食品工程原理 第七章制冷
食品工程原理第七章
气液相平衡是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算
的理论基础。
一、相关概念及气液平衡图 1 相律 相律是研究相平衡的基本规律，它表示平衡物系中 自由度数、相数及独立组分数间的关系。
F = C-φ+2
式中 F——自由度数
C——独立组分数
φ——相数 2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡关系。
精馏方法加以分离。
4 气液平衡图(Graph of G—L Equilibrium) (1) 温度–组成图（t – x – y图）
上曲线：平衡时汽相组
成与温度的关系，称为汽 相线（露点曲线）；
T
t4 t3 t2 t1 J A B H
t-y
下曲线：平衡时液相组
成与温度的关系，称为液 相线（泡点曲线）。
物料衡算： 热量衡算：
F+L+V = L+V
F,IF
' '
'
'
V,IV
L,IL
FIF +LIL +V I V' = VI V +LI L'
式中：
IF —— 原料液的焓，kJ/kmol；
加料板
V΄,IV΄ L΄,IL΄
IV、 IV΄ —— 分别为进料板上下处饱和蒸气的的焓， kJ/kmol；
IL 、IL΄ —— 分别为进料板上下处饱和液体的焓，kJ/kmol；
xn+1
xn
xn-1 >xn
yn >yn+1
塔内气液的流动
理论塔板 (Ideal plate) ：若 yn和xn满足气液平衡方程，
食品工程原理 知识点总结
食品工程原理知识点总结食品工程是一门将工程原理和技术应用于食品制造的学科，其目的是利用工程学原理，将食品原料经过种种工艺处理，生产出合格、安全、美味的食品。
食品工程学的研究内容与食品加工技术、食品成分、物性、生产设备、生产系统、过程控制、新产业技术、环境与能源等相关。
食品工程的起源可以追溯到上个世纪初。
食品加工工艺一直在不断改进，新的技术和理念也在不断涌现。
从第一台模拟风扇式冷凝机的出现，到现在的超声波处理技术、高温短时间消毒技术、低温乳化技术等，食品工程已逐渐发展成为一个非常重要的学科。
二、食品原料的基本性质1. 水分含量：食品的水分含量是其重要的品质指标之一。
食品中水分多则易受微生物污染并变质，少则易变得干燥，影响食品的口感和风味。
2. 营养成分：食品中的营养成分是指食品中的营养物质，如蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质等。
这些物质对人体的生长和健康有着重要的作用。
3. 构造成分：构造成分是指食品中的主要构成物质，如淀粉、蛋白质、脂肪、糖类等。
构造成分对于食品的可加工性、口感和品质有着重要的影响。
4. 食品的物理性质：食品的物理性质包括食品的形态、结构、大小、形状等。
这些物理性质对于食品的加工和加工过程中的传热、传质、变形过程有着重要的影响。
5. 食品的化学性质：食品的化学性质包括食品中的化学成分、化学反应、酸碱度等。
这些化学性质对于食品的加工、储藏期间的变质、变味等有着重要的影响。
三、食品工程中的基本工艺1. 加工：加工是指将食品从原料状态转化为最终食品的过程。
包括初加工和深加工。
初加工是将原料进行初步的加工处理，使之成为半成品。
深加工是在初加工的基础上，对半成品进行各种深度加工，生产出成品食品。
2. 杀菌：杀菌是指通过一定的工艺手段，将食品中的微生物全部杀灭，以延长食品的保质期。
常用的杀菌工艺包括煮沸、高温短时间杀菌、紫外线辐射、臭氧杀菌等。
3. 色泽处理：对食品的颜色进行处理，既可以使食品颜色更加诱人，也可以延长食品的品质保持期。
制冷原理
单级蒸汽压缩式制冷理论循环
绝热节流
压 力kPa
s5=1.167kJ/kg.K
h 5= h 1
5
1533.5
t4-5=40oC x1=0. 2 x =1 2
4
3
621.22
1
2
h1=249.686
t1-2=7oC 焓kJ/kg h2= 407.831
46
单级蒸汽压缩式制冷理论循环
q=qo+wo εo= qo / wo =7.01 压力 制冷剂把热量 冷凝器 节流装置 传给外界 q
制冷循环的压缩过程
• 压缩过程
– 完成制冷作用后从蒸发器出来的蒸汽经制冷压缩机压缩后，温度和 压力急剧升高。压缩机排出的气体就变成了过热度较大的热蒸汽。 压缩气体时，压缩机要消耗一定的压缩功，但制冷剂熵值不变。
制冷循环的冷凝过程
• 冷凝过程
– 从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热 交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用冷却水 冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不 变。
44
单级蒸汽压缩式制冷理论循环
冷凝器
压 力kPa 1533.5 t4-5=40oC x1=0. 2 x =1 2
1 2 4 制冷剂把热量传给外界,变 制冷剂把热量传给外界 变 成饱和液体 q= h35 3
h5
621.22
h1=249.686
t1-2=7oC 焓kJ/kg h2= 407.831
45
焦耳（J），千焦耳（kJ）
• 质量比热
• 一kg物体温度升高1K所吸收的热量 水在常温时的Cp=4.1868kJ/kg.℃ 干空气的定压比热Cp=1.005kJ/kg.℃
食品工程原理4-3——卡片1
4.4冷冻（制冷）
食品原料因其具有易氧化、腐败、热敏性等特性，故通常有低温的加工要求。
食品工业中常采用制冷单元操作供冷。
如冷冻制品、速冻制品加工、食品冷藏、冷冻浓缩、冷冻干燥、需冷车间的空气调节、冷藏库、啤酒发酵、味精厂等电点池降温等生产环节都需要冷源。
制冷对食品工业是一种基础的操作，制冷方法有机械压缩制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射制冷等。
以下主要讲机械蒸汽压缩制冷。
4.4.1蒸汽压缩制冷的原理
4.4.1.1热量从低温热源传向高温热源的实现
热量自动从高温向低温处传递，制冷则是相反的过程。
对前者：0c h
Q Q S T T ∆=->是一自发过程；对后者：0h
c Q Q S T T ∆=-<是非自发过程。
为此需要向过程中补充能量，使过程0S ∆>。
为连续取热，需用一循环工质，循环工质从低温热源处连续取出热量Q ，与外界补充的能量（气体压缩机压缩气体所耗功转变成气体能量，外界加热能量传递给低温气体，使其成高温气体等）。
Q '合并，在高温热源处排出。
只要Q '合适，则0S ∆>，过程向熵增方向进行。
h c
Q Q
Q S T T '+∆=-因此，要制冷（即Q 从c h T T →连续排出），则过程必须补充能量。
蒸
汽压缩制冷是通过压缩机向循环工质提供能量Q '的。
食品工程原理教学大纲导论精选全文
可编辑修改精选全文完整版《食品工程原理》教学大纲课程编号：041010412适用专业：食品科学与工程学时数：64学分数：4.0执笔者：花旭斌编写日期：2006年12月一、课程的性质和目的食品工程原理研究和介绍食品工业生产中传递过程与单元操作的基本原理、内在规律、常用设备及过程的计算方法。
食品工程原理是食品科学与工程专业的一门重要专业基础课程。
通过学习本课程，要求学生掌握动量、热量和质量传递的基本原理，运用这些理论并结合所学的物理化学和数学等基础知识，研究食品加工过程中各种单元操作的内在规律和基本原理。
熟悉典型单元操作设备的构造、工作原理和工艺和计算。
主要的单元操作包括：流体输送与压缩、制冷技术、过滤、沉降、离心分离、固体流态化、气力输送、传热、蒸发、气体吸收、蒸馏和物料干燥等。
培养学生具有针对食品生产实际，正确选择适合的单元操作的能力；组成和完善生产工艺过程的能力；正确进行过程的物料衡算、能量衡算和设备选型配套设计计算的能力。
在实验教学中，培养学生严谨认真的科学态度，重视实验操作技能的训练，掌握实验数据的整理和分析方法。
在工程设计计算中会正确查阅工程手册中各种工程图表，获取设计计算有关参数。
二、课程的教学内容和学时分配绪论（1学时）教学内容：食品工程原理课程的性质和地位，现代食品工业的特点，食品工程与化学工程的关系，食品工程原理课程的特点、内容及任务教学要求：理解食品工程原理课程的性质和地位，食品工程原理课程的特点、内容及任务，现代食品工业的特点，掌握单元操作中常用的基本概念、单位换算重点：单元操作中常用的基本概念，单位制及量纲分析难点：量纲分析第1章流体流动与输送（13学时）教学内容：流体的物理性质及作用在流体上的力，流体静力学基本方程式及其应用，流体流动的基本方程，管内流动及管路计算，流速及流量的测量，非牛顿流体，液体输送设备，气体压缩和输送设备教学要求：1、理解流体的主要物理性质、作用在流体上的力，掌握流体静力学基本方程式及其应用2、掌握稳定流动、流速与流量、连续性方程，3、掌握理想不可压缩流体的能量守恒—柏努利方程式，柏努利方程的应用，实际流体稳定流动的能量守恒4、管内流动及管路计算掌握流动类型及其判别，掌握流体在圆直管内流动的沿程阻力及计算，计算圆直管沿程阻力的通式，滞留、湍流的流速分布及摩擦阻力系数的确定，掌握管路局部阻力及其计算5、流速及流量的测量掌握毕托管、孔板流量计及文丘里流量计、转子流量计的结构及工作原理，并能正确使用。
食品工程原理 课程大纲
食品工程原理课程大纲一、课程基本信息课程名称：食品工程原理及实验（英文名称：Food Engineering Principle and Experiment）课程编号：01405050学分数：5 （其中讲授学分：4实践学分:1）学时：56 （其中讲授学时：64 实践学时：16）先修课程：高等数学物理化学适用专业：食品科学与工程开课学院：课程网站：（选填）二、课程说明食品工程原理是的一门必修课程，主要向该专业学生介绍食品加工过程中的“三传理论”和各单元操作的基本原理、基本规律及常用典型设备的工作原理、基本结构及设计计算等，“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。
通过学习使学生掌握组成食品生产工艺过程中各单元操作的基本理论知识，学会初步的工程设计计算方法。
本课程共计80课时，围绕“三传理论”和单元操作展开学习。
该课程主要考核评价方式，包括平时作业、过程考核、实验成绩和期末考试，平时作业占20%、过程考核占20%、实验成绩占20%和期末考试占总成绩的40%。
实验1流体粘度测定实验通过实验掌握粘度测定仪的原理及测定流体粘度的方法。
实验2雷诺实验通过实验观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
实验3伯努利方程实验通过实验掌握流体流动过程中的质量守恒和能量守恒定律。
实验4流体阻力实验测定直管（光滑管与粗糙管）的摩擦系数汲突然扩大和阀门局部阻力系数C ；实验5离心泵性能测定掌握离心泵性能参数的测定方法及特性曲线的绘制。
实验6对流传热系数测定掌握对流传热系数的影响因素及传热系数的测定方法。
实验7洞道干燥实验通过实验掌握洞道干燥物料水分含量随时间变化的规律。
五、学时分配及教学方法(-)学时分配(-)教学方法本课程采用课堂教学和自学相结合的教学方法。
课堂教学采用多媒体教学与常规教学手段相结合的模式。
由于本课程研究“三传理论”和各单元操作内容繁杂、公式较多，且需要利用物理和数学知识进行工程计算，因此课程难度较大，仅靠较少学时的课堂教学所学到的知识是相当有限的，应该培养学生的自学能力，开阔视野，对所学内容能举一反三、融会贯通。
食品工程原理 第七章制冷
低温液体冻结装置 液氮冻结装置(Liquid Nitrogen Freezer) 液氮冻结装置大致有浸渍式、喷淋式和冷气循环 式三种。 液氮喷淋冻结装置 (Liquid Nitrogen Spraying Freezer) 液氮浸渍冻结装置 (Liquid Nitrogen Immersion Freezer)
冻结方法
空气冻结法
间接接触冻结法
直接接触冻结法
空气冻结法
在冻结过程中，冷空气以自然对流或强制对流的方式与食品 换热。由于空气的导热性差，与食品间的换热系数小，故所 需的冻结时间较长。但是，空气资源丰富，无任何毒副作 用，其热力性质早已为人们熟知，所以，用空气作介质进行 冻结仍是目前应用最广泛的一种冻结方法。 空气冻结法
制冷工质的发展与CFCS的替代
一、制冷工质的发展
乙醚（1850） 二氧化硫（1874） 二氧化碳（1886） 氨（1870） 1930，CCl2F2(Freon12,F12)
氟、氯、氢类制冷工质的分类： 1）CFCS： Chlorofluorocarbons 2）HCFCS: HydroChlorofluorocarbons 3）HFCS: Hydrofluorocarbons
（八）低温制冷方法
双级压缩制冷循环
两级串联制冷循环 1-高温压缩机 2-高温冷凝器 3-高温膨胀阀 4-中间换热器 5-低温压缩机 6-低温膨胀阀 7-低温蒸发器
7-3 蒸气压缩式制冷循环
食品工程原理重点知识讲解
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y u d d μτ±= ，服从此定律的流体称为牛顿流体。
μ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有物质。
边界可以是真实的，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。
6．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。
吉林大学食品工程原理第七章
（二）相似的概念
设三角形1、2、3相似，则对应的几何尺寸成比例： l1A l1B B l2B l3B l3C C l2C
l3A l1A l2A aAC l1C l 2C l 3C
A l2A
l3A
l1C
l3A l1A l2A aAB l1B l 2B l 3B
aAB、aAC称为相似常数。注意aAB≠aAC。即：当一对 相似现象被另一对相似现象取代时，相似常数将改变。
Nqp称为排液数，主要取决于叶轮和搅拌系统的几何尺寸、
搅拌槽体积与排液量之比称为排液时间：
Tp=V/qvp
Tp是同一液体前后两次通过叶轮所用的平均时间，即液体
通过叶轮的频率的倒数。
类似地，可以用以下公式计算循环量和循环时间：
qvc=Nqcnd3
Tc=V/qvc
Nqc称为循环数，与排液数Nqp相似。在湍流情况下，对标
200g。分析结果，各试样含碳酸镁量（g）分别为： 2.30，1.72，1.63，1.73，2.10，1.82，2.32，2.20，2.10，2.13
试求以均方差和标准差表示的混合质量。
[解] 分别计算各试样的质量分数，结果为： 0.0115，0.0086，0.00815，0.00865，0.00105， 0.0091， 0.0116，0.0110，0.0105，0.0107 wm=10/(990+10)=0.01 从而均方差为：
为了制取稳定的分散体系，往往在物料中加入其他助剂， 如增电荷剂、增稠剂、乳化剂等。均质可以使这类物质充分 均匀地分散到整个物系内，从而起到预期的稳定效果。
二、均质机理与常用均质设备
（一）均质的机理
分散相颗粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力和压力作用。
食品工程原理课件
江苏大学《食品工程原理》 江苏大学《食品工程原理》课件
上述流程中，糖化、 上述流程中，糖化、发酵步骤是典型的生化反应 过程。 过程。 其余前后处理中的操作步骤则以物理加工为主要 特征，为反应器中的过程提供优惠条件，但它们 特征，为反应器中的过程提供优惠条件， 却占据生产过程的大部分， 却占据生产过程的大部分，占据企业大部分的设 备投资和操作费用。 备投资和操作费用。
食品与生物工程学院 主讲人： 主讲人：刘伟民 （查询教师请登录学院网页）
江苏大学《食品工程原理》 江苏大学《食品工程原理》课件
创 新 的 主 线 选用 或 设计 设备 需求设备的物理 量通量(物理量 指动量、 热量、 指动量 、 热量 、 物质量) 物质量) 理量 运用规律：物理量通 物理 量绝对值等于物理量 体积 浓度（指单位体积物 理量） 理量）梯度乘系数 写成： 写成：通量等 于物理量浓度 差除以传递阻 力 选择四 方法之 一求传 递阻力 （1）从三个基本定律推导 （2）因次分析规划试验测 （3）数学模型辅助实验测 （4）实验测掩盖求通量 完成 选用 设计 计算
（1）从牛顿粘性定律推 （2）因次分析规划试验测 （3）数学模型辅助实验测 （4）实验测掩盖求通量
完成 选用 设计 计算
选用 热量 型 设备
需求出设备的热 量通量(指单位 面积单位时间的 热量) 热量)
运用规律：热量通量 绝 对 值 等于 温 度 梯 度 乘 比 例 系数 导 热 系 数 或单位距离给热系数
食品与生物工程学院
主讲人： 主讲人：刘伟民 （查询教师请登录学院网页）
江苏大学《食品工程原理》 江苏大学《食品工程原理》课件
将各单元操作从各种具体生产过程中抽出来进行 系统的研究和表达，就可以统一和简化食品、化 系统的研究和表达，就可以统一和简化食品、 工、制药等生产过程的描述。 制药等生产过程的描述。 单元操作的英语定义
食品工程原理(复习)
一.稳定流体力学的能量平衡。
对于稳定流动的热力体系，设在一定时间进出体系的流量质量为m，若忽略电能和化学能则输入和输出体系的能量有：1.位能：由于在地球引力场中的位置而产生的能量2.动能：流体由运动而产生的能量3.内能：流体分子内部具有能量4.流动能：也称为压力能是流体体系中在不改变流体体积情况下引导流体经过界面进入或流出所必须做的功5.外功：如果设备中还有压缩机或泵等动力机械，则外界通过这类机械将对立系做功，是为功的输入6.热量:体系通过换热器与外界进行交换的热量二. 雷诺（英国人）实验与雷诺数雷诺数代表惯性力和粘性之比，雷诺数不同，这两种力的比值也不同。
由此产生内部结构和运动性质完全不同的两种流动状态。
两种流动状态：滞流（层流）和湍流实际上是一切流利运动普遍存在的物理现象。
三. 管中的沿程阻力尼古拉兹实验曲线可分为五个阻力区域1.滞留区2.临界区。
3.光滑管湍流区4.过渡区5.粗糙管湍流区四. 泵的类型1.叶片式泵2.往复式泵3.旋转式泵离心泵有如下性能特点1.当流量为零时，离心泵的压头不超出某一有限制，并且压头随流量增加而缓慢降低。
因此有可能利用在排出管道上安装调节阀的方式来调节离心泵的流量。
2.功率随流量增加而平稳上升，且流量为零时功率最小，所以离心泵启动时都将出口调节阀关闭，以降低启动功率。
3.一般离心泵的效率为0.6至0.85，大型泵可达0.9离心泵效率在最高点附近下降缓慢所以泵的有效工作范围较宽。
五. 傅立叶定律指出：热流密度与温度梯度成正比。
各种物质的热导率通常用实验的方法测定。
热导率的数值差别很大，一般而言，金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，气体最小。
六. 稳定传热过程计算：两者都是以热量衡算和总传热速率方程为计算基础。
热量衡算：在热损失的情况下，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。
传热速率与传热面积成正比，与热流体，冷流体温度之差成正比。
换热器的简介管式换热器1.沉浸式换热器：优点是结构简单价格低廉，便于防腐能承受高压，缺点是容器内液体湍流程度低，管外对流传热系数小2.喷淋式换热器:优点它和沉浸式换热器相比，便于检修和清洗传热效果好，缺点是喷淋不易均匀3.套管式换热器:优点构造简单的耐高压传染面积，可根据需要而增减适当的选择内外的管径。
食品工程原理课件第七章
干燥
例7-3 已知图7-2中A代表一定状态的湿空气，试查取 湿度H、焓值I、水汽分压p、露点ｔd 、湿球温度tw值。 解 ①湿度H，由A点沿等湿线向下与水平辅助轴的交点H， 即可读出Ａ点的湿度值。
②焓值I，通过A点作等焓线的平行线，与纵轴交于Ｉ 点，即可读得A点的焓值。
③水汽分压p，由பைடு நூலகம்点沿等湿度线向下交水蒸汽分压线 于Ｃ，在图右端纵轴上读出水汽分压值。
干燥
现将图中各种曲线分述如下: ①等湿线(即等H线)。等湿线是一组与纵轴平行的直线， 在同一根等H线上不同的点都具有相同的温度值，其值在
辅助水平轴上读出。图7-1中Ｈ的读数范围为0～0.2kg/kg绝
干气。 ②等焓线(即等I线)。等焓线是一组与斜轴平行的直线。
在同一条等I线上不同的点所代表的湿空气的状态不同，但
干燥
例7-4 某常压空气的温度为30℃、湿度为0.0256kg/kg
绝干气，试求：
（1）相对湿度、水汽分压及焓；
（2）若将上述空气在常压下加热到50℃，再求上述各性质
参数。
解 (1)相对湿度
由附录查得30℃时水的饱和蒸汽压ps＝4.2474kPa。用式7-5 求相对湿度，即
H 0.622 ps
p ps
干燥
7.1 干燥基本原理 7.2 干燥过程的计算 7.3 干燥设备
干燥
7.1 干燥基本原理
干燥是利用热能使湿物料中水分等湿分被汽化去除， 从而获得固体产品的操作。
7.1.1 干燥的目的和方法
1．干燥的目的 从物料中除去湿分的操作（湿分：水分或其他溶剂）， 延长货架期，便于储运及工艺需要。
干燥
2．干燥方法 （1）按照热能供给湿物料的方式，干燥法可分为： ①传导干燥。热能通过传热壁面以传导方式传给物料， 物料中的湿分被汽化带走，或用真空泵排走。例如纸制品 可以铺在热滚筒上进行干燥。 ②对流干燥。使干燥介质直接与湿物料接触，热能以 对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。
食品工程原理思考题与习题参考答案
思考题与习题参考答案绪论一、填空1、经济核算2、物料衡算、经济核算、能量核算、物系的平衡关系、传递速率3、液体输送、离心沉降、混合、热交换、蒸发、喷雾干燥二、简答1、在食品工程原理中，将这些用于食品生产工艺过程所共有的基本物理操作过程成为单元操作。
例如，奶粉的加工从原料乳的验收开始，需要经过预热杀菌、调配、真空浓缩、过滤、喷雾干燥等过程；再如，酱油的加工，也包含大豆的浸泡、加热、杀菌、过滤等工序，这两种产品的原料、产品形式、加工工艺都有较大的不同，但却包含了流体的输送、物质的分离、加热等相同的物理操作过程。
2、“三传理论”即动量传递、热量传递和质量传递。
（1）动量传递理论。
随着对单元操作的不断深入研究，人们认识到流体流动是一种动量传递现象，也就是流体在流动过程中，其内部发生动量传递。
所以凡是遵循流体流动基本规律的单元操作都可以用动量传递理论去研究。
（2）热量传递理论。
物体在加热或者冷却的过程中都伴随着热量的传递。
凡是遵循传热基本规律的单元操作都可以用热量传递的理论去研究。
（3）质量传递理论。
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都可以用质量传递的理论去研究。
例如，啤酒的灭菌（热量传递），麦芽的制备（动量传递，热量传递，质量传递）等。
三传理论是单元操作的理论基础，单元操作是三传理论具体应用。
3、单元操作中常用的基本概念有物料衡算、能量衡算、物系的平衡关系、传递速率和经济核算。
物料衡算遵循质量守恒定律，是指对于一个生产加工过程，输入的物料总量必定等于输出的物料总质量与积累物料质量之和。
能量衡算的依据是能量守恒定律，进入过程的热量等于离开的热量和热量损失之和。
平衡状态是自然界中广泛存在的现象。
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。
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，设备尺寸可以减小。
为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。
食品工程原理制冷
二、冷凝器
（一）作用：在冷凝器中，制冷剂放热 冷却冷凝为液体 ，并将热量经间壁交换给 空气或水等冷流体。
（二）类型：分为水冷式、空冷式、蒸 发式三类。
1、水冷式：常用卧式或立式壳管式冷 凝器。其原理图见附件
2、空冷式：一般是蛇管式，制冷剂蒸汽在 管内冷凝，空气在风机作用下横向流过管外。 主要用于中小型氟利昂制冷机。 3、蒸发式：一般是蛇管式
以下主要介绍蒸汽压缩式制冷
三、制冷在食品加工中的应用
1、冷冻保藏 2、速冻食品的生产 3、冷饮食品的生产 4、冷冻干燥技术 5、酒类低温发酵
等等
第二节：制冷技术的理论基本
一、制冷操作的实质 借助制冷剂把低温物体中的热量送到温 度较高的环境中去。必须消耗一定的外界能 量。 二、蒸汽压缩制冷 指在消耗外功的条件下，借助制冷剂， 通过压缩、冷凝、膨胀、蒸发等过程的交替 循环来实现制冷目的。
（二）两级压缩制冷循环的组成
一次节流：一次节流循环是将冷凝压
力pk下的制冷剂液体，直接节流到蒸发压力 p0，由于压差较大，易实现远距离和向高处 供液，而且调节也很方便，故应用较广。
两次节流：两次节流循环则是先将pk
下的制冷剂液体节流到中间压力pm，然后再 次节流到P0，实际工程应用并不多。
两级压缩一次节流中间不完全冷却循环
附图2：SSD系列LN2／LCO2速冻装置
等压、等温
1 蒸发器 冷
媒
①制冷剂经压缩机压 缩后成为高压高温过热气 体（1→2）；②进入冷凝 器被冷却、冷凝、过冷为 过冷液体（2→3）,向环 境放热；③然后进入节流 装置如膨胀阀后降温降压 为液体（3→4）；④部分 液体闪蒸成蒸气，这些气 液两相的混合物进入蒸发 器，从冷物体吸热蒸发成 饱和蒸气（4→1）后回到 压缩机重新被压缩。
食品工程
第三章1冷冻：利用制冷技术产生的低温源使产品从常温冷却降温，进而冻结的操作过程。
2制冷：从低于环境温度的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程。
3制冷技术：利用制冷机，以消耗机械功或其他能量来维持某一物料的温度低于周围自然环境的温度。
4逆卡诺循环是制冷技术的物理基础5制冷四个过程是压缩冷凝膨胀蒸发6制冷量：在一定的操作条件下，单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量。
7制冷系数：加入单位功时能从被冷冻物料取出的热量数。
8一般制冷方法：（1）机械压缩制冷法①空气压缩制冷法②蒸汽压缩式制冷③吸收式制冷④蒸汽喷射式制冷（2）非机械压缩制冷①融解和溶化制冷融解：固体吸热后变为液体。
溶解：固体溶于溶剂。
②固体升华和液体汽化制冷9低温制冷方法：（1）多级制冷循环（2）串级制冷循环（3）节流膨胀和绝热膨胀法（4）固体升华制冷（5）液化气体制冷10食品冷冻常用的蒸汽压缩式制冷循环：（1）单级压缩制冷循环理论计算（2）双级压缩制冷循环11冻结对食品的影响：1物理性质的变化①体积膨胀和产生内压；②比热容③热导率④汁液流失⑤干耗量2质构的变化：见P103.3.3.4.2第一段12速冻：使食品尽快通过其最大冰晶生成区，并使平均温度尽快达到-18℃而迅速冻结的方法13食品速冻方法：间接接触冻结法空气冻结法直接接触冻结法第四章14颗粒与流体之间的相对流动包括以下几种：颗粒静止流体绕过颗粒及颗粒床层流动颗粒运动，流体静止或处于某中运动15颗粒特性床层特性见书P11116壁效应：壁面附近的空隙率大于床层内部，因阻力较小流体在近壁处得流速必大于床层内部这种现象叫壁效应17固体颗粒沉降过程的作用力：场力浮力曳力18固体流态化技术是一种使微粒固体与气体或液体接触而转变为类似流体状态的操作19流体经过固体颗粒床层流动时的3种状态：(1）固定床阶段（2）流化床阶段（3）气力输送阶段20聚式流化中的沟流和节涌：危害和形成原因见P12121混合物分两大类：1均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面。
食品工程原理试题思考题与习题及答案
思考题与习题绪论一、填空1 同一台设备的设计可能有多种方案，通常要用（）来确定最终的方案。
2 单元操作中常用的五个基本概念包括（）、（）、（）、（）和（）。
3 奶粉的生产主要包括（）、（）、（）、（）、（）等单元操作。
二、简答1 什么是单元操作？食品加工中常用的单元操作有哪些？2 “三传理论”是指什么？与单元操作有什么关系？3 如何理解单元操作中常用的五个基本概念？4 举例说明三传理论在实际工作中的应用。
5 简述食品工程原理在食品工业中的作用、地位。
三、计算1 将5kg得蔗糖溶解在20kg的水中，试计算溶液的浓度，分别用质量分数、摩尔分数、摩尔浓度表示。
已知20％蔗糖溶液的密度为1070kg/m3。
2 在含盐黄油生产过程中，将60%(质量分数)的食盐溶液添加到黄油中。
最终产品的水分含量为15.8%，含盐量1.4%，试计算原料黄油中含水量。
3 将固形物含量为7.08%的鲜橘汁引入真空蒸发器进行浓缩，得固形物含量为58%得浓橘汁。
若鲜橘汁进料流量为1000kg/h，计算生产浓橘汁和蒸出水的量。
4 在空气预热器中用蒸气将流量1000kg/h，30℃的空气预热至66℃，所用加热蒸气温度143.4℃，离开预热器的温度为138.8℃。
求蒸气消耗量。
5 在碳酸饮料的生产过程中，已知在0℃和1atm下，1体积的水可以溶解3体积的二氧化碳。
试计算该饮料中CO2的(1)质量分数；(2)摩尔分数。
忽略CO2和水以外的任何组分。
6 采用发酵罐连续发酵生产酵母。
20m3发酵灌内发酵液流体发酵时间为16h。
初始接种物中含有1.2%的酵母细胞，将其稀释成2%菌悬液接种到发酵灌中。
在发酵罐内，酵母以每2.9h 增长一倍的生长速度稳定增长。
从发酵罐中流出的发酵液进入连续离心分离器中，生产出来的酵母悬浮液含有7%的酵母，占发酵液中总酵母的97%。
试计算从离心机中分离出来的酵母悬浮液的流量F以及残留发酵液的流量W(假设发酵液的密度为1000kg/m3)。
食品工程原理第二版(李云飞著)第七章 习题祥解
240 / 17 = 27.50% 670 / 18 + 240 / 17 240 / 17 氨的摩尔比 X = = 37.93% 670 / 18
氨的摩尔分数 x = 【7-2】 解：因为溶液浓度很稀，其密度可取为水的密度，即为 1000kg / m 。
⎡ 1 1 1⎤ + ⎥ Ln ⎢(1 − ) × 1 A 1 − η A max A ⎦ ⎣ 1− A ⎡ ⎤ 1 1 = + 1.25⎥ Ln ⎢(1 − 1.25) × 1 − η A max 1 − 1.25 ⎣ ⎦ N OG = 1 Z → ∞, 则N OG → ∞（Q H OG为有限值）
1 1 1 = + KG kG Hk
=
L
1 1 + = 16 . 677 + 6 . 667 = 23 . 333 0 . 056 2 × 0 . 075
KG=0.04286
kmol/(m3·kPa)
气相阻力分率 =
【7-10】 证：
1 / k G 16.667 = = 71.43% 1 / K G 23.333
V (Y1 − Y2 ) 90 × (0.1111 − 0.005) = 1.59 ×10 4 kmol / h = 2.86 ×10 5 kg / h = −4 X1 6 ×10
E=2×105kPa
m=
E 2 ×10 5 = = 100 p 2 ×10 3 ρ 1000 H≈ S = = 2.778 ×10 −4 5 M S E 18 × 2 ×10 K Ga = K La ⋅ H = 50 × 2.778 ×10 −4 = 0.0139 K ya = p ⋅ K Ga = 2000 × 0.0139 = 27.78
食品工程原理 7
度成正比，即：
J A = - D AB dC A dz
对于气体
D dpA JA = RT dz
式中
JA——物质A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s) DAB——物质A在介质B中的分子扩散系数，m2/s
二、气相中的稳定分子扩散
1 等摩尔反向扩散
pA1 pB1
T 0 D = D0 ( )( ) T0
对流传质
在运动着的流体与相界面之间的传质过 程。是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与 分子扩散两种传质作用的总和。其总扩散通 量为
dC A J A ( D DE ) dZ
涡流扩散系数DE不是物性常数，它与 湍动有关。
对流传质有效膜模型
考察稳定操作状况下湿壁塔内任一截面m-n处相
质量传递过程
扩散现象
扩散现象是一种物理现象，扩散物质 在单相中的传递靠扩散，根据产生的原 因可将发生在流体中的扩散分为两类： 分子扩散和涡流扩散
分子扩散：依靠微观分子的无规则热运动。 涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡
一、分子扩散与菲克定律
1 分子扩散
2 菲克（Fick）定律
当物质A在介质B中发生扩散时，任一点
传质过程的方向
在平衡线下方 (Q点 ) ： 相对于液相浓度 x 而 言 气 相 浓 度为 欠 饱 和(y<y*)；相对于气相 浓 度 而 言 实 际液 相 浓 度过饱和(x>x*)；
y y*
吸收溶质
y*=f(x)
y
释放溶质
Q
o
x*
x
x
结论：若系统气、液相浓度 (y,x) 在平衡线下方，则体系将 发生从液相到气相的传质，即解吸过程。
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（八）低温制冷方法
双级压缩制冷循环
两级串联制冷循环 1-高温压缩机 2-高温冷凝器 3-高温膨胀阀 4-中间换热器 5-低温压缩机 6-低温膨胀阀 7-低温蒸发器
7-3 蒸气压缩式制冷循环
1 蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理
日常生活中我们都有这样的疑问:怎样才能制冷呢?
利用制冷剂由液体状态汽化为 蒸气状态过程中吸收热量，被冷却 介质因失去热量而降低温度，达到 制冷的目的。
过程2： p V T (B → C) pV T 2 2 h 到 3 3 c 绝热可逆膨胀由
Q =0 2
Tc W = −ΔU = −∫ C dT T V ,m 2 2 h
所作功如BC曲线下的面积所示。
卡诺循环（Carnot cycle）
过程3： p V (C → D ) pV 等温(TC)可逆压缩由 3 3 到 4 4
第七章 制冷
本章的学习目的与要求
初步掌握食品工业中的制冷技术原 理，掌握必要的相关热力学知识； 了解食品冷冻冷藏装备和工艺设计。
Contents
制冷与食品冷冻
第一节 制冷技术的理论基础
第二节 蒸汽压缩式制冷
第三节 食品冷冻
卡诺循环（Carnot cycle）
1824 年,法国工程师 N.L.S.Carnot(1796~1832)设计了一 个循环,以理想气体为工作物质,从 高温 (T ) 热源吸收 Q h 的热量,一部 h 分通过理想热机用来对外做功W,另 一部分 Q c 的热量放给低温 (Tc) 热 源.这种循环称为卡诺循环.
冻结方法
空气冻结法
间接接触冻结法
直接接触冻结法
空气冻结法
在冻结过程中，冷空气以自然对流或强制对流的方式与食品 换热。由于空气的导热性差，与食品间的换热系数小，故所 需的冻结时间较长。但是，空气资源丰富，无任何毒副作 用，其热力性质早已为人们熟知，所以，用空气作介质进行 冻结仍是目前应用最广泛的一种冻结方法。 空气冻结法
压缩制冷剂蒸气，提高压力和温度
得到低温低压制冷剂
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
小结
– 蒸汽压缩式制冷理论循环组成：制冷压缩机 冷凝器 发器 – 压缩过程（压缩机中进行） • 通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体。 – 冷却冷凝过程（冷凝器中进行） • 在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体。 – 节流过程（节流阀中进行） • 压力、温度降低，焓值不变 – 蒸发过程（蒸发器中进行） • 吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气 节流器 蒸
－静态化学势能相对稳定期 (t ＝ 256–290 ns); －短暂 的化学势能快速衰减期（t＝290－320ns） －短暂的化学 势能快速增加期（t＝320－360ns) －终止期，化学势能虽有降低但相对恒定，冰结构完全形成 （t＞360ns）
• 食品冻结过程 p237 图7-15 • 冻结时间 • 冻结速率
二、评价物质对环境影响的二个重要指标：
1 臭氧层消耗的潜能值(ODP Ozone Depletion Potential) 2 全球变暖的潜能值 (GWP Global Warming Potential)
表 一些制冷工质的ODP和GWP值
制冷工质 R11 R12 R13 R113 R114 R115 R500 R502 R22 R123 R124 R124b R152a ODP 1.0 1.0 0.45 0.8 ~0.9 0.6 ~ 0.8 0.3 ~ 0.5 0.74 - 0.87 0.17 ~ 0.29 0.055 0.02 0.022 0.065 0 GWP 1.0 2.8 ~3.4 6.0 1.2~ 2.0 3.4 ~ 4.5 5.0 - 9.0 3.38 ~ 4.87 2.66 ~ 4.78 0.36 0.02 0.1 0.42 0.03
平板冻结装置应注意的问题
使用平板冻结装置时，应注意使食品或货盘都必 须与平板接触良好，并控制好二者之间的接触压 力。压力越大，平板与食品的接触越好，传热系 数越大。平板与食品之间若接触不良，会产生很 大的接触热阻，冻结速度大为降低。
直接接触冻结法
载冷剂接触冻结
低温液体
液氮 液态二氧化碳 R12
直接接触冻结法
静止空气 冻结法
半送风式空 气冻结法
送风式空 气冻结法
冷藏库送风式冻结装置
间接接触冻结法间接Βιβλιοθήκη 触冻结法平板式 回转式 钢带式
卧式
立式
间歇卧式
连续卧式
间接接触冻结法
间接冻结法指的是把食品放在由制冷剂(或载冷剂) 冷却的板、盘、带或其他冷壁上，与冷壁直接接触， 但与制冷剂(或载冷剂)间接接触。对于固态食品，可 将食品加工为具有平坦表面的形状，使冷壁与食品的 一个或二个平面接触；对于液态食品，则用泵送方法 使食品通过冷壁热交换器，冻成半融状态。
– 蒸气压缩式制冷 循环系统图
制冷循环过程
• 制冷剂蒸气压缩、冷凝成液体，放出热量 • 冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的 高压p k降低到低压p 0，从高温t k降低到t 0，（部分） 液体汽化变为蒸气。 • 制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩
制冷系统各部件的主要用途
放热，使高压高温制冷剂蒸气冷 却、冷凝成高压常温的制冷剂液体
η=1-T2/T1
如果逆方向进行循环，工质将从冷源吸取热量，并和外功 一起放给热源，这样的机械就是制冷机。由于逆卡诺循环 的四个过程都是可逆过程，所以它是理想的制冷循环，常 常将逆卡诺循环作为实际制冷循环完善程度的比较标准。
制冷能力和制冷系数
制冷能力——在一定操作条件下，单位质量制冷剂从被 冷冻物取出的热量。 逆卡诺循环： q0=Tc(S2-S3)=Tc(S1-S4)
环境对体系所作的功如DA曲线下 的面积所示：
卡诺循环（Carnot cycle）
整个循环：
ΔU = 0 Q = Qh + Qc
W = W +W 1 3
Q 是体系所吸的热,为正值， h
Qc 是体系放出的热,为负值.
(W 和 W 对消） 2 4
即ABCD曲线所围面积 为热机所作的功。
7-1制冷技术的理论基础 制冷的基本方法
量 放出热 收或 生 物体吸 其相态发 ， 成 过程中 如气体变 （ 了变化 ），但温度 … 液体… 化，这种吸 变 “ 不发生 出的热量叫 收或放 热” 潜
物体在加热或冷却过程 中，温度升高或降低而 不改变其原有相态所需 吸收或放出的热量，称 为“显热”。
使制冷工质降温的方法：
绝热节流；绝热膨胀；半导体的热电效应； 涡流管； 绝热去磁 ；He3稀释等 “吸热”的方式：以“潜热”或“显热”方式
制冷系数——某一循环的制冷量与循环所消耗的热量之比。 对于逆卡诺循环，制冷系数为：
q0 q0 Tc ( S1 - S 4 ) Tc = = ε0 = = w qh - q0 Th ( S1 - S 4 ) - Tc ( S1 - S 4 ) Th - Tc
在同样的热源和冷源温度范围内工作的制冷机，其制冷系 数必小于逆卡诺循环的制冷系数。
制冷剂 制冷剂在变为蒸气之后，需要对它进行 压缩、冷凝、继而进行再次汽化吸热。 蒸气压缩式制冷 蒸气压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器， 膨胀阀和蒸发器组成。
制冷循环系统的基本组成
– 制冷循环系统 :
» 根据蒸气压缩式制冷原理构成的蒸气压缩式制冷循环 系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不 同状态变化的部件组成，串接成一个封闭的循环回 路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回 路中能够不停地循环流动
对冻结剂的要求：直接接触冻结法由于要求食品与冻 结剂直接接触，所以对冻结剂有一定的限制，特别是与 未包装的食品接触时尤其如此。这些限制包括要求无 毒、纯净、无异味和异样气体、无外来色泽或漂白剂、 不易燃、不易爆等。另外，冻结剂与食品接触后，不应 改变食品原有的成分和性质。
低温液体冻结装置 液氮冻结装置(Liquid Nitrogen Freezer) 液氮冻结装置大致有浸渍式、喷淋式和冷气循环 式三种。 液氮喷淋冻结装置 (Liquid Nitrogen Spraying Freezer) 液氮浸渍冻结装置 (Liquid Nitrogen Immersion Freezer)
卡诺循环（Carnot cycle）
1mol理想气体的卡诺循环在pV 图上可以分为四步： 过程1： pV (T ) 等温 h 可逆膨胀由 1 1 到 p 2V 2 (A → B)
ΔU = 0 1
V W = nRT ln 2 1 h V 1
Q =W 1 h
所作功如AB曲线下的面积所示。
卡诺循环（Carnot cycle）
• ？？？？
– 蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成， 各有何作用？ – 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？
7-3 食品冷冻 冰形成分子动力学过程
研究了过冷水（230K）体系中冰的形成（Masakazu Matsumoto,NATURE /VOL 416 /28 ,03,2002 ）
四个阶段：
制冷剂与载冷剂
理想的制冷剂应具备以下性质： （1）在大气压下的沸点要低； （2）单位容积的制冷能力要大； （3）汽化潜热大； （4）临界温度要高，至少高于冷却水的温度； （5）在蒸发器内的压强最好与大气压接近或稍高于大气压， 在冷凝器内的压强又不过高； （6）不会燃烧和爆炸，无腐蚀性，无毒，无刺激味，价格 低廉。 常用的制冷剂有：氨、水、二氧化硫、二氧化碳、氟里昂等。 常用载冷剂：水、盐水溶液和有机物溶液（乙二醇、丙二醇）
速冻与缓慢冻结
速冻与缓慢冻结对食品品质的影响
速 冻 由于产生的大量的细小冰晶均匀地分布在细胞 内外、基本保持食品原料的组织结构、解冻后 冰 晶就地融化、能基本恢复冻结前的状态。 缓慢冻结 水结冰后体积增大、细胞间隙生成的巨大 冰晶 破坏了食品原料的组织结构。解冻后无法恢 复 原状、出现组织软化、汁液流失、风味、营养 物质损失严重。