内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 q—热流密度：单位时间单位面积的传热量。Js-1m -2 A dt dQ q ⋅ = （5—2） A—传热面积，m 2 热阻：同其他传递过程一样，传热过程的速率与推动力成正比， 与热阻成反比。即： R ∆t = = 传热阻力 传热推动力 传热速率 （5—3） It’s similar to Ohm’s Law in Electronics 4、换热器的热负荷计算 The Heat Load Calculation of the heat Exchanger 热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量 Heat Load is the quantity of heat which is absorbed in or given out for required temperature variation in production. 换热器中冷、热两流体进行热交换，则根据能量守恒原理，热流 体放出的热量Φ1必等于冷流体吸收的热量Φ2与热损失ΦL之和， 即：Φ1=Φ2+ΦL， （5—4） 若忽略热损失， ，称此为热量衡算式。热量衡算式与传 热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷 Φ1 = Φ2 6
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 q—热流密度：单位时间单位面积的传热量。Js-1m -2 A dt dQ q ⋅ = （5—2） A—传热面积，m 2 热阻：同其他传递过程一样，传热过程的速率与推动力成正比， 与热阻成反比。即： R ∆t = = 传热阻力 传热推动力 传热速率 （5—3） It’s similar to Ohm’s Law in Electronics 4、换热器的热负荷计算 The Heat Load Calculation of the heat Exchanger 热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量 Heat Load is the quantity of heat which is absorbed in or given out for required temperature variation in production. 换热器中冷、热两流体进行热交换，则根据能量守恒原理，热流 体放出的热量Φ1必等于冷流体吸收的热量Φ2与热损失ΦL之和， 即：Φ1=Φ2+ΦL， （5—4） 若忽略热损失， ，称此为热量衡算式。热量衡算式与传 热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷 Φ1 = Φ2 6
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。 （1） 无相变化时热负荷计算 Heat Load calculation in the case of non-phase-change ①．比热法( method of specific heat) 当物质与外界交换热 量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒 压条件下，单位质量的物质升高 1℃所需的热量，称为定压比热或定 压热容。以符号 cp表示，单位为 kJ/kg·K(或 kJ/kg·℃)。 如图 4-3 所示，在换热器中用冷流体使质量为 G1的热流体由温度 T1降至 T2，其热负荷可用下式计算 ( ) （5—5） 1 1 1 2 1 Φ = G c p T − T Cp—比热容 （Specific Heat） J/（kg.K）。 对于纯物质可查表或用经验公式计算。 对于食品混和物：可用下述经验公式计算： cp=1.424wc+1.549wp+1.675wf+0.837wa+4.187ww （5—6） The meaning of the suffixes in the formulae above are as follows: c—carbohydrate; p—protein; f—fat; a—ash; w—water 7
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。 （1） 无相变化时热负荷计算 Heat Load calculation in the case of non-phase-change ①．比热法( method of specific heat) 当物质与外界交换热 量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒 压条件下，单位质量的物质升高 1℃所需的热量，称为定压比热或定 压热容。以符号 cp表示，单位为 kJ/kg·K(或 kJ/kg·℃)。 如图 4-3 所示，在换热器中用冷流体使质量为 G1的热流体由温度 T1降至 T2，其热负荷可用下式计算 ( ) （5—5） 1 1 1 2 1 Φ = G c p T − T Cp—比热容 （Specific Heat） J/（kg.K）。 对于纯物质可查表或用经验公式计算。 对于食品混和物：可用下述经验公式计算： cp=1.424wc+1.549wp+1.675wf+0.837wa+4.187ww （5—6） The meaning of the suffixes in the formulae above are as follows: c—carbohydrate; p—protein; f—fat; a—ash; w—water 7
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 For meat products with moisture in the range of 26 % to 100% and moisture content and fruit juices with moisture content great than 50%, the following empirical formula can be used to evaluate the specific heat. Cp=1.657+0.025w J/(kg.K) （5—7） ② 热焓法（Method of enthalpy） 热焓也称为焓。当物系的内能 为 U，压力为 P，体积为 V 时，焓的定义为 I = U + PV 由于 U、P 及 V 为物系的状态函数，所以 I 也是状态函数，单位 为 kJ/kg。由热力学得知，在恒压条件下，物系与外界交换的热量与 物系的始态与终态的焓差相等，即 ( 1 2 Φ = G I − I ) 式中 I1-物系始态的焓，kJ/kg； I2-物系终态的焓，kJ/kg。 （2） 有相变化时热负荷计算 Heat Load Calculation in the case of phase change 当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计 算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸 腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算 Φ = G ⋅r 式中 r 为液体汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为 kJ/kg。潜热等于 8
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 For meat products with moisture in the range of 26 % to 100% and moisture content and fruit juices with moisture content great than 50%, the following empirical formula can be used to evaluate the specific heat. Cp=1.657+0.025w J/(kg.K) （5—7） ② 热焓法（Method of enthalpy） 热焓也称为焓。当物系的内能 为 U，压力为 P，体积为 V 时，焓的定义为 I = U + PV 由于 U、P 及 V 为物系的状态函数，所以 I 也是状态函数，单位 为 kJ/kg。由热力学得知，在恒压条件下，物系与外界交换的热量与 物系的始态与终态的焓差相等，即 ( 1 2 Φ = G I − I ) 式中 I1-物系始态的焓，kJ/kg； I2-物系终态的焓，kJ/kg。 （2） 有相变化时热负荷计算 Heat Load Calculation in the case of phase change 当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计 算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸 腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算 Φ = G ⋅r 式中 r 为液体汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为 kJ/kg。潜热等于 8
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。在传热过程中有时还会遇到 象升华与凝结、熔融与凝固等，则 r 取相应过程的相变潜热计算。 此外，在传热过程中还会遇到象有化学反应、吸收与解 、溶解与结 晶等等有热效应的过程，在进行热负荷计算时还必须考虑到这部分热 量。 应当提起注意的是：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能 力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力， 是换热器本身的特性，可见两者不同。 但对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率值必须 等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率与 热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具 有的传热速率，再依此传热速率计算换热器所需的传热面积。 例 5-1 试计算压力为 147.1kN/m2 ，流量为 1500kg/h 的饱和水蒸汽 冷凝后并降温至 50℃时所放出的热量。 解 此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二 是水温降至 50℃时所放出的显热。 蒸汽冷凝成水所放出的热量为Φ1 查水蒸汽表得：p=147.1N/下的水的饱和温度 ts=110.7℃；汽化潜热 r=2230.1kJ/kg Φ = G ⋅r =1500/3600*2230.1 1 1 =929kJ/s=929kW 水由 110.7℃降温至 50℃时放出的热量 Q2 9
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。在传热过程中有时还会遇到 象升华与凝结、熔融与凝固等，则 r 取相应过程的相变潜热计算。 此外，在传热过程中还会遇到象有化学反应、吸收与解 、溶解与结 晶等等有热效应的过程，在进行热负荷计算时还必须考虑到这部分热 量。 应当提起注意的是：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能 力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力， 是换热器本身的特性，可见两者不同。 但对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率值必须 等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率与 热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具 有的传热速率，再依此传热速率计算换热器所需的传热面积。 例 5-1 试计算压力为 147.1kN/m2 ，流量为 1500kg/h 的饱和水蒸汽 冷凝后并降温至 50℃时所放出的热量。 解 此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二 是水温降至 50℃时所放出的显热。 蒸汽冷凝成水所放出的热量为Φ1 查水蒸汽表得：p=147.1N/下的水的饱和温度 ts=110.7℃；汽化潜热 r=2230.1kJ/kg Φ = G ⋅r =1500/3600*2230.1 1 1 =929kJ/s=929kW 水由 110.7℃降温至 50℃时放出的热量 Q2 9
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 平均温度 t=(110.7+50)/2 =80.4℃ 80.4℃时水的比热 cp=4.195kJ/kg·℃ Φ ( ) 2 1 1 G c t t = p s − =1500/3600*4.195*(110.7-50) =106kJ/s =106kW 共放出热量Φ Φ =929+106=1035kW = Φ1 + Φ2 用焓差法计算 查水蒸汽表得： p=147.1kN/m2 下饱和水蒸汽的焓 I=2694.43kJ/kg；50℃水的焓 i=209.34kJ/kg 饱和水蒸汽冷凝后并降温至 50℃放出的热量 Φ = G ( ) I − i 1 =1500/3600*(2694.43-209.34)=1035.5kW 10
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 平均温度 t=(110.7+50)/2 =80.4℃ 80.4℃时水的比热 cp=4.195kJ/kg·℃ Φ ( ) 2 1 1 G c t t = p s − =1500/3600*4.195*(110.7-50) =106kJ/s =106kW 共放出热量Φ Φ =929+106=1035kW = Φ1 + Φ2 用焓差法计算 查水蒸汽表得： p=147.1kN/m2 下饱和水蒸汽的焓 I=2694.43kJ/kg；50℃水的焓 i=209.34kJ/kg 饱和水蒸汽冷凝后并降温至 50℃放出的热量 Φ = G ( ) I − i 1 =1500/3600*(2694.43-209.34)=1035.5kW 10