中国农业大学《食品工程原理》课件第2章

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1、第2章传热1传热的基本概念2热传导中国农业大学【天地农大BBS】www.tdnd.cn1传热的基本概念传热是由于温度差而引起的能量转移，又称热量传递。热量总是自动地由高温区传递到低温区。(3)热辐射因为热的原因而产生的电磁波在空间的传播，称为热辐射。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。辐射传热不仅有能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质来传递能量。1.1传热的基本方式根据传热机理的不同,传热有以下3种基本方式：(1)热传导(又称导热)主要是通过微观粒子的运动传递能量，物质没有宏观位移。(2)热对流热对流是

2、指流体质点间发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。对流可分为自然对流与强制对流。因温度不同而引起密度的差异，使轻者上浮，重者下沉，流体质点间发生相对位移，这种对流称为自然对流；因水泵、风机或其他外力作用而引起的流体流动，这种对流称为强制对流。1．2．1温度场温度场即是任一瞬间物体或系统内各点温度分布的总和。温度场的数学表达式为T=f(x，y，z，t)稳定温度场：温度场不随时间而变化的传热过程；不稳定温度场：温度场随时间而变化的传热过程。在稳定温度场中的传热称为稳定传热。温度场中同一时刻温度相同的各点组成的面称为等温面，温度

3、不同的等温面不会相交。温度梯度是向量，它的正方向是指向温度增加的方向。通常，也将温度梯度的标量称为温度梯度。对于一维温度场，温度梯度可表示为gradT=dT/dx1．2温度场与温度梯度1．2．2温度梯度将沿等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度，记做gradT：传热速率（热流量）Q：单位时间通过传热面的热量，W（J/s）；热通量（热流密度）q：单位时间通过单位传热面的热量，W/m2。1．3传热速率与热通量在稳定传热过程中，通过各个传热面的热量均相等（为一常数）。此为稳定传热的基本特点。注意：传热速率与热通量的关系为：冷却剂：起冷却作用的载

4、热体。常用的冷却剂有以下几种：(1)水和空气；⑵载冷剂与制冷剂。1．4载热体用于传送热量的介质称为载热体。加热剂：起加热作用的载热体。工业上常用的加热剂有以下几种：(1)饱和水蒸气；(2)烟道气；(3)热水；(4)电加热。实现冷、热介质热量交换的设备称为换热器。食品生产中最常用的是间壁式换热器。间壁式换热器就是冷、热流体不能直接接触，但可通过壁面传热。最典型的换热器是套管换热器。1．5换热器傅立叶（导热）定律：热导率表征物质导热能力的大小，它反映了导热的快慢，λ越大表示导热越快。λ是物质的物性之一，其数值与物质的组成、结构、温度等有关。一般

5、，λ金属>λ非金属固体>λ液体>λ气体2热传导2．1傅立叶导热定律与热导率式中：q-热流密度，W/m2；λ-热导率（导热系数），W/(m·K)。一些食品的热导率见表2-1和表2-2。(2)液体和气体的热导率一般T↑，↓，λg↑。（水和甘油除外）(1)固体的热导率对大多数的固体物质，其热导率在一定的温度范围内与温度成线性关系：式中：λ为固体在温度T时的热导率；,k为经验常数。一般，金属材料，k<0；非金属材料，k>0。即T↑，λ金属↓，λ非金属↑。2.2.1单层平壁的稳定热传导温度仅沿x方向变化，导热为一维热传导。由傅立叶定律可写出：q=－λ

6、dT/dx若材料的热导率为常量，积分上式可得：q=λ（T1-T2）/b或工程计算中，热导率可取两壁面温度下λ值的算术平均值，或取两壁面温度之算术平均值下的λ值。2.2通过单层壁的稳定热传导或温度分布：当λ为常量时，由于q=λ（T1-T2）/b=λ（T1-T）/x故平壁内任一等温面的温度为T=T1-(T1-T2)x/b。显然，λ为常量时，单层平壁内的温度分布为直线。式中，R=b/λ，导热热阻，m2•℃/W。2．2．2单层圆筒壁的热传导温度仅沿半径方向变化，导热为一维热传导。对于半径为r的等温圆柱面，由傅立叶定律可写出：Q=-λSdT/dr=-

7、λ（2πrL）dT/dr当λ为常量时，圆筒壁内的温度分布为圆筒壁内的温度按对数规律分布。若λ为常量，将上式分离变量积分并整理得：2．3通过多层壁的稳定热传导稳定导热时，通过各层的热流密度相等，即：将数学上的加比定律应用于上式，可得对于n层平壁，有多层平壁热传导的总推动力（总温度差）为各层温度差之和，总热阻为各层热阻之和。2．3．1多层平壁的稳定热传导2．3．2多层圆筒壁的稳定热传导稳定导热时，通过各层的热流量相等，由此可推得：［例2-1］某冷库壁面由0.076m厚的混凝土外层，0.100m厚的软木中间层及0.013m厚的松木内层所组成。其相

8、应的热导率为：混凝土0.762W/(m·K)；软木0.0433W/(m·K)；松木0.151W/(m·K)。冷库内壁面温度为-18℃，外壁面温度为24℃。求进入冷库的热流密度以及