第2幸传热87 冷剂或制冷剂。所谓载冷剂是指在0℃以下一定温度范围内不会凝固的液体。某 些无机盐类（如CaC2,NaCI等）的水溶液是最常用的载冷剂，可将温度冷却到 零下十几度乃至几十摄氏度。如果要求深冷，也可以使用氨、氟利昂、液氮等制 冷剂。 1.5换热器 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。间壁 式换热器型式很多，其中最简单而又最典型的结构是如图2-1所示的套管换热 器。在套管换热器中，冷、热流体分别流过环隙与内管，热量自热流体通过管壁 传给冷流体。这种热量传递过程包括3个步骤： 热流使 「熟流体 立间壁 冷流保 冷流体Tx 图2-1套管换热器中的换热 ①热流体由对流传热给管壁一侧。 ②热量从管壁的一侧由热传导传至管壁的另一侧。 ③另一侧的管壁由对流传热将热量传给冷流体。 换热器的传热面积即为换热管的全部表面积。对于由外径为d。,长度为L 的n根相同管子组成的换热器，其总传热面积由下式计算： S。=nπd。L或S:=nπd:L 式中d:为管子内径。 间壁式换热器有多种型式。其他型式的换热器将在换热器一节中详细介 绍
88食品工程原理 2 热传导 2.1 傅立叶导热定律与热导率 傅立叶定律是热传导的基本定律，它是一个实验定律，其表达式为 9=-8船 (2-6) 式中：q为热流密度，Wm;入为比例系数，称为热导率，W/(mK)。 很容易看出，傅立叶定律与牛顿粘性定律有明显的类似性。傅立叶定律指 出，热流密度与温度梯度成正比，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反， 即热量从高温传向低温。 导热系数的定义式（即式2-6的改写形式）为： λ=-aT/分n (2-6a) 由式(2-6a)可知，热导率在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此， 热导率表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。热导率的数值与物质 的组成、结构、温度和压强有关。 各种物质的热导率通常用实验的方法测定。热导率的数值差别很大，一般而 言，金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，气体最小。各类物质热 导率的数量级大致范围为 金属 101-102 W/(m-K) 建筑材料 10-1~10 W/(m-K) 绝热材料 10-2-10-1 W/(m-K) 液体 10-1 W/(m-K) 气体 10-2-10-1 W/(m-K) 值得注意的是，绝大多数食品物料为混合物，特别是其中所含水分的多少对 热导率值的大小影响较大。表2-1给出了某些固形食品的热导率，表2-2给出了
第2章传热89 一些液体食品的热导率。 表21某些固形食品的热导率 品名 温度℃ 水分/% 热导率w/八mK)] 谷物 21.1 0.91 0.140 鳕鱼（冰冻） -23.3 0.019 鲜鱼 0 0.431 橘子 30.3 61.2 0.431 梨（冰冻） -12.2 0.50 猪肉 -14.3 75.1 0.43 土豆 -12.8 1.09 香肠 24.4 65 0.411 小麦 30 0.163 烟叶 0.073 奶粉 28.9 0.418 醋栗（冰冻） -11.7 0.028 表2-2某些液体食品的热导率 品 名 温度℃ 水分/% 热导率/w/(mK)] 苹果沙司 22.5 0.692 香蕉浆 16.6 0.692 奶油 4.4 15 0.197 蜂蜜 2.2 12.6 0.50 苹果汁 20 87.4 0.559 浓缩奶 26.7 80 0.54 炼乳（含脂2.5%） 20 0.505 脱脂奶 1.5 0.538 花生油 3.9 0.168 乳清 20 0.58 工程中常见物质的热导率可从有关手册中查得。本书附录中列出了某些物质 的热导率以备查用。下面对固体、液体和气体的热导率分别进行讨论。 (1)固体的热导率在所有的固体中，金属是最好的导热体。纯金属的热导 率一般随温度升高而降低。金属的纯度对热导率影响很大，合金的热导率一般比 纯金属低。 非金属材料或绝热材料的热导率与物质的组成、结构的致密程度及温度有
90金品工程原理 关，通常随密度的增大而增大，随温度的升高而增大。 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，可 以用下式表示： 入=k0+kT (2-7) 式中：入为固体在温度T(K)时的热导率，W/(mK)；ko,k为经验常数。 对大多数金属材料，k为负值；对大多数非金属材料，为正值。 (2)液体的热导率非金属液体以水的热导率最大。除水和甘油外，液体的 热导率随着温度的升高而降低。一般而言，纯液体的热导率比其溶液的要大。 (3)气体的热导率气体的热导率随着温度的升高而增大。在相当大的压强 范围内，气体的热导率随压强变化极小，可忽略不计。只有当压强过高（高于 200MPa)或过低（低于2700Pa)时，才考虑压强的影响，此时热导率随压强 的增高而增大。 气体的热导率很小，对导热不利，但有利于绝热、保温。工业上所用的保温 材料，如玻璃棉等就是因其空隙中有气体，所以其热导率低，适用于保温隔热。 应予指出，在热传导过程中，物质内不同位置的温度可能不同，因而热导率 也会不同。在工程计算中一般取为两传热温度下的平均值。 2.2通过单层壁的稳定热传导 2.2.1单层平壁的稳定热传导 单层平壁的热传导，如图2-2所示。平壁的厚度为b, 材料均匀，平壁的两表面维持一定的温度T1和T2,T1> T2,等温面垂直x轴，即导热为一维热传导。热传导速 率为常量。 式(2-6)可简化为： 9=- (2-6b) 若材料的热导率为常量（或取平均热导率)，边界条 件为：x=0时，T=T1；x=b时，T=T2,积分式(2-6b) 图2-2单层平壁的 可得 热传导
第2章传热91 9=A-卫 b (2-8) 或 g=1= (2-8a) 或 Q=s2-12-0 b (2-8b) AS 式(28)表明热流密度与导热推动力成正比，与导热热阻成反比。与电学 中的欧姆定律相比较，两者形式完全相似。事实上，对于传热问题，完全可以用 电路模拟的方法来解决。 若入随温度变化，在工程计算中，热导率可取两壁面温度下入值的算术平 均值，或取两壁面温度之算术平均值下的入值。可以证明，若热导率和温度呈 线性关系，则两方法所计算出的热流量相等，但温度分布不同。 当入为常量时，由于 q=ATLT=1T-T b T 故平壁内任一等温面的温度为 T-TI-(TI-T2)x (2-9) 式(2-9)表明入为常量时，单层平壁内的温度分布为 T 直线。 当入随温度变化时，平壁内温度分布为曲线。 2.2.2单层圆筒壁的热传导 单层圆筒壁的热传导如图2-3所示。圆筒壁的内、 外半径分别为r1和r2,内、外表面的温度分别为T1 和T2,长度为L。导热为一维热传导，温度仅仅沿半 径方向变化。它与平壁热传导的不同之处在于圆简壁 的传热面积不是常量，随半径而变。这时，热流量是 常数，但热流密度不是常数。 图23单层圆筒壁的 对于半径为的等温圆柱面，由傅立叶定律可 热传导