食品工程原理課件

食品工程原理PrinciplesofFoodEngineering本章重點和難點掌握“三傳理論”概念及相關(guān)單元操作分類；掌握量綱和單位換算；瞭解“系統(tǒng)”的概念和在工程原理中的應(yīng)用。緒論食品工程原理(PrinciplesofFoodEngineering)是一門以力學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、傳熱和傳質(zhì)為理論基礎(chǔ)的課程，是化工單元操作和化工原理在食品工業(yè)的具體應(yīng)用。強調(diào)工程觀點、定量運算、實驗技能和設(shè)計能力的訓(xùn)練，要求做到理論與實際的結(jié)合，以提高分析、解決工程實際問題的能力。2.課程內(nèi)容1.課程性質(zhì)食品工程原理是食品工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。先修課：高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)、機械製圖等。本課程主要介紹“三傳理論”和“單元操作”及其應(yīng)用。一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)

《食品工程原理應(yīng)用》是食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課，其主要任務(wù)是：介紹三傳理論，即流體流動、傳熱、傳質(zhì)的基本原理；掌握主要單元操作的典型案例、操作原理、計算及選型及實驗研究方法；培養(yǎng)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論分析和解決食品工程單元操作中各種工程實際問題(計算、選型及實驗研究方法)的能力。

3.課程任務(wù)二、食品加工過程及單元操作

不同食品的生產(chǎn)過程使用各種物理加工過程，根據(jù)他們的操作原理，可以歸結(jié)為數(shù)個應(yīng)用廣泛的基本操作過程，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、製冷、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、粉碎、乳化萃取、吸附、乾燥等。1.食品生產(chǎn)：(1)化學(xué)反應(yīng)過程：如食品風(fēng)味的形成;(2)物理加工過程。這些基本的物理過程稱為單元操作。若干個單元操作串聯(lián)起來組成一個工藝過程。均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。同一食品生產(chǎn)過程中可能會包含多個相同的的單元操作。單元操作用於不同的生產(chǎn)過程其基本原理相同，進行該操作的設(shè)備也可以通用。有食品安全、衛(wèi)生、保持食品色、香、味的特殊要求。2.單元操作的應(yīng)用及特點奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗收預(yù)處理預(yù)熱殺菌真空濃縮過濾加糖噴霧乾燥出粉冷卻與過篩包裝、檢驗成品3.單元操作與食品加工（舉例）乳品加工現(xiàn)場乳品加工車間乳粉廠工藝流程圖

冷凍鹽水自來水飽和蒸汽編號名稱作用單元操作涉及的傳遞理論技術(shù)參數(shù)⑴冷凍鹽水管道提供冷卻介質(zhì)流體輸送動量傳遞?20℃⑵自來水管道提供流動介質(zhì)流體輸送動量傳遞常溫⑶蒸汽管道提供加熱介質(zhì)流體輸送動量傳遞180℃⑷貯罐貯存牛奶與緩衝作用⑸離心泵輸送牛奶流體輸送動量傳遞⑹，⒂板式換熱器冷卻牛奶與加熱空氣傳熱熱量傳遞4℃⑺配料槽配料、混合與標準化攪拌動量傳遞90℃⑻均質(zhì)機均質(zhì)牛奶均質(zhì)動量傳遞與品質(zhì)傳遞⑼兩段板式換熱器巴氏滅菌傳熱熱量傳遞80℃,20min⑽升膜式蒸發(fā)器濃縮牛奶濃縮熱量傳遞、動量傳遞與品質(zhì)傳遞濃度10%⑾旋液分離器分離水中的牛奶物系分離動量傳遞與品質(zhì)傳遞⑿噴射泵提供負壓流體輸送動量傳遞⒀高壓泵使牛奶產(chǎn)生較大的壓力，利於噴霧乾燥流體輸送動量傳遞壓力kPa⒁空氣篩檢程式過濾空氣，使其清潔過濾動量傳遞⒃噴霧乾燥器乾燥牛奶使其成為奶粉乾燥熱量傳遞、動量傳遞與品質(zhì)傳遞90%以上過100目篩，含水量13%⒄旋風(fēng)分離器風(fēng)力空氣中的奶粉顆粒分離動量傳遞與品質(zhì)傳遞⒅風(fēng)機派出廢氣流體輸送動量傳遞⒆篩分機篩出大的奶粉顆粒篩分⒇流化床冷卻冷卻乾燥後的牛奶傳熱熱量傳遞(21)包裝系統(tǒng)乳品加工過程工程原理解析單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：

上述三個過程包含了三種理論，我們稱之為“三傳理論”。（1）流體流動過程（Fluidflowprocess）:

包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾等。4.單元操作的分類（2）傳熱過程（Heattransferprocess）:

包括熱交換、蒸發(fā)等。（3）傳質(zhì)過程（Masstransferprocess）:

包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、乾燥等。

動量傳遞(Momentumtransfer)：流體流動時，其內(nèi)部發(fā)生動量傳遞，故流體流動過程也稱為動量傳遞過程。凡是遵循流體流動基本規(guī)律的單元操作，可以用動量傳遞的理論去研究。熱量傳遞(Heattransfer):

物體被加熱或冷卻的過程也稱為物體的傳熱過程。凡是遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，可以用熱量傳遞的理論去研究。品質(zhì)傳遞(Masstransfer):

兩相間物質(zhì)的傳遞過程即為品質(zhì)傳遞。凡是遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，可以用品質(zhì)傳遞的理論去研究。三傳理論許多單元操作都會包含兩種以上的傳遞現(xiàn)象，如乾燥、精餾等?！叭齻骼碚摗笔菃卧僮鞯睦碚摶A(chǔ)，單元操作是“三傳理論”的具體應(yīng)用。同時，“三傳理論”和單元操作也是食品工程技術(shù)的理論和實踐基礎(chǔ)。殺菌：傳熱；真空濃縮：傳熱、傳質(zhì)、流體流動；過濾：流體流動。1.量綱（Dimension）

可以被觀察或測量的物理實體可以被量綱(Dimension)或因次定性表徵。基本量綱：像長度[L]、時間[t]、溫度[θ]和品質(zhì)[m]，表示一個物理實體。導(dǎo)出量綱：是基本量綱組合導(dǎo)出的（例如，體積是長度的立方，速度是距離除以時間）。方程式中量綱必須一致，即物理方程因次一致原則。

三、量綱與單位2.單位制

國際單位制中的單位（Unit）是由基本單位、輔助單位和具有專門名稱的導(dǎo)出單位構(gòu)成的?；締挝唬洪L度（米，m）、品質(zhì)（千克，kg）、時間（秒，s）、電流（安培，A）、熱力學(xué)單位（開爾文，K）、物質(zhì)的量（摩爾，mol）和發(fā)光強度（坎德拉，cd）導(dǎo)出單位：基本單位經(jīng)過了乘法或者除法運算後的代數(shù)集合。如牛頓（N），焦耳（J），等等輔助單位：平面角單位（弧度，rad）和立體角單位（球面度，sr）兩個。3.單位換算同一物理量若用不同單位度量時，其數(shù)值需相應(yīng)地改變。這種換算稱為單位換算。

通用氣體常數(shù):

R＝0.08206L·atm/mol·K＝8.313J/mol·K

不同單位制換算:系統(tǒng)(system)是指任何可以用真實或假想的邊界包圍起來的規(guī)定的空間或物質(zhì)限定的數(shù)量。邊界可以是固定的，也可以是移動的。四、系統(tǒng)圖1包含輸送管道和閥門的系統(tǒng)示意圖1.系統(tǒng)定義及分類所有系統(tǒng)邊界以外的都稱為環(huán)境(Surroundings)系統(tǒng)分為：開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)隔絕系統(tǒng)（Isolatedsystem）、絕熱系統(tǒng)(Adiabaticsystem)系統(tǒng)性質(zhì)：廣泛性和內(nèi)含性廣泛性的數(shù)值依賴於系統(tǒng)的範圍和尺寸。例如，品質(zhì)、長度、體積和能量都依賴於給定系統(tǒng)的大小。

內(nèi)含性不依賴於系統(tǒng)的尺寸。例如溫度、壓力和密度。

平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。平衡關(guān)係可用來判斷過程能否進行，以及進行的方向和能達到的限度。以食鹽的溶解和結(jié)晶為例：食鹽濃度>飽和濃度：結(jié)晶食鹽濃度<飽和濃度：溶解該溫度下的飽和濃度為該物系的平衡濃度。2.系統(tǒng)的平衡關(guān)係(Relationshipofsystembalance)不飽和食鹽溶液：溶解速率（單位時間內(nèi)溶解的食鹽品質(zhì)）大；食鹽濃度高時，溶解速率小。飽和食鹽溶液（即平衡狀態(tài)）：溶解速率為零(實際是動態(tài)的溶解和結(jié)晶平衡)以食鹽的溶解為例：3.傳遞速率（Rateoftransferprocess）溶液濃度越是遠離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃度越是接近平衡濃度，其溶解速率就越小。溶液濃度與平衡濃度之差值，可以看作是溶解過程的推動力（Drivingforce）。顆粒大小和攪拌對溶解速率有影響。原因：由大塊改為許多小快，能使固體食鹽與溶液的接觸面積增大；由不攪拌改為攪拌，能使溶液質(zhì)點對流。其結(jié)果能減小溶解過程的阻力（resistance）。本章重點和難點掌握物料衡算的方法；掌握能量平衡的原則和方法；掌握食品比熱的計算方法和焓的計算；掌握食品在冷凍過程中焓變的計算方法；瞭解通過數(shù)學(xué)模型解決工程問題的思路。第2章物料衡算和能量平衡

依據(jù)品質(zhì)守恆定律，進入與離開某一過程的物料品質(zhì)之差，等於該過程中累積的物料品質(zhì)，即：

對於連續(xù)操作的過程，若各物理量不隨時間改變，即處於穩(wěn)定操作狀態(tài)時，過程中不應(yīng)有物料的積累，則物料衡算關(guān)係為：輸入量－輸出量＝累積量

Inflow-Outflow=Accumulation輸入量＝輸出量用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量。一

、

物料衡算（Materialbalance）物料衡算的用途：配方產(chǎn)品估算終產(chǎn)品的組成估算產(chǎn)品的加工收率評估分離效率

【例1-1】求從100kg含有糖20%(品質(zhì)比)和水溶性不可結(jié)晶雜質(zhì)1%的糖漿中結(jié)晶生產(chǎn)的糖（幹基）的量。具體操作過程是首先將糖漿濃縮到75%糖濃度，送至結(jié)晶器中冷卻到20℃結(jié)晶，經(jīng)離心分離後再於乾燥器中乾燥得到糖晶體。

圖1-1糖結(jié)晶過程流程圖各系統(tǒng)邊界和進出系統(tǒng)物料流（一）總物料平衡

物料衡算按以下步驟進行：從試驗結(jié)果中收集所有關(guān)於流體流入和流出的品質(zhì)和成分；繪製框圖，標明整個過程，正確標出物料的流入口和流出口，劃定系統(tǒng)邊界，確定衡算範圍，將所有可用數(shù)據(jù)標注在框圖上；選擇一個合適的計算基準（如品質(zhì)或時間），如何選擇取決於計算的方便性；按照選定的基準建立物料平衡方程來計算未知量，每個未知量對應(yīng)一個單獨的物料平衡方程。

（二）組分物料衡算（三）基準和聯(lián)繫物

聯(lián)繫物（Tiematerial）－－即在過程中能夠聯(lián)繫不同物質(zhì)流關(guān)係的組分。通常這個聯(lián)繫物在整個過程中是不變化的。

基準（Basis）－－在未給定初始品質(zhì)的情況下，如果要求的結(jié)果是比率或百分比，則可以假設(shè)一個基準方便解決問題。

（四）與稀釋、濃縮、乾燥關(guān)聯(lián)的物料衡算（穩(wěn)態(tài)）【例1-2】Mixer水20%NaCl15kg10%NaClxkg圖1-2稀釋過程物料組成和流向圖例2中，聯(lián)繫物為NaCl，整個過程中總量不變；計算基礎(chǔ)15kg，則xkg稀鹽水中NaCl品質(zhì)與稀釋前一樣，為3kg，所以x＝30kg,即需要加水15kg?！纠?-3】(X)水(W)

80%水

20%固形物(D)50%水50%固形物圖1-3脫水過程物料組成和流向圖（五）食品配料的混合總品質(zhì)守恆及組分衡算【例1-4】圖1-4濃縮果汁混合過程中物料平衡和組分流向Ykg45%solids

Xkg65%solids100kg45%solids物料衡算的步驟：

根據(jù)題意畫出各物料的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，並標上已知數(shù)據(jù)與待求量。

規(guī)定衡算基準，一般選用單位進料量或排料量、時間及設(shè)備的單位體積等作為計算的基準。在較複雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的範圍，列出衡算式，求解未知量?！纠?-5】將豬肉(蛋白質(zhì)15%，脂肪20%，水63%)和背膘(水15%，脂肪80%，蛋白質(zhì)3%)混合成100kg脂肪含量25%的肉糜，試繪製總的物料平衡流程圖和組分平衡。圖1-5肉糜混合斬拌物料平衡圖【例1-6】利用膜分離系統(tǒng)濃縮一種液體食品，總固形物含量（TS）從10%提高至30%。整個濃縮過程一共分為兩個階段，第一階段的濃縮排放出一部分低固形物含量的液體。第二階段是從低固形物含量的液體中分離出最終所需的濃縮產(chǎn)品，剩下的液體返回至第一階段進行再迴圈濃縮。試計算當(dāng)迴圈液2%TS、廢棄液0.5%TS、膜1和膜2兩段中間流25%TS情況下迴圈液的流速。整個過程以100kg/min的流量產(chǎn)生30%TS濃縮液。圖1-5兩段膜濃縮系統(tǒng)物料衡算圖解：根據(jù)題意，已知進料(F)濃度=10%，濃縮液(P)濃度=30%，迴圈液(R)濃度=2%，廢物液(W)濃度=0.5%，階段中間液(B)濃度=25%，濃縮液品質(zhì)流量=100kg/min；取1min作為計算基準，對於總系統(tǒng)有：

F=P+W;FxF=PxP+WxW;

F=100+W;F(0.1)=100(0.3)+W(0.005)

其中x為固體品質(zhì)分數(shù)。對第一階段有：

F+R=W+B;FxF+RxR=BxB+WxW;

F(0.1)+R(0.02)=B(0.25)+W(0.005)對第二階段有：(100+W)(0.1)=30+0.005W0.1W-0.005W=30-100.095W=20

W=210.5kg/min

F=310.5kg/min對第三階段有：310.5+R=210.5+B

B=100+R310.5(0.1)+0.02R=210.5(0.005)+0.25B310.5+0.02R=1.0525+25+0.25R

R=21.73kg/min即所求的迴圈量為21.73kg/min。

二、能量平衡（一）基本術(shù)語1.能（Energy）勢能（Potentialenergy）:Ep=mgh動能（Kineticenergy）:Ek=mu2/2內(nèi)能（Internalenergy）:Extensiveproperty其他形式的能:電能、化學(xué)能、磁能（magnetic）等Etotal=Ep+Ek+Ei能量平衡（Energybalance）:Ein

–Eout=ΔEsystemEnergyin=Energyout+Accumulation2.封閉系統(tǒng)能量平衡熱量（Heat）:Q功（Work）:W能量平衡:

ΔE＝Q－W對恒壓加熱過程:ΔH＝Q3.開放系統(tǒng)的能量平衡流動作功（Flowwork）

Wmassflow

=FL=pV

Etotal=Ep+Ek+Ei+pV靜態(tài)流動系統(tǒng)：

Ein

=Eout（二）

熱量1.顯熱和潛熱

顯熱(Sensibleheat)：是兩個不同溫度物體間的能量傳遞，或由於溫度的原因存在於物體中的能量。

潛熱(Latentheat)：是與相變關(guān)聯(lián)的能量，如從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時的融解(融化)熱，以及從液態(tài)轉(zhuǎn)為蒸氣時的汽化熱。

Sensibleheat:theenergytransferredbetweentwobodiesatdifferenttemperatures,ortheenergypresentinabodybyvirtueofitstemperature.Latentheat:theenergyassociatedwithtransitions,heatoffusion,fromsolidtoliquid,andheatofevaporation,fromliquidtovapor.2.熱量和焓

焓(Enthalpy，H)：是物質(zhì)的內(nèi)在屬性，其絕對值不能直接測量。但是，對於進入和離開系統(tǒng)的所有成分，如果選定一個參考狀態(tài)設(shè)定其焓值為0，則該組分由參考狀態(tài)到當(dāng)前狀態(tài)的焓變即是該條件下該組分的絕對焓值。

H=Cp(T-Tref)式中：Tref——參考溫度（referencetemperature）,0.01

C；

Cp——常壓下的比熱。

單位品質(zhì)物體在不同溫度時的焓變就是熱量Q：

Q=mCavg(T2-T1)3.比熱

比熱(Specificheat,Cp)：是單位品質(zhì)物質(zhì)單位溫度變化時吸收或釋放出的熱量。比熱隨溫度的變化而變化。大多數(shù)固體和液體在相當(dāng)寬的溫度範圍內(nèi)有恆定的比熱，而相比液體或固體，氣體比熱則隨溫度的變化而變化。

單位品質(zhì)物質(zhì)的焓變可以用下式計算：

通常使用平均比熱：

avg

對於不含脂肪的水果、蔬菜的比熱值：Cavg=4l86.8M+837.36(1-M)

式中：M——水分含量。Cavg

=1674.72F+837.36SNF+4l86.8M(1-1)式中：F——脂肪含量；

SNF——為非脂肪固形物含量；

M——水分含量。

水在冰點以上時的比熱值為4186.8J/(kg·℃)，非脂固體的比熱為837.36J/(kg·℃)。

含脂肪食品的比熱值：

比熱模型一：Seibel’s方程【例1-7】計算含15%蛋白質(zhì)、20%脂肪和65%水的烤牛肉的比熱。解：由式（1－1）得：Cavg=0.65(4186.8)+0.15(837.36)+0.2(1674.72)=3182J/(kg·℃)注：Siebel’s方程在計算食品體系比熱時還是過於簡單，因為這個方程假設(shè)各種類型的非脂固體的比熱是相同的。

Siebel’s方程在計算冰點以下時的食品比熱時，假設(shè)此狀態(tài)下所有的水都是凍結(jié)的，這是不準確的。

對於水分含量M>0.7且不含脂肪情況下，Seibel’s方程計算值與實驗值非常接近

！

比熱模型二：ChoiandOkos

方程ChoiandOkos(1987):凍結(jié)前食品的比熱是食品中各組分的溫度(?C)的函數(shù)。式中:P,F,Fi,A,C,X——蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、灰分、碳水化合物和水分的品質(zhì)分數(shù)。其中，食品中各組分的比熱為：(1-2)【例1-8】計算一種含15%蛋白質(zhì)、20%蔗糖、1%纖維、0.5%灰分、20%脂肪和43.5%水分的配方食品在25℃時的比熱值。

解：根據(jù)Chio&Okos數(shù)學(xué)模型式，分別將各組分的品質(zhì)分數(shù)和溫度T(25℃)代入相關(guān)計算式，得到Cpp=2037.6;Cpf=2018.0;Cpc=1594.1;Cpfi=1891.3;Cpa

=1137.5;Cwaf

=4179.6，以上單位均為J/(kg·℃)。代入式(1-2)得：Cpavg

=0.15(2037.6)+0.2(1594.1)+0.01(1891.3)+

0.005(1137.5)+0.2(2018)+0.435(4179.6)=2870.8J/(kg·℃)如果將例8中的情況用Seibel’s方程式求解，則可以得到：Cp=1674.72(0.2)+837.36(0.15+0.01+0.005+0.2)+4186.8(0.435)=2462J/(kg·℃)

說明：一般地，對於高水分含量的食品體系，Choi&Okos(1988)計算值要高於Seibel’s方程Seibel’s方程與ChoiandOkos方程比較水分含量M>0.7且不含脂肪情況下，Seibel’s方程計算值與實驗值非常接近。Choi&Okos(1988)在低水分含量且成分組成比較寬泛的大多數(shù)食品中適用。

比熱模型三：溫度區(qū)間平均比熱

（三）食品凍結(jié)過程中的焓變

如考慮食品在凍結(jié)過程中去除的熱量，必須將因相變而產(chǎn)生的融化潛熱考慮進來。

Chang&Tao(1981)數(shù)學(xué)模型，要求食品的水分含量在73%~94%範圍內(nèi)，並假定所有的水在227K時凍結(jié)。則T溫度下的焓H可由下式計算：

其中：肉類：果蔬：果汁：肉類:

果蔬及果蔬汁：

上述式中Tr為溫度降；Tf是冰點溫度，單位K；T為待測焓時的溫度，K；Hf為冰點的焓，J/kg；X為食物中水分品質(zhì)分數(shù)；a和b為經(jīng)驗係數(shù)。

【例1-9】將1kg固形物含量25%的葡萄汁從冰點凍結(jié)到-30℃，計算葡萄汁的冰點及過程中需要除去的熱量。

解：由題意得，葡萄汁中水分含量X=0.75，

得冰點：

Tf=120.47+327.35×0.75-176.49×0.752=266.7K

冰點焓值：

Hf=9792.46+405,096×0.75=313,614J

a=0.362+0.0498×0.02?3.465×0.022=0.3616

b=27.2?129.04×0.1316?481.46×0.13162=1.87

所以，Tr=(?30+273?227.6)/(266.7?227.6)=0.394

得-30℃時的焓值：

H=313

614×[0.3616×0.394+(1-0.3616)×(0.394)1.879]=

79

457J/kg

從冰點溫度降至-30℃時的焓變?yōu)椋?/p>

ΔH=313

614?79

457=234

157J/kg

即降溫過程需要從葡萄汁體系中除去234157J的熱量。

純水凍結(jié)時，在冰點發(fā)生從液態(tài)水到冰的相變。在水全部轉(zhuǎn)變?yōu)楸埃^程沒有顯熱損失。食品中所有的水溶性成分都對冰點降有貢獻。對於理想溶液，當(dāng)溶質(zhì)濃度較低時，冰點降Δtf可以定義為：

式中:Δtf——相對於水的冰點(℃)的冰點降；

Kf——結(jié)晶熱力常數(shù)，水的Kf=1.86；

M——溶質(zhì)重量摩爾濃度，溶質(zhì)摩爾數(shù)/kg水。

（四）由食品中液態(tài)水重量摩爾濃度計算冷凍過程焓變

溶質(zhì)貢獻的冰點降：令n=w克水中溶質(zhì)的摩爾數(shù)。食物的冰點降可由溶質(zhì)濃度和食物中水分含量來計算出來。對於高度離子化溶質(zhì)（如鈉鹽和鉀鹽），n等於溶質(zhì)的摩爾數(shù)乘以2

。令Tf=冰點，則：對於單位品質(zhì)的食物，令wo為凍結(jié)前混合物中原始水量，wo=水質(zhì)量分數(shù)×1000在冰點下任一溫度T，有：則，則在冰點下任一溫度T時食物中未結(jié)冰水的品質(zhì)可以由下式計算：體系中冰的品質(zhì)為初始總水量與未結(jié)冰水的品質(zhì)之差，即：

在冰點以下，水溫每升高dT，水將損失的顯熱為：則冰點下液態(tài)水從Tf變化到T時的顯熱變化值qsl為：此時固態(tài)冰的顯熱變化值qsi由下式計算：Thetotalenthalpychangewillconsistof:sensibleheatoffat;sensibleheatofno-fatsolids;sensibleheatofliquidwater;andthelatentheatoffusionofice.

食物在凍結(jié)過程中總焓變由以下組成：脂肪的顯熱、非脂固體的顯熱、冰的顯熱、液態(tài)水的顯熱，以及冰融化潛熱。

則從冰點到任一溫度T過程中食物總的焓變可定義為：

式中：F——脂肪品質(zhì)；SNF——非脂固體品質(zhì)；I——冰的潛熱?！纠?-10】去骨的烤豬胸肉中水分含量為70.6%，蛋白質(zhì)24.0%，灰分1.2%，脂肪4.2%。冰點是-1.2℃。用食鹽水將此肉進行醃制後，肉重量比未醃制前增加了15%，鹽淨(jìng)含量為1.0%。計算：①醃制肉的新冰點；②每kg醃制肉從新冰點冷凍至-18℃時的焓變。解：基準1kg，得未醃制前肉中溶質(zhì)摩爾濃度：

mol/kg初始水分含量:wo=1000×70.6%=706g則根據(jù)公式得:no=(1.2×706)/1860=0.455mol醃制後：總品質(zhì)m=1+0.15×1=1.15kg;

鹽含量m(NaCl)=0.01×1.15=0.015kg;

水分含量：w=m-m(NaCl)-(1-wo)=1.15-0.015-(1-0.706)=841g由於NaCl為強電離電解質(zhì)，因此視溶質(zhì)中的摩爾數(shù)n為NaCl的摩爾數(shù)乘以2，則醃肉中溶質(zhì)的摩爾數(shù)n為:n=2×[0.015×1000/58.5]+no=0.97mol則醃肉中溶質(zhì)的重量摩爾濃度M=1000×n/w=1000×0.97/841=1.153mol/kg①新冰點

Tf=0?1.86M=0-1.153×1.86=?2.2℃;②在-18℃時，wo’=841g，w’=841×(2.2/18)=122.2g；則，I=w’-wo’=841-122.2=718.8gCpl=4186.8J/(kg·℃)，Cpi=Cpl/2=2093.4J/(kg·℃)，Cpsnf=837.36J/(kg·℃)則：qsl=4186.8(0.841)(2.2)ln(18/2.2)=16290J

qsi

=2093.4(0.841)[(?2.2?(?18))?2.2ln(18/2.2)]=19672J由公式（1-28）得：Cpf=1968.73J/(kg·℃)醃制後：SNF=0.24+0.012+0.015=0.267kg得總焓變：q=16290+19,672+SNF(837.36)(18-2.2)+F(1674.72)(18-2.2)+I(334.860)=16290+19,672+0.267(837.36)(18-2.2)+0.042(1968.73)(18-2.2)+0.7188(334.860)=41042J

（五）能量衡算系統(tǒng)的能量衡算基於能量守恆定律。基本能量衡算方程為：當(dāng)系統(tǒng)處於穩(wěn)態(tài)時，其性質(zhì)不會隨時間變化而變化，則：

則：如系統(tǒng)中僅含一個輸入口（位置1）和一個輸出口（位置2），則：

【例1-11】如圖所示，將一臺管式熱燙機用於處理利馬豆。產(chǎn)品的品質(zhì)流量為860kg/h。我們發(fā)現(xiàn)，熱燙加工的理論總能耗為1.19GJ/h。由於熱燙機沒有絕緣層所導(dǎo)致的能量損失約為0.24GJ/h。如果熱燙機的總輸入能量為2.71GJ/h，①計算對水重新加熱所需的能量。②確定每支流向的能量百分數(shù)。圖1-6系統(tǒng)熱量示意圖

掌握流體流動的連續(xù)式方程、柏努裏方程、範寧阻力損失通式及其應(yīng)用；掌握離心泵的基本原理及選用；熟悉流體在管內(nèi)流動的現(xiàn)象、流量計測定流量的原理以及離心泵的操作及安裝；瞭解流體的不穩(wěn)定流動和非牛頓流體及複雜管路的計算，流體輸送機械的分類及應(yīng)用。本章重點和難點第3章

流體流動和輸送第一節(jié)流體靜力學(xué)基本方程

一、流體的物理性質(zhì)1.流體密度（ρ）和比容（v）（1）密度：

（2）比容：

2.壓強（p）壓強可以有不同的計量基準。（1）絕對壓強（Absolutepressure）：以絕對真空(即零大氣壓)為基準。（2）表壓(Gaugepressure)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?，高於大氣壓的?shù)值。（3）真空度（Vacuum）：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?，高於大氣壓的?shù)值。表壓＝絕對壓強－大氣壓強真空度＝大氣壓強－絕對壓強壓強常用單位的換算關(guān)係：

1標準大氣壓(atm)=101325Pa=10329kgf/m2

=1.033kgf/cm2(bar,巴)

=10.33mH2O=760mmHg3.黏度（）流體黏性大小的量度，常用單位：Pa·s、P(泊)和cP（厘泊），其換算關(guān)係為：1Pa·s=10P=1000cP

此外工程上有時用運動黏度表示：

二、牛頓黏性定律及牛頓型流體與非牛頓型流體1.牛頓黏性定律及牛頓型流體實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）τ與垂直於流動方向的速度梯度成正比。即：

此式所表示的關(guān)係稱為牛頓黏性定律。

牛頓黏性定律指出，流體的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比而和法向壓力無關(guān)。圖2-1平板間黏性流體的速度分佈

服從這一定律的流體稱為牛頓型流體，如所有氣體、純液體及簡單溶液、稀糖液、酒、醋、醬油、食用油等。

不服從這一定律的流體稱為非牛頓型流體，如相對分子品質(zhì)極大的高分子物質(zhì)的溶液或混合物，以及濃度很高的顆粒懸浮液等均帶有非牛頓性質(zhì)（黏度值不確定）。【例2-1】旋轉(zhuǎn)圓筒黏度計，外筒固定，內(nèi)筒由同步電動機帶動旋轉(zhuǎn)。內(nèi)外筒間充入實驗液體（見圖2-2）。已知內(nèi)筒半徑r1=1.93cm，外筒半徑r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，實驗測得內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min，轉(zhuǎn)軸上扭矩M=0.0045N·m。試求該實驗液體的動力黏度。圖2-2旋轉(zhuǎn)圓筒黏度計

解：充入內(nèi)外筒間隙的實驗液體在內(nèi)筒帶動下做圓周運動。因間隙很小，速度近似直線分佈。不計內(nèi)筒兩端面的影響，內(nèi)筒壁的剪應(yīng)力:扭矩：

則動力黏度為

：

Pa

s2.非牛頓型流體剪應(yīng)力τ與速度梯度du/dy的關(guān)係即為該流體在特定溫度、壓強條件下的流變特性，即：各種不同流體剪應(yīng)力隨剪切速率du/dy變化關(guān)係如右圖：

圖2-3不同流體剪應(yīng)力隨剪切速率變化關(guān)係

（1）塑性流體

理想塑性流體稱為賓哈姆(Bingham)流體，這種流體是在切應(yīng)力超過某一屈服值τ0時，流體的各層間才開始產(chǎn)生相對運動，流體就顯示出與牛頓流體相同的性質(zhì)。

在食品工業(yè)上接近賓哈姆流體的物料有乾酪、巧克力漿等。

(2)假塑性流體

假塑性(Pseudoplastic)流體的切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)係為:(n＜l）

對於假塑性流體，因n＜1，故表觀黏度隨速度梯度的增大而降低。

表現(xiàn)為假塑性流體的物料，如蛋黃醬、血液、番茄醬、果醬及其他高分子物質(zhì)的溶液。一般而言，高分子溶液的濃度愈高或高分子物質(zhì)的分子愈大，則假塑性也愈顯著。

（3）脹塑性流體

與假塑性流體性質(zhì)相反，脹塑性(dilatancy)流體的表觀黏度隨速度梯度增大而增大，其切應(yīng)力與速度梯度具有如下關(guān)係:（n＞1）

食品工業(yè)上脹塑性流體的例子有澱粉溶液和多數(shù)蜂蜜等。

通常將牛頓型流體、假塑性流體和脹塑性流體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)係都可以用統(tǒng)一的冪函數(shù)的形式來表示，這類流體統(tǒng)稱為指數(shù)律流體。式中：k為稠度指數(shù)；n為流變指數(shù)。表示流體的非牛頓性的程度。

三、靜力學(xué)基本方程式及其應(yīng)用1.靜力學(xué)方程式描述靜止流體內(nèi)部壓力隨高度變化規(guī)律的數(shù)學(xué)運算式即為靜力學(xué)基本方程式：

此三式表明：靜止流體內(nèi)部各點的位能和壓力能之和為常數(shù)。圖2-4流體靜力學(xué)分析常數(shù)常數(shù)常數(shù)2.靜力學(xué)方程應(yīng)用

（1）壓強及壓差的測量

圖2-5U型管壓差計

圖2-6微差壓差計

（2）液位的測量圖2-7液位測量計

（3）液封

在食品生產(chǎn)中常遇到液封，液封的目的主要是維持設(shè)備中壓力穩(wěn)定和保障人身安全，液封設(shè)計實際上就是計算液柱的高度。第二節(jié)流體流動的基本方程

一、流量與流速

單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量，稱為流量。

單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流過的距離，稱為流速，以u表示，其單位為m/s。

V=uA

W=ρV

當(dāng)流體以大流量在長距離的管路中輸送時，需根據(jù)具體情況在操作費與基建費之間通過經(jīng)濟權(quán)衡來確定適宜的流速。

車間內(nèi)部的工藝管線，通常較短，管內(nèi)流速可選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，某些流體在管道中的常用流速範圍如教材中表2－1所示。

（一）穩(wěn)定流動熱力體系的概念1.穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動

圖2-8穩(wěn)定流動示意圖2.熱力體系

熱力體系是指某一由周圍邊界所限定的空間內(nèi)的所有物質(zhì)。3.穩(wěn)定流動體系的物料衡算——連續(xù)性方程對不可壓縮流體的特殊情形：

4.穩(wěn)定流動體系的機械能衡算——柏努裏方程圖2-9穩(wěn)定流動熱力體系能量分析（1）機械能衡算體系

流體的機械能包括位能、動能、靜壓能，下麵以單位品質(zhì)流體為基準：

位能

流體由於在地球引力場中的位置而產(chǎn)生的能量。若任選一基準水平面作為位能的零點，則離基準面垂直距離為Z的流體所具有的位能為gZ

（J/kg）。動能流體由於運動而產(chǎn)生的能量。若流體以均勻速度u流動，則流體所具有的動能為u2/2（J/kg）。靜壓能靜壓能也稱為流動功，是流動體系中在不改變流體體積的情況下，引導(dǎo)流體經(jīng)過介面進入或流出所必須作的功，其值等於pv或p/ρ。對於如圖2-9所示穩(wěn)定流動的體系，進行機械能分析，除了體系機械能外，該系統(tǒng)還存在如下機械能交換：外加機械功

單位品質(zhì)流體的有效功為We，單位J/kg。摩擦阻力損失

損失的機械能用∑hf表示，單位J/kg。（2）理想流體的柏努裏方程對於如圖2-9所示穩(wěn)定流動的體系，假設(shè)滿足：流體具有穩(wěn)定、連續(xù)、不可壓縮性；流體為理想流體；理想流體指流體黏度為零，這樣不管怎麼流動其摩擦碰撞為完全彈性碰撞，不會產(chǎn)生摩擦阻力損失能量損失，即∑hf＝0；體系外加機械功為零。上式稱為柏努裏（Bernoulli）方程，說明理想流體進出體系的機械可以互相轉(zhuǎn)換，但總機械能是守恆的。則體系進行機械能衡算得：

（3）實際流體的柏努裏方程

實際流體在流動過程中，流體內(nèi)部及流體與管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，分子之間的摩擦力將不可避免地造成機械能損失。

上式為不可壓縮實際流體的機械能衡算式，它不限於理想流體，通常也稱為柏努裏方程。

不可壓縮實際流體柏努裏方程的三種形式：

式中ΣHf和Δpf分別稱為單位重量和單位體積流體流動過程中的摩擦損失或水頭損失，關(guān)於該項的求解將是我們下麵重點討論的內(nèi)容；He為輸送設(shè)備的壓頭或揚程。

公式應(yīng)用時注意：流動是連續(xù)穩(wěn)定流動，對不穩(wěn)定流動瞬間成立；公式中各項單位要一致；選擇的截面與流體流動方向垂直；流體流動是連續(xù)的；對可壓縮流體，如所取兩截面的壓強變化小於原來絕對壓強的20%，即（p1－p2）/p1<20%時，仍可用此式但密度應(yīng)為兩截面間的平均密度，引起的誤差在工程計算上是允許的。（三）柏努裏方程式的應(yīng)用

利用柏努裏方程與連續(xù)性方程，可以確定：容器間的相對位置；管內(nèi)流體的流量；輸送設(shè)備的功率；管路中流體的壓力等?！纠?-3】如圖用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料，高位槽和反應(yīng)器均與大氣連通，要求料液在管內(nèi)以1m/s的速度流動。設(shè)料液在管內(nèi)流動時的能量損失為20J/kg（不包括出口的能量損失），試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少？

圖2-10虹吸管示意圖解：取高位槽液面為1-1截面，虹吸管出口內(nèi)側(cè)截面為2-2截面，並以2-2為基準面。列柏努裏方程得：

式中：（表壓）J/kg代入得：

∴即高位槽液面應(yīng)比虹吸管出口高【例2-4】如附圖所示，有一輸水系統(tǒng)，輸水管管徑φ57mm×3.5mm，已知∑Hf（全部能量損耗）為4.5m液柱，貯槽水面壓強為100kPa（絕），水管出口處壓強為220kPa，水管出口處距貯槽底20m，貯槽內(nèi)水深2m，水泵每小時送水13m3，求輸水泵所需的外加壓頭。圖2-11輸水系統(tǒng)示意圖解：根據(jù)題意，設(shè)貯槽液面為1-1`面，管出口截面為2-2`面，列柏努裏方程：【例2-5】將葡萄酒從貯槽通過泵送到白蘭地蒸餾鍋，流體流過管路時總的阻力損失為18.23J/kg。貯槽內(nèi)液面高於地面3m，管子進蒸餾鍋處的高度為6m，所用的離心泵直接安裝在靠近貯槽，而流量則由靠近蒸餾鍋的調(diào)節(jié)閥來控制，試估算泵排出口的壓力。設(shè)貯槽和蒸餾鍋內(nèi)均為大氣壓，已知在上述流量下，經(jīng)過閥門後的壓力為0.86kg/cm2，葡萄酒的密度為985kg/m3，黏度為1.5×10-3Pa·s。

解：選擇泵排出口液面為1-1`面及出口管液面為2-2`面，由1-1`面2-2`面列柏努裏方程：因為u1=u2=0，在所選兩截面間無泵所做功，即W=0,則又∵

J/kgPa第三節(jié)流體流動的阻力一、流體流動的型態(tài)與雷諾數(shù)1.雷諾實驗圖2-12雷諾實驗2.雷諾數(shù)與流體流動型態(tài)

實驗結(jié)果表明，流體的流型由層流向湍流的轉(zhuǎn)變不僅與液體的流速u有關(guān)，還與流體的密度ρ、黏度μ以及流動管道的直徑d有關(guān)。將這些變數(shù)組合成一個數(shù)群，

以其數(shù)值的大小作為判斷流動類型的依據(jù)。這個數(shù)群稱為雷諾準數(shù)，用Re表示，即：

無數(shù)的觀察與研究證明，Re值的大小，可以用來判斷流動類型。Re<2000，為層流,

Re>4000，為湍流。

Re在2000～4000之間為過渡流。湍流流動狀態(tài)可為層流，也可能為湍流，但湍流的可能性更大。

二、

流體層流運動速度分佈當(dāng)r=0管中心處流速最大：

圖2-13流體層流運動速度分佈管中平均速度：

因此層流時平均流速是最大流速的一半，即：

三、流體湍流運動速度分佈流體在圓管內(nèi)湍流時，由於其剪切力不能用數(shù)學(xué)式簡單表示，所以管內(nèi)湍流的速度分佈一般通過實驗研究，採用經(jīng)驗式近似表示：

式中，當(dāng)4×104＜Re＜1．1×105時，n＝6；1．1×105＜Re＜3．2×106時，n＝7；Re＞3．2×106時，n＝8。

湍流速度分佈特徵是：流體質(zhì)點雜亂無章，僅在管壁處存在速度梯度，速度分佈服從尼古拉則的n分之一次方定律。必須注意：湍流時，黏在管壁上的一層流體流速為零，其附近一薄層流體的流速仍然很小，作層流流動，這層流體稱為層流底層，它是傳熱、傳質(zhì)的主要障礙。四、流體流動阻力損失

流體流動阻力分成兩類，一類是流體流經(jīng)一定管徑的直管時由於內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力，稱為直管阻力或沿程阻力，用符號hf表示；

另一類是流體流經(jīng)管件、閥門及管截面突然縮小或突然擴大處等局部障礙所引起的阻力，稱為局部阻力，用符號hf’表示。1.流體在直管中的流動阻力圖2-14

水準直管內(nèi)流體受力分析式中：hf——流體的直管阻力，J/kg；

λ——摩擦係數(shù)；

——直管長度，m；

d——直管內(nèi)徑，m；

u——流體流速，m/s。

此式稱為範寧(Faning)公式，是計算流體在直管內(nèi)流動阻力的通式，或稱為直管阻力計算公式，對層流、湍流均適用。

（1）層流時的λ：

前面推得層流時平均流速=,則此式稱為哈根—泊稷葉方程，再代入Lf=，得：∴層流時λ=，與Re成反比。

（2）湍流時的λ：

式中：——管道內(nèi)壁的相對粗糙度。

絕對粗糙度ε：管道壁面凸出部分的平均高度。相對粗糙度：絕對粗糙度與管內(nèi)徑的比值。

湍流時，通過實驗得到了一些經(jīng)驗公式，如光滑管：

此式稱為柏拉修斯公式，適用於4000<Re<105。莫迪圖(Moody)（即摩擦係數(shù)圖）。利用摩擦係數(shù)圖可查取λ的值。圖2-15摩擦係數(shù)圖該圖可分為四個區(qū)域

：①層流區(qū)(Re＜2000)。

②過渡區(qū)(2000＜Re＜4000)。

③湍流區(qū)(Re＞4000以及虛線以下的區(qū)域)。

④完全湍流區(qū)(虛線以上的部分)。

2.流體在非圓形直管中的流動阻力

對於異形斷面管道，用與圓形管直徑d相當(dāng)?shù)摹爸睆健狈Q當(dāng)量直徑de以代替之。

當(dāng)量直徑de為流動截面積A與過流斷面上流體與固體接觸周長S之比的4倍。外徑為D內(nèi)徑為d的套管環(huán)形流道：

dD

圖2-16環(huán)形管道截面示意圖3.流體流動的局部阻力（局部損失）：局部阻力損失有兩種表示法：阻力係數(shù)法和當(dāng)量長度法。

（1）當(dāng)量長度法：

=λ

J/kg

直管與局部阻力合併：

一般由實驗確定，教材中圖2-17中列出了某些常用管件和閥門的值。

（2）阻力係數(shù)法：

=ζ·

J/kg

式中：ξ為局部阻力係數(shù)。常用管件局部阻力係數(shù)列於教材中表2-3。

對突擴：

ζ=管出口：A1/A2≈0∴ζ出=1；管進口：ζ=0.54.管路總能量損失

管徑相同的管路總阻力Σhf為管路上全部直管阻力和各個局部阻力之和，即：

或

式中：——管路上所有管件和閥門等的當(dāng)量長度之和，m；——管路上所有管件和閥門等的局部阻力係數(shù)之和；——管路上各段直管的總長度，m；u

——流體流經(jīng)管路的流速，m/s；d

——流體流過管路的內(nèi)徑，m；λ

——摩擦係數(shù)。思考：工程實踐中，為減少流體流動過程中的阻力，可採取哪些途徑？【例2-6】如圖3-17，空氣從鼓風(fēng)機的穩(wěn)定罐裏經(jīng)一段內(nèi)徑為320mm，長為15m的水準鋼管送出，出口以外的壓強為1atm，進出口處的空氣的密度都可取為1.2kg／m3，黏度為1.8×10-5Pa．s，若操作條件下的流量為6000m3／h，鋼管絕對粗糙度為0.3mm，試求穩(wěn)壓罐內(nèi)的表壓強為多少Pa。解：根據(jù)題意畫圖，如圖，1-1選在穩(wěn)壓管外側(cè)，有ζ進口=0.52-2選在穩(wěn)壓管內(nèi)側(cè)，無ζ出=0

圖2-17空氣流經(jīng)水準鋼管示意圖gz2+

+Σhf=gz1+

∴又∵查莫迪圖得：

ζ=0.0205∴Σhf=ζ=313J/kg∴p1=1.2×

Pa注：控制面若選在管出口截面內(nèi)側(cè)有u

但ζ出=0;

控制面若選在管出口截面外,則

u=0，但ζ出=1.0.

第四節(jié)

管路計算與流量測定一、管路計算1.簡單管路（1）已知管徑、管長、管件和閥門，欲將已知量的流體從一處輸送至另一處所需的功率；（2）已知管徑、管長、管件和閥門，欲在允許的能量損失下，求管路的輸送量；（3）已知管長、管件和閥門，在要求的流體輸送量和能量損失下，求輸送管路的直徑?！纠?-7】如圖2-18所示，自來水塔將水送至車間，輸送管路採用Φ114×4mm的鋼管，管路總長為190m(包括管件、閥門及3個彎頭的當(dāng)量長度，但不包括進出口損失)。水塔內(nèi)水面維持恒定，並高於出水口15m。設(shè)水溫為12℃，求管路的輸水量V（m3/h）。

圖2-18自來水塔流程示意圖解：如圖取塔內(nèi)水面與出水口中心分別為1-1′和2-2′（出口外側(cè)）兩個截面，則:z2=0，z1=15m，u1=0，u2=u（未知），We=0，p1=p2=0（表壓）

將以上數(shù)值帶入式中，整理得：（a）

(b)式（a）、式（b）中，含有兩個未知數(shù)λ和u，由於λ的求解依賴於Re，而Re又是u的函數(shù)，故需採用試差法求解，其步驟為：①設(shè)定一個λ的初始值λ0；②根據(jù)式(b)求u；③根據(jù)此u值求Re；④用求出的Re及ε/d值從摩擦係數(shù)圖中查出新的λ1；⑤比較λ0與λ1，若兩者接近或相符，u即為所求，並據(jù)此計算輸水量；否則以當(dāng)前的λ1值代入式(b)，按上述步驟重複計算，直至兩者接近或相符為止。本例中，取管壁的絕對粗糙度ε=0.2mm，則ε/d=0.2/106=0.00189水溫12℃時，其密度ρ=1000kg/m3,黏度μ=1.236×10-3Pas,於是，根據(jù)上述步驟計算的結(jié)果為：序次λ0uReε/dλ1第一次0.022.812.4×1051.89×10-30.024第二次0.0242.582.2×1051.89×10-30.0241由於兩次計算的值基本相符，故u=2.58m/s，於是輸水量為：

2.複雜管路管路中存在分流與合流時，稱為複雜管路。

圖2-19並聯(lián)與分支管路示意圖(1)並聯(lián)管路

在並聯(lián)管路中，各支路的能量損失相等，主管中的流量必等於各管的流量之和。

對於如上圖(a)所示的並聯(lián)管路，

上式表明，並聯(lián)管路中各支管的阻力損失相等。此外，主管中的流量等於各支管中流量之和。

（2）分支管路

在分支管路中，單位品質(zhì)流體在兩支管流動終了時的總機械能與能量損失之和必相等，主管流量等於各支管流量之和。

對於如圖(b)所示的分支管路，

上式表明，對於分支管路，單位品質(zhì)的流體在各支管流動終了時的總能量與能量損失之和相等。此外，由連續(xù)性方程可得知主管流量等於各支管流量之和。二、流量測定1.測速管測速管又稱皮託管(Pitottube

)。它是由兩根同心圓管組成，如圖2-20所示。

圖2-20測速管示意圖2.孔板流量計圖2-21孔板流量計3.文丘裏流量計圖2-22文丘裏流量計4.轉(zhuǎn)子流量計圖2-23轉(zhuǎn)子流量計第五節(jié)

液體輸送設(shè)備為輸送流體所提供能量的機械稱為流體輸送機械。輸送液體的機械通稱為泵。按其工作原理，泵分為葉片泵、往復(fù)泵和旋轉(zhuǎn)泵等。

輸送氣體的機械通常稱為風(fēng)機或壓縮機，它們都靠使氣體的壓力增大以達到輸送氣體的目的。按壓力增大的程度依次有通風(fēng)機、鼓風(fēng)機和壓縮機。一、泵的類型泵按其工作原理和結(jié)構(gòu)特徵可分為：(1)葉片式泵：離心泵、軸流泵和旋渦泵等。(2)往復(fù)式泵：活塞泵、柱塞泵和隔膜泵等。(3)旋轉(zhuǎn)式泵：齒輪泵、螺桿泵、轉(zhuǎn)子泵、滑片泵等。二、離心泵的結(jié)構(gòu)、主要性能和特性1.離心泵的結(jié)構(gòu)圖2-23離心泵的結(jié)構(gòu)1-泵殼2-泵軸3-葉輪4-吸水管5-壓水管6-底閥7閘閥8-灌水漏斗9-泵座2.離心泵的主要性能參數(shù)（1）泵的流量

（2）泵的壓頭（揚程）

由上式可看出，泵的壓頭表現(xiàn)為：將液體的位壓頭提高ΔZ；將液體的靜壓頭提高(p2-p1)/(ρg)；抵償了吸入管路的壓頭損失Σhf1-2。

（3）泵的有效功率和效率

離心泵的能量損失包括：

①容積損失；

②機械損失；

③水力損失。

（4）泵的轉(zhuǎn)速

3.泵的特性曲線

所謂泵的特性曲線，是表明泵在一定的轉(zhuǎn)速下，壓頭、功率、效率與流量之間的關(guān)係曲線。（1）離心泵

（2）軸流泵

圖2-24離心泵和軸流泵的特性曲線

4.泵的安裝高度（1）離心泵的汽蝕現(xiàn)象及危害（2）離心泵的安裝高度的計算圖2-25泵的安裝高度①允許吸上真空高度法：

②汽蝕餘量法：

5.泵的工作點與流量調(diào)節(jié)（1）

管路特性

管路特性曲線方程：

將此關(guān)係標繪在相應(yīng)的座標圖上，所得曲線稱為管路特性曲線。（2）泵的工作點泵特性方程：

安裝在管路中的離心泵的工作點必須同時滿足泵的特性方程和管路特性方程，泵的特性和管路特性兩曲線的交點M即為泵的工作點

。圖2-26泵的特性曲線與管路特性曲線圖2-27閥門開度對工作點的影響（3）泵的流量調(diào)節(jié)①改變閥門的開度；②改變泵的轉(zhuǎn)速；③改變泵的葉輪直徑。

6.離心泵的類型、選用及使用注意事項（1）離心泵的類型；（2）離心泵的選用程式；（3）離心泵使用注意事項。本章重點和難點掌握熱傳導(dǎo)、熱對流的基本規(guī)律及計算方法；熟悉各種換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點；掌握穩(wěn)態(tài)傳熱過程的計算；熟悉強化傳熱的途徑和措施；掌握熱輻射的基本概念和基本定律。第4章傳熱一、傳熱在食品工程中的應(yīng)用二、傳熱的基本方式熱傳導(dǎo)(Conduction);對流(Convection);輻射(Radiation)。食品加工過程中的溫度控制、滅菌過程以及各種單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)、乾燥、結(jié)晶等）對溫度有一定的要求。熱的傳遞是由於系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機理不同，傳熱的基本方式有三種：第一節(jié)概述

物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。1.熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）2.熱對流

流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中。強制對流：因泵（或風(fēng)機）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對流稱為強制對流。

流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。熱對流的兩種方式：自然對流：由於流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對位移，這種對流稱為自然對流。3.熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。所有物體都能將熱以電磁波的形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)。任何物體只要在絕對零度以上都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高的時候，熱輻射才能成為主要的傳熱形式。實際上，上述三種傳熱方式很少單獨出現(xiàn)，而往往是相互伴隨著出現(xiàn)的。溫度場(Temperaturefield)：某一瞬間空間中各點的溫度分佈，稱為溫度場(Temperaturefield)。

式中：t——溫度；

x,y,z——空間座標；τ——時間。

物體的溫度分佈是空間座標和時間的函數(shù)，即

t=f(x，y，z，τ)第二節(jié)熱傳導(dǎo)

一、傅立葉定律

1.溫度場和溫度梯度

一維溫度場：若溫度場中溫度只沿著一個座標方向變化。

一維溫度場的溫度分佈運算式為：

t=f(x,τ)等溫面的特點：（1）等溫面不能相交；（2）沿等溫面無熱量傳遞。不穩(wěn)定溫度場：溫度場內(nèi)如果各點溫度隨時間而改變。穩(wěn)定溫度場：若溫度不隨時間而改變。等溫面：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。

注意：沿等溫面將無熱量傳遞，而沿和等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。

溫度梯度:溫度梯度是向量，其方向垂直於等溫面，並以溫度增加的方向為正。ndSQt+△ttt-△t?t/?n圖4-1溫度梯度和傅立葉定律傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律。它指出：在單位時間內(nèi)通過微元等溫面dS傳導(dǎo)的熱量dQ與溫度梯度成正比，熱流方向與溫度梯度方向相反。即

導(dǎo)熱係數(shù)表徵物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度及壓強有關(guān)。式中：Q——單位時間傳導(dǎo)的熱量，簡稱導(dǎo)熱速率，w；

S——導(dǎo)熱面積，即垂直於熱流方向的表面積，m2；

λ——導(dǎo)熱係數(shù)(Thermalconductivity)，w/m·k。

負號指熱流方向和溫度梯度方向相反。2.傅立葉定律bt1t2Qtt1t2obx平壁壁厚為b，壁面積為S；壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱係數(shù)λ不隨溫度變化，視為常數(shù)；平壁的溫度只沿著垂直於壁面的x軸方向變化，故等溫面皆為垂直於x軸的平行平面。平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定。二、通過壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

1.通過單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圖4-2單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)式中Δt=t1-t2為導(dǎo)熱的推動力,而R=b/λS則為導(dǎo)熱的熱阻。根據(jù)傅立葉定律分離積分變數(shù)後積分，積分邊界條件：當(dāng)x=0時，t=t1；x=b時，t=t2，Qb1b2b3xtt1t2t3t4假定各層壁的厚度分別為b1，b2，b3，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱係數(shù)分別為λ1，λ2，λ3，皆視為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直於x軸的平行平面。壁的面積為S，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中，穿過各層的熱量必相等。2.通過多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)——以三層平壁為例

圖4-3多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第一層第三層第二層對於穩(wěn)定導(dǎo)熱過程：Q1=Q2=Q3=Q同理，對具有n層的平壁，穿過各層熱量的一般公式為式中i為n層平壁的壁層序號。【例4-1】某冷庫外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層厚10cm，填以絕緣材料。磚牆的熱導(dǎo)率為0.70w/(m·k)，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.04w/(m·k)，牆外表面溫度為10℃，內(nèi)表面為-5℃，試計算進入冷庫的熱流密度及絕緣材料與磚牆的兩接觸面上的溫度。按溫度差分配計算t2、t3℃℃

解：根據(jù)題意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/(m·k)，λ2=0.04w/(m·k)。按熱流密度公式計算q：Qt2t1r1rr2drL設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r1，內(nèi)壁溫度為t1，外半徑為r2，外壁溫度為t2。溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點是其面隨半徑而變化。在半徑r處取一厚度為dr的薄層，若圓筒的長度為L，則半徑為r處的傳熱面積為A=2πrL。三、通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

1.通過單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圖4-4單層圓筒壁的的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)將上式分離變數(shù)積分並整理得

根據(jù)傅立葉定律，對此薄圓筒層可寫出傳導(dǎo)的熱量為上式也可寫成與平壁熱傳導(dǎo)速率方程相類似的形式，即上兩式相比較，可得其中式中：rm——圓筒壁的對數(shù)平均半徑，m；

Sm——圓筒壁的內(nèi)、外表面對數(shù)平均面積，m2；

當(dāng)S2/S1<2時，可認為Sm=（S1+S2）/2r1r2r3r4t1t2t3t4

對穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，單位時間內(nèi)由多層壁所傳導(dǎo)的熱量，亦即經(jīng)過各單層壁所傳導(dǎo)的熱量。

如圖所示：以三層圓筒壁為例。假定各層壁厚分別為b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3；各層材料的導(dǎo)熱係數(shù)λ1，λ2，λ3皆視為常數(shù)；層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。2.通過多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圖4-5多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算，可參照多層平壁。對於第一、第二、第三層圓筒壁有根據(jù)各層溫度差之和等於總溫度差的原則，整理上三式可得同理，對於n層圓筒壁，穿過各層熱量的一般公式為注：對於圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，通過各層的熱傳導(dǎo)速率都是相同的，但是熱通量卻不相等。分析：當(dāng)r1