食品工程概论重点

一 绪论 研究方向研究方向 它是以力学 动力学 热力学 传热学 传质学为理论基础的一门课程 它是以力学 动力学 热力学 传热学 传质学为理论基础的一门课程 它是食品机械设备设计制造 生产线设备选型配套的理论基础 它是食品机械设备设计制造 生产线设备选型配套的理论基础 它是保证食品加工工艺科学实施的科学依据 它是保证食品加工工艺科学实施的科学依据 单元操作特点 它们都是物理操作 即只改变物料的状态或其物理性质 不改变其化学性单元操作特点 它们都是物理操作 即只改变物料的状态或其物理性质 不改变其化学性 质 不同生产过程中的同一单元操作具有相同的基本原理和通用的典型设备 在不同的生质 不同生产过程中的同一单元操作具有相同的基本原理和通用的典型设备 在不同的生 产过程中所包含的单元操作数目 排列顺序和操作条件不同 产过程中所包含的单元操作数目 排列顺序和操作条件不同 三传理论三传理论 以后学习的多是热量 质量传递 动量涉及的是流体流动以后学习的多是热量 质量传递 动量涉及的是流体流动 动量传递动量传递 momentum transfer 流体流动时 其内部发生动量传递 故流体流动过程也称 为动量传递过程 遵循流体流动基本规律的单元操作有流体输送 搅拌 沉降 过滤等 热量传递热量传递 heat transfer 物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程 遵循传热基 本规律的单元操作有热交换 蒸发等 质量传递质量传递 mass transfer 两相间物质的传递过程即为质量传递 遵循传质基本规律的单 元操作有吸收 蒸馏 萃取 吸附 固体干燥等 三传理论三传理论 问题 空气的湿度变化 结晶和干燥属于哪种传递 都有传热和传质 三传理论三传理论 是单元操作的理论基础 单元操作是是单元操作的理论基础 单元操作是 三传理论三传理论 的具体应用 同时 的具体应用 同时 三传三传 理论理论 和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础 和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础 单位换算单位换算 目前国际上各科学领域都采用目前国际上各科学领域都采用 SI 制 但旧的文献中仍存在各种单位制 因此需要进行换算 制 但旧的文献中仍存在各种单位制 因此需要进行换算 方法 将其他单位制中的各物理量用方法 将其他单位制中的各物理量用 SI 制中的单位表示 然后进行单位和数量计算即可 制中的单位表示 然后进行单位和数量计算即可 例例 1 在英制绝对单位制中 粘度的单位为 在英制绝对单位制中 粘度的单位为 lb ft s 在 在 SI 计量单位中粘度的单位为计量单位中粘度的单位为 Pa s 试求两者间的关系 试求两者间的关系 解解 粘度的单位为导出单位 它的法定计量单位是由以下基本单位组成 粘度的单位为导出单位 它的法定计量单位是由以下基本单位组成 由附录一查得在两种不同单位制中的基本量之间的由附录一查得在两种不同单位制中的基本量之间的 关系为 关系为 1lb 0 4536kg 1ft 0 3048m s1 4481Pa sm kg 1 4481 1s0 3048m 0 4536kg 1s1ft 1lb sft lb 1 例例 2 在气体状态方程 在气体状态方程 pV nRT 中 气体通用常数中 气体通用常数 R 82 06atm cm3 mol K 试求在下列 试求在下列 不同单位制中不同单位制中 R 的数值与单位 的数值与单位 1 压强压强 p 的单位为的单位为 Pa 体积 体积 V 的单位为的单位为 m3 物质量 物质量 n 的单位为的单位为 kmol 绝对温度 绝对温度 T 的的 单位为单位为 K 2 压强压强 p 的单位为的单位为 kgf m2 体积 体积 V 的单位为的单位为 m3 物质量 物质量 n 的单位为的单位为 kmol 绝对温度 绝对温度 的单位为的单位为 K 解 查得解 查得 1atm 1 01325 105Pa 10330kgf m2 1cm 10 2m 1mol 10 3Kmol 1 R 8315Pa m3 Kmol K 2 R 847 7kgf m Kmol K 物料衡算 依据 物料衡算 依据 质量守恒定律 质量守恒定律 输入物料质量 输出物料质量 累积物料质量 两种情况 累积物料质量为 0 称为稳态过程 未发生化学变化 上述两种情况质量流的单位是 kg 或 kg s 能量衡算 依据 能量衡算 依据 1 能量守恒定律 能量守恒定律 对于连续稳定过程而言 任何时间内通过各种途径进入系统的总能量 包括输入物料带进系统的能量及外界传入系统的热量 同一时间内系统付出的总能量 包 括输出物料带走的能量及系统对外界所做的功 2 各种形式的能量 如机械能 化学能 电能等 与热之间虽可相互转变 但在许多化工设 备 如换热器 蒸馏塔等 中 往往没有或者不需考虑这种能量转变 只考虑焓 反应热和 加入或带走的热量 因而总能量衡算有便简化为热量衡算 第一章第一章 流体流动流体流动 流体 液体和气体统称为流体 流体 液体和气体统称为流体 流体和气体的区别 没有形状 有体积的 等等流体和气体的区别 没有形状 有体积的 等等 流体的特征 具有流动性和压缩性 流体的特征 具有流动性和压缩性 流体垂直作用于单位面积上的压力 称为流体的静压强 简称压强 其表达式为 流体垂直作用于单位面积上的压力 称为流体的静压强 简称压强 其表达式为 A P p p 流体的静压强 流体的静压强 Pa P 垂直作用于流体表面上的压力 垂直作用于流体表面上的压力 N A 作用面的面积 作用面的面积 m2 在在 SI 中 压强的单位是中 压强的单位是 Pa 称为帕斯卡 称为帕斯卡 压强可以有不同的计量基准 压强可以有不同的计量基准 绝对压强 绝对压强 absolute pressure 以绝对真空以绝对真空 即零大气压即零大气压 为基准 为基准 表压表压 gauge pressure 以当地大气压为基准 以当地大气压为基准 可用下式表示 表压可用下式表示 表压 绝对压强绝对压强 大气压大气压 真空度 真空度 vacuum 当被测流体的绝对压力小于大气压时 其低于大气压的数值 当被测流体的绝对压力小于大气压时 其低于大气压的数值 即 即 真空度真空度 大气压大气压 绝对压强绝对压强 绝对压强绝对压强 大气压大气压 表压表压 图略图略 流动系统的总能量衡算 热力学能 内能 流动系统的总能量衡算 热力学能 内能 位能 动能 静压能 位能 动能 静压能 压强能压强能 其中位能 动能及静压能又称为机械能 三者之和称为总机械能或总能量 其中位能 动能及静压能又称为机械能 三者之和称为总机械能或总能量 例例 3 如本题附图所示 用泵将贮槽中密度为如本题附图所示 用泵将贮槽中密度为 1200kg m3 的溶液送到蒸发器内 贮槽内液的溶液送到蒸发器内 贮槽内液 面维持恒定 其上方压强为面维持恒定 其上方压强为 1 0133 105Pa 蒸发器上部的蒸发室内操作压强为 蒸发器上部的蒸发室内操作压强为 200mmHg 真空度真空度 蒸发器进料口高于贮槽内的液面 蒸发器进料口高于贮槽内的液面 15m 输送管道的直径为 输送管道的直径为 60 4mm 送料量为 送料量为 20m3 h 溶液流经全部管道的能量损失为 溶液流经全部管道的能量损失为 120 J kg 求泵的有效功 求泵的有效功 率 率 作功 能量损失 作功 能量损失 解 以贮槽的液面为上游截面解 以贮槽的液面为上游截面 1 1 管路出口内侧为下游截面 管路出口内侧为下游截面 2 2 并以截面 并以截面 l 1 为基准水为基准水 平面 在两截面间列柏努利方程式 即 平面 在两截面间列柏努利方程式 即 fe h pu gZW pu gZ 2 2 2 2 1 2 1 1 22 fe h ppuu gZZW 12 2 1 2 2 12 2 式中 式中 Z1 0 Z2 15m p1 0 表压 表压 p2 200 760 101330 26670pa 表压 表压 贮槽截面比管道截面要大得多 故槽内流速可忽略不计 即 贮槽截面比管道截面要大得多 故槽内流速可忽略不计 即 u1 0 m s62 2 004 206 0 4 3600 20 2 2 u kgJhf 120 将以上各项数值代入式将以上各项数值代入式 1 得 得 fe h ppuu gZZW 12 2 1 2 2 12 2 J kg 4 248120 1200 26670 2 62 2 81 9 15 2 e W 计算泵的有效功率 即 计算泵的有效功率 即 Ne Weqm skgqq Vm 67 6 3600 120020 Ne 248 4 6 67 1657 1 66kw 实际上泵所作的功并不是全部有效的 若考虑泵的效率 设本题泵的效率为实际上泵所作的功并不是全部有效的 若考虑泵的效率 设本题泵的效率为 0 65 则泵 则泵 的轴功率 的轴功率 N Ne 1 66 0 65 2 55kw 雷诺数雷诺数 Re 公式 du Re 3 流型判断 流型判断 流体在直管内流动时 流体在直管内流动时 当当 Re 2000 时 流体的流动类型属于滞流时 流体的流动类型属于滞流 当当 Re 4000 时 流体流动类型属于湍流时 流体流动类型属于湍流 当当 2000 Re 4000 时 可能是滞流 也可能时 可能是滞流 也可能 是湍流 称之为不稳定的过渡区 是湍流 称之为不稳定的过渡区 受外界条件的影响 如管道直径或方向的改变 外来的轻微震动 都易促成湍流的发 生 在生产操作条件下 常将 Re 3000 的情况按湍流考虑 流动阻力可分为直管阻力和局部阻力两种 流动阻力可分为直管阻力和局部阻力两种 第二章第二章 传热传热 heat transfer 食品工业中对传热的要求情况 食品工业中对传热的要求情况 1 强化传热过程 强化传热过程 各种换热器设备中的传热 2 削强传热过程 削强传热过程 对设备和管道的保温 减少热量的损失 热的传递有三种基本方式 传热机理 热的传递有三种基本方式 传热机理 热传导 热对流 热辐射 热传导 热对流 热辐射 三 流体有相变时的传热系数 三 流体有相变时的传热系数 有相转变的传热 蒸汽冷凝 液体的沸腾有相转变的传热 蒸汽冷凝 液体的沸腾 蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式 蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式 影响冷凝传热的因素影响冷凝传热的因素 冷凝液膜两侧的温度差 流体物性的影响冷凝液膜两侧的温度差 流体物性的影响 蒸汽的流速和流蒸汽的流速和流 向的影响 蒸汽中不凝气体含量的影响向的影响 蒸汽中不凝气体含量的影响 t T ts tw 当液膜呈滞流流动时 若 t 加大 则蒸汽冷凝速率增加 而液膜层厚 度增厚 使冷凝传热系数降低 由膜状冷凝的传热系数计算式可知 液膜的密度 黏度及导热系数都影响 值 此外 蒸汽的冷凝潜热 也影响 值 蒸汽以一定速度运动时 和液膜间产生一定的摩擦力 若蒸汽和液膜同向流动 则 摩擦力将使液膜加速 厚度减薄 使 增大 若逆向流动 则 减小 但是如果这种力超 过液膜重力 液膜会被蒸汽吹离壁面 此时随蒸汽流速的增加 则 急剧增大 若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体 则壁面可能为气体层遮盖 导热系数很小 增加了一层附加热阻 使 急剧下降 因此在冷凝器的设计和操作中 都必须考虑排除不 凝气 含有大量不凝气的蒸汽冷凝设备称为冷却冷凝器 其计算方法需参考有关资料 o so m o si ii o o R d bd d d R d d K i o 11 管内或者对流传热 管内壁的污垢 管壁的热传导 管外侧污垢 管外侧的对流传热 管内或者对流传热 管内壁的污垢 管壁的热传导 管外侧污垢 管外侧的对流传热 可见光线和红外光线统称为热射线 可见光线和红外光线统称为热射线 红外光线的热射线对热辐射起决定作用 而只有在很高的温度下 才能觉察到可见光 线的热效应 第三章第三章 非均相物系的分离非均相物系的分离 沉降 重力沉降与离心沉降两种 沉降 重力沉降与离心沉降两种 过滤 是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液 在外力的作用下悬浮液中的液体通过介过滤 是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液 在外力的作用下悬浮液中的液体通过介 质的孔道而固体颗粒被截留下来 从而实现固 液分离的操作 质的孔道而固体颗粒被截留下来 从而实现固 液分离的操作 过滤操作分类 过滤操作分类 1 饼层过滤 滤饼过滤 饼层过滤 滤饼过滤 2 深床过滤 深床过滤 第四章 粉碎与筛分第四章 粉碎与筛分 粉碎是利用机械力的方法克服固体物料内部凝聚力达到破碎的单元操作 粉碎是利用机械力的方法克服固体物料内部凝聚力达到破碎的单元操作 2 粉碎的种类 粉碎的种类 根据被粉碎物料和成品粒度的大小根据被粉碎物料和成品粒度的大小 粉碎可分为以下四种 粉碎可分为以下四种 粗粉碎粗粉碎 原料粒度原料粒度 40 1500mm 成品粒度 成品粒度 5 50mm 中粉碎中粉碎 原料粒度原料粒度 10 100mm 成品粒度 成品粒度 5 10mm 微粉碎 细粉碎 微粉碎 细粉碎 原料粒度原料粒度 5 10mm 成品粒度 成品粒度 100 m 以下 以下 超微粉碎 超细粉