食品工程原理传热详解

热阻一定大。当总温ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一定时，热流量的大小
取决于总热阻的大小。
• 例5－2：某冷库壁内、外层砖壁厚均为 12cm，中间夹层填以绝热材料，厚10cm， 砖墙的热导率为0.70W/m·k，绝缘材料的 热导率为0.04W/m·k，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。
在同一流体中有可能同时发生自然对流和 强制对流。
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。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。热辐射既有能量转移，也有转化。
实际上，上述三种传热方式而往往 是相互伴随着出现的。
三、稳态传热与非稳态传热
• 四、冷热流体接触方式与间壁式换热器
• 1、间壁式换热器：冷热流体热交换时不 直接接触，用固体壁面隔开，这种换热器称 为间壁式换热器。
• 2、并流与逆流
• 球形冷凝管
球形冷凝管
直形冷凝管
蛇形冷凝管
• 3、套管换热器的传热过程 • （1）对流（热流体→间壁） • （2）导热（通过间壁） • （3）对流（间壁→冷流体）
2、热对流
又称对流传热，是流体 质点发生相对位移所引起 的热量传递过程，或者流 动的流体与固定壁面之间 的热量交换。
对流传热伴有热传导。
热对流的两种方式： ➢强制对流：
因泵（或风机）或搅拌等外力作用所导致 的对流称为强制对流。
➢自然对流： 由于流体各处的温度不均匀而引起的密度
差异，致使流体产生相对位移，这种对流称 为自然对流。
第五章 传 热
第一节 概述
一、传热及在食品工程中的应用
• 1、传热：因温度差的存在而产生的能量传递。 • 2、传热在食品工程中的应用 • （1）食品的加热或冷却 • 食品加工中的加热灭菌过程、冷冻降温过程以
及某些单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等） 需传热，要求传热速度越快越好。 • （2）回收热量或冷量，节约能源。 • （3）保温或保冷：要求传热速度越慢越好，如冰 箱冷藏食品或保温。
t4 x
程中，穿过各层的热量必相等。
第一层 第二层
QΦ11

1 1
A(t1 t2 )
Qφ11
1 1 A

t1
t2

t1
Qφ22
2 2 A

t2
第三层
Qφ33
3 31 A

t3
对于稳定导热过程：φ1=φ2=φ3=φ
• 对三层平壁，且t1>t2>t3>t4则：
φQ

(
t1
五、热载体
• （1）加热剂
• 饱和水蒸气（100～180℃） • 热水（40～100℃） • 矿物油等低熔混合物（180～540℃） • 烟道气（500～1000℃）等。
• （2）冷却剂
• 水（20～30℃） • 空气 • 冷冻盐水 • 液氨（-33.4℃） • 氟利昂等。
六、热流量与热阻
• 热流量φ（热流率）：单位时间内通过 整个传热面传递的热量，W（J/s）。
根据傅立叶定律
对稳态导热，q为常量，分离变量后积分，积分
边界条件：当x=0时，t= t1；x=δ 时，t= t2，
Qφ
A(t1 t2 )
t1 t2


t R
A
Δt=t1-t2 为 导 热 的 推 动 力 而 R=δ/λA 则 为 导 热 的 热
阻
结论：热传导距离越小，材料导热系数越大 ，导热面积越大，则热阻越小，当传热推动 力一定时，热流量越大。
金属热导率大于非金属，液体较小，气 体最小。热导率随温度变化而变化。
三、通过平壁的稳态导热
（一）单层平壁稳态导热
如图所示：
➢平壁壁厚为δ，壁面积为A； ➢壁的材质均匀，热导率λ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
δ
轴的平行平面。
➢平壁侧面的温度t1及t2恒定。
（二）多层平壁的稳态导热
如图所示：以三层平壁为例
➢假定各层壁的厚度分别为δ1，
δ2，δ3，各层材质均匀，热导率
Q
分别为λ1，λ2，λ3，皆视为常数； b1 b2 b3
➢层与层之间接触良好，相互接 t
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。
t1 t2 t3
➢壁的面积为A，在稳定导热过
• 热流密度q（热通量）：单位时间内通 过单位面积传热面传递的热量，W/m2。
• 热流量φ＝△T(推动力)/R(热阻)
七、热交换
• 热交换：两个温度不同的物体由于传热， 进行热量的交换。
• 结果：温度较高的物体焓减小，温度较低 的物体焓增加，涉及物质的焓变代数和为 0。
• 基本原则：能量守恒定律
• △H=mcp△T
二、传热的基本方式
根据传热机理不同，传热的基本方式有三 种：
• 热传导 • 热对流 • 热辐射
1、热传导
• 又称导热，物质在不发生宏观位移的情 况下，热量从物体内部的高温处向低温处 传递，或从高温物体向一个与它直接接触 的低温物体的传递过程。
• 传热机理复杂，存在分子振动学说和自 由电子迁移学说等。
1
t2
2
t3
3
) ( 1
t1 t4
2
3
)
1A 2 A 3 A 1A 2 A 3 A
•
推广至n层平壁：
φQ
t1 tn1
in i
t1 tn1 R
i0 i A
结论：在稳定多层平壁导热过程中，哪层热阻
大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层
• 热交换器：用于热交换的设备
第二节 热传导
一、傅里叶定律
• （一）温度场与温度梯度 • 1、温度场：某一时刻空间各点温度分布，是空
间坐标和时间的函数。温度只延一个坐标方向变 化，为“一维温度场”。 • 稳定温度场（不随时间变化） • 不稳定温度场（随时间变化） • 2、等温线和等温面：某一时刻，将温度场中具 有相同温度的点连接起来所形成的线或面。 • 等温面不能相交，热交换发生在不同的温度 面之间。 • 3、温度梯度：向量，在等温面法线上，指向温 度增加的方向
（二）傅里叶定律和热导率
1、傅里叶定律 是热传导的基本定律，它指出：在温度 场中，由于导热形成的热流密度正比于该 时刻某一点的温度梯度。
式中λ为热导率（导热系数）。
二、热导率
热导率（导热系数）是某物质在单位温 度梯度时所通过的热流密度。
表征物质导热能力的大小，是物质的物 理性质之一，单位为W/(m.℃)，与物质 组成、结构、密度、温度及压力等有关。