食品工程原理重点知识讲解

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1、食品工程原理复习第一章流体力学基础1. 单元操作与三传理论的概念及关系。不同食品的生产过程应用各种物理加工过程，根据他们的操作原 理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、搅 拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉 碎、乳化萃取、吸附、干燥等。这些基本的物理过程称为 单元 操作动量传递：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。凡是遵循流体流动基本规律的单元操作， 均可用动量传递的理论去研究。热量传递：物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡 是遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递的理论去研究。 质量传递：两相间物质的传递过程

2、即为质量传递。凡是遵循传质 基本规律的单元操作，均可用质量传递的理论去研究。单元操作与三传的关系“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论” 的具体应用。同时，“三传理论”和单元操作也是食品工程技术的理论和实践 基础2. 粘度的概念及牛顿内摩擦（粘性）定律。牛顿黏性定律的数学表 达式是匚=四d ./ y，服从此定律的流体称为牛顿流体。U比例系数，其值随流体的不同而异，流体的黏性愈大，其值愈 大。所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度3. 理想流体的概念及意义。理想流体的粘度为零，不存在内摩擦力。理想流体的假设，为工 程研究带来方便。4. 热力体系：指某一由周围边界所限定的空间内的所

3、有物质。边 仅供学习与参考学习资料界可以是真实的，也可以是虚拟的。边界所限定空间的外部称为 外界。5. 稳定流动：各截面上流体的有关参数（如流速、物性、压强） 仅随位置而变化，不随时间而变。e + PV + gZ + 七 + q + w e + PV + gZ + - 11 11222 2226. 流体在两截面间的管道内流动时，其流动方向是从总能量大的截面 流向总能量小的截面。7.1kg理想流体在管道内作稳定流动而又没有外功加入时，其柏努利方 程式的物理意义是其总机械能守恒，不同形式的机械能可以相互转换。8. 实际流体与理想流体的主要区别在于实际流体具有黏性，实际流体柏 努利方程与理想流体柏努

4、利方程的主要区别在于实际流体柏努利方程中 有阻力损失项。柏努利方程的三种表达式p /p +gz +u 2/2 = p /p +gz +u 2/2111222p /pg +z +u 2/2g = p /pg +z +u 2/2g111222pi+ p gz1+ p u；/2 = p2 + p gz2+ p 42/29. 管中稳定流动连续性方程：在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体 流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小，反之亦然。对于 仅供学习与参考学习资料圆形管道，不可压缩流体在管道中的流速与管道内径的平方成反比。10. 雷诺准数和影响流体流动类型的因素：u、d、P越大，u越小，就

5、越 容易从层流转变为湍流。上述中四个因素所组成的复合数群dup/u，是 判断流体流动类型的准则。Re 20002000 Re 4000稳定的层流区由层流向湍流过渡区湍流区11. 根据柏努利方程式，等径管路的水头损失即管路两端压强差。12. 布拉修斯公式（Re大于4000）：人=口316412. 流体湍流流动时的速度分布是由三层构成,25它们分别是层流内层、缓 冲层和湍流中心。10.流体在光滑管内作湍流流动时，摩擦系数人与Re和A/d有关；若其作完全湍流（阻力平方区），则人仅与A/d有关。13. 阻力系数和当量长度的联合使用罚 上（/ +以）+ u|_乌_| 2g13. 管路计算的目的是确定流量

6、、管径和能量之间的关系。管路计算包 括设计型计算和操作型计算两种类型。管路计算是连续性方程、柏努利方程、摩擦阻力计算式三式的具体应用。14. 流体流经并联管路系统时，遵循的原则是各并联管段的压强降相等、主管总流量等于各并联管段之和。15. 离心泵叶轮按有无挡板可分为闭式，半闭式，开式。离心泵按叶轮 串联的多少可分为单级泵，多级泵。16. 离心泵多采用后弯叶片是因为输送液体希望获得的是静压头。17. 离心泵在启动前应灌泵，否则会发生气缚现象；离心泵的安装高度学习资料应小于允许安装高度，否则会发生汽蚀现象。18. 离心泵容易产生气蚀的的原因有液体温度过高；管道阻力过大；流 体沸点低等。19. 离心

7、泵的工作点是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。20. 离心泵的流量调节，通常在排出管线上装适当的调节阀改变离心泵 的转速或改变叶轮外径。21. 离心泵的气蚀余量减小，则其抗气蚀能力增大。22. 造成离心泵的有效功率小于轴功率的原因。轴功率指泵轴所获得的功率。由于有容积损失、水力损失与机械损失， 故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能 量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且 发生冲击，而产生的能量损失。机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由

8、于机械磨 擦而消耗部分能量。泵的转速是指离心泵、旋转泵的泵轴的转速或往复泵曲轴的转速，单位: r/min23. 正位移泵的流量与泵的压头及管路情况无关，因此不能简单的用调节 排出管路的阀门来调节。正位移泵的流量调节方法有两种：一种是回路 调节；一种是改变曲轴的冲程大小。24. 泵 的 特 性 曲 线特性曲线:在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。图上绘有三种曲线VHQ曲线NQ曲线nQ曲线强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速n的数值。HQ曲线代表的是在一定转速下流体流经离心泵所获得的能量与流量的 关系，是最为重要的一

9、条特性曲线。P-Q曲线表示泵的流量Q和轴功率P的关系，P随Q的增大而增大。显然， 当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，应 将出口阀关闭nQ曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操 作，其效率最高，故该点为离心泵的设计点。第二章传热 傅立叶定律是热传导的基本定律，其表达式为 仅供学习与参考q 石 q 一热流密度，简称传热速率，w/m2 一导热面积，即垂直于热流方向的表面积，k/m入一比例系数，热导率，w/m.ko傅立叶定律q =炉6nq -热流密度，w/m2人一一导热系数（或热导率），w/m.k。傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：热流密度与温 度

10、梯度成正比式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。准数名称符号意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu= aL/入表示对流传热系数的准数雷诺准数(Reynolds)Re=LuP / u确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr二cpu/ 入表示物性影响的准数格拉斯霍夫准 数（Grashof）Gr= Pg A Tl3 P 2/u2表示自然对流影响的准数1. 传热的概念：传热是由于温度差而引起的能量转移。热量总是自动地由 高温区传递到低温区。热量传递是自然界中普遍存在的物理现象，在工程 技术、工业生产及日常生活中都有着广泛的应用。2. 传热在食品工程中的应用：食品加工过程中的温度控制、灭菌过

11、程以及各种单元操作（如蒸馏、蒸发、干燥、结晶等）对温度有一定的要求。3. 传热的基本方式及特点。热传导物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子 等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传土热对流 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对 流。热对流仅发生在流体中热对流的两种方式：强制对流：因泵、 风机或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流自然对流：由于流体 各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对 流称为自然对流热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。所有 物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质。任何物 体只要在绝对零度

12、以上都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高的 时候，热辐射才能成为主要的传热形式。4. 在食品生产中，物料在换热器内被加热或冷却时通常需要用另一种流体 供给或取走热量，此种流体称为载热体。5. 热传导：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电 子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。6. 傅立叶定律中的负号是指热流方向和温度梯度方向相反。7. 对流传热：是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体 质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。8. 影响对流传热系数的因素流体的状态、流体的物理性质、流体的运学习资料动状况、流体对流的状况、传热表面的形状、位置及大

13、小等。9. 对流传热系数关联式中准数的符号及意义。S AT在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W/(m2C),它反映了对流传热的快慢，a愈大表示对流传热愈快。10. 蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。膜状冷凝:由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的液膜。在整个 冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻滴状冷凝：若冷凝液不能润湿冷壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁 面上形成许多液滴，并沿壁面落下，该种冷凝称为滴状冷凝。11. 冷、热流体通过间壁两侧的传热过程包括热流体以对流方式将热量传 递给管壁、热量以热传导方式由管壁的一侧传递至另一侧、传递至另一侧 的热量又以对流方

14、式传递给冷流体三个步骤。影响冷凝传热的因素:不凝性气体的影响：在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低。蒸汽流速和流向的影响:冷却壁面的高度及布置方式:流体物性：冷凝液的密度越大，粘度越小，则液膜厚度越小，a越大。12. 总传热系数K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热 器的类型。Q = KS ATK换热器的平均总传热系数，w/ (m2k )S换热器的总传热面积，m2AT-换热器间壁两侧流体的平均温差逆流和并流时的平均温度差AT - ATATm = 2AT i ATm称为对数平均半径。当 T2/ AT1W 2时，可用( ln廿T2+ AT1

15、) /2代替对数平均温度差。113. 间壁式换热器换热操作中，壁温总是接近对流传热系数较大一侧流体 的温度。14. 强化传热的途径有增大传热面积、降低加热介质温度、增加平均温 度差、减少传热阻力等。15. 在空气-蒸汽间壁换热过程中可采用提高空气流速方法来提高传热速率最合理。16. 蒸汽冷凝时的热阻决定于液膜厚度。第四章 颗粒与流体之间的相对运动1. 单颗粒的特性主要是颗粒的大小、形状、和表面积。2. 颗粒的当量直径的三种表示方法。，而 等体积当量直径:颗粒的等体积当量直径为与该颗粒体积相等的 如=3 T直径。Dev 颗粒等体积当量直径，m； V 颗粒的体积，m3。等比表面积当量直径：与非球形

16、颗粒比表面积相等的直径为该 颗粒的等比表面积当量直径。dea颗粒的等比表面积当量直径，m；/ S 等表面积当量直径：与非球形颗粒表面积相等的直径为该颗 d = n粒的等表面积当量直径。3. 床层的空隙率e的概念及影响因素。空隙率的大小与颗粒形状、粒度 分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关。4.1.3颗粒床层的特性大量固体颗粒堆积在一起形成颗粒床层。静止的颗粒床层又称为固定床。对流体通过床层流动产生重要影响的床层特性有:1. 床层的空床层中颗粒之间的空隙体积与整个床层体积之比称为空隙率。床层体积-颗粒体积床层体积4. 影响床层压降的因素有三个，即操作因素u,流体物性P和u,床

17、层 特性e和a。所有这些因素中，影响最大的是床层空隙率e。流体通过一组平行细管流动的压降为AP =入匕pde 2AP-流体通过床层的压降，Pa;L一床层高度，m； de一床层流道的当量直径，m；(1 一 )2(1-8)AP = 150 (匚目Lu +1.75 () Lpu2 3d 2 3dPPul 流体在床层内的实际流速，m/s欧根方程,其实验范围为Rep = 0.17420 当(Re)p 1000时，等式右边第一项可略去。5. 在重力沉降操作中，影响沉降速度的因素主要有颗粒体积分数、器壁 效应和颗粒形状。沉降速度 对于球形颗粒du _/PP、3&p，4gd (p -p)则可得沉降速度计算式d

18、Tpp g 4dppfut - IP3p层流区（Rep W 1斯托克斯区） 湍流区（5001冷液进料仅供学习与参考学习资料饱和液体（泡点）进料q=1汽液混合物进料0q1饱和蒸汽（露点）进料q =0过热蒸汽进料q 022. 温度一组成（t-x-y）图的上下两曲线将图分成液相区、过热蒸汽区和 汽液共存区三个区域。23. 对于二元理想溶液，相对挥发度a大，说明该物系容易分离。24. 再沸器的作用：加热液体产生蒸气，蒸气沿塔上升，与下降的液体逆 流接触进行物质传递。多次且同时进行部分汽化。25. 为什么精馏塔分精馏段和提馏段？若在塔顶进料则只有塔底的重组分产品可达高纯度，塔顶引出的蒸汽 因没有经过精馏

19、段的精制，纯度一般不会高。若在塔底进料则只有塔顶的轻组分产品可达高纯度，塔底的液体因未 经提馏段提浓，纯度一般也不会高。只有包括了精馏段和提馏段的精馏塔才可能由塔顶和塔底连续地分 别得到高纯度的轻、重组分产品。26. 为什么精馏的操作线为直线？R1七+1二E七+ E七根据恒摩尔流假设，L为定值，且在稳定操作时，D及xD为定值，故 仅供学习与参考R为常量。它描述了任一板（第n层板）的液体组成Xn与此相邻的下一塔 板（第n+1层）上升的蒸汽组成之间的关系，为一线性关系。27.恒摩尔流假定成立的条件：气液两相接触时，若有1kmol蒸气冷 凝使1kmol的液体汽化，这时气液流符合恒摩尔流假定。L=22

20、.R =七28.最小回流比的计算：Rmin +1七-七整理得min y - Xq q第12章干燥原理一. 相对湿度（湿度比）巾:在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pv 与同温度下水的饱和蒸汽压pS之比，称为相对湿度，用符号巾表示，。=J = J即P ,p s其中，当pv=0时，巾=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。当pv=ps时，巾=1，表示湿空气为饱和空气。 相对湿度可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能 否作为干燥介质，巾值越小，则吸湿能力越大。 在干燥操作中，总是先将空气加热后再送入干燥器内，其目的是降低相 对湿度以提高吸湿能力。二. 干球温度T：用普通温度计直接测

21、得的湿空气的温度，它是空气的真 实温度。湿球温度TM:用湿纱布包裹温度计的感温部分（水银球），纱布下端浸在 水中，以保证纱布一直处于充分润湿状态，这种温度计称为湿球温度计。仅供学习与参考对于不饱和空气，该空气的三个温度干球温度t,湿球温度Tm和露点Td 的关系是：在不饱和空气中湿球温度TM低于干球温度T。原理图如下：（形成过程见课本348页）强调：湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实 温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球 温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。对于某一定干球温 度的湿空气，其相对湿度越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言

22、， 其湿球温度与干球温度相等。湿球温度的高低不仅与空气的干球温度t 有关，还与空气的湿含量d有关，所以他是湿空气的一项状态函数。三. 露点温度Td :不饱和的空气在湿含量d不变的情况下冷却，达到饱 和状态时的温度，称为该湿空气的露点,用符号Td表示。若湿空气的温 度降低到露点一下，则所含超过饱和部分的水蒸汽将以液态水的形式凝结 出来。二空气=湿含1 量d补充液，温度学习资料四. 空气的焓湿图（湿空气各项状态参数之间的相互关系）六. 恒速干燥与降速干燥阶段的分界点称为临界点，其对应的物料含水量 称为临界含水量。七. 影响降速干燥阶段干燥速率的主要因素：临界含水量越大，则会过早 的转入降速干燥阶段

23、，使在相同的干燥任务下所需的干燥时间加长。临界 含水量与物料的性质、厚度、干燥速率有关。干燥速率主要决定于物料本 身的结构、形状和大小等。而与空气的性质关系很小。八. 平衡水分：与一定状态的空气成平衡时的物料，最终必有一水分含量 与之对应，该水分称为平衡水。平衡水分和结合水的联系区别是：结合水 分与物料存在某种形式的结合，其汽化能力比独立存在的水要低，蒸汽压 或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。平衡水分取决于干燥介质的 仅供学习与参考学习资料状态。干燥介质状态改变时，平衡水分的数值将随之改变。九. 空气的湿含量一定时，其温度愈高，其相对湿度越小。十.物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过

24、程。十一.等速干燥的特点：除去的水分是非结合水；属于表面汽化控制阶段； 物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；干燥速率的大小，主要取决 于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。降速干燥阶段的特点：干燥 速率主要决定于物料本身的结构、形状和大小等。而与空气的性质关系很 小。物料表面的温度不断上升，而最后接近于空气的温度。十二.在一定空气状态下，用对流干燥方法干燥湿物料时，能除去的水分 为自由水分，不能除去水分是平衡水分。十四.表面气化控制和内部扩散控制是同时进行的，虽然如此，但是在不 同干燥过程中的不同时期，控制干燥速率的机理不一定相同。这是由于物 料的结构，性质，温度以及气相情况的影响所致。因此，干燥机理是非常 复杂的，水分的内部扩散速率与表面气化速率近似相等的场合是少见的。 实际上，在干燥过程中，某些物料水分表面气化的速率小于内部扩散速率， 而另一些物料，则水分表面汽化速率大于内部扩散速率。显然，速率较慢 的是控制过程的关键。前一种情形称为表面汽化控制，后一种称为内部扩 散控制。十五.蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差别，使液体混合物部分仅供学习与参考学习资料汽化并随之使蒸气部分冷凝，从而实现其所含组分的分离的目的。十六：水分活度与干燥介质和相对温度的关系:十三.作为干燥介质的热空气应该具备的基本性能: