《食品工程原理》大纲版 赵丹资料.docx
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《食品工程原理》大纲版赵丹资料
山西农业大学信息学院
《食品工程原理》教学大纲
课程名称:
食品工程原理FoodProcessEngineering
课程编码:
102D0007
课程类别:
专业基础课
学时/学分:
32
适用专业:
2.0
一、前言
1、课程性质
本课程讲述食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等,三传理论包括动量传递(momentumtransfer)、热量传递(heattransfer)、质量传递(masstransfer);食品生产过程中共有的基本的物理操作过程称为单元操作。
“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,本课程是食品科学与工程专业的一门理论性和实践性很强的重要的专业基础课,是专业课程体系中的基本骨架课程之一。
本课程讲述食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等,培养学生运用各种技术手段,分析解决工程设计及生产操作中各类实际问题的能力。
本课程作为食品科学与工程专业一门必修主干技术基础课,是一门以力学、动力学、热力学、传热学和传质学为理论基础的专业基础课程。
本课程是高等数学、化学、机械制图等基础课的后继课程;同时,本门课程的学习也为食品机械、食品加工工艺学和食品工厂设计等专业课的学习打基础。
在本专业课程教学中起着承前启后的作用,对自然学科和应用学科起到了搭桥作用。
2、教学目标
本课程的教学环节以讲授为主,辅助以电子教案和多媒体课件,同时对于课程中不属于基本原理、基本方法和基本概念范畴的内容,鼓励学生自学及讨论学生自学以及课外练习。
本课程要求学生能够掌握各单元操作的基本原理;掌握各单元操作在食品工业中的应用;熟悉各单元操作涉及到的设备的构造、工作原理、性能和操作注意事项;了解某些重要设备(如换热器、干燥器、蒸发器等)的简单设计并能够将以上学到的知识应用于食品新工艺的开发、新设备的研制和产品的生产中,使生产能得到改进。
此外,在学习过程中,应注重对自学能力、分析问题解决问题的能力及认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风的锻炼和培养。
3、教学要求
本课程要求学生重点掌握食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等。
4、先修课程
高等数学、工程制图、基础化学
二、课程内容
第一章流体力学基础
教学内容及总体要求:
流体力学是连续介质力学的一门分支,是研究流体(包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学。
可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学,还可按应用范围分为水力学,空气动力学等等。
理论流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程,简称N-S方程。
纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成,通常只有通过一些边界条件或者通过数值计算的方式才可以求解。
它包含速度、压强p、密度、黏度,和温度T等变量,而这些都是位置(x,y,z)和时间t的函数。
教学目标:
本章要求了解食品工程原理中基础理论流体力学的概念;要求掌握牛顿流体的概念、特征及其在食品工程原理理论研究的基础地位;了解液体输送设备与简单管路的理论基础和基本技术;要求掌握简单管路的计算。
教学方式方法建议:
以课堂多媒体教学为主,辅以相关试验与计算,注意理论联系实际和启发式教育,开展习题、作业、讨论等教学方法。
学时:
8
第一节牛顿流体及其黏度
一、粘性与粘度
由于粘性的耗能作用,在无外界能量补充的情况下,运动的流体将逐渐停止下来。
粘性对物体表面附近的流体运动产生重要作用使流速逐层减小并在物面上为零,在一定条件下也可使流体脱离物体表面。
又称黏性系数、动力粘度,记为μ。
牛顿黏性定律指出,在纯剪切流动中相邻两流体层之间的剪应力(或粘性摩擦应力)为式中dv/dy为垂直流动方向的法向速度梯度。
黏度数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力。
速度梯度也表示流体运动中的角变形率,故黏度也表示剪应力与角变形率之间比值关系。
按国际单位制,黏度的单位为帕·秒。
有时也用泊或厘泊(1泊=10-1帕·秒,1厘泊=10-2泊)。
英文表示式Pa·s(帕·秒)或mPa·s(毫泊·秒)。
二、牛顿内摩擦定律
牛顿内摩擦定律表达式:
τ=μγ
式中:
τ--所加的切应力;γ--剪切速率(流速梯度)
μ--度量液体粘滞性大小的物理量,简称为黏度,物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。
从流体力学的角度来说,凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体。
所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下,随着流速梯度的变化,μ值始终保持一常数。
水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体;高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体
第二节流体流动能量平衡
伯努利方程
丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。
这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前,水力学所采用的基本原理,其实质是流体的机械能守恒。
即:
动能+重力势能+压力势能=常数。
其最为著名的推论为:
等高流动时,流速大,压力就小。
伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv^2+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。
式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。
它也可以被表述为p1+1/2ρv1^2+ρgh1=p2+1/2ρv2^2+ρgh2。
需要注意的是,由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的,所以它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。
第三节 管中流动
一、管中稳定流动连续性方程
稳定流动下,单位时间内流进体系的流体质量等于流出体系的流体质量:
不可压缩流体密度不变:
不可压缩流体的平均流速与管径平方成反比。
二、雷诺实验与雷诺数
雷诺实验装置如图所示:
层(滞)流:
有条不紊,相互无混杂,一条平稳的直线;
湍(紊)流:
杂乱无章,相互混杂。
如何区分这两种流动状态,由无量纲准数—雷诺数Re来判断。
式中:
d-管道内径,m;
u-流体平均流速,m/s;
ρ为流体密度,kg/m3;
μ为流体粘度,Pa·s。
第四节简单管路计算
流体具有黏性,流动时存在着内摩擦,它是流动阻力产生的根源;固定的管壁或其他形状固体壁面促使流动的流体内部发生相对运动,为流动阻力的产生提供了条件。
流动阻力的大小与流体本身的物理性质,流动状况及壁面的形状等因素有关。
流体在管路中流动时的阻力有两种:
1、直管阻力——流体流径一定管径的直管时,因流体内摩擦而产生的阻力。
表皮阻力或摩擦阻力。
2、局部阻力——黏性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和。
流体流径管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所产生的阻力。
所以,流体流经管路的总能量损失,应为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和。
思考题:
1、圆管中层流与紊流的区别?
2、伯努利方程的意义
3、管中阻力的计算方程?
第二章传热
教学内容及总体要求:
传热,是介质内无宏观运动时的传热现象,其在固体、液体和气体中均可发生,但严格而言,只有在固体中才是纯粹的热传导,而流体即使处于静止状态,其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流,因此,在流体中对流与热传导同时发生。
教学目标:
本章要求了解热传导的定义、意义与基本方法;要求掌握稳定传热过程的计算;了解不稳定传热的定义、意义、基本方法以及应用;要求了解简单的换热器。
教学方式方法建议:
以课堂多媒体教学为主,辅以相关试验与计算,注意理论联系实际和启发式教育,开展习题、作业、讨论等教学方法。
学时:
8
第一节热传导
热传导流体力学基础
物体或系统内的温度差,是热传导的必要条件。
或者说,只要介质内或者介质之间存在温度差,就一定会发生传热。
热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。
热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫传热。
热传导是传热三种传热模式(热传导、对流、辐射)之一。
它是固体中传热的主要方式,在不流动的液体或气体层中层层传递,在流动情况下往往与热对流同时发生。
热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程。
[1]在固体中,热传导的微观过程是:
在温度高的部分,晶体中结点上的微粒振动动能较大。
在低温部分,微粒振动动能较小。
因微粒的振动互相作用,所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。
固体中热的传导,就是能量的迁移。
在导体中,因存在大量的自由电子,在不停地作无规则的热运动。
一般晶格震动的能量较小,自由电子
第二节对流传热
对流传热是热传递的一种基本方式。
热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程。
主要是由于质点位置的移动,使温度趋于均匀。
是液体和气体中热传递的主要方式。
但也往往伴有热传导。
通常由于产生的原因不同,有自然对流和强制对流两种。
根据流动状态,又可分为层流传热和湍流传热。
化学工业中所常遇到的对流传热,是将热由流体传至固体壁面(如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等),或由固体壁传入周围的流体(如靠近冷流体一面的导管壁等)。
这种由壁面传给流体或相反的过程,通常称作给热。
对流仅发生于流体中,它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过
弯管中的对流传热程。
由于流体间各部分是相互接触的,除了流体的整体运动所带来的热对流之外,还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
在工程上,常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程,称之为对流传热。
对流传热通常用牛顿冷却定律来描述,即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时,单位面积上的加热量可以表示为q=a(tw-tf),当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时,有q=a(tf-tw)式中q为对流传热的热通量,W/m2;a为比例系数,称为对流传热系数,W/(m2·℃)。
牛顿冷却公式表明,单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
第三节辐射传热
一、辐射传热
物体在向外发射辐射能的同时,也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能,并将其重新转变为热能,这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。
若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行,则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体,若两个物体温度相同,则物体间的辐射传热量等于零,但物体间辐射和吸收过程仍在进行。
二、辐射传热
依靠电磁波辐射实现热冷物体间热量传递的过程,是一种非接触式传热,在真空中也能进行。
物体发出的电磁波,理论上是在整个波谱范围内分布,但在工业上所遇到的温度范围内,有实际意义的是波长位于0.38~1000um之间的热辐射,而且大部分位于红外线(又称热射线)区段中0.76~20um的范围内。
所谓红外线加热,就是利用这一区段的热辐射。
研究热辐射规律,对于炉内传热的合理设计十分重要,对于高温炉操作工的劳动保护也有积极意义。
当某系统需要保温时,即使此系统的温度不高,辐射传热的影响也不能忽视。
如保温瓶胆镀银,就是为了减少由辐射传热造成的热损失。
第四节稳定传热过程计算
传热过程中,温度不随时间而变化的过程叫做稳定传热过程。
温度随时间而变化的过程叫作不稳定传热过程。
导热系数仅指材料的导热能力,而导温系数综合考虑了材料的导热能力和升温所需要的热量是多少,表示材料中温度变化“传播”的快慢。
第五节不稳定传热
当外界热作用随时间而变时,围护结构内部的温度和通过围护结构的热流量亦将发生变化,这种传热过程,称为不稳定传热。
若外界热作用随着时间呈现周期性的变化,则叫做周期性不稳定传热。
第六节换热器简介
换热器(英语翻译:
heatexchanger),是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。
换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。
思考题:
1、导热与热传递的区别?
2、稳定传热的计算。
3、换热器的主要分类。
第三章制冷与食品冷冻
教学内容及总体要求:
制冷,是使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度,并保持在规定低温状态的一门科学技术,它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。
教学目标:
本章要求了解制冷技术的定义及基本原理;了解制冷剂和载冷剂在食品工程上的应用;要求掌握食品的冻结方法。
教学方式方法建议:
以课堂多媒体教学为主,辅以相关试验与计算,注意理论联系实际和启发式教育,开展习题、作业、讨论等教学方法。
学时:
4
第一节 制冷技术原理
制冷又称冷冻,将物体温度降低到或维持在自然环境温度以下。
实现制冷的途径有两种,一是天然冷却,一是人工制冷。
天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体,但其制冷量(即从被冷却物体取走的热量)和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。
天然冷却是一传热过程。
人工制冷是利用制冷设备加入能量,使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。
制冷,是使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度,并保持在规定低温状态的一门科学技术,它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。
制冷就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度,并维持这个低温的过程。
(制冷技术与应用)
第二节制冷剂和载冷剂
一、制冷剂
以间接冷却方式工作的制冷装置中,将被冷却物体的热量传给正在蒸发的制冷剂的物质称为载冷剂。
载冷剂通常为液体,在传送热量过程中一般不发生相变。
但也有些载冷剂为气体,或者液固混合物,如二元冰等。
常用的载冷剂有:
水、盐水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯,一般不包括一氟二氯甲烷,这个通常作为制冷剂,只有在直接制冷时,才使用制冷剂作为载冷剂。
直接制冷用大量的致冷剂,致冷剂一般对环境的友好程度低,如氟利昂,氨气等,因此间接制冷是节能环保的一种方式。
二、载冷剂
以间接冷却方式工作的制冷装置中,将被冷却物体的热量传给正在蒸发的制冷剂的物质称为载冷剂。
载冷剂通常为液体,在传送热量过程中一般不发生相变。
但也有些载冷剂为气体,或者液固混合物,如二元冰等。
常用的载冷剂有:
水、盐水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯,一般不包括一氟二氯甲烷,这个通常作为制冷剂,只有在直接制冷时,才使用制冷剂作为载冷剂。
直接制冷用大量的致冷剂,致冷剂一般对环境的友好程度低,如氟利昂,氨气等,因此间接制冷是节能环保的一种方式。
第三节食品的冻结
一、速冻
1972年国际制冷学会将冻结速度定义为:
某个食品的冻结速度,是指食品表面与中心温度点间的最短距离,与食品表面达到0℃以后食品中心温度降到比食品冻结点低10℃所需的时间之比。
如某食品的中心与其表面的最短距离为10cm,食品的冰点为-2℃,其中心温度降到比冰点低10℃(即-12℃)时所需的时间为15h,则其冻结速度为v=10/15=0.67cm/h。
二、冷却食品:
不需要冻结,是将食品的温度降到接近冻结点,并在此温度下保藏的食品。
冻结食品:
是冻结后在低于冻结点的温度保藏的食品。
冷却食品和冻结食品合称冷冻食品,可按原料及消费形式分为果蔬类、水产类、肉禽蛋类、调理方便食品类这四大类。
思考题:
1、冷冻的冻结曲线?
2、冷冻的传热过程?
第四章颗粒与流体之间的相对流动
教学内容及总体要求:
颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一,大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律。
颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律。
由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景。
教学目标:
本章要求了解流体绕过颗粒及颗粒床层的流动定义及基本原理;要求掌握颗粒在流体中的运动;了解固体流态化与气力输送在食品工程上的应用与地位;要求了解非均相混合物的分离。
教学方式方法建议:
以课堂多媒体教学为主,辅以相关试验与计算,注意理论联系实际和启发式教育,开展习题、作业、讨论等教学方法。
学时:
4
第一节流体绕过颗粒及颗粒床层的流动
一、颗粒
指小而圆的物质。
最简单的颗粒形状是圆球。
粒径在40~500μm范围内,气固密度差在1400~4000kg/m3之间的颗粒称粗颗粒(Coarseparticle);粒径在20~100μm范围内,气固密度差小于1400kg/m3的颗粒称细颗粒(Fimeparticle);由许多个粒度间隔不大的粒级颗粒构成的颗粒系统称颗粒群(Particleswarm)。
二、流体绕过颗粒
第二节颗粒在流体中的运动
固体颗粒在流体中仅受自身重力、流体浮力和二者相对运动时产生的阻力的作用,而不受其他机械力干扰的沉降过程。
自由沉降体系中颗粒受力特征为单个颗粒在静止流体中仅受重力W和浮力F二力作用,当W>F时,颗粒下沉;W=F时,颗粒在流体中悬浮。
沉淀的一种类型。
当悬浮的微小颗粒距器壁和其他颗粒有足够的距离,在沉淀过程中,颗粒的形状、尺寸不发生变化,颗粒间也不相互黏合,仅受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用,各自独立完成的沉淀。
当悬浮在流体中的微小颗粒借其本身的重力作用而下沉时,最初为加速运动;当流体介质的摩擦阻力等于颗粒本身的重力时,就成为等速运动;然后以某一固定的速度下降,这个速度称为沉降速度。
上述微小颗粒可为固体颗粒,也可为液滴;流体介质可为液体,也可为气体,而且流体可以是静止的,也可以是运动的。
三、教材及教学参考文献
1、拟使用教材
李云飞葛克山.食品工程原理.第2版.北京.中国农业出版社,2009
2、主要参考文献
[1]廖世荣.食品工程原理.北京.科学出版社,2009
[2]杨同舟.食品工程原理.北京.中国农业出版社,2001
[3]李云飞葛克山.食品工程原理.北京.中国农业出版社,2006
四、学时分配
教学内容
课时(×)
第一章流体力学基础
8
第二章传热
8
第三章制冷与食品冷冻
4
第四章颗粒与流体之间的相对流动
4
五、考核方式建议及要求
平时成绩(考勤+作业)*10%+试验成绩*30%+期末考试*60%=该课成绩
执笔:
赵丹审核:
编制(修订)时间:
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