食品工程原理--传热

食品工程原理中，传热基本知识点，留出的空白是手动往上写公式的。

传热

• 基础概念
  • 定态传热：传热速率在任何时刻都是常数，并且系统中各点的温度仅随时间变化而与温度无关
  • 传热基本方式
    • 热传导
      • 借微观粒子的热运动引起热量传递，没有物质的宏观位移
    • 热对流
      • 流体各部分之间发生相对位移引起热传递
      • 通常把流体与壁面之间的传热通称为对流传热
      • 分类
        • 强制对流：因外力导致
        • 自然对流：因流体各处温度不同而引起的密度差，导致流体发生相对位移
      • 煮面
      • 对流传热
        • 流体无相变对流传热
          • 强制
          • 自然
        • 流体有相变对流传热
          • 蒸汽冷凝
          • 液体沸腾
        • 三个区域
          • 湍流主体
          • 层流内层
          • 壁面
    • 热辐射
      • 因热而产生电磁波在空间传递，任何物体都能将热以电磁波的形式发射出去，不需介质，绝对零度以上就行
  • 温度场
    • 温度差是热传导的必要条件
    • 温度场：空间中各点在某一瞬间的温度分布，是空间坐标和时间的函数
  • 等温面
    • 温度场中同一时刻相同温度各点组成的面
    • 不同温度的等温面不相交
    • 沿等温面无热量传递
    • 温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大
  • 温度梯度
    • 是向量，方向垂直于等温面，以温度增加的方向为正
    • 几何意义上是等温面的法向矢量，物理意义是温度的变化率
  • 载热体
    • 用于输送热量的介质
    • 加热剂--饱和水蒸气、烟道气、热水、电加热
    • 冷却剂--水、空气、载冷剂（甘油）、制冷剂（氟利昂）
  • 换热器
    • 实现冷热介质热量交换的设备称为换热器
    • 热流体由对流传热给管壁一侧
• 物理量
  • 传热速率（热流量）Q
    • 单位时间通过传热面积的热量，Q
    • 单位W（J/s）
    • 稳定传热过程，通过各个传热面的热流量相等
  • 热通量（热流密度）q
    • 单位时间通过单位传热面积的热量q
    • 单位W/m2
  • 导热系数λ
    • 数值上等于单位温度梯度下的热通量
    • 是分子微观运动的宏观表现
    • λ（金属固体）＞λ（非金属固体）＞λ（液体）＞λ（气体）
    • 分类讨论
      • 固体
        • 金属：λ（纯金属）＞λ（合金）
        • 非金属：同样温度下，ρ↑λ↑
        • λ=k0+kT
          • 金属k＜0，非金属k＞0
          • T↑ λ金属↓ λ非金属↑
      • 液体
        • 金属液体λ高，非金属液体λ低，水的λ最大
        • 一般来说，纯液体λ＞溶液λ
        • T↑ λ↓（水和甘油除外）
      • 气体
        • T↑ λ↑，P↑λ↑
        • 气体不利于导热，但可以保温和隔热
  • 对流传热系数α
    • 定义
    • 数值上等于：单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率
    • 单位 W/（m2℃）
    • α↑，对流传热↑
    • （同种）强制对流＞自然对流；（不同种）液体＞气体；有相变的＞无相变的
    • 影响因素：流体状态、物理性质、运动状况、对流状况、传热表面形状位置及大小
  • 总传热系数K
    • 来源：生产实际的经验数据、实验测定、直接计算
• 定律/公式/情景
  • 傅里叶定律及其推广
    • 内容
      • 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
    • 原始公式
    • 推广
  • 单层圆筒壁稳定热传导
  • 多层圆筒壁稳定热传导
  • 牛顿冷却定律
    • 原始公式
    • 各个字母的含义
  • 对流传热系数α
    • 准数关系式
      • 四个基本因次：质量M、长度L、时间T、热力学温度θ
      • 关系式
      • 四个准数
        • 努塞尔（对流传热系数）
        • 雷诺（流动状态）
        • 普兰特（物性影响）
        • 格拉斯霍夫（自然对流影响）
      • 注意点
        • 应用范围：不能超出实验条件范围
        • 特性尺寸：选对流体流动和传热发生主要影响的尺寸
        • 定性温度：进出口流体平均温度、壁面平均温度、流体和壁面平均温度（膜温）
        • 无因次数群：准数是无因次数群，物理量必须用同一单位制
    • 管内
      • 圆形直管
        • 管内强制对流
          • 低粘度流体（小于水黏度二倍）
            • 努塞尔准数
            • α值
            • n值
            • 应用范围
            • 特性尺寸
            • 定性温度
          • 高粘度流体
            • 液体加热
            • 液体冷却
        • 管内强制滞流（层流）
          • 公式
          • 应用范围
          • 特性尺寸
          • 定性温度
        • 过渡流
          • 2300＜Re＜10000
          • 校正系数φ
          • 对流传热系数
      • 弯管
        • 湍流程度加大，对流传热系数增大
        • 公式
        • 字母意义
      • 非圆形管
        • 管内径→当量直径
    • 外绕壁面强制对流
      • 层流
      • 湍流
    • 有相变
      • 蒸气冷凝
        • 膜状冷凝
          • 垂直管/板
            • 层流Re＜1800
            • 湍流Re＞1800
            • 定性温度：除冷凝潜热r取蒸汽饱和温度外，其余取蒸汽饱和温度与壁面温度的算术平均值
            • 定性尺寸：垂直壁面的高度
            • 试差法求α
              • 选层流公式计算α
              • 校核Re
          • 水平管壁
            • 公式
            • 字母含义
        • 滴状冷凝
          • 冷凝液在壁面上形成液滴，并沿壁面落下
        • 滴状冷凝α＞膜状冷凝
        • 蒸气冷凝传热推动力是蒸气饱和温度与壁面温度差
        • 影响冷凝传热的因素
          • 流体物性及液膜两侧温差
          • 蒸汽流速和流向的影响
          • 不凝性气体影响
            • 在液膜表面形成一层气膜，气体导热系数更小，形成的气膜热阻比液膜大，最终使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低
          • 蒸汽过热的影响
          • 强化：设法减小液膜厚度
      • 液体沸腾
        • 传热特点
          • 管内沸腾：液体在管内流动时受热沸腾
          • 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
          • 应用：精馏塔的再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等
        • 沸腾过程
          • 传热推动力：加热面温度和液体饱和温度差
          • 大空间内沸腾时，随温度差不同，过程中对流传热系数α和热流密度q变化
          • • 自然对流状态
              • AB段，温差小，无明显沸腾现象，此阶段α和q均很小，且随温差增大而缓慢增加
            • 核状沸腾状态
              • BC段，气泡运动产生对流和扰动，此阶段α和q均随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
            • 膜状沸腾状态
              • CD段，因汽化核心过多形成不稳定汽膜，加热面与液体隔开，α和q下降
        • 影响传热因素
          • 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（BC）
          • 操作压力
            • 提高操作压力可提高液体饱和温度，从而使液体黏度和表面张力下降，有利于气泡生成和脱离壁面，强化对流传热过程
          • 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，有利沸腾传热
          • 加热面影响
            • 加热面材料、粗糙度
  • 热量衡算
    • 换热器忽略热损失
    • 两流体无相变，流体比热不随温度改变
    • 换热器内有相变
      • 公式
      • 冷凝液温度低于饱和温度
  • 总传热速率方程
    • 通过换热器中任一微元面积ds的间壁两侧流体的传热速率方程
    • 公式
    • 字母含义
    • K取整个换热器平均值
  • 总传热系数K
    • 外侧
    • 平壁
    • 内侧
    • 总热阻
    • 污垢热阻
      • 圆形管
      • 平壁或薄管壁
      • 管壁热阻和污垢热阻可忽略
    • 关系
      • 总热阻接近热阻大的一侧
      • 总传热系数接近传热系数小，热阻大一侧的值
      • 壁温接近热阻小的一侧
  • 传热平均温度差
    • 恒温传热
      • 在沿传热壁面的不同位置上，任何时间两种流体的温度皆不变化
      • 公式
    • 变温传热
      • 情况
        • 间壁一侧流体恒温，另一侧流体变温
        • 间壁两侧皆有温度变化，参与换热的两种流体沿着传热两侧运动，流动方式不同
      • 四种流动情况
        • 并流
        • 逆流
        • 错流
          • 两种流体在传热面两侧彼此垂直
        • 折流
          • 简单折流：一侧流体沿一个方向流动，另一侧流体折流，使两流体间并流逆流交替
          • 复杂折流：双方流体均作折流
          • 因为层流底层热阻大，要加很多挡板，让它动起来
    • 并流逆流平均温差
      • 公式
      • 并流
      • 逆流
      • 如果进出口温度确定，那么逆流操作平均温差＞并流，逆流还可节省传热面积，但是不好控温
    • 错流折流平均温差
      • 纯逆流×校正系数
  • 传热面积
    • 总传热系数K为常数
      • 总传热速率方程
      • 换热器结构参数
    • 总传热系数K为变数
• 传热的强化
  • 目的：用最小的传热设备获得最大的生产能力
  • 加大传热面积
    • 翅片或螺旋翅片代替普通金属管
  • 增加平均温度差
    • 降低管道阻力，提高加热蒸汽压强
    • 逆流代替并流
  • 减少传热阻力
    • 减少壁厚，用热导率高的材料
    • 防止污垢，常清污垢
    • 加大流速，提高湍动程度，减少层流内层厚度（增大对流传热系数）