食品工程原理复习资料重要公式总结.docx

1、食品工程原理复习资料重要公式总结食工原理复习资料单元操作：不同食品的生产过程使用各种物理加工过程，根据物理加工过程的各种操纵原理，可以归结为数个广泛的基本过程，这些基本过程称为单元操作。特点：若干个单元操作串联起来组成的一个工艺过程称为物理性操作。 同一食品生产过程中可能会包含多个相同的单元操作。 单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可通用。三传理论：单元操作按其理论基础可分为三类：流体流动过程，传热过程，传质过程，以上三个过程包含三个理论，称为三传理论。（动量传递，热量传递，质量传递）。物料衡算：根据质量守恒定律，以生产过程中或生产单元为研究对象，对其进出口处进行定量

2、计算，称为物料衡算。第一章 流体流动与输送设备流体：具有流动性的物体。如气体，液体。特征：具有流动性；抗剪和抗张能力很小；无固定形状，随容器形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度。压力：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的单位： （1） 按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa；（2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。标准大气压的换算关系:1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O压力的表示方法:表压 = 绝对压力 大气

3、压力；真空度 = 大气压力 绝对压力静力学基本方程：压力形式 能量形式 适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。第二节 流体动力学体积流量VS ： 单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m3/s或m3/h。质量流量mS ： 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， kg/s或kg/h。平均流速u ：单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，

4、m/ s。 质量流速G ：单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，kg/（m2s）。相互关系：U=V/A;G=V=AU内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生相互作用，称为流体的内摩擦力或粘滞力。剪应力（内摩擦力）：t=F/A=u/定态(稳定)流动与非定态（不稳定）流动：流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。定态流动系统的质量守恒连续性方程: 定态流动系统的机械能守恒柏努利方程一、实际流体的柏努利方程以单位质量流体为基准： J/kg以单

5、位重量流体为基准： J/N=m 适用条件：（1）两截面间流体连续稳定流动；（2）适于不可压缩流体，如液体； 对于气体，当 ，可用两截面的平均密度m计算。二、理想流体的柏努利方程理想流体是指没有黏性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。 表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三、柏努利方程的讨论 （1）当系统中的流体处于静止时，柏努利方程变为 上式即为流体静力学基本方程式。（2）在柏努利方程式中， zg、分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能；而We、Wf是指单位质量流体在两截面间获得或消耗的能量。输送机械的有效功率： 输送机械的轴功率： =W*质量流量/

6、效率 第三节 管内流体流动现象1-3-1 流体的黏度一、牛顿黏性定律牛顿黏性定律表明流体在流动中流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度之间的关系，其表达式为 或 牛顿黏性定律适用于层流。黏度是度量流体黏性大小的物理量，一般由实验测定。物理意义：促使流体在与流动相垂直方向上产生单位速度梯度时的剪应力。 单 位：Pas，cP 1cP=10-3 Pas 影响因素：温度与压力。 液体：T，；不考虑p的影响。 气体：T，；一般在工程计算中也不考虑p的影响。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿黏性定律的流体，称为牛顿型流体；不符合牛顿黏性定律的流体称为非牛顿型流体。 运动黏度为黏度与密度的比值，单位为m2/s

7、，也是流体的物理性质。 一、流体流动类型层流（或滞流）： 流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）： 流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据雷诺准数 （1-28） Re为无因次准数，是流体流动类型的判据。（1） 当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2） 当Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3） 当2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。 根据Re准数的大小将流动分为三个区域：层流区

8、、过渡区、湍流区，但流动类型只有两种：层流与湍流。雷诺准数物理意义：表示流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，反映流体流动的湍动程度。第四节 流体流动阻力1-4-1 流体在直管中的流动阻力一、直管阻力的通式范宁公式的几种形式： 能量损失 压头损失 压力损失 二、层流时的摩擦系数层流时摩擦系数是雷诺数Re的函数流体在直管内层流流动时能量损失的计算式为 或 哈根-泊谡叶方程 表明层流时阻力与速度的一次方成正比。三、湍流时的摩擦系数湍流时摩擦系数是Re和相对粗糙度的函数： -Re-图：（1）层流区 Re2000 =64/Re， 与无关 Wf, hf u1（2）过渡区 2000 Re 4000 =f（R

9、e，） Wf, hf u12（4）完全湍流区 Re Re c =f（）与Re无关 Wf, hf u2 (阻力平方区) (虚线以上)1-4-2 局部阻力一、阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数， 或 式中，称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，u为小管中的大速度。进口阻力系数，出口阻力系数。二、当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力即 或 式中称为管件或阀门的当量长度，也是由实验测定。1-4-3 流体在管路中的总阻力 当管路直径相同时，总阻力： 或 注意：计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法，但不

10、能用两种方法重复计算。第七节 流体输送设备1-7-1 离心泵气缚现象：离心泵启动前泵壳和吸入管路中没有充满液体，则泵壳内存有空气，而空气的密度又远小于液体的密度，故产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，此种现象称为气缚现象，表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。2.离心泵的主要部件 叶轮 泵壳 轴封装置二、离心泵的性能参数与特性曲线1. 性能参数 流量Q 离心泵单位时间内输送到管路系统的液体体积， m3/s或m3/h。压头（扬程）H 单位重量的液体经离心泵后所获得的有效能量，J /N或m液柱。效率 反映泵内能量损

11、失，主要有容积损失、水力损失、机械损失。 轴功率P 离心泵的轴功率是指由电机输入离心泵泵轴的功率， W或kW。离心泵的有效功率Pe是指液体实际上从离心泵所获得的功率。 泵的有效功率： 或 泵的轴功率为 或 2. 特性曲线离心泵特性曲线是在一定转速下，用20水测定，由H-Q、P-Q、-Q三条曲线组成。（1）H-Q曲线：离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减小。不同型号的离心泵，H-Q曲线的形状有所不同。（2）P-Q曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而增大，当流量Q0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。（3）-Q曲线：开始泵的效率随流量的增大而增

12、大，达到一最大值后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。一般离心泵出厂时铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。高效率区通常为最高效率的92左右的区域。3. 影响离心泵性能的主要因素密度：Q不变，H不变，基本不变，P； 黏度：Q，H，P； 转速：比例定律 叶轮直径：切割定律 三、离心泵的工作点与流量调节1. 管路特性曲线 管路特性曲线表示在特定的管路系统中，输液量与所需压头的关系，反映了被输送液体对输送机械的能量要求。管路特性方程 其中 ， 管路特性曲线仅与管路的布局及操作条件有关，而与泵的性能无关。曲线的截距A与两贮槽间液位差及操作压力差有

13、关，曲线的陡度B与管路的阻力状况有关。高阻力管路系统的特性曲线较陡峭，低阻力管路系统的特性曲线较平坦。2. 工作点 泵安装在特定的管路中，其特性曲线H-Q与管路特性曲线He-Q的交点称为离心泵的工作点。若该点所对应的效率在离心泵的高效率区，则该工作点是适宜的。工作点所对应的流量与压头，可利用图解法求取，也可由管路特性方程： 泵特性方程： 联立求解。 3. 流量调节 （1）改变管路特性曲线最简单的调节方法是在离心泵排出管线上安装调节阀。改变阀门的开度，就是改变管路的阻力状况，从而使管路特性曲线发生变化。这种改变出口阀门开度调节流量的方法，操作简便、灵活，流量可以连续变化，故应用较广，尤其适用于调

14、节幅度不大，而经常需要改变流量的场合。但当阀门关小时，不仅增加了管路的阻力，使增大的压头用于消耗阀门的附加阻力上，且使泵在低效率下工作，经济上不合理。（2）改变泵特性曲线通过改变泵的转速或直径改变泵的性能。由于切削叶轮为一次性调节，因而通常采用改变泵的转速来实现流量调节。这种调节方法，不额外增加阻力，且在一定范围内可保持泵在高效率下工作，能量利用率高。四、离心泵的汽蚀现象与安装高度1. 汽蚀现象汽蚀现象是指当泵入口处压力等于或小于同温度下液体的饱和蒸气压时，液体发生汽化，气泡在高压作用下，迅速凝聚或破裂产生压力极大、频率极高的冲击，泵体强烈振动并发出噪声，液体流量、压头（出口压力）及效率明显下

15、降。这种现象称为离心泵的汽蚀。3. 离心泵的允许安装高度离心泵的允许安装高度是指贮槽液面与泵的吸入口之间所允许的垂直距离。 根据离心泵样本中提供的允许汽蚀余量，即可确定离心泵的允许安装高度。实际安装时，为安全计，应再降低0.51m。判断安装是否合适：若低于，则说明安装合适，不会发生汽蚀现象，否则，需调整安装高度。欲提高泵的允许安装高度，必须设法减小吸入管路的阻力。泵在安装时，应选用较大的吸入管路，管路尽可能地短，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，而将调节阀安装在排出管线上。1.离心泵的类型按输送液体性质和使用条件，离心泵可分为以下几种类型：（1）清水泵（2）耐腐蚀泵（3）油泵（4）（5）屏蔽泵2

16、. 离心泵的选用基本步骤：（1）确定输送系统的流量和压头（2）选择离心泵的类型与型号（3）核算泵的轴功率1-7-2 其它类型化工用泵 一、往复式泵 1. 往复泵（1） 往复泵的构造及工作原理主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀。工作原理：依靠活塞的往复运动，吸入并排出液体。（2）往复泵的流量与压头单动泵流量 当活塞直径、冲程及往复次数一定时，往复泵的理论流量为一定值。往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，与流量也无关。往复泵具有正位移特性，即流量仅与泵特性有关，而提供的压头只取决于管路状况。（3）往复泵的流量调节多采用旁路调节或改变活塞冲程或往复次数。往复泵适用于输送小流量、高压头、高黏度的

17、液体，但不适于输送腐蚀性液体及有固体颗粒的悬浮液。旋转泵与往复泵一样，也具有正位移特性，因此也采用旁路调节或改变旋转泵的转速，以达调节流量的目的。风压 是指单位体积的气体流经通风机后获得的能量， J/m3或Pa。第二章 非均相物系分离非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。操作方式分为两种：（1）沉降分离 颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。分为重力沉降、离心沉降。（2）过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。第三章 传 热第一节 概

18、 述11 传热的基本方式热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。传导 是物体中温度较高部分分子，通过碰撞或振动将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子，这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。对流 是流体之间的宏观相对位移所产生的对流运动，将热量由空间中一处传到他处的现象。辐射 是一种以电磁波传递热量的方式。工业的换热方法：间壁式换热、混合式换热和蓄热式换热。12 稳定传热与不稳定传热稳定传热 若传热系统中各点的温度仅随位置变而不随时间变，则此传热过程为稳定传热。不稳定传热 若传热系统中各点的温度既随位置变又随时间而变，则此传热过程为不稳定传热。 第二节 热传导21热传导的基本概念和付立叶定律

19、付立叶定律 式中负号表示热流体方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传向低温。 22 导热系数付立叶定律中的比例系数 ，其值等于温度梯度下的热通量。因此，值表示了物质导热能力的大小，是表征物质导热性能的参数，称为导热系数。 第三节 对流传热1.对流传热速率方程流体与壁面间的对流传热速率由牛顿冷却定律表达式： 对流传热系数和传热面积以及温度差相对应。第四节 传热计算 42 总传热速率方程冷、热流体通过间壁的传热过程是热流体与壁面的对流传热，壁内的导热和另一侧壁面与冷流体的对流传热三个环节的串联过程。对于稳定传热过程，冷、热流体间的传热速率： 43 平均温度差1恒温传热： 2变温传热：逆流或并流 当

20、2时44 总传热系数1.外表面为基准的总传热系数计算式为：2.热面积 传热面积式中：So换热器传热的外表面积，L换热器管长，n换热器的管子根数。第五节 对流传热系数关联式51影响对流传热系数的因数流体物性，主要是比热容、导热系数、密度和黏度；流体的流动状态；流动的原因是强制对流还是流体自然对流；传热面的形状、位置和大小；传热过程中有无相态变化 53 流体有相变时对流传热系数 1 蒸气在管外膜状冷凝的传热系数 （1） 饱和蒸气在垂直管或垂直板上膜状冷凝Re1800 Re1800特征尺寸取垂直管长或板的高度 定性温度蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。（2） 蒸气在水

21、平管外冷凝第六节 辐射传热61黑体、镜体、透热体和灰体的概念 黑体：能全部吸收辐射能的物体，其吸收率。黑体又称为绝对黑体。 镜体：又称绝对白体，是指能全部反射辐射能，即反射率的物体。透热体：能透过全部辐射能，即透过全部辐射能，即透过率的物体。 灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到所有波长范围的辐射能物体。 62斯蒂芬波尔茨曼定律 .物体的辐射能力指物体在一定温度下，单位时间内所发射的全部波长的总能量（m2）。 黑体的辐射能力 的表达式斯蒂芬波尔茨曼定律： 63灰体的辐射能力及黑度 黑度：灰体的辐射能力E与同温度下黑体辐射能力之比。即灰体的辐射能力E可由下式表达 第七节 换热器 1各种类型的

22、换热器：套管式换热器，夹套式换热器，板式换热器3传热过程的强化途径 ()增大传热面积；增大换热器单位体积的传热面积。 ()增大平均传热温差。平均温差的大小取决于两流体的温度和流动方式，采用逆流操作可获得较大的传热温差。 ()增大总传热系数。提高值必须减少各项热阻。减少热阻的方法有：提高对流传热系数（加大流速）；防止结垢或及时清除垢层等。热补偿方式：浮头补偿，补偿圈补偿，U形管补偿。第四章 蒸 发蒸发操作主要用于提高溶质的浓度；浓缩溶液和回收溶剂；获得纯净的溶剂等。蒸发操作：是将溶液加热至沸点，使其中挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。蒸发操作进行的条件：是供给溶剂汽化所需的热量，并将产生的蒸气

23、及时排除。蒸发器的加热室通常采用间壁式换热器，其两侧为恒温。蒸发过程的特点是（与传热相比较）：1 因溶液沸点升高等因素会引起温度差损失；2 因蒸发过程耗热量很大，所以应充分考虑热能利用；3 因处理物料性质不同，故需充分考虑物料的特性及工艺条件，再选择或设计适宜的蒸发器。三、蒸发操作的分类可按蒸发模式、按操作条件（压力）及效数等进行分类。第二节 单效蒸发与真空蒸发一、单效蒸发流程蒸发器由加热器和蒸发室组成，此外还需除沫器、冷凝器等。 （2）总传热系数K的确定蒸发器的总传热系数可按下式计算 第三节 多效蒸发采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。

24、多效蒸发：若将二次蒸汽通道另一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，则可提高加热蒸汽的利用率，这种串联蒸发操作叫多效蒸发。多效蒸发流程1 并流流程 2 逆流流程 3平流流程膜分离过程：超滤，反渗透，微滤，电渗析。 第七章 干燥一、干燥过程的分类及应用1、物料的干燥 ：机械去湿法物理去湿法干燥方法：传导干燥：热能以传导的方式传给湿物料；对流干燥：热能以对流方式由热气体传给与其直接接触的湿物料；辐射干燥：热能以电磁波的形式由辐射器发射；介电加热干燥：由高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥的目的。第二节 湿空气的性质及湿度图一、湿空气的性质 1. 湿空气的状态参数（以单位质量的干空气为基准）湿度H ：kg

25、/kg干空气 饱和湿度Hs：是总压和温度的函数。相对湿度： 湿空气比容h ： m3/kg干空气湿比热容cH： cH=1.01+1.88H kg/kg干空气 湿空气的焓I： I=(1.01+1.88H)t+2490H绝热饱和温度tas ： 干球温度t： 用普通温度计测得的湿空气的温度，为湿空气的真实温度。湿球温度tw : 露点 td ：不饱和空气在总压及湿度不变的情况下，冷却达到饱和状态时的温度，称为该空气的露点。 湿球温度tw和绝热饱和温度tas的关系（1）对于空气和水的系统tas=tw，tas与tw在本质上截然不同tas热力学性质；tw 取决于动力学因素。（2） tas两相都达到平衡时的温度

26、； tw 传质传热过程达到稳态时的温度。（3） tas气液间的传递振动力由大变小，最终趋于零； tw 稳定后的气液间的传递推动力不变。对一定状态的空气，不饱和： 饱和： 二.湿空气的湿度图H-I常压下湿空气的H-I图，采用两个坐标夹角为135的坐标图，以提高读数的准确性。同时为了便于读数及节省图的幅面，将斜轴(图中没有将斜轴全部画出)上的数值投影在辅助水平轴上。湿空气的H-I图由以下诸线群组成。 1、等湿度线(等H线)群 等湿度线是平行于纵轴的线群。2等焓线(等I线)群 等焓线是平行于斜轴的线群。3等干球温度线(等t线)群 将式（7-9）改写成 诸等t线是不平行的。4等相对湿度线(等线)群5蒸

27、气分压线 第四节 干燥速率和干燥时间一、物料中所含湿分的性质 1. 平衡水分和自由水分 平衡水分：一定空气状态下，物料中所含水分不再因与空气接触时间的延长而有所增减，物料中所含的水分称为在此空气状态下，该物料的平衡水分，用X*表示。平衡水分随物料种类的不同而有很大的差别，对于同一物料，又因所接触的空气状态不同而变化。自由水分：物料中所含的水分大于平衡水分的那一部分，称为自由水分(或称游离水分)。2. 结合水分和非结合水分如将平衡水分与空气状态关系图中的各平衡曲线延长，而使之与100相交，在交点以下的水分皆为各物料的结合水分，而大于这些交点之各物料水分则为非结合水分。 三、恒定干燥条件下干燥时间的计算 1、恒速干燥阶段即 2. 降速干燥阶段当降速段的干燥速率曲线随物料的含水量呈线性变化时，干燥时间可采用解析法进行计算。 因此，物料干燥所需的时间(即物料在干燥器内停留时间)为，即：