食品工程原理教案Word下载.docx

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1教学目的：

通过本门课程的学习，学生初步掌握食品工程的基本原理，了解典型设备的构造、性能与操作，熟悉其计算方法、研究方法，并进行基本实验技能和设计能力的训练，培养学生工程技术观点及独立分析和解决问题的能力。

教及学难重点点

1教学重点：

流体基本理论

传热理论

蒸发浓缩理论

冷冻干燥理论

2教学难点：

流体基本理论和传热理论

食品工程原理课程教案

授课时间

2011.09.08

课次

1

授课方式

理论课□√讨论课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目（教学章、节或主题）：

引论

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

1.了解食品工程原理研究的内容；

2.熟悉单元操作的定义

3.掌握三传理论。

教学重点及难点：

三传理论

教学基本内容及方法手段

教学内容：

一、单元操作

1.食品工业：

利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。

食品生产：

（1）化学反应过程：

如食品风味的形成

（2）物理加工过程

不同食品的生产过程使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。

2.单元操作的应用及特点

a.若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。

b.均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。

c.同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。

d.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以通用。

二、单元操作与食品加工

以乳制品生产工艺为例讲解单元操作与食品加工之间的关系。

三、三传理论

1.单元操作按其理论基础可分为下列三类：

1）流体流动过程（fluidflowprocess）:

包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。

（2）传热过程（heattransferprocess）:

包括热交换、蒸发等。

（3）传质过程（masstransferprocess）:

包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。

上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。

2.三传理论

动量传递（momentumtransfer）：

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，到可以用动量传递的理论去研究。

热量传递（heattransfer）:

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，到可以用热量传递的理论去研究。

质量传递（masstransfer）:

两相间物质的传递过程即为质量传递。

凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。

3.单元操作与三传的关系

杀菌：

传热；

真空浓缩：

传热、传质、流体流动；

过滤：

流体流动

教学方法：

讲授

作业、讨论题、思考题：

课后习题，P10。

课后小结：

填表说明：

1.每项页面大小可自行添减，一节或一次课写一份上述格式教案。

2.课次为授课次序，填1、2、3……等。

3.方法及手段如：

举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等。

2010.09.09

引论

物料衡算和能量衡算量的单位和量纲

熟悉物料衡算和能量衡算，

熟悉量的单位和量纲。

物料衡算和能量衡算

一、物料衡算

1.概述

依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即

输入量－输出量＝累积量

对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为

输入量＝输出量

用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。

2.物料衡算的步骤：

（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。

（2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。

在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。

二、能量衡算

1.概述

本课程所用到的能量主要有机械能和热能。

能量衡算的依据是能量守恒定律。

热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。

2.物系的平衡关系

衡状态是自然界中广泛存在的现象。

以食盐的溶解和结晶为例：

平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。

3.传递速率

a.以食盐的溶解为例：

不饱和食盐溶液：

溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；

食盐浓度高时，溶解速率小。

饱和食盐溶液（即平衡状态）：

溶解速率为零

溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；

溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。

溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动力（drivingforce）。

b.颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。

原因：

由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；

由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。

其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。

过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。

三、量的单位和量纲

1.量的单位

1）单位制

国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的。

2）因次

法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号L、M、T、θ表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。

课后思考题，P51。

2010.10.09

3

第一章流体流动和输送

第一节流体静力学

掌握流体静力学方程，熟悉流体静力学方程的应用，了解流体的物理性质。

流体静力学方程及其应用

一、流体概述

1.流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。

2.作用在流体上的力有质量力和表面力。

二、流体的物理特性

1.密度ρ

单位体积流体的质量，称为流体的密度，

2.比容v

单位质量流体的体积，称为流体的比容，用符号v表示，单位为m3/kg，

3.压力

垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。

习惯上称为压力。

作用于整个面上的力称为总压力。

☐绝对压力（absolutepressure）：

以绝对真空（即零大气压）为基准。

☐表压（gaugepressure）：

以当地大气压为基准。

它与绝对压力的关系，可用下式表示：

表压＝绝对压力－大气压力

☐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，即：

真空度＝大气压力－绝对压力

三、流体静力学基本方程式

流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的压力沿着高度变化的数学表达式。

对于不可压缩流体，密度不随压力变化，

p2＝p1＋ρg（Z1-Z2）

如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为p0，液柱Z1-Z2＝h，则上式可改写为:

p2＝p0＋ρgh

上两式即为液体静力学基本方程式.

四、流体静力学基本方程式应用

1.压力测量

2.液面测定

3.确定液封高度

课后习题，P51。

2010.10.14

第二节流体动力学方程

掌握连续性r方程和柏努利方程。

熟悉流体流动基本要素，了解稳定流动与非稳定流动。

连续性方程和柏努利方程。

一、流量与流速

1、流量

a.体积流量（volumetricflowrate）V,m3/s

单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s。

b.质量流量（massflowrate）G,kg/s

单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量，以G表示，其单位为kg/s。

体积流量与质量流量之间的关系为：

G=ρV

2.流速

平均流速（averagevelocity）u,m/s

3.管道直径的估算

二、稳定流动与不稳定流动

稳定流动（steadyflow）：

流体在管道中流动时，在任一点上的流速、压力等有关物理参数都不随时间而改变。

不稳定流动（unsteadyflow）：

若流动的流体中，任一点上的物理参数，有部分或全部随时间而改变。

三、连续性方程

四、柏努利方程

1.公式推导

2.柏努利方程式的物理意义

gz为单位质量流体所具有的位能；

p/ρ为单位质量流体所具有的静压能；

u2/2为单位质量流体所具有的动能（kineticenergy）。

因质量为m、速度为u的流体所具有的动能为mu2/2。

3.柏努利方程式的其他形式

4.柏努利方程式的应用

分析和解决流体输送有关的问题；

液体流动过程中流量的测定；

调节阀流通能力的计算等。

2010.10.16

5

第三节流体流动现象

掌握层流和湍流的基本原理，熟悉牛顿流体粘性定律。

层流和湍流的基本原理，雷诺系数。

一、牛顿粘性定律

流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。

二、液体中的动量传递

剪应力可看作单位时间单位面积的动量，称为动量传递速率。

牛顿型流体（Newtonianfluid）：

剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿粘性定律的流体，如水、所有气体都属于牛顿流体。

非牛顿型流体（non-Newtonianfluid）：

不服从牛顿粘性定律的流体，如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液等。

对于非牛顿型液体流动的研究，属于流变学（rheology）的范畴。

三、流体流动状态类型

1.层流（laminarflow）或滞流（viscousflow）:

当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间没有迁移，互不混合，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。

2.湍流（turbulentflow）或紊流:

当流体在管道中流动时，流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都会发生变化，质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流或紊流。

3.影响流体流动类型的因素：

Ø

流体的流速u；

管径d；

流体密度ρ；

流体的粘度μ。

四、雷诺数

u、d、ρ越大，μ越小，就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duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。

课后习题，P51。

2010.10.21

6

第四节流体流动的阻力

掌握柏努利方程式中能量损失的计算方法，熟悉流体在管路中的流动阻力产生的原因。

柏努利方程式中能量损失的计算方法。

一、流体在管路中的流动阻力产生的原因

1.管子

2.管件

3.阀门

二、流体在管路中的流动阻力计算

1.能量损失：

流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间或流体之间的湍流产生的内摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。

我们把这部分机械能称为能量损失。

能量损失可以通过阻力计算求得。

2.流动阻力：

流体在管路中的流动阻力可分为直管阻力和局部阻力两类。

3.层流时的直管阻力

4.湍流时的直管阻力

5.流体在非圆直管中的阻力

6.局部阻力

流体流经管件时，其速度的大小、方向等发生变化，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。

由局部阻力引起的能耗损失的计算方法有两种：

阻力系数法和当量长度法。

7.管道总阻力

强调：

在计算局部阻力损失时，公式中的流速u均为截面积较小管中的平均流速。

影响酸碱平衡中组分分布浓度有那些？

2010.11.23

7

第五节管路计算第六节流量的测定

熟悉简单管路计算，了解复杂管路计算。

简单管路计算，复杂管路计算。

一、概述

管路计算是连续性方程、柏努利方程、摩擦阻力计算式的具体应用。

二、简单管路计算

1.已知管径d、管长l、流量V以及管件和阀门的设置，求管路系统的能量损失，以进一步确定所需外功、设备内的压强或设备间的相对位置。

2.已知管径d、管长l、管路系统的能量损失Σhf以及管件和阀门的设置，求流量V或流速u。

3.已知管长l、流量V、管路系统的能量损失Σhf以及管件和阀门的设置，求管径d。

后两种情况存在着共同的问题，即流速u或管径d为未知，因此不能计算Re，则无法判断流体的流型，故不能确定摩擦系数λ。

在工程计算中常采用试差法或其它方法来求解。

例题：

用泵把20℃的苯从地下贮罐送到高位槽，流量为300l/min。

高位槽液面比贮罐液面高10m。

泵吸入管用89×

4mm的无缝钢管，直管长为15m，管上装有一个底阀（可初略地按旋启式止回阀全开时计算）、一个标准弯头；

泵排出管用57×

3.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的截止阀和三个标准弯头。

贮罐和高位槽上方均为大气压。

设贮罐液面维持恒定。

试求泵的功率，设泵的效率为70%。

三、复杂管路

1.定义

并联和分支管路称为复杂管路。

第六节流量的测定

1、测速管（毕托管）

2、孔板流量计

3、转子流量计

课后习题，P52。

2010.10.28

8

第二章流体输送

第一节离心泵

熟悉离心泵的工作原理、重要性能参数以及影响离心泵性能的主要因素。

离心泵的结构及工作原理。

一、常用的流体输送机械

泵；

输送液体

风机;

输送气体

压缩机；

真空泵。

二、泵的分类

1按工作原理分

叶片式泵有高速旋转的叶轮。

如离心泵、轴流泵、涡流泵。

往复泵靠往复运动的活塞排挤液体。

如活塞泵、柱塞泵等。

旋转式泵靠旋转运动的部件推挤液体。

如齿轮泵、螺杆泵等。

2按用途分

清水泵

适用于粘度与水相近的、无腐蚀性、不含杂质的流体，如离心泵。

油泵

适用于高粘度的流体。

如齿轮泵、旋转泵等。

耐腐蚀泵

杂质泵：

第二节离心泵

离心泵（centrifugalpump）的特点：

v结构简单；

v流量大而且均匀；

v操作方便。

一、离心泵的工作原理

1结构

叶轮轴6~12片叶片

2工作原理

由于离心力的作用，泵的进出口出产生压力差，从而使流体流动。

3工作过程

启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。

启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。

二、离心泵的主要工作部件

1.叶轮

2.泵壳

三、离心泵的主要性能参数

离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率和效率。

四、离心泵的特性曲线

特性曲线（characteristiccurves）：

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。

课后习题，P81。

2010.10.30

9

授课题目（教学章、节或主题）第一节离心泵

熟悉离心泵的安装高度和气蚀现象，熟悉离心泵的安装高度计算和工作地点，了解离心泵的选型。

离心泵的安装高度和气蚀现象。

五、离心泵的安装高度和气蚀现象

1.气蚀现象

当p1小于一定值后（p1<

pv,pv为环境温度下液体的饱和蒸汽压），将发生气蚀现象。

2安装高度

为避免发生气蚀现象，应限制p1不能太低，或Hg不能太大，即泵的安装高度不能太高。

3.安装高度Hg的计算方法

允许吸上真空高度法；

气蚀余量法。

六、泵的工作点表示

工作点所对应的流量Q与压头Ｈ既是管路系统所要求，又是离心泵所能提供的;

若工作点所对应效率是在最高效率区，则该工作点是适宜的。

七、流量调节

1.调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点。

2.离心泵的流量调节，通常从两方面考虑：

在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；

改变离心泵的转速或改变叶轮外径，以改变泵的特性曲线。

八、并联与串联操作

1并联操作

当一台泵的流量不够时，可以用两台泵并联操作，以增大流量。

2串联操作

当生产上需要利用原有泵提高泵的压头时，可以考虑将泵串联使用。

泵制造厂能直接给出泵的安装高度吗？

2010.11.05

10

第二节其他类型的泵第三节风机

熟悉往复泵的结构及工作原理，了解风机的结构及工作原理。

原电池的电极电势

第二节其他类型的泵

一、定义

往复泵（reciprocatingpump）是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。

二、往复泵的工作原理

三、往复泵的特点

1.往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关；

2.往复泵的压头只与管路情况有关。

第三节风机

一、通风机和鼓风机

1.离心式通风机

2.轴流式通风机

3.鼓风机

作业、讨论题、思考题