设备的潜力或缩小设备的尺寸；另一种是削弱传热过程，以达到减少热损失，节约能源，维持操作稳定，改善操作人员的劳动条件等。,传 热,5.1.2,传热的基本理论,1.传热的基本方式,热量的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、热对流、热辐射三种。,传 热,（1）热传导,它是内能由物体的一部分传递给另一部分或从一个物体传递给另一个物体，同时无物质质点迁移的传热方式。物体中温度较高的分子（或原子、自由电子等）因振动而与相邻温度较低的分子（或原子、自由电子等）发生碰撞，并将能量的一部分传给后者。热传导的特点是物体中的分子或质点不发生宏观的迁移。热传导通常发生在固体中，静止的液体或气体中也常常发生热传导。在层流流体中，传热方向与流向垂直时亦为传导。在流体中导热的作用并不明显。,传 热,（2）热对流,热对流是流体各部分发生相对位移而引起的传热现象。对流传热时，伴随着流体质点相对运动，不同温度的质点因相互混合而交换热量。若流体的运动是由于受到外力(如机械搅拌)的作用所引起，则称为强制对流；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同引起的，则称为自然对流。,传 热,（3）热辐射,热辐射既不依靠流体质点的移动，又不依靠分子之间的碰撞，而是借助各种不同波长的电磁波来传递能量的。热辐射的特点是不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换。当两个物体以热辐射的方式进行热能传递时，放热物体的热能先转化为辐射能，并以电磁波的形式向周围空间发射，当遇到另一物体时，电磁波的辐射能将部分或全部地被该物体吸收，又转变为热能。任何物体都能把热能以电磁波的形式辐射出去，也能吸收别的物体辐射出的电磁波而转变成热能。当物体的温度越高，则以辐射形式传递的热量就越多。,传 热,实际上，上述三种基本方式，在传热过程中很少单独存在，往往是互相伴随着同时出现。例如在焙烤食品时，在食品的烘烤区域范围内，兼有热辐射、热对流、热传导三种传热方式，并且是以热辐射为主。所以，三种基本传热方式在某种场合下是以某种方式为主而已。,传 热,2.工业上的换热方式,在食品生产中，由于换热的目的和工作条件的不同，换热方式可分为以下两类。,（1）间壁式换热,间壁式换热是通过固体壁面将冷、热两种流体隔开，热流体先将热量传给固体壁面，再以热传导的方式通过固体壁面，然后由固体壁面将其所吸收的热量传给被加热的冷流体以达到换热的目的。它是食品工业上应用最广泛的一种换热形式。,传 热,（2）混合式换热,混合式换热是冷、热流体直接接触而进行传热的一种方式。此类换热器只能用于允许冷、热流体直接混合的场合。常见的换热器有凉水塔、混合冷凝器等。,（3）蓄热式换热,蓄热式换热是在蓄热器内，冷、热流体交替流过填充物。当热流体流过时，填充物温度升高，贮存热量。而后冷流体流过，填充物中贮存的热量再传递给冷流体，使自身降温。就这样反复进行换热过程。因此蓄热式换热是反复利用固体填充物积蓄和释放热量而达到使冷、热两股流体换热的一种方法。,传 热,5.1.3,传热的基本概念,传热的根本原因是由于温度差的存在。所以传热过程与温度分布有着密切的联系。,1.温度场,任一瞬间物体或系统内各点的温度分布称温度场。一般情况下，物体内部的温度分布是空间坐标,X、Y、Z,和时间,的函数。即,t=f（X、Y、Z、）,传 热,2.稳定传热和不稳定传热,若传热系统中各点的温度仅随位置变化而不随时间变化，称为稳定温度场。与这种温度场相应的传热过程称为稳定传热过程。其在单位时间内传递的热量是不变的。反之，若传热系统中各点的温度不仅随位置的改变而改变，而且随时间的变化而发生变化，称为不稳定温度场。与这种温度场相应的传热过程称为不稳定传热过程。即在单位时间内传递的热量是变化的。,生产实践中的连续生产过程中的传热一般属于稳定传热；而间歇式生产和连续生产的开、停车阶段的传热，一般属于不稳定传热。本章只讨论稳定传热。,传 热,3.温度梯度,传热过程中的温度变化往往是用温度梯度来表示的。温度梯度是指某时刻在该点向温度增加方向的温度变化率，它表示该点温度变化的剧烈程度，其值沿温度增加方向为正，沿温度降低方向为负。,传 热,5.2,热传导,5.2.1,热传导的基本定律,固体中的热量传递主要是热传导；气体和液体因具有流动性，热传导和热对流总是同时出现，热传导虽然会发生，但通常不起主要作用。,传 热,傅立叶定律是反映热传导规律的基本定律，它表示导热速率与温度梯度及传热面积成正比，即：,Q=,A （5-1）,式中,Q,导热速率，单位时间内的传导的热量，其方向与温度梯度相反，,W；,A,传热面积，垂直于导热方向的截面积，,m,2,；,温度梯度，,K/m；,材料的导热系数，,W/（m,K）。,“,-,”,表示热流方向与温度梯度的方向相反。,傅立叶定律不是根据基本原理推导得到的，它与牛顿粘性定律相类似，导热系数,与黏度,一样，也是粒子微观运动特性的表现。,传 热,5.2.2,导热系数,导热系数又称热导率，是表示物质导热能力的物性参数。导热系数值越大，物质的导热能力越强。不同物质的导热系数各不同，同一物质，其导热系数随该物质的组成、结构、密度、温度和压力等而变化。工程计算中所用的各种物质的导热系数，其值都是由实验测定的。一般说来，金属的导热系数最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小。,1.固体的导热系数,在所有的固体物质中，金属是最好的导热体。其导热系数,=2.5420 W/（m,K）。,随着金属纯度降低，其导热系数会降低。非金属材料的,=0.063,W/（m,K）：,其中,t,2,，,热量以热传导的方式传热，其导热速率为：,Q=,A （5-2）,式中,平壁厚度，,m;R,导热热阻，,R=,K,/W。,传 热,图,5-1,单层平壁热传导,传 热,实际上，物体内部不同位置上的温度并不相同，因而导热系数也随之不同。但在工程计算中，对于各处温度不同的物体，其导热系数可以取固体两侧面温度下,值求得算术平均值，或取两侧面温度的算术平均值下的,值。,式（5-2）表明导热速率与传热推动力成正比，与热阻成反比；导热距离越大，传热面积和导热系数越小，热阻越大。,传 热,2.多层平壁的热传导,生产中常见的是多层平壁的热传导，如用耐火砖、保温砖和青砖等构成的三层炉壁。如图5-2所示，其中各层壁厚依次为,1,、,2,、,3,，材料的导热系数为,1,、,2,、,3,，壁面温度依次为,T,1,、T,2,、T,3,、T,4,。,传 热,图5-2 多层平壁的热传导,传 热,根据傅立叶定律，各层的导热速率可写,成,传 热,在稳定传热条件下，,Q=Q,1,=Q,2,=Q,3,。,应用加合定律可得：,（5-3）,上式为三层平壁的导热速率方程。对于,n,层平壁，其导热速率方程可表示为,（5-4）,由此可见，多层平壁热传导的导热速率与热传导总推动力成正比，与总热阻成反比，总推动力为各层平壁温差之和，总热阻为各层平壁热阻之和。,传 热,例5-1 锅炉钢板壁厚,1,=20，其导热系数,1,=58.2,W/（m,K），,若粘附在锅炉内壁的水垢厚度,2,=1，其导热系数,2,=1.162,W/（m,K）。,已知锅炉钢板外表面温度,t,1,=523K，,水垢内表面温度,t,3,=473K，,求锅炉每平方米表面积的传热速率，并求钢板内表面的温度,t,2,。,解 由式（5-3）得,41493.8,W/,t,2,=t,1,-=523-41493.8,=508.7K,传 热,5.2.4,圆筒壁的热传导,1.单层圆筒壁的热传导,生产中常遇到流体通过管壁和圆筒形设备壁的导热。它与平壁导热的本质相同。不同点在于圆筒壁导热时，导热面积沿着管半径,r,的方向逐渐变化，而平壁导热时沿传热方向导热面积是不变的。,如图5-3是一个单层圆筒壁，设其内半径为,r,1,，,外半径为,r,2,，,长度为,L。,其内外壁温度分别为,t,1,、t,2,，,且,t,1,t,2,。,应用傅立叶定律，进行积分得到通过该圆筒壁的导热速率方程为,（5-5）,传 热,图5-3单层圆筒壁的热传导,传 热,式（5-5）可知，单位时间内通过单层圆筒壁的热量与导热系数,、筒长,L,及内外壁温,t,成正比，与圆筒外径和内径比值的自然对数成反比。为便于理解，设圆筒壁的平均导热面积为,A,，与,A,相对应的筒的平均半径为,，则通过圆筒壁的导热速率又可按平壁的公式写成：,（5-6）,传 热,与式（5-5）比较得：,=,则,r,m,=（5-7）,r,m,称为单层圆筒壁的对数平均半径。当筒壁比较薄，,r,2,/r,1,2,时,可用算术平均值表示，与对数平均半径相比，误差不超过4%，在工程计算中常作这样的简化处理。,传 热,2.多层圆筒壁的热传导,多层圆筒壁的热传导可视为各单层圆筒壁串联进行的导热过程。对稳态的导热过程，单位时间内由多层圆筒壁所传导的热量，等于通过各层圆筒壁所传导的热量。,传 热,以三层圆筒壁为例，假设层与层之间接触良好，相互接触的表面温度相等。各层材料的导热系数分别为,1,、,2,、,3,，,视为常数。各层厚度分别为,1,=r,2,r,1,；,2,=r,3,r,2,；,3,=r,4,r,3,。,其导热速率方程可与多层平壁的稳定导热方程相类比。即,（5-8）,对于,n,层圆筒壁的稳态导热，其传热速率方程为,（5-9）,传 热,例5-2 用,89,4,的不锈钢管输送热油，管的热导率为17,W/（m,K），,其内表面温度为403,K，,管外包4厚的保温材料，其导热率为0.035,W/（m,K），,其外表面温度为298,K，,计算钢管与保温材料交界处的温度。,传 热,解,r,1,=0.0405 m r,2,=0.0445m,r,3,=0.0445+0.04=0.0845 m,由式（5-9)得,再由式（5-5）得,由计算结果可知，钢管与保温层交界处的温度与管内温度相差很小，是因为钢的热导率较大。如果无保温层，将会有很大的热损失。,传 热,5.3,对流传热,对流传热是指流体与固体壁面之间依靠流体质点位移产生的热对流和分子运动所产生的热传导而进行的热量交换过程，又称为对流给热。由于固体壁面附近存在流体层流内层（靠近管壁处作层流流动的流体薄层），故对流传热的全过程必然包括热量由流体主体向层流内层外缘的传递过程，以及通过层流内层的传递而到达固体壁面的传递过程，它是一种复杂的传热现象。,传 热,图5-4 流体在壁面两侧流动情况,传 热,5.3.1,对流传热方程,对流传热是一个十分复杂的传热现象，影响对流传热的因素很多。因此对流传热的纯理论计算相当困难。工程上将对流传热的传热速率写成如下形式：,流体被加热时：,Q=,A（t,-,t）（5-10）,流体被冷却时：,Q=,A（t-t,）(5-11),式中,对流传热系数（又称传热膜系数、给热系数），,W/(,K)；,t,壁面温度，,K；,t,流体的平均温度，,K。,以上两式为对流传热速率方程，又称牛顿冷却定律。,传 热,在整个换热器中，流体温度和壁温都随流体流动方向而改变。所以局部对流传热系数也沿流体流动方向而变化。在设计换热器时，为了简便起见，对流传热系数可用平均温度下的平均对流传热系数的数值。此时牛顿冷却定律可以表示为,Q=,At (5-12),上式可改写为,（5-13）,式（5-13）表明对流传热速率等于传热的推动力与对流传热的热阻之比。,传 热,5.3.2,对流传热系数及其影响因素,1.影响对流传热系数的因素,对流传热的特点是存在着流体相对于壁面的流动。所以，凡是影响流体流动的因素，必然也影响对流传热系数。主要影响因素有：,流体的流动状态。湍流、过渡流或层流；,流体的对流方式。自然对流或强制对流；,流体的物理性质。流体的比热容、导热系数、密度和黏度等；,传热面的形状、大小和位置；,流体在传热过程中有无相变；,由此可见，影响对流传热系数的因素很多，所以对流传热系数的确定是一个非常复杂的问题。,传 热,2.对流传热系数的关联式,对流传热系数的计算十分复杂，没有一个确定,的普遍公式。目前工程设计中使用的,计算式，大多是通过实验做出的经验公式。这些计算式常整理成无因次数群的关系式，称为对流传热系数的关联式。式中用的无因次数群称为准数。当流体作稳定对流传热时，计算中常遇到的准数有：,(1)努塞尔特准数（又称放热准数）,N,N,（5-14）,它反映了流体边界的放热情况。因含有,所以能通过,N,和其他准数的关联式计算出,。,传 热,(2)雷诺准数（流动准数）,R,e,R,e,（5-15）,R,e,是反映流体流动状况的一个准数。一般在强制对流时，它的作用显著，而在自然对流中，其影响微小。,(3)普朗特准数（物性准数）,P,r,P,r,（5-16）,它反映了流体与传热有关的一些性质，即流体物性对传热的影响。,传 热,(4)格拉斯霍夫准数,Gr,Gr,（5-17）,Gr,反映了同一流体内部，由于局部温度差异所引起的浮力对传热的影响，特别是为自然对流时，其影响非常显著；当为强制对流时，其影响较小，可忽略不计。,传 热,式中,对流传热系数，,W/(,K)；,导热系数，,W/（m,K）；,L,传热面的特征尺寸，,m。,当流体在管内流动时，,L,常指管内径；在其他情况下，可能指管外径、管,高或平板高度等；,u,流体的流速，,m/s；,流体的密度，/,m,3,；,流体的黏度，,Pa,s；,c,p,流体的比热容，,J/（,K）；,g,重力加速度，9.81,m/s,2,；,流体的热噢鞥张系数，,=1/t，1/K；,t,流体温度与管壁温度的差值，,K。,描述对流传热的准数关联式为：,Nu,=,kRe,m,Pr,n,Gr,s,（5-18）,传 热,因准数关联式属于经验公式，故在应用时不能超出实验条件的范围，必须注意以下三个方面：,应用范围,。各关联式中准数都有其适用的范围，使用时不得超过此范围。,特征尺寸,。当计算准数式中含有几何尺寸,L,的准数时，,L,有其指定的固定边界的某一尺寸，此尺寸称为定性尺寸。定性尺寸一般选取对流体流动和换热有决定性影响的固体表面尺寸。如管内对流传热时用管内径，管外对流传热时用外径，对非圆形管道则取当量直径。,定性温度,。确定准数中物性参数所依据的温度称为定性温度。定性温度可取流体的平均温度(即流体进、出换热器温度的算术平均值)或壁面温度，也可选取流体和壁面的平均温度。总的说来，一般选取对传热过程起主要作用的温度作定性温度。,传 热,3.几种常见的对流给热系数,（1)流体无相变时的对流传热系数,自然对流时的传热系数,。自然对流是由于系统内部存在温度差，使各部分流体密度不同而引起的对流运动。自然对流时的传热在食品工业中的应用很广，如冷库内冷却排管的圆筒型壁面放出冷气、冷库平壁面对冷库内放热等。,传 热,a.,垂直平壁面的对流传热系数,垂直平壁面对流传热时，壁面为热壁，壁面附近的热空气与离壁面较远处的冷空气之间存在密度差异，前者小于后者，在垂直方向的不同密度的空气层间产生浮力效应，从而造成气流的循环运动，壁面附近的空气上升，远处冷空气流向下部壁面。冷库即为此例。它的传热情况是壁面温度与空气温度之间的温度差引起了热量以传导方式传给壁面处的空气，而空气又带着此热量在沿壁面平行方向流动中，因与冷空气密度不同而产生对流并离开壁面。其对流传热系数可用如下关联式来表示：,传 热,Nu,=CG （5-19）,式中,L,定性尺寸，取平壁的高度，,m；,C,常数，对空气：,C=0.48；,一般流体：,Pr0.5,时，,C=1.8,Pr0.5,时，,C=20.6（）；,上式适用于,Pr,Gr,10,8,的场合；,Pr,Gr,10,8,时，壁高影响可忽略。可采用下式计算：,Nu,=0.129(Pr,Gr,)（5-20）,传 热,b.,水平圆筒壁的自然对流传热系数,在食品工业上，冷库内水平冷却排管外壁面的传热为水平圆筒壁的自然对流传热。其准数关联式为：,Nu,=0.4(Pr,Gr,)（5-21）,决定这种放热过程的定性尺寸不是管长而是管子外径,d,O,；,此式适用于,Gr,Pr10,3,10,9,的范围；式中的物性参数的定性温度以壁温为基准，仅流体的热膨胀系数,取流体温度为定性温度。,传 热,强制对流时的传热系数,当流体在圆形直管内作强制对流时,a,低黏度(,10000，0.7 Pr 3040。,当,L/,di,3040,时，可将由式(5-22)算得的,乘以1+（,di,/L）,0.7,进行校正。,传 热,b,高黏度流体,Nu,0.027Re,0.8,Pr,0.33,(),0.14,（5-23）,式中,液体在主体平均温度下的黏度；,w,液体在壁温下的黏度。,c,对于,R,=200010000之间的流动，层流内层较厚，热阻大而,小，此时可按式（5-22）计算结果乘以较正系数,f，,且：,f=1-（5-24）,传 热,d,对于弯管，用式（5-22）计算结果乘以较正系数,R,，,且：,R,=1+1.77（,d/R）（5-25）,式中,R,弯管的曲率半径。,e,对于非圆形直管，（5-22）式仍然适用，式中的定性尺寸用当量直径,d,e,代替。,d,e,=（5-26）,传 热,（2）流体有相变时的强制对流传热系数,液体沸腾汽化和蒸汽冷凝时的对流传热过程均伴随着状态的变化，即相变。在传热过程中，介质要吸收或放出相变潜热，同时物性参数均有较大的变化，它们对传热有很大的影响。,液体沸腾时的对流传热系数,。将液体加热使其内部伴有由液相变成气相产生气泡的过程称为沸腾。因液体沸腾时必伴有流体的流动，所以沸腾传热过程属于对流传热过程。,传 热,工业上液体沸腾方法有两种：一是将加热面浸没在液体中，液体在壁面处受热而沸腾，称为大容器沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。这里主要介绍大容器沸腾时的对流情况。,沸腾时首先在传热壁面上的某些点形成,“,汽化核心,”,，在汽化核心首先形成气泡，形成的气泡因受热逐渐长大，浮力增加，气泡上升，最后跃离液面。气泡的产生和液体的穿层运动，不仅对液体产生强烈扰动，而且破坏了加热面附近的边界薄层，大大提高了传热效应。,传 热,a,液体的沸腾过程,液体沸腾放热过程的推动力是加热面温度,t,W,和液体饱和温度,t,S,之差,t。,在大空间内沸腾时，随着此温差的变化，过程中的对流传热系数,和热流密度,q（Q/A）,都发生变化。并且从沸腾的现象上看，也有很大的变化。根据传热温差的变化，液体沸腾放热过程主要经历以下四个阶段，如图5-5示。,传 热,图,5-5,水沸腾放热的,和,q,传 热,自然对流阶段：如图,AB,阶段。此时温差小，无明显沸腾现象。但有液体自然对流运动。其传热特点是,和,q,均小，且,和,q,随温差增大而缓慢增加。,泡核沸腾阶段：如图,BC,阶段。从,B,点开始液体产生气泡沸腾。由于气泡运动所产生的对流和搅动作用，所以，此阶段的,和,q,均随温度差增大而迅速升高。,t,越大，汽化核心越多，气泡脱离表面的速度越快，沸腾越加剧烈。,传 热,膜状沸腾阶段：如图,CD,阶段。此时汽化核心过多而联结成不稳定气膜，此膜将加热面与液体隔开，由于气膜的传热效果差，因此当温差增大时，,和,q,反而下降。泡核沸腾和膜状沸腾的交接点,C,为第一临界点。其对应的温差,t、,传热系数,和热流密度,q,都是临界值。,稳定膜状沸腾阶段：自,D,点以后气膜已趋稳定。此时表面温度升高后，辐射传热逐渐占有支配作用。,D,点为第二临界点。,由于泡核沸腾阶段的对流传热系数值较大。因此，在食品生产中，应设法控制在泡核沸腾状态下操作。,传 热,b,液体沸腾时的对流传热系数的计算,=0.560p,0.15,q,0.7,（5-27）,或,=0.145 p,0.5,(,t,),2.33,式中,p,工作压力，,Pa；,q,热流密度，,W/。,两式适用范围为,p=2010,4,kPa。,传 热,蒸汽冷凝时的对流传热系数,当饱和蒸汽与温度较低的壁面相接触时，蒸汽将放出潜热并在壁面上冷凝成液体，蒸汽在壁面上的冷凝可分为膜状冷凝和滴状冷凝两种情况。若冷凝液能够润湿壁面，并在壁面上形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝；若冷凝液不能润湿壁面而是在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，称为滴状冷凝。,由于滴状冷凝不能润湿壁面，因而液滴稍微长大后即从壁面落下，从而不断暴露出壁面，使传热系数大大加大。但是，工业设备中大多数是膜状冷凝，冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理。,综上所述，对流传热系数有相变的比没相变的大得多。,传 热,5.4,传热过程计算,5.4.1,热量衡算,根据能量守恒，稳定传热时，单位时间内热流体所放出的热量,Q,h,必定等于冷流体所得到的热量,Q,c,与损失于周围介质的热量,Q,L,之和。即,Q,h,=Q,c,+Q,L,（5-28）,若忽略操作过程中的热量损失，则可写成下式,Q,h,=Q,c,（5-29）,传 热,5.4.2,传热速率方程,1.传热速率基本方程,冷、热流体通过间壁的热交换，实质上是间壁两侧流体与间壁表面的对流传热和通过间壁的导热的一个综合的传热过程。两种流体间之所以能进行热交换，是由于冷、热流体之间存在温度差，即传热的推动力，所以热量就能自动地由热流体经管壁传向冷流体。此传递热量的壁面称为换热器的传热面。用,A,表示，单位为。它的传热速率是指在热交换过程中，冷、热流体在单位时间内所交换的热量，通常以,Q,表示。其单位为,J/s,或,W。,传 热,经验表明，在传热过程中，单位时间内通过换热器传递的热量和传热面积成正比，与冷、热流体间的温度差成正比。若温度差沿着传热面是变化的，则取换热器两端流体温度差的平均值，即,t,m,。,上述关系可用下式表示,QKAt,m,（5-30）,式中的比例常数,K,称为传热系数。其物理意义为：当冷、热流体之间温差为1,K，,在单位时间内通过单位传热面积由热流体传给冷流体的热量。其单位为,W(,K)。,在相同温差条件下，,K,越大则所传递的热量越多，即热交换过程越强烈。在传热操作中，应设法提高传热系数以强化传热过程。,传 热,式(5-30)称为传热基本方程式。此式也可以写成如下形式,（5-31）,式(5-31)表明传热速率等于传热推动力与总热阻之比。,传 热,2.传热量的计算,稳定传热过程，传热量可通过热流体放出的热量,Q,h,进行计算，也可通过冷流体吸收的热量,Q,c,来计算。具体方法如下。,（1）焓差法：计算式如下,Q,h,=,q,h,(H,h1,H,h2,)（5-32）,Q,c,=q,c,(H,c2,-,H,ci,)（5-33）,式中,q,h,、q,c,热、冷流体的质量流量，,s；,H,h1,、H,h2,热流体最初和最终的焓，,Jkg；,H,c1,、H,c2,冷流体最初和最终的焓，,J。,传 热,焓的数值取决于载热体的物态和温度。通常气体和液体的焓取273,K,为计算基准，即规定273,K,的液体(或气体)的焓值为0，蒸汽的焓则取273,K,的液体的焓为0,J/,作为计算基准。本书附录中列有水蒸气的焓值。其他物质的焓可查有关手册。,传 热,（2）显热法,此法仅用于载热体在热交换过程中无相变的情况。计算式如下,Q,h,=,q,h,C,h,(t,h1,-t,h2,)（5-34）,Q,c,=,q,c,C,c,(t,c2,-t,c1,)(5-35),式中,C,h,、C,c,热、冷流体在进出口温度范围内的平均比热容，,J(kg,K)；,t,c1,、t,c2,冷流体最初和最终温度，,K；,t,h1,、t,h2,热流体最初和最终温度，,K。,传 热,（3）,潜热法,此法用于载热体在热交换中仅发生相变(冷凝或蒸发)的情况，计算式如下,Q,h,=,q,h,r,h,(5-36),Q,c,=,q,c,r,c,(5-37),式中,r,h,、,r,c,热、冷流体的汽化潜热，,Jkg。,传 热,3.传热平均温差的计算,冷、热两流体在间壁两侧进行热交换，可分为两类：恒温传热和变温传热。,（1）恒温传热,恒温换热时，两种流体的温度沿程不变化，传热温差,t,t=,t,h,-,t,c,一定。在蒸发器中，间壁一侧蒸汽冷凝，另一侧液体沸腾，就属于恒温换热。,（2）变温传热,变温传热时，至少一侧流体温度沿程变化，换热器温度差,t,也沿程变化，在应用传热基本方程时，应当用传热平均温度差,t,m,。,传热平均温度差,t,m,与冷、热流体相对流向有关。换热器中两流体相对流向大致有四种情形，如图5-6所示,传 热,图5-6 换热器中流体流向示意图,（,a）,并流（,b）,逆流（,c）,错流（,d）,折流,（,a）（b）(c)(d),传 热,（,a）,并流。冷、热流体在换热面的两侧同向流动。,（,b）,逆流。冷、热流体在换热面的两侧反向流动。,（,c）,错流。冷、热流体在换热面两侧彼此成垂直方向流动。,（,d）,折流。换热面一侧流体先沿一个方向流动，然后折回反向流动，使两侧流体交替由并流和逆流存在，称为折流。只一侧流体折流，称简单折流。两侧流体均作折流，称复杂折流。,在上述四种流向中，以并流和逆流应用较为普遍，尤其逆流应用最多。并流和逆流传热平均温度差的计算公式为：,t,(5-38),传 热,应当说明的是：,式(5-38)适用于逆流、并流和一侧变温的情形。,并流时：,t,1,换热器进口端热、冷流体间的温度差，,即,t,h1,t,c1,；,t,2,换热器出口端热、冷流体间的温度差，,即,t,h2,t,c2,。,逆流时：,t,1,换热器热流体进口端与冷流体出口端间,的温度差，即,t,h1,t,c2,；,t,2,换热器热流体出口端与冷流体进口端间,的温度差，即,t,h2,t,c1,。,传 热,若换热器进出口两端两流体温差变化不大，即 2时，可用算术平均值,t,=代替对数平均值。,对于错流和折流，可按式(5-38)求出,t,，再乘以校正因数,t，,，,即 ,t,=,t,t,式中,t,逆流传热平均温度差，,K；,t,温度校正系数，,t,=f(P,R),P=,R=,t,可通过查阅,t,与,P、R,关系曲线获得。,传 热,例5-3 在果汁预热器中，参与交换的热水进口温度为371,K，,出口温度为348,K，,果汁的进口温度为278,K，,出口温度为333,K。,试计算热水与果汁在换热器内分别作逆流和并流时的平均传热温度差。,传 热,解 （1）当两种流体逆流流动时,t,2,=t,h1,t,c2,=371-333=38K，t,1,=t,h2,-t,c1,=348-278=70K，,t,由于,t,1,/t,2,=70/38=1.842，,故可用算术平均值代替对数平均值,t,=,传 热,（2）当两种流体并流流动时,t,1,=t,h1,-t,c1,=371-278=93K，,t,2,=t,h2,t,c2,=348-333=15K，,t,传 热,由上例可知，参与换热的两种流体，虽然其进、出口温度分别相同，但逆流时的,t,比并流时大。因此，就增加传热推动力而言，逆流总是优于并流。当传热面的两侧流体的温度均有变化时，一般选用逆流操作。这是因为逆流操作较并流操作有如下的优点：,加热,。当冷流体的初温、终温、处理量以及热流体的初温一定时，由于逆流时热流体的终温有可能小于冷流体的终温，故其热流体的消耗量有可能小于并流。,冷却,。当热流体的初温、终温、处理量及冷流体的初温一定时，由于逆流时冷流体的终温有可能大于热流体的终温，故其冷流体的消耗量有可能小于并流。,传 热,完成同一加热任务,。当热流体消耗量及热流体的终温相同时，由于逆流对数平均温差大于并流，故所需的传热面积必小于并流。,完成同一冷却任务,当冷流体消耗量及冷流体的终温相同时，由于逆流对数平均温差大于并流，故所需的传热面积必小于并流。,只有当工艺上要求加热时必须避免温度高于某一限度或在冷却时必须避免温度低于某一限度时，才采用并流。此外，对高黏度的冷流体，采用并流可使其在进入换热器后有可能迅速提高温度，降低黏度。有利于提高传热效果。,传 热,4.传热系数,K,的计算,传热系数,K,既可通过理论计算，也可通过实际测定。但在选用时，必须注意到获得这些数据的条件，如流体的温度、流速、换热面的洁净程度等。同一种设备，若操作条件不同，其传热系数可能相差很大。,传 热,在稳定传热条件下，通过换热器的间壁两侧的传热速率应等于热流体传给壁面、壁面一侧传给另一侧以及壁面传给冷流体的传热速率。即：,（5-39）,式中,t,c,、,t,h,分别为冷、热流体主体的平均温度，,K；,t,w,、c,、,t,w,、h,分别为冷、热流体侧的壁温，,K；,1,、,2,分别为热、冷流体的对流传热系数，,W/,（,K）；,A,1,、A,2,分别为热、冷流体侧壁面的面积，；,A,m,壁面的平均面积，；,壁面材料的热导系数，,W/（m,K）；,壁面的厚度，,m。,传 热,应用加比定律可得,（5-40）,则,（1）传热面为平壁时，内、外侧传热面积与平均传热面积相等，即,A=A,1,=A,m,=A,2,，,其传热系数为,（5-41）,传 热,（2）传热面为圆筒壁时，由于,A,1,A,m,A,2,，,传热系数,K,值必须与所选择的传热面积相对应。即,Q=K,1,A,1,t,=,K,A,t,=,K,2,A,2,t,式中,K,1,、K,、,K,2,分别表示以壁面内表面、平均面积和外表面计的总传热系数。,传 热,K,1,=（5-42）,K,=（5-43）,K,2,=（5-44）,当管壁较薄或管径较大时，即管内、外表面积大小很接近时，可近似取,A,1,A,m,A,2,，,则圆筒壁近似当成平壁计算。,传 热,（3）污垢热阻,换热器使用一段时间后，其传热面常常有污垢形成，使传热速率减小。计算,K,值时污垢热阻一般不可忽略。如传热面两侧表面上的污垢热阻分别用,R,A1,和,R,A2,表示，此时以传热面,A,1,为基准的,K,值得计算式为：,（5-45）,传 热,当,1,2,时，,K,2,。,总传热系数是由热阻大的那一侧的对流传热的热阻所控制。若两流体的对流传热系数,相差很大时，要提高,K,值，关键在于提高热阻大的一侧流体的对流传热系数。若两侧,相差较小，即,1,、,2,在同一数量级时，只有同时提高两侧的对流传热系数，才能有效地提高,K,值。,传 热,例5-4 用刮板式换热器冷却苹果酱，苹果酱质量流量为50/,h,比热容为3.817,kJ/(,K),入口温度353,K。,出口温度293,K。,套管环隙流动冷水，入口温度283,K，,出口温度290,K。,传热系数,K,为568,W/（,K）。,求：,（1）需要冷却水的用量；（2）换热平均温度差及换热面积；,（3）若流体作并流流动，其他条件相同，求换热平均温度差及所需换热面积。,传 热,解（1）,q,h,c,h,(t,h1,-t,h2,),50,3.817,1000,（353293）,1.15,10,7,J/h,冷水平均温度,，,在286.5,K,下查得水的比热为4.186,kJ/(,K)。,传 热,（2）逆流操作,t,1,=t,h1,t,c2,=353-290=63K,t,2,=t,h2,-t,c1,=293-283=10K,传 热,（3）并流操作,t,1,=t,h1,-t,c1,=353-283=70K,t,2,=t,h2,t,c2,=293-290=3K,由计算结果可见，逆流比并流,t,大，所需换热面积小。若用相同换热面积，则冷却水用量可减小。从经济角度，逆流优于并流。,传 热,5.5,传热的强化,1.增大传热面积,A,增大传热面积可以增加传热量。但随着传热面积的增大，投资和维修费用也相应增加。因此要采取措施增大单位体积内的传热面积，如，改光滑管为非光滑管，管式为波纹式或翅片式等，这样，不仅增加了传热面积，还强化了流体的湍动程度，使传热效果大大提高。,传 热,2.增加传热平均温度差,t,t,越大，传热速率越大。,t,的增加在理论上可采用提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法；但这往往受客观条件(如蒸汽压力、气温、水温等)和工艺条件限制。提高蒸汽压力，设备的造价会随之提高。但在一定的汽源压力下，可采取降低蒸汽管道阻力的方法以提高加热蒸汽的压力。此外，在一定条件下，还可采用逆流代替并流的方法提高,t,。,传 热,3.提高传热系数,K,这是强化传热过程的有效途径，即减小总传热热阻。从传热系数计算公式可知，要提高,K，,需减小各项热阻。在这些热阻中，若有一个热阻很大，而其他的热阻比较小，则应从降低最大热阻着手。换热器刚使用时，由于没有垢层，流体对流传热热阻是主要方面，减小这项热阻主要靠提高流速，增加流体的湍动程度来实现。如将换热器由单程改为多程、加装挡板、使用螺旋板式换热器等都能加大流体的流速，在管内适当装入一些添加物亦可起到增强湍动，破坏滞留内层的作用。随着换热器使用时间的延长，垢层热阻逐渐增大，因此，防止结垢，及时清除污垢，也是强化传热的关键。,传 热,5.6,换热器,换热器是食品工业生产中应用广泛的重要设备，其种类繁多。换热器按传热过程的不同，可分为间壁式和混合式两大类。食品工业多用间壁式换热器。,按其使用目的不同，可分为预热器、加热器、过热器、冷凝器、冷却器、余热回收器等。根据各种换热器的构造和传热面的形式还可作如下划分：,管式换热器是以管壁为换热面的换热器，常用的有蛇管式、套管式、列管式和翅片管式等。,传 热,传 热,5.6.1,管式换热器,1.蛇管式换热器,（1）沉浸式蛇管换热器,如图5-7所示，沉浸式蛇管换热器是将蛇管浸没在装有流体的容器中，蛇管内通以另一种流体。蛇管可作成各种形状，如螺旋形(又称盘香管)，见图5-7(2)所示。这种换热器的管外空间较大，造成管外流体流速较小，使传热膜系数不高，传热效率低、对操作条件改变不敏感，但结构简单，维修方便，造价低，能承受较高压力。在食品加工中广泛应用，特别是在乳品工业上。如冷库中的冷却排管、牛奶、奶油、炼乳等制品的加热或冷却都是常采用这种换热器。,传 热,图,5-7,沉浸式蛇管换热器,传 热,(2)喷淋式蛇管换热器,如图5-8所示，喷淋式蛇管换热器是将一种流体分散成液滴从上面喷淋下来，经蛇管外表与管内流体进行换热，通常用作冷却器。,与沉浸式相比，管外流体对流传热系数有所提高，所需传热面积、材料消耗和制造成本都较低，便于清洗、维修。其缺点是设备占地面积大，喷淋不均匀，且操作时管外有水气产生，对环境不利，故常安装在室外。,传 热,图5-8 喷淋式蛇管换热器,传 热,2.套管式换热器,如图5-9所示，套管式换热器是利用两根口径不同的管子相套而成的同心套管，通过,U,形管将多段套管连接而成。每段套管称为一程，外管用支管相连接。程数可根据换热要求而增减。每程有效长度为46米。冷、热流体分别流过内管和套管环隙，通过内管壁进行热交换。冷、热流体通常作逆流操作。可用作加热器、冷却器和冷凝器。套管式换热器的优点是结构简单，传热面积易于增减；逆流操作，传热强度高；耐压。缺点是管间接头多，易泄漏；单位长度所具有的传热面积较小；环隙清洗困难。所以它适合于需要传热面不大，载热体用量小、物料有腐蚀性及高压的场合。,传 热,图,5-9,套管式换热器,传 热,3.列管式换热器（管壳式换热器）,这是工业上应用最广泛、形式最多的一种换热器。它的结构如图5-1