食品工程单元操作 教学课件 作者 冯骉 涂国云 主编第4章.ppt

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1、4.1传热基本方程传热的本质：由温度差引起的能量传递。4.1.1.1热传导高温部分的微观粒子的运动比较剧烈，通过碰撞或振动将能量传给相邻的低温部分的微观粒子，这种能量的传递方式称为热传导或导热。4传热4.1.1热传递的基本方式导热的热阻：R=b/lS传热定律：导热的推动力：温度差Dt4.1.1.2热对流当流体微团发生相对位移时，将热量从一处带到另一处，从而导致热量的传递。传热定律：热对流的推动力：温度差Dt热对流的热阻：R=1/Sa4.1.1.3热辐射两个温度不同、互不接触的物体，依靠本身向外发射辐射能和吸收外界投射到本身上的辐射能来实现热

2、量的传递的过程。黑体热辐射定律：Q=sS(T14-T24)热辐射的推动力：（T14-T24）热辐射的阻力：1/s4.1.2能量方程4.1.2.1拉格朗日方法和随体导数考察流体流动问题的方法：欧拉（Euler）方法：在固定的空间位置上，对一定的空间体积进行观察，考察运动参数在空间的分布及其随时间的变化。拉格朗日（Lagrange）方法：以确定的流体质点所组成的整体微团作为研究对象，观察者与这些流体微团一起运动，考察各物理量与时间的关系。物理量的时间导数以密度为例：r=f(x，y，z，q)全导数dr/dq——观测者在流体中以任意速度运动，同时考

3、察密度的变化。此时密度对时间的变化率除与时间和空间位置有关外，也与观测者的运动速度有关。偏导数r/q——某固定点处流体密度随时间的变化率。如果观测者以与流体流动的速度相同的速度运动，这种研究方法就是拉格朗日方法，则有：这种导数称为“随体导数”，或称“拉格朗日导数”。4.1.2.2能量方程用拉格朗日方法，微元控制体的热力学第一定律为：DU=Q-W流体做的功：用随体导数的形式表达：或：对热传导，取微元六面体，设传热为各向同性，热导率为常数，作热量衡算得：令则热力学第一定律成为：引入焓：H=U+pv则：代入热力学第一定律即得能量方程的普遍形式

4、：4.1.2.3能量方程的特定形式在一般工程问题中，流体的摩擦热可以忽略不计。（1）无内热源不可压缩流体的对流传热q’=0，f=0，r为常数，cv为常量，忽略U随p的变化，cv与cp大致相等，最后得到：（2）固体中的导热固体内部不存在宏观运动，速度为零，所有随体导数均变为偏导数。此外，固体的密度亦为常数，且f=0，最后得：无内热源时为傅立叶（Fourier）第二定律：有内热源的稳态导热为泊松（Poisson）方程：无内热源的稳态导热为拉普拉斯（Laplace）方程：实际的传热问题往往是上述三种传热方式的组合。以间壁式热交换器为例，参与热交换

5、的冷热流体被一固体壁隔开。这时，热冷流体之间的热量传递过程是：（1）热流体与所接触的固体壁面之间进行对流传热；（2）高温的固体表面向低温的固体表面的热传导；（3）固体壁面与其接触的冷流体之间的对流传热。4.1.3实际的传热过程4.2.1温度场和傅立叶定律4.2热传导温度场：空间的温度分布，t=f(x,y,z,q)等温面：温度场中同一时刻下温度相同的点组成的面。设I、II为等温面，温度分别为t和t+Dt，二面间法向距离为Dn，定义：为温度梯度记为指向温度升高的方向传热方向总是与温度梯度方向相反。一维稳态温度场：描述热传导的基本定律——Four

6、ier定律：4.2.2热导率(导热系数)热导率l表示物质的导热能力：金属＞非金属固体＞液体＞气体金属是最好的导热体。在有限的温度范围内，固体的热导率与温度间的关系可以表示为：l=l0(1+bt)在非金属液体中，水的热导率最大。除水和甘油外，绝大多数液体的热导率随温度升高而略有减小。4.2.3平壁的稳定热传导4.2.3.1单层平壁的稳定热传导设：（1）稳态传热→Q=常数；（2）l为常数；（3）平壁为无穷大→传热为一维。也可写成：直接积分：Fourier定律成为：4.2.3.2多层平壁的稳定热传导设（1）各层均为均匀材料，l为常数；（2）各层接

7、触良好；（3）各层面积相同；（4）稳态传热。且t1>t2>t3>t4即由（4）Q1=Q2=Q3=Q4.2.4圆筒壁的稳定热传导4.2.4.1单层圆筒壁的稳定热传导特点:（1）Q仍为常数；（2）S不是常数，故q不是常数；（3）等温面为圆柱面；（4）温度梯度方向为径向。若圆筒很长，可视作一维导热。取环形微元，直径r，厚dr，则：S=2prL由Fourier定律，积分得对数平均值4.2.4.2多层圆管壁的稳定热传导仍设：（1）各层接触良好；（2）l为常数；（3）一维稳定传热。引用串联热阻的概念，得：对流传热的特点：（1）热对流总是伴随着热传导；（

8、2）层流时，相邻流体层内无宏观运动，故在垂直于流动的方向上只有热传导；（3）湍流时，层流内层构成了传热的主要阻力。4.3.1对流传热与对流传热系数及其主要的影响因素4.3对流传热