傳熱第五章傳熱

5.1概述5.2熱傳導(dǎo)5.3對流傳熱5.4傳熱過程計算5.5傳熱的強化5.6換熱器

5.7熱輻射傳熱

5.1概述

5.1.1傳熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用

傳熱是指不同溫度的兩個物體之間或同一物體的兩個不同溫度部位之間所進行的熱的傳遞。在食品工業(yè)上，大多數(shù)生產(chǎn)過程都需要控制在一定的溫度下進行，為了達到或保持所需要的溫度，通常需要對物料進行加熱或冷卻。并且，這種熱交換作為單元操作，總是與其他的單元操作結(jié)合在一起，或作為其他單元操作的一部分。例如對食品進行加熱、冷卻等，起到殺菌，便于保藏的作用；食品原料在加工中完成生化變化；液體食品的濃縮、干制食品的脫水等均離不開傳熱。傳熱

食品生產(chǎn)中對傳熱過程的要求有以下兩種情況:一種是強化傳熱過程。要求設(shè)備傳熱性能良好，以達到挖掘傳熱設(shè)備的潛力或縮小設(shè)備的尺寸；另一種是削弱傳熱過程，以達到減少熱損失，節(jié)約能源，維持操作穩(wěn)定，改善操作人員的勞動條件等。傳熱

5.1.2傳熱的基本理論

1.傳熱的基本方式熱量的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種。傳熱

（1）熱傳導(dǎo)它是內(nèi)能由物體的一部分傳遞給另一部分或從一個物體傳遞給另一個物體，同時無物質(zhì)質(zhì)點遷移的傳熱方式。物體中溫度較高的分子（或原子、自由電子等）因振動而與相鄰溫度較低的分子（或原子、自由電子等）發(fā)生碰撞，并將能量的一部分傳給后者。熱傳導(dǎo)的特點是物體中的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀的遷移。熱傳導(dǎo)通常發(fā)生在固體中，靜止的液體或氣體中也常常發(fā)生熱傳導(dǎo)。在層流流體中，傳熱方向與流向垂直時亦為傳導(dǎo)。在流體中導(dǎo)熱的作用并不明顯。

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（2）熱對流熱對流是流體各部分發(fā)生相對位移而引起的傳熱現(xiàn)象。對流傳熱時，伴隨著流體質(zhì)點相對運動，不同溫度的質(zhì)點因相互混合而交換熱量。若流體的運動是由于受到外力(如機械攪拌)的作用所引起，則稱為強制對流；若流體的運動是由于流體內(nèi)部冷、熱部分的密度不同引起的，則稱為自然對流。

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（3）熱輻射熱輻射既不依靠流體質(zhì)點的移動，又不依靠分子之間的碰撞，而是借助各種不同波長的電磁波來傳遞能量的。熱輻射的特點是不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)兩個物體以熱輻射的方式進行熱能傳遞時，放熱物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，并以電磁波的形式向周圍空間發(fā)射，當(dāng)遇到另一物體時，電磁波的輻射能將部分或全部地被該物體吸收，又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。任何物體都能把熱能以電磁波的形式輻射出去，也能吸收別的物體輻射出的電磁波而轉(zhuǎn)變成熱能。當(dāng)物體的溫度越高，則以輻射形式傳遞的熱量就越多。傳熱

實際上，上述三種基本方式，在傳熱過程中很少單獨存在，往往是互相伴隨著同時出現(xiàn)。例如在焙烤食品時，在食品的烘烤區(qū)域范圍內(nèi)，兼有熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)三種傳熱方式，并且是以熱輻射為主。所以，三種基本傳熱方式在某種場合下是以某種方式為主而已。傳熱

2.工業(yè)上的換熱方式在食品生產(chǎn)中，由于換熱的目的和工作條件的不同，換熱方式可分為以下兩類。（1）間壁式換熱間壁式換熱是通過固體壁面將冷、熱兩種流體隔開，熱流體先將熱量傳給固體壁面，再以熱傳導(dǎo)的方式通過固體壁面，然后由固體壁面將其所吸收的熱量傳給被加熱的冷流體以達到換熱的目的。它是食品工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種換熱形式。傳熱

（2）混合式換熱混合式換熱是冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的一種方式。此類換熱器只能用于允許冷、熱流體直接混合的場合。常見的換熱器有涼水塔、混合冷凝器等。（3）蓄熱式換熱蓄熱式換熱是在蓄熱器內(nèi)，冷、熱流體交替流過填充物。當(dāng)熱流體流過時，填充物溫度升高，貯存熱量。而后冷流體流過，填充物中貯存的熱量再傳遞給冷流體，使自身降溫。就這樣反復(fù)進行換熱過程。因此蓄熱式換熱是反復(fù)利用固體填充物積蓄和釋放熱量而達到使冷、熱兩股流體換熱的一種方法。傳熱

5.1.3傳熱的基本概念

傳熱的根本原因是由于溫度差的存在。所以傳熱過程與溫度分布有著密切的聯(lián)系。

1.溫度場任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布稱溫度場。一般情況下，物體內(nèi)部的溫度分布是空間坐標(biāo)X、Y、Z和時間θ的函數(shù)。即

t=f（X、Y、Z、θ……）傳熱

2.穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點的溫度僅隨位置變化而不隨時間變化，稱為穩(wěn)定溫度場。與這種溫度場相應(yīng)的傳熱過程稱為穩(wěn)定傳熱過程。其在單位時間內(nèi)傳遞的熱量是不變的。反之，若傳熱系統(tǒng)中各點的溫度不僅隨位置的改變而改變，而且隨時間的變化而發(fā)生變化，稱為不穩(wěn)定溫度場。與這種溫度場相應(yīng)的傳熱過程稱為不穩(wěn)定傳熱過程。即在單位時間內(nèi)傳遞的熱量是變化的。生產(chǎn)實踐中的連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱一般屬于穩(wěn)定傳熱；而間歇式生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)的開、停車階段的傳熱，一般屬于不穩(wěn)定傳熱。本章只討論穩(wěn)定傳熱。傳熱

3.溫度梯度

傳熱過程中的溫度變化往往是用溫度梯度來表示的。溫度梯度是指某時刻在該點向溫度增加方向的溫度變化率，它表示該點溫度變化的劇烈程度，其值沿溫度增加方向為正，沿溫度降低方向為負。傳熱

5.2熱傳導(dǎo)

5.2.1熱傳導(dǎo)的基本定律

固體中的熱量傳遞主要是熱傳導(dǎo)；氣體和液體因具有流動性，熱傳導(dǎo)和熱對流總是同時出現(xiàn)，熱傳導(dǎo)雖然會發(fā)生，但通常不起主要作用。傳熱

傅立葉定律是反映熱傳導(dǎo)規(guī)律的基本定律，它表示導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，即：Q=－λA（5-1）式中Q—導(dǎo)熱速率，單位時間內(nèi)的傳導(dǎo)的熱量，其方向與溫度梯度相反，W；A—傳熱面積，垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2；—溫度梯度，K/m；λ—材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。“-”—表示熱流方向與溫度梯度的方向相反。傅立葉定律不是根據(jù)基本原理推導(dǎo)得到的，它與牛頓粘性定律相類似，導(dǎo)熱系數(shù)λ與黏度μ一樣，也是粒子微觀運動特性的表現(xiàn)。傳熱

5.2.2導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，是表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)值越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強。不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)各不同，同一物質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)隨該物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度和壓力等而變化。工程計算中所用的各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，其值都是由實驗測定的。一般說來，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，固體非金屬次之，液體較小，氣體最小。

1.固體的導(dǎo)熱系數(shù)在所有的固體物質(zhì)中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。其導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.5～420W/（m·K）。隨著金屬純度降低，其導(dǎo)熱系數(shù)會降低。非金屬材料的λ=0.06～3W/（m·K）：其中λ<0.23W/（m·K）的固體材料可用來作保溫材料。傳熱

2.液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)的范圍一般為0.09～0.7W/（m·K）。液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體高。在液態(tài)金屬中，鈉的導(dǎo)熱系數(shù)較高。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。水溶液的導(dǎo)熱系數(shù)隨濃度增高而降低。多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。

3.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而增大，隨壓強變化很小。其值的范圍為0.0058～0.58W/（m·K）。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對導(dǎo)熱不利；但有利于保溫、絕熱。工業(yè)上用的玻璃棉、泡沫塑料等就是因為其間隙有氣體而被作為絕熱材料。傳熱

5.2.3平壁的熱傳導(dǎo)

1.單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)如圖5-1所示。假設(shè)平壁材料均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而變，平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于壁面的方向變化。兩側(cè)表面積為A，壁厚為δ。兩側(cè)的溫度分別為t1、t2，若t1>t2，熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳熱，其導(dǎo)熱速率為：

Q=λA（5-2）

式中δ—平壁厚度，m;R—導(dǎo)熱熱阻，R=,K/W。傳熱

圖5-1單層平壁熱傳導(dǎo)

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實際上，物體內(nèi)部不同位置上的溫度并不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也隨之不同。但在工程計算中，對于各處溫度不同的物體，其導(dǎo)熱系數(shù)可以取固體兩側(cè)面溫度下λ值求得算術(shù)平均值，或取兩側(cè)面溫度的算術(shù)平均值下的λ值。式（5-2）表明導(dǎo)熱速率與傳熱推動力成正比，與熱阻成反比；導(dǎo)熱距離越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，熱阻越大。傳熱

2.多層平壁的熱傳導(dǎo)

生產(chǎn)中常見的是多層平壁的熱傳導(dǎo)，如用耐火磚、保溫磚和青磚等構(gòu)成的三層爐壁。如圖5-2所示，其中各層壁厚依次為δ1、δ2、δ3，材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1、λ2、λ3，壁面溫度依次為T1、T2、T3、T4。傳熱

圖5-2多層平壁的熱傳導(dǎo)傳熱

根據(jù)傅立葉定律，各層的導(dǎo)熱速率可寫成

傳熱

在穩(wěn)定傳熱條件下，Q=Q1=Q2=Q3。應(yīng)用加合定律可得：

（5-3）上式為三層平壁的導(dǎo)熱速率方程。對于n層平壁，其導(dǎo)熱速率方程可表示為

（5-4）由此可見，多層平壁熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱速率與熱傳導(dǎo)總推動力成正比，與總熱阻成反比，總推動力為各層平壁溫差之和，總熱阻為各層平壁熱阻之和。傳熱

例5-1鍋爐鋼板壁厚δ1=20㎜，其導(dǎo)熱系數(shù)λ1=58.2W/（m·K），若粘附在鍋爐內(nèi)壁的水垢厚度δ2=1㎜，其導(dǎo)熱系數(shù)λ2=1.162W/（m·K）。已知鍋爐鋼板外表面溫度t1=523K，水垢內(nèi)表面溫度t3=473K，求鍋爐每平方米表面積的傳熱速率，并求鋼板內(nèi)表面的溫度t2。

解由式（5-3）得41493.8W/㎡t2=t1-=523-41493.8×=508.7K傳熱

5.2.4圓筒壁的熱傳導(dǎo)

1.單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)生產(chǎn)中常遇到流體通過管壁和圓筒形設(shè)備壁的導(dǎo)熱。它與平壁導(dǎo)熱的本質(zhì)相同。不同點在于圓筒壁導(dǎo)熱時，導(dǎo)熱面積沿著管半徑r的方向逐漸變化，而平壁導(dǎo)熱時沿傳熱方向?qū)崦娣e是不變的。如圖5-3是一個單層圓筒壁，設(shè)其內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，長度為L。其內(nèi)外壁溫度分別為t1、t2，且t1>t2。應(yīng)用傅立葉定律，進行積分得到通過該圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程為

（5-5）傳熱

圖5-3單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)傳熱

式（5-5）可知，單位時間內(nèi)通過單層圓筒壁的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)λ、筒長L及內(nèi)外壁溫

t成正比，與圓筒外徑和內(nèi)徑比值的自然對數(shù)成反比。為便于理解，設(shè)圓筒壁的平均導(dǎo)熱面積為Aｍ，與Aｍ相對應(yīng)的筒的平均半徑為ｒｍ，則通過圓筒壁的導(dǎo)熱速率又可按平壁的公式寫成：

（5-6）傳熱

與式（5-5）比較得：

=則rm=（5-7）

rm稱為單層圓筒壁的對數(shù)平均半徑。當(dāng)筒壁比較薄，r2/r1<2時,可用算術(shù)平均值表示，與對數(shù)平均半徑相比，誤差不超過4%，在工程計算中常作這樣的簡化處理。傳熱

2.多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)可視為各單層圓筒壁串聯(lián)進行的導(dǎo)熱過程。對穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱過程，單位時間內(nèi)由多層圓筒壁所傳導(dǎo)的熱量，等于通過各層圓筒壁所傳導(dǎo)的熱量。傳熱

以三層圓筒壁為例，假設(shè)層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等。各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為λ1、λ2、λ3，視為常數(shù)。各層厚度分別為δ1=r2－r1；δ2=r3－r2；δ3=r4－r3。其導(dǎo)熱速率方程可與多層平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱方程相類比。即（5-8）對于n層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，其傳熱速率方程為（5-9）傳熱

例5-2用Ф89×4㎜的不銹鋼管輸送熱油，管的熱導(dǎo)率為17W/（m·K），其內(nèi)表面溫度為403K，管外包4㎝厚的保溫材料，其導(dǎo)熱率為0.035W/（m·K），其外表面溫度為298K，計算鋼管與保溫材料交界處的溫度。

傳熱

解r1==0.0405mr2==0.0445mr3=0.0445+0.04=0.0845m由式（5-9)得再由式（5-5）得

由計算結(jié)果可知，鋼管與保溫層交界處的溫度與管內(nèi)溫度相差很小，是因為鋼的熱導(dǎo)率較大。如果無保溫層，將會有很大的熱損失。傳熱

5.3對流傳熱

對流傳熱是指流體與固體壁面之間依靠流體質(zhì)點位移產(chǎn)生的熱對流和分子運動所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)而進行的熱量交換過程，又稱為對流給熱。由于固體壁面附近存在流體層流內(nèi)層（靠近管壁處作層流流動的流體薄層），故對流傳熱的全過程必然包括熱量由流體主體向?qū)恿鲀?nèi)層外緣的傳遞過程，以及通過層流內(nèi)層的傳遞而到達固體壁面的傳遞過程，它是一種復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象。傳熱

圖5-4流體在壁面兩側(cè)流動情況傳熱

5.3.1對流傳熱方程

對流傳熱是一個十分復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象，影響對流傳熱的因素很多。因此對流傳熱的純理論計算相當(dāng)困難。工程上將對流傳熱的傳熱速率寫成如下形式：流體被加熱時：Q=αA（tＷ-t）（5-10）流體被冷卻時：Q=αA（t-tＷ）(5-11)式中α—對流傳熱系數(shù)（又稱傳熱膜系數(shù)、給熱系數(shù)），W/(㎡·K)；tＷ—壁面溫度，K；t—流體的平均溫度，K。以上兩式為對流傳熱速率方程，又稱牛頓冷卻定律。傳熱

在整個換熱器中，流體溫度和壁溫都隨流體流動方向而改變。所以局部對流傳熱系數(shù)也沿流體流動方向而變化。在設(shè)計換熱器時，為了簡便起見，對流傳熱系數(shù)可用平均溫度下的平均對流傳熱系數(shù)的數(shù)值。此時牛頓冷卻定律可以表示為

Q=αA?t(5-12)上式可改寫為（5-13）

式（5-13）表明對流傳熱速率等于傳熱的推動力與對流傳熱的熱阻之比。傳熱

5.3.2對流傳熱系數(shù)及其影響因素

1.影響對流傳熱系數(shù)的因素對流傳熱的特點是存在著流體相對于壁面的流動。所以，凡是影響流體流動的因素，必然也影響對流傳熱系數(shù)。。主要影響因素有：①流體的流動狀態(tài)。湍流、過渡流或?qū)恿?；②流體的對流方式。自然對流或強制對流；③流體的物理性質(zhì)。流體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度等；④傳熱面的形狀、大小和位置；⑤流體在傳熱過程中有無相變；由此可見，影響對流傳熱系數(shù)的因素很多，所以對流傳熱系數(shù)的確定是一個非常復(fù)雜的問題。傳熱

2.對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式對流傳熱系數(shù)的計算十分復(fù)雜，沒有一個確定α的普遍公式。目前工程設(shè)計中使用的α計算式，大多是通過實驗做出的經(jīng)驗公式。這些計算式常整理成無因次數(shù)群的關(guān)系式，稱為對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。式中用的無因次數(shù)群稱為準(zhǔn)數(shù)。當(dāng)流體作穩(wěn)定對流傳熱時，計算中常遇到的準(zhǔn)數(shù)有：(1)努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（又稱放熱準(zhǔn)數(shù)）Nｕ

Nｕ＝（5-14）它反映了流體邊界的放熱情況。因含有α所以能通過Nｕ和其他準(zhǔn)數(shù)的關(guān)聯(lián)式計算出α。傳熱

(2)雷諾準(zhǔn)數(shù)（流動準(zhǔn)數(shù)）Re

Re＝（5-15）Re是反映流體流動狀況的一個準(zhǔn)數(shù)。一般在強制對流時，它的作用顯著，而在自然對流中，其影響微小。(3)普朗特準(zhǔn)數(shù)（物性準(zhǔn)數(shù)）PrPr＝（5-16）它反映了流體與傳熱有關(guān)的一些性質(zhì)，即流體物性對傳熱的影響。傳熱

(4)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)GrGr＝（5-17）Gr反映了同一流體內(nèi)部，由于局部溫度差異所引起的浮力對傳熱的影響，特別是為自然對流時，其影響非常顯著；當(dāng)為強制對流時，其影響較小，可忽略不計。傳熱

式中α—對流傳熱系數(shù)，W/(㎡·K)；λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；L—傳熱面的特征尺寸，m。當(dāng)流體在管內(nèi)流動時，L常指管內(nèi)徑；在其他情況下，可能指管外徑、管高或平板高度等；u—流體的流速，m/s；ρ—流體的密度，㎏/m3；μ—流體的黏度，Pa·s；cp—流體的比熱容，J/（㎏·K）；g—重力加速度，9.81m/s2；β—流體的熱噢鞥張系數(shù)，β=1/t，1/K；Δt—流體溫度與管壁溫度的差值，K。描述對流傳熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

Nu=kRem·Prn·Grs…（5-18）傳熱

因準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式屬于經(jīng)驗公式，故在應(yīng)用時不能超出實驗條件的范圍，必須注意以下三個方面：①應(yīng)用范圍。各關(guān)聯(lián)式中準(zhǔn)數(shù)都有其適用的范圍，使用時不得超過此范圍。

②特征尺寸。當(dāng)計算準(zhǔn)數(shù)式中含有幾何尺寸L的準(zhǔn)數(shù)時，L有其指定的固定邊界的某一尺寸，此尺寸稱為定性尺寸。定性尺寸一般選取對流體流動和換熱有決定性影響的固體表面尺寸。如管內(nèi)對流傳熱時用管內(nèi)徑，管外對流傳熱時用外徑，對非圓形管道則取當(dāng)量直徑。

③定性溫度。確定準(zhǔn)數(shù)中物性參數(shù)所依據(jù)的溫度稱為定性溫度。定性溫度可取流體的平均溫度(即流體進、出換熱器溫度的算術(shù)平均值)或壁面溫度，也可選取流體和壁面的平均溫度。總的說來，一般選取對傳熱過程起主要作用的溫度作定性溫度。傳熱

3.幾種常見的對流給熱系數(shù)

（1)流體無相變時的對流傳熱系數(shù)

①自然對流時的傳熱系數(shù)。自然對流是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在溫度差，使各部分流體密度不同而引起的對流運動。自然對流時的傳熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用很廣，如冷庫內(nèi)冷卻排管的圓筒型壁面放出冷氣、冷庫平壁面對冷庫內(nèi)放熱等。傳熱

a.垂直平壁面的對流傳熱系數(shù)

垂直平壁面對流傳熱時，壁面為熱壁，壁面附近的熱空氣與離壁面較遠處的冷空氣之間存在密度差異，前者小于后者，在垂直方向的不同密度的空氣層間產(chǎn)生浮力效應(yīng)，從而造成氣流的循環(huán)運動，壁面附近的空氣上升，遠處冷空氣流向下部壁面。冷庫即為此例。它的傳熱情況是壁面溫度與空氣溫度之間的溫度差引起了熱量以傳導(dǎo)方式傳給壁面處的空氣，而空氣又帶著此熱量在沿壁面平行方向流動中，因與冷空氣密度不同而產(chǎn)生對流并離開壁面。其對流傳熱系數(shù)可用如下關(guān)聯(lián)式來表示：傳熱

Nu=CG（5-19）式中L—定性尺寸，取平壁的高度，m；C—常數(shù)，對空氣：C=0.48；一般流體：Pr＜0.5時，C=1.8Pr＞0.5時，C=20.6（）；上式適用于Pr·Gr＜108的場合；Pr·Gr＞108時，壁高影響可忽略。可采用下式計算：Nu=0.129(Pr·Gr)（5-20）傳熱

b.水平圓筒壁的自然對流傳熱系數(shù)在食品工業(yè)上，冷庫內(nèi)水平冷卻排管外壁面的傳熱為水平圓筒壁的自然對流傳熱。其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：Nu=0.4(Pr·Gr)（5-21） 決定這種放熱過程的定性尺寸不是管長而是管子外徑dO；此式適用于Gr·Pr＝103～109的范圍；式中的物性參數(shù)的定性溫度以壁溫為基準(zhǔn)，僅流體的熱膨脹系數(shù)β取流體溫度為定性溫度。傳熱

②強制對流時的傳熱系數(shù)當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)作強制對流時a．低黏度(μ<2μ水)流體Nu＝0.023Re0.8Prn（5-22）或α=0.023（λ/d）Re0.8Prn式中n—常數(shù)，與熱流方向有關(guān)，當(dāng)流體被加熱時，n＝0.4；被冷卻時，n＝0.3。特征尺寸：Re、Nu準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸取管內(nèi)徑di。

定性溫度：流體進、出口主體溫度的算術(shù)平均值。上式的適用范圍：Re>10000，0.7＜Pr<160，管子長徑比L/di>30～40。當(dāng)L/di<30～40時，可將由式(5-22)算得的α乘以［1+（di/L）0.7］進行校正。傳熱

b．高黏度流體

Nu＝0.027Re0.8Pr0.33()0.14（5-23）式中μ—液體在主體平均溫度下的黏度；

μw—液體在壁溫下的黏度。c．對于Rｅ=2000～10000之間的流動，層流內(nèi)層較厚，熱阻大而α小，此時可按式（5-22）計算結(jié)果乘以較正系數(shù)f，且：

f=1-（5-24）傳熱

d．對于彎管，用式（5-22）計算結(jié)果乘以較正系數(shù)εR，且：

εR=1+1.77（d/R）（5-25）式中R—彎管的曲率半徑。e．對于非圓形直管，（5-22）式仍然適用，式中的定性尺寸用當(dāng)量直徑de代替。

de=（5-26）傳熱

（2）流體有相變時的強制對流傳熱系數(shù)液體沸騰汽化和蒸汽冷凝時的對流傳熱過程均伴隨著狀態(tài)的變化，即相變。在傳熱過程中，介質(zhì)要吸收或放出相變潛熱，同時物性參數(shù)均有較大的變化，它們對傳熱有很大的影響。

①液體沸騰時的對流傳熱系數(shù)。將液體加熱使其內(nèi)部伴有由液相變成氣相產(chǎn)生氣泡的過程稱為沸騰。因液體沸騰時必伴有流體的流動，所以沸騰傳熱過程屬于對流傳熱過程。傳熱

工業(yè)上液體沸騰方法有兩種：一是將加熱面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱而沸騰，稱為大容器沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。這里主要介紹大容器沸騰時的對流情況。沸騰時首先在傳熱壁面上的某些點形成“汽化核心”，在汽化核心首先形成氣泡，形成的氣泡因受熱逐漸長大，浮力增加，氣泡上升，最后躍離液面。氣泡的產(chǎn)生和液體的穿層運動，不僅對液體產(chǎn)生強烈擾動，而且破壞了加熱面附近的邊界薄層，大大提高了傳熱效應(yīng)。傳熱

a．液體的沸騰過程液體沸騰放熱過程的推動力是加熱面溫度tW和液體飽和溫度tS之差?t。在大空間內(nèi)沸騰時，隨著此溫差的變化，過程中的對流傳熱系數(shù)α和熱流密度q（Q/A）都發(fā)生變化。并且從沸騰的現(xiàn)象上看，也有很大的變化。根據(jù)傳熱溫差的變化，液體沸騰放熱過程主要經(jīng)歷以下四個階段，如圖5-5示。傳熱

圖5-5水沸騰放熱的α和q

傳熱

Ι自然對流階段：如圖AB階段。此時溫差小，無明顯沸騰現(xiàn)象。但有液體自然對流運動。其傳熱特點是α和q均小，且α和q隨溫差增大而緩慢增加。Ⅱ泡核沸騰階段：如圖BC階段。從B點開始液體產(chǎn)生氣泡沸騰。由于氣泡運動所產(chǎn)生的對流和攪動作用，所以，此階段的α和q均隨溫度差增大而迅速升高。?t越大，汽化核心越多，氣泡脫離表面的速度越快，沸騰越加劇烈。傳熱

Ⅲ膜狀沸騰階段：如圖CD階段。此時汽化核心過多而聯(lián)結(jié)成不穩(wěn)定氣膜，此膜將加熱面與液體隔開，由于氣膜的傳熱效果差，因此當(dāng)溫差增大時，α和q反而下降。泡核沸騰和膜狀沸騰的交接點C為第一臨界點。其對應(yīng)的溫差?t、傳熱系數(shù)α和熱流密度q都是臨界值。Ⅳ穩(wěn)定膜狀沸騰階段：自D點以后氣膜已趨穩(wěn)定。此時表面溫度升高后，輻射傳熱逐漸占有支配作用。D點為第二臨界點。由于泡核沸騰階段的對流傳熱系數(shù)值較大。因此，在食品生產(chǎn)中，應(yīng)設(shè)法控制在泡核沸騰狀態(tài)下操作。傳熱

b．液體沸騰時的對流傳熱系數(shù)的計算

α=0.560p0.15q0.7（5-27）或α=0.145p0.5(?t)2.33式中p—工作壓力，Pa；q—熱流密度，W/㎡。兩式適用范圍為p=20～104kPa。傳熱

②蒸汽冷凝時的對流傳熱系數(shù)當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的壁面相接觸時，蒸汽將放出潛熱并在壁面上冷凝成液體，蒸汽在壁面上的冷凝可分為膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種情況。若冷凝液能夠潤濕壁面，并在壁面上形成一層完整的液膜，稱為膜狀冷凝；若冷凝液不能潤濕壁面．而是在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，稱為滴狀冷凝。由于滴狀冷凝不能潤濕壁面，因而液滴稍微長大后即從壁面落下，從而不斷暴露出壁面，使傳熱系數(shù)大大加大。但是，工業(yè)設(shè)備中大多數(shù)是膜狀冷凝，冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理。綜上所述，對流傳熱系數(shù)有相變的比沒相變的大得多。傳熱

5.4傳熱過程計算

5.4.1熱量衡算

根據(jù)能量守恒，穩(wěn)定傳熱時，單位時間內(nèi)熱流體所放出的熱量Qh必定等于冷流體所得到的熱量Qc與損失于周圍介質(zhì)的熱量QL之和。即

Qh=Qc+QL（5-28）若忽略操作過程中的熱量損失，則可寫成下式

Qh=Qc（5-29）傳熱

5.4.2傳熱速率方程

1.傳熱速率基本方程冷、熱流體通過間壁的熱交換，實質(zhì)上是間壁兩側(cè)流體與間壁表面的對流傳熱和通過間壁的導(dǎo)熱的一個綜合的傳熱過程。兩種流體間之所以能進行熱交換，是由于冷、熱流體之間存在溫度差，即傳熱的推動力，所以熱量就能自動地由熱流體經(jīng)管壁傳向冷流體。此傳遞熱量的壁面稱為換熱器的傳熱面。用A表示，單位為㎡。它的傳熱速率是指在熱交換過程中，冷、熱流體在單位時間內(nèi)所交換的熱量，通常以Q表示。其單位為J/s或W。傳熱

經(jīng)驗表明，在傳熱過程中，單位時間內(nèi)通過換熱器傳遞的熱量和傳熱面積成正比，與冷、熱流體間的溫度差成正比。若溫度差沿著傳熱面是變化的，則取換熱器兩端流體溫度差的平均值，即?tm。上述關(guān)系可用下式表示

Q＝KA?tm（5-30）式中的比例常數(shù)K稱為傳熱系數(shù)。其物理意義為：當(dāng)冷、熱流體之間溫差為1K，在單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積由熱流體傳給冷流體的熱量。其單位為W／(㎡·K)。在相同溫差條件下，K越大．則所傳遞的熱量越多，即熱交換過程越強烈。在傳熱操作中，應(yīng)設(shè)法提高傳熱系數(shù)以強化傳熱過程。傳熱

式(5-30)稱為傳熱基本方程式。此式也可以寫成如下形式（5-31）

式(5-31)表明傳熱速率等于傳熱推動力與總熱阻之比。傳熱

2.傳熱量的計算穩(wěn)定傳熱過程，傳熱量可通過熱流體放出的熱量Qh進行計算，也可通過冷流體吸收的熱量Qc來計算。具體方法如下。（1）焓差法：計算式如下Qh=qh(Hh1—Hh2)（5-32）Qc=qc(Hc2-Hci)（5-33）式中qh、qc—熱、冷流體的質(zhì)量流量，㎏／s；Hh1、Hh2—熱流體最初和最終的焓，J／kg；Hc1、Hc2—冷流體最初和最終的焓，J／㎏。傳熱

焓的數(shù)值取決于載熱體的物態(tài)和溫度。通常氣體和液體的焓取273K為計算基準(zhǔn)，即規(guī)定273K的液體(或氣體)的焓值為0，蒸汽的焓則取273K的液體的焓為0J/㎏作為計算基準(zhǔn)。本書附錄中列有水蒸氣的焓值。其他物質(zhì)的焓可查有關(guān)手冊。傳熱

（2）顯熱法此法僅用于載熱體在熱交換過程中無相變的情況。計算式如下

Qh=qhCh(th1-th2)（5-34）Qc=qcCc(tc2-tc1)(5-35)式中Ch、Cc—熱、冷流體在進出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱容，J／(kg·K)；tc1、tc2—冷流體最初和最終溫度，K；th1、th2—熱流體最初和最終溫度，K。傳熱

（3）潛熱法此法用于載熱體在熱交換中僅發(fā)生相變(冷凝或蒸發(fā))的情況，計算式如下Qh=qhrh(5-36)Qc=qcrc

(5-37)式中rh、rc—熱、冷流體的汽化潛熱，J／kg。傳熱

3.傳熱平均溫差的計算冷、熱兩流體在間壁兩側(cè)進行熱交換，可分為兩類：恒溫傳熱和變溫傳熱。（1）恒溫傳熱恒溫換熱時，兩種流體的溫度沿程不變化，傳熱溫差?tｍ＝?t=th-tc一定。在蒸發(fā)器中，間壁一側(cè)蒸汽冷凝，另一側(cè)液體沸騰，就屬于恒溫換熱。（2）變溫傳熱變溫傳熱時，至少一側(cè)流體溫度沿程變化，換熱器溫度差?t也沿程變化，在應(yīng)用傳熱基本方程時，應(yīng)當(dāng)用傳熱平均溫度差?tm。傳熱平均溫度差?tm與冷、熱流體相對流向有關(guān)。換熱器中兩流體相對流向大致有四種情形，如圖5-6所示傳熱

圖5-6換熱器中流體流向示意圖（a）并流（b）逆流（c）錯流（d）折流（a）（b）(c)(d)傳熱

（a）并流。冷、熱流體在換熱面的兩側(cè)同向流動。（b）逆流。冷、熱流體在換熱面的兩側(cè)反向流動。（c）錯流。冷、熱流體在換熱面兩側(cè)彼此成垂直方向流動。（d）折流。換熱面一側(cè)流體先沿一個方向流動，然后折回反向流動，使兩側(cè)流體交替由并流和逆流存在，稱為折流。只一側(cè)流體折流，稱簡單折流。兩側(cè)流體均作折流，稱復(fù)雜折流。在上述四種流向中，以并流和逆流應(yīng)用較為普遍，尤其逆流應(yīng)用最多。并流和逆流傳熱平均溫度差的計算公式為：

?tｍ＝(5-38)

傳熱

應(yīng)當(dāng)說明的是：①式(5-38)適用于逆流、并流和一側(cè)變溫的情形。并流時：?t1—換熱器進口端熱、冷流體間的溫度差，即th1－tc1；

?t2—換熱器出口端熱、冷流體間的溫度差，即th2－tc2。

逆流時：?t1—換熱器熱流體進口端與冷流體出口端間的溫度差，即th1－tc2；?t2—換熱器熱流體出口端與冷流體進口端間的溫度差，即th2－tc1。傳熱

②若換熱器進出口兩端兩流體溫差變化不大，即<2時，可用算術(shù)平均值?tｍ=代替對數(shù)平均值。③對于錯流和折流，可按式(5-38)求出?t′ｍ，再乘以校正因數(shù)ε?t，，

即?tｍ=ε?t?t′ｍ式中?t′ｍ—逆流傳熱平均溫度差，K；ε?t—溫度校正系數(shù)，ε?t=f(P,R),P=,R=,ε?t可通過查閱ε?t與P、R關(guān)系曲線獲得。傳熱

例5-3在果汁預(yù)熱器中，參與交換的熱水進口溫度為371K，出口溫度為348K，果汁的進口溫度為278K，出口溫度為333K。試計算熱水與果汁在換熱器內(nèi)分別作逆流和并流時的平均傳熱溫度差。傳熱

解（1）當(dāng)兩種流體逆流流動時?t2=th1–tc2=371-333=38K，?t1=th2-tc1=348-278=70K，?tｍ＝由于?t1/?t2=70/38=1.84<2，故可用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值?tｍ=傳熱

（2）當(dāng)兩種流體并流流動時?t1=th1-tc1=371-278=93K，?t2=th2–tc2=348-333=15K，

?tｍ＝傳熱

由上例可知，參與換熱的兩種流體，雖然其進、出口溫度分別相同，但逆流時的?tｍ比并流時大。因此，就增加傳熱推動力而言，逆流總是優(yōu)于并流。當(dāng)傳熱面的兩側(cè)流體的溫度均有變化時，一般選用逆流操作。這是因為逆流操作較并流操作有如下的優(yōu)點：

①加熱。當(dāng)冷流體的初溫、終溫、處理量以及熱流體的初溫一定時，由于逆流時熱流體的終溫有可能小于冷流體的終溫，故其熱流體的消耗量有可能小于并流。

②冷卻。當(dāng)熱流體的初溫、終溫、處理量及冷流體的初溫一定時，由于逆流時冷流體的終溫有可能大于熱流體的終溫，故其冷流體的消耗量有可能小于并流。傳熱

③完成同一加熱任務(wù)。當(dāng)熱流體消耗量及熱流體的終溫相同時，由于逆流對數(shù)平均溫差大于并流，故所需的傳熱面積必小于并流。

④完成同一冷卻任務(wù)．當(dāng)冷流體消耗量及冷流體的終溫相同時，由于逆流對數(shù)平均溫差大于并流，故所需的傳熱面積必小于并流。只有當(dāng)工藝上要求加熱時必須避免溫度高于某一限度或在冷卻時必須避免溫度低于某一限度時，才采用并流。此外，對高黏度的冷流體，采用并流可使其在進入換熱器后有可能迅速提高溫度，降低黏度。有利于提高傳熱效果。傳熱

4.傳熱系數(shù)K的計算傳熱系數(shù)K既可通過理論計算，也可通過實際測定。但在選用時，必須注意到獲得這些數(shù)據(jù)的條件，如流體的溫度、流速、換熱面的潔凈程度等。同一種設(shè)備，若操作條件不同，其傳熱系數(shù)可能相差很大。傳熱

在穩(wěn)定傳熱條件下，通過換熱器的間壁兩側(cè)的傳熱速率應(yīng)等于熱流體傳給壁面、壁面一側(cè)傳給另一側(cè)以及壁面?zhèn)鹘o冷流體的傳熱速率。即：

（5-39）式中tc、th—分別為冷、熱流體主體的平均溫度，K；tw、c、tw、h—分別為冷、熱流體側(cè)的壁溫，K；

α1、α2—分別為熱、冷流體的對流傳熱系數(shù)，W/（㎡·K）；A1、A2—分別為熱、冷流體側(cè)壁面的面積，㎡；

Am—壁面的平均面積，㎡；

λ—壁面材料的熱導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；δ—壁面的厚度，m。傳熱

應(yīng)用加比定律可得（5-40）則（1）傳熱面為平壁時，內(nèi)、外側(cè)傳熱面積與平均傳熱面積相等，即A=A1=Am=A2，其傳熱系數(shù)為（5-41）

傳熱

（2）傳熱面為圓筒壁時，由于A1≠Am≠A2，傳熱系數(shù)K值必須與所選擇的傳熱面積相對應(yīng)。即Q=K1A1?tｍ=KｍAｍ?tｍ=K2A2?tｍ

式中K1、Kｍ、K2—分別表示以壁面內(nèi)表面、平均面積和外表面計的總傳熱系數(shù)。

傳熱

K1=（5-42）

Kｍ=（5-43）

K2=（5-44）

當(dāng)管壁較薄或管徑較大時，即管內(nèi)、外表面積大小很接近時，可近似取A1≈Am≈A2，則圓筒壁近似當(dāng)成平壁計算。傳熱

（3）污垢熱阻換熱器使用一段時間后，其傳熱面常常有污垢形成，使傳熱速率減小。計算K值時污垢熱阻一般不可忽略。如傳熱面兩側(cè)表面上的污垢熱阻分別用RA1和RA2表示，此時以傳熱面A1為基準(zhǔn)的K值得計算式為：

（5-45）

傳熱

當(dāng)α1<<α2時，K≈α1；當(dāng)α1>>α2時，K≈α2?？倐鳠嵯禂?shù)是由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱的熱阻所控制。若兩流體的對流傳熱系數(shù)α相差很大時，要提高K值，關(guān)鍵在于提高熱阻大的一側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)。若兩側(cè)α相差較小，即α1、α2在同一數(shù)量級時，只有同時提高兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)，才能有效地提高K值。傳熱

例5-4用刮板式換熱器冷卻蘋果醬，蘋果醬質(zhì)量流量為50㎏/h,比熱容為3.817kJ/(㎏·K),入口溫度353K。出口溫度293K。套管環(huán)隙流動冷水，入口溫度283K，出口溫度290K。傳熱系數(shù)K為568W/（㎡·K）。求：（1）需要冷卻水的用量；（2）換熱平均溫度差及換熱面積；（3）若流體作并流流動，其他條件相同，求換熱平均溫度差及所需換熱面積。傳熱

解（1）Ｑ＝qhch(th1-th2)＝50×3.817×1000×（353－293）＝1.15×107J/h

冷水平均溫度，在286.5K下查得水的比熱為4.186kJ/(㎏·K)。

傳熱

（2）逆流操作?t1=th1–tc2=353-290=63K?t2=th2-tc1=293-283=10K

傳熱

（3）并流操作?t1=th1-tc1=353-283=70K?t2=th2–tc2=293-290=3K

由計算結(jié)果可見，逆流比并流?tｍ大，所需換熱面積小。若用相同換熱面積，則冷卻水用量可減小。從經(jīng)濟角度，逆流優(yōu)于并流。傳熱

5.5

傳熱的強化

1.增大傳熱面積A增大傳熱面積可以增加傳熱量。但隨著傳熱面積的增大，投資和維修費用也相應(yīng)增加。因此要采取措施增大單位體積內(nèi)的傳熱面積，如，改光滑管為非光滑管，管式為波紋式或翅片式等，這樣，不僅增加了傳熱面積，還強化了流體的湍動程度，使傳熱效果大大提高。傳熱

2.增加傳熱平均溫度差?tｍ

?tｍ越大，傳熱速率越大。?tｍ的增加在理論上可采用提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法；但這往往受客觀條件(如蒸汽壓力、氣溫、水溫等)和工藝條件限制。提高蒸汽壓力，設(shè)備的造價會隨之提高。但在一定的汽源壓力下，可采取降低蒸汽管道阻力的方法以提高加熱蒸汽的壓力。此外，在一定條件下，還可采用逆流代替并流的方法提高?tｍ。

傳熱

3.提高傳熱系數(shù)K這是強化傳熱過程的有效途徑，即減小總傳熱熱阻。從傳熱系數(shù)計算公式可知，要提高K，需減小各項熱阻。在這些熱阻中，若有一個熱阻很大，而其他的熱阻比較小，則應(yīng)從降低最大熱阻著手。換熱器剛使用時，由于沒有垢層，流體對流傳熱熱阻是主要方面，減小這項熱阻主要靠提高流速，增加流體的湍動程度來實現(xiàn)。如將換熱器由單程改為多程、加裝擋板、使用螺旋板式換熱器等都能加大流體的流速，在管內(nèi)適當(dāng)裝入一些添加物亦可起到增強湍動，破壞滯留內(nèi)層的作用。隨著換熱器使用時間的延長，垢層熱阻逐漸增大，因此，防止結(jié)垢，及時清除污垢，也是強化傳熱的關(guān)鍵。傳熱

5.6換熱器

換熱器是食品工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的重要設(shè)備，其種類繁多。換熱器按傳熱過程的不同，可分為間壁式和混合式兩大類。食品工業(yè)多用間壁式換熱器。按其使用目的不同，可分為預(yù)熱器、加熱器、過熱器、冷凝器、冷卻器、余熱回收器等。根據(jù)各種換熱器的構(gòu)造和傳熱面的形式還可作如下劃分：

管式換熱器是以管壁為換熱面的換熱器，常用的有蛇管式、套管式、列管式和翅片管式等。傳熱

傳熱

5.6.1管式換熱器

1.蛇管式換熱器（1）沉浸式蛇管換熱器如圖5-7所示，沉浸式蛇管換熱器是將蛇管浸沒在裝有流體的容器中，蛇管內(nèi)通以另一種流體。蛇管可作成各種形狀，如螺旋形(又稱盤香管)，見圖5-7(2)所示。這種換熱器的管外空間較大，造成管外流體流速較小，使傳熱膜系數(shù)不高，傳熱效率低、對操作條件改變不敏感，但結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，造價低，能承受較高壓力。在食品加工中廣泛應(yīng)用，特別是在乳品工業(yè)上。如冷庫中的冷卻排管、牛奶、奶油、煉乳等制品的加熱或冷卻都是常采用這種換熱器。傳熱

圖5-7沉浸式蛇管換熱器

傳熱

(2)噴淋式蛇管換熱器如圖5-8所示，噴淋式蛇管換熱器是將一種流體分散成液滴從上面噴淋下來，經(jīng)蛇管外表與管內(nèi)流體進行換熱，通常用作冷卻器。與沉浸式相比，管外流體對流傳熱系數(shù)有所提高，所需傳熱面積、材料消耗和制造成本都較低，便于清洗、維修。其缺點是設(shè)備占地面積大，噴淋不均勻，且操作時管外有水氣產(chǎn)生，對環(huán)境不利，故常安裝在室外。傳熱

圖5-8噴淋式蛇管換熱器傳熱

2.套管式換熱器如圖5-9所示，套管式換熱器是利用兩根口徑不同的管子相套而成的同心套管，通過U形管將多段套管連接而成。每段套管稱為一程，外管用支管相連接。程數(shù)可根據(jù)換熱要求而增減。每程有效長度為4～6米。冷、熱流體分別流過內(nèi)管和套管環(huán)隙，通過內(nèi)管壁進行熱交換。冷、熱流體通常作逆流操作。可用作加熱器、冷卻器和冷凝器。套管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，傳熱面積易于增減；逆流操作，傳熱強度高；耐壓。缺點是管間接頭多，易泄漏；單位長度所具有的傳熱面積較小；環(huán)隙清洗困難。所以它適合于需要傳熱面不大，載熱體用量小、物料有腐蝕性及高壓的場合。傳熱

圖5-9套管式換熱器

傳熱

3.列管式換熱器（管殼式換熱器）

這是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛、形式最多的一種換熱器。它的結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，

由管束、管板、外殼、頂蓋(又稱封頭)、折流板等組成。管束兩端固定在管板上，管子可以脹接或焊接在管板上，管束置于管殼之內(nèi)，兩端加封頭，并用法蘭固定。傳熱

圖5-10列管式換熱器1管束2外殼3封頭4折流擋板5管板傳熱

一種流體流過管內(nèi)，另一種流體流過管外，兩封頭和管板之間的空間作為分配和匯集管內(nèi)流體之用。兩流體是通過管壁相互換熱。其型式分單程式和多程式。當(dāng)流體自一端進入后，一次通過全部管子到達另一端，并自另一端排出，則稱為單程式；當(dāng)在頂蓋和管板所構(gòu)成的分配室內(nèi)裝入與管子平行的板，將全部管子分為若干組，流體每次只能流過一組管子，然后回流而進入另—組管子，最后由頂蓋的出口管流出，則稱為多程式。國產(chǎn)的列管換熱器系列有兩程、四程、六程等。圖5-10為兩程式。程數(shù)為偶數(shù)的換熱器的流體進、出口都在同端封頭上。傳熱

為了維持管外(殼程)流體有一定的流速，以提高其膜系數(shù)。通常在殼程中裝設(shè)折流板(又稱擋板)。擋板的作用是提高殼程流體的流速，并引導(dǎo)殼程流體循規(guī)定的路徑流動，迫使其多次錯流過管束，有利于膜系數(shù)的提高。折流板同時起中間支架的作用。它的型式很多，常見的是圓缺形擋板和盤環(huán)形擋板。由于換熱器內(nèi)管內(nèi)外溫度不同，外殼和管子的熱膨脹程度有差別。這種熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力會使管子發(fā)生彎曲，或從管板上脫落，甚至還會使換熱器毀壞。當(dāng)管壁和殼壁的溫度差大于323K時，應(yīng)采取補償措施以消除這種應(yīng)力。常用的熱補償方法有U形管補償，補償圈補償、浮頭補償。參閱圖5-11。傳熱

圖5-11熱膨脹的補償傳熱

①U形管補償是將管子彎成U形，管子兩端均固定在同一管板上。其每根管子可自由伸縮，與其它管子和外殼無關(guān)，但彎管內(nèi)清洗困難；②補償圈補償是在外殼上焊上一個補償圈。當(dāng)外殼和管子熱脹冷縮時，補償圈發(fā)生彈性變形，達到補償?shù)哪康?；③浮頭補償是使換熱器兩端管板之一不固定在外殼上，此端稱為浮頭。當(dāng)管子熱脹冷縮時，可連同浮頭一起自由伸縮，與外殼脹縮無關(guān)。列管式換熱器的優(yōu)點是易于制造；生產(chǎn)成本低；適應(yīng)性強；可選用的材料較廣；維修、清洗方便；特別是對高壓流體更為適用。其缺點是結(jié)合面較多，易造成泄漏現(xiàn)象。在食品加工中常作制品的預(yù)熱器、加熱器和冷卻器；在冷凍系統(tǒng)中可作冷凝器和蒸發(fā)器。傳熱

4.翅片管式換熱器這也是工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的一種換熱器。它的特點是換熱器間壁兩側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)值相差頗為懸殊，與同樣大小的不帶翅片的管式換熱器相比，傳熱面積加大，傳熱系數(shù)提高，故在制品的干燥和采暖裝置中常用。如空氣加熱器就是這種換熱器。翅片的形式，常見的有縱向翅片、橫向翅片和螺旋翅片三種，見圖5-12。它的安裝，務(wù)必使空氣能從兩翅片之間的深處穿過，否則翅片間的氣體會形成死角區(qū)，使傳熱效果惡化。圖5-12翅片管的形式

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圖5-12翅片管的形式傳熱

5.6.2板式換熱器

板式換熱器是以板壁為換熱壁的換熱器。常見的有片式換熱器、螺旋板式換熱器、旋轉(zhuǎn)刮板式換熱器等。

1.片式換熱器這是一種新型高效換熱器。因為它具有許多獨特的優(yōu)點，故在乳品工業(yè)、果汁工業(yè)及其它液體食品生產(chǎn)上，用于高溫短時殺菌設(shè)備，也用于液體食品的冷卻和真空濃縮。傳熱

它的結(jié)構(gòu)和流程如圖5-13所示，是由一組長方形薄金屬傳熱板構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝在支架上，板片之間邊緣補以墊圈壓緊，墊圈由橡膠等制成，它保證密封并使板間形成一定空隙，板片四角開有圓孔，形成流體通道，冷熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過板片換熱。傳熱板片厚度為0.5～3㎜，兩板間距離為4～6㎜，為增強板片剛度，提高流體湍流程度，提高傳熱效率，板片表面都壓制成各種波紋，常采用的波紋形狀有斜波紋、人字形波紋和水平波紋等。片式換熱器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊；傳熱系數(shù)大；傳熱面積可以任意增減；檢修、清洗方便。其缺點是：不耐高壓高溫。傳熱

圖5-13片式換熱器流向示意圖傳熱

2.旋轉(zhuǎn)刮板式換熱器

這種換熱器的原理是被加熱或冷卻的料液從傳熱面一側(cè)流過，由刮板在靠近傳熱面處連續(xù)不斷地運動，使料液成薄膜狀流動，又可稱之為刮板薄膜換熱器或刮面式換熱器。它是由內(nèi)面磨光的中空圓角和帶有刮板的內(nèi)轉(zhuǎn)筒及外圓筒構(gòu)成。在內(nèi)轉(zhuǎn)筒與中間圓筒內(nèi)面之間狹窄的環(huán)形空間為被處理料液的通道，料液由一端的接管進入，從另一端接管卸出，進行加熱或冷卻。內(nèi)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速約為500rpm，安裝在外軸承上，在傳動側(cè)采用機械密封或填料函密封作為軸封。由金屬或塑料制成的刮刀固定在內(nèi)轉(zhuǎn)筒上。轉(zhuǎn)動時，刮刀在離心力作用下壓向傳熱面，使傳熱面保持不斷地刮清露出，見圖5-14所示。

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旋轉(zhuǎn)刮板式換熱器的優(yōu)點是傳熱系數(shù)高，拆裝清洗方便，又是完全密閉的設(shè)備。其缺點是功率消耗大。在食品加工中，特別適用于人造奶油、冰琪淋等的制造。圖5-14旋轉(zhuǎn)刮板式換熱器1加熱劑（冷卻劑）出入口2料液出入口3刮板4加熱劑（冷卻劑）通道5料液通道6保溫層7回轉(zhuǎn)軸8傳熱壁傳熱

3.螺旋板式換熱器如圖5-15所示，螺旋板式換熱器是由兩張平行鋼板卷制而成的，在其內(nèi)部形成一對同心的螺旋形通道。換熱器中央有隔板，將兩螺旋形通道隔開。兩板之間焊有定距柱以維持通道間距，在螺旋板兩端焊有蓋板，冷熱流體分別由兩螺旋形通道流過，通過薄板進行換熱。螺旋板式換熱器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)大，不易堵塞。其缺點是：承壓能力低，檢修和清洗困難。傳熱

圖5-15螺旋板式換熱器

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5.6.3夾套式換熱器

如圖5-16所示，夾套式換熱器是在容器的外壁安裝夾套制成。夾套與容器之間形成密封空間為加熱（或冷卻）介質(zhì)的通道。夾套通常用鋼和鑄鐵制成，可焊接在器壁上或用螺釘固定在容器的法蘭上。夾套式換熱器主要用于加熱和冷卻。當(dāng)用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接管進入夾套，冷凝水則由下部接管排出。這種換熱器屬于間歇式熱交換器。其傳熱系數(shù)小，傳熱面積有限，適用于傳熱量不太大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器內(nèi)液體做強制對流?；旌鲜綋Q熱器見第六章濃縮之蒸發(fā)冷凝器部分。傳熱

圖5-16夾套式換熱器1容器2夾套

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5.7熱輻射

5.7.1輻射的基本概念

1.熱輻射

物體以電磁波的形式發(fā)射能量，稱為輻射。當(dāng)物體的溫度大于絕對零度時，它就能向空間發(fā)射各種波長的電磁波。同時又不斷地吸收外界其他物體的輻射能。不同波長的電磁波到達其他物體后將產(chǎn)生不同的效應(yīng)，有的能迅速提高物體的溫度；有的能產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)等。一般物體在常溫下向空間發(fā)射的電磁波，絕大部分的能量都集中在λ=0.4～40μm的波長范圍內(nèi)，所以把這一波長范圍內(nèi)的電磁波稱為熱射線；物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收又重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程稱為熱輻射。傳熱

2.吸收率和黑體

進行熱輻射的電磁波的物理性質(zhì)與可見光基本相同，也會發(fā)生吸收、反射和折射現(xiàn)象。如圖5-17所示，設(shè)投射到某一物體上的總能量為Q，其中一部分被物體吸收QA；一部分被物體反射回去QR；一部分透過物體QD。只有被吸收的那部分QA可能轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)能量守恒定律得：

QA+QR+QD=Q傳熱

圖5-17輻射能的吸收、反射和透過傳熱

或即A+R+D=1

式中A=QA/Q—物體的吸收率；R=QR/Q—物體的反射率；D=QD/Q—物體的透過率。

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當(dāng)A=1時，表示物體能全部吸收輻射能，該物體為絕對黑體，簡稱黑體；當(dāng)R=1時，表示物體能全部反射輻射能，該物體為絕對黑白體或鏡體；當(dāng)D=1時，表示物體能全部透過輻射能，該物體為透熱體。黑體和鏡體是個理想化的概念，實際上并不存在，僅作為輻射計算的比較標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)中遇到的大部分固體和液體均為灰體。灰體是能夠部分地吸收所有波長的輻射能，但不能讓熱射線透過，即D=0，A+R=1。因此灰體的吸收能力越強，它們的反射能力就越弱。傳熱

5.7.2熱輻射的基本定律

1.普朗克定律普朗克定律是研究在不同溫度下黑體輻射能量隨波長分布的規(guī)律。即隨著溫度的不斷升高，輻射能漸向波長縮短的方向移動。其表達式為

Ebλ=

式中Ebλ—黑體在波長λ的單色輻射能，W/㎡；λ—輻射波長，m；t—熱力學(xué)溫度，K；c1—輻射第一常數(shù)，c1=3.743×10-16W?㎡；c2—輻射第二常數(shù)，c2=1.4387×10-2m·K。傳熱

2.斯蒂芬—波爾茲曼定律黑體的輻射能力即單位時間黑體表面向外界輻射的全部波長的總能量，服從斯蒂芬—波爾茲曼定律。即

Eb=σt4式中Eb—黑體的輻射能力，W/㎡；σ—斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/（㎡·K4）；t—黑體表面的熱力學(xué)