21st 第2章 食品系列教材 传 热 本章的学习目的与要求 了解传热的基本概念、3种基本传热方式及其传热机理； 了解和掌握换热器的类型、特点以及设计计算方法；掌握导 热、对流传热和辐射传热的基本计算及应用；能够在使用条件 和范围内选用对流传热系数关联式计算对流传热系数；掌握非 稳定传热的一般解决方法和简化计算方法及适用条件；重点掌 握稳定传热过程的计算与应用
第2章传热83 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。因此，热量传递是自然界中普遍存在的物理现象，在工程技 术、工业生产以及日常生活中都有着广泛的应用。 食品工业与传热有着密切的关系。因为在食品生产中，无论是化学过程，还 是物理过程，几乎都有热量的引人或导出，即加热或冷却。因此，传热常常与其 他的单元操作同时出现。例如食品生产过程通常在一定的温度下进行，为了达到 并保持指定的温度，就需要在过程进行中及时导出系统放出的热量或补充系统所 吸收的热量。与传热有关的典型的单元操作有食品的杀菌和保藏、蒸发浓缩、干 燥、蒸煮、焙烤、酒的蒸馏等。传热是食品工程中重要的基础学科，是食品工业 中重要的单元操作之一 食品生产过程对传热的要求有两种情况：一种是强化传热，如在传热设备中 加热或冷却物料，要求热量以较快的速率进行传递，使其达到指定温度；另一种 是削弱传热，如对设备和管道的保温，以减少热损失。 传热是一门内容广泛的学科，在本章中仅讨论传热的基本原理及其在食品工 程中的应用。 1 传热的基本概念 1.1传热的基本方式 热量的传递是由于物体或系统内不同部分之间存在温度差而引起的，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）热传导可以通过固体、液体和气体进行。从微观 角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体导电机理各不相同，但共同的原 因是物质的分子、原子和电子在不同温度时，它们的热运动强烈程度不同，因此 当物体存在温度差时，通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发 生能量的传递，这种传递称为热传导。在金属固体中，热传导主要依靠自由电子 的运动进行；在不良导体的固体和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振 动，即是分子、原子在其平衡位置附近的振动来实现；在气体中，热传导是由于
84食品工程原理 分子的不规则热运动而引起。对于纯导热过程，它仅是静止物质内的一种传热方 式，也就是说没有物质的宏观位移。 (2)热对流热对流是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。由于引起流体质点相对位移的原因不同，对流可分为自 然对流与强制对流。因流体中各处的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。在流体进行强制对流 传热的同时，也常常伴随着自然对流。通常把流体与固体壁面之间的传热通称为 对流传热。 (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。所 有的物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，而当这种电磁波遇到物体时，又 被物体全部或部分地吸收而变为热能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称 为辐射传热。因此，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，即它可以通过真空进行，例如太阳对 地球的辐射传热。这是辐射传热与热传导和对流传热不同的特点。 实际上，传热过程中常常不是单一的传热方式，而是两种或3种传热方式的 组合。工程上常遇到的冷、热流体的热交换即是这种情况。 1.2温度场与温度梯度 1.2.1温度场 物体或系统内存在温度差是传热的必要条件，因此，传热过程与温度分布有 着密切的关系。温度场即是任一瞬间物体或系统内各点温度分布的总和。 一般情况下，任意点的温度是空间位置和时间的函数，故温度场的数学表达 式为 T=f (z,y,z,t) (2-1) 如果温度场随时间而变化，则称为不稳定温度场。如果温度场不随时间而变 化，则称为稳定温度场。在稳定温度场中的传热称为稳定传热。 温度场中同一时刻下温度相同的各点组成的面称为等温面，因为空间中的任 一点不可能同时有两个不同的温度，因此，温度不同的等温面不可能相交
第2幸传热85 1.2.2温度梯度 由于等温面上温度处处相等，故等温面上任两点间无热量传递，而穿过等温 面的任何方向上因有温度的变化则有热量的传递。温度随距离的变化率，以沿等 温面的法线方向为最大。将沿等温面法线方向上的温度变化率称为温度梯度，记 做grad T。数学表达式为： grdT-3时 (2-2) 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 (2-3) 1.3 传热速率与热通量 讨论传热过程的中心问题之一是确定传热过程速率，它是传热过程的基本参 数。传热的快慢用传热速率来表示。 传热速率（又称热流量）是指单位时间通过传热面的热量，常以Q表示， 单位W(J/s)。 热通量（又称热流密度）是指单位时间通过单位传热面的热量，常以q表 示，单位Wm。 传热速率与热通量的关系为： q=8 (2-4) 和其他传递过程类似，传热速率与传热推动力成正比，与传热阻力成反比， 即 传热速率=传热温度差（推动力） 热阻（阻力） 数学表达式为：
86金品工程原理 Q=哥 (2-5) 或 9=7 (2-5a) 式中R'和R均称为热阻，单位分别为KW和m·KW。 1.4载热体 在食品生产中，经常遇到加热或冷却的情况，相应地就有热量的供给或取 走。这种用于输送热量的介质称为载热体，起加热作用的载热体称为加热剂（或 加热介质)；而起冷却作用的载热体称为冷却剂（或冷却介质）。 工业上常用的加热剂有以下几种： (1)饱和水蒸气用饱和水蒸气冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法。 其优点是它的冷凝温度和压强有一一对应关系，调节其压强就可以控制加热温 度，使用方便。另外，用水蒸气加热的传热速度快。其缺点是用于高温加热时受 到限制。如果被加热的物料温度为300℃，用于加热的饱和水蒸气的温度必须超 过此值，而300℃的饱和水蒸气所对应的绝对压强为8.59MP。因此，用其加 热时的温度通常不超过180℃，此时相应的压强为1MPa。 (2)烟道气烟道气的温度可达700℃以上，应用它作为加热剂可以把物料 加热到比较高的温度，因此它是食品生产中常用的加热剂。其缺点是加热速度 慢，温度不易控制。其来源可以是燃烧炉排放的废气，也可以是直接燃烧煤气或 天燃气。 (3)热水热水加热温度通常不超过100℃，一般作为预热或低温加热时使 用。 (4)电加热其特点是加热能达到的温度范围很广，而且易于控制，使用方 便，清洁。但目前将电源作为热源费用较高，一般只在比较特殊的场合使 用。 常用的冷却剂有以下几种： (1)水和空气水和空气可把物料最低冷却至周围环境温度，随地区而异 般不低于20~30℃（地下水可更低些）。因此，一般只作为高温冷却剂使 用。 (2)载冷剂与制冷剂如果工艺上要求将温度冷却至0℃以下，就需要用载