食品工程原理 第二章 流体输送
食品工程原理复习资料重要公式总结
目录第1章流体流动与输送设备第一节流体静力学·····················································第二节流体动力学····················································第三节管内流体流动现象··············································第四节流体流动阻力··················································第五节管路计算······················································第六节流速与流量的测量··············································第七节流体输送设备··················································第2章传热······························································第一节概述·····························································第二节热传导···························································第三节对流传热·························································第四节传热计算·························································第五节对流传热系数关联式···············································第六节辐射传热························································第七节换热器··························································第4章非均相物系分离·····················································第一节概述···························································第二节颗粒沉降·······················································第三节过滤····························································第四节过程强化与展望·················································第5章干燥······························································第一节概述·····························································第二节湿空气的性质及湿度图·············································第三节干燥过程的物料衡算与热量衡算·····································第四节干燥速率和干燥时间···············································第五节干燥器···························································第六节过程强化与展望···················································第1章 流体流动与输送设备第一节 流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。
食品工程原理 流体流动PPT课件
1
K-K
Zs
ps s
离心泵的安装高度
第25页/共46页
一、汽蚀现象
当pkpv， 叶轮中心汽化汽泡
被抛向外围
压力升高 凝结局部真空
周围液体高速冲向汽泡中心
撞击叶片(水锤)
• 伴随现象
①泵体振动并发出噪音
②H, qv , 严重时不送液； ③时间长久，水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片
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一、汽蚀现象
离心泵的结构组成
第4页/共46页
一、离心泵的工作原理和主要部件
1.离心泵的工作原理
灌满液体 ，叶轮旋转 离心力甩出液体
泵壳内进行能量的转换
流体被压出 叶轮中心形成真空 在压力差的作用下流体被压入泵内
思考： 流体在泵内都获得了什么能量？其中那种能量占主导 地位？
常压流体 被甩出
机械旋转 的离心力
高速流体
汽蚀现象产生的原因
• 安装高度太高； • 被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高； • 吸入管路阻力或压头损失太高。
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二、离心泵的安装高度
1、允许吸上真空度
为避免汽蚀现象，安装高度必须加以限制，即存在最大 安装高度又称为允许吸上高度，指泵的吸入口与吸入贮槽 液面间可允许达到的最大垂直距离，以Zs表示。
流体分为液体和气体。 通常，将输送液体的机械称为泵； 将输送气体的机械按所产生压强的高低分为通风机、 鼓风机、压缩机和真空泵。 流体输送机械按工作原理分为：
动力式（叶轮式）：离心式、轴流式 容积式（正位移式）：往复式、旋转式 其他类型：喷射式等
第1页/共46页
离心泵
第2页/共46页
离心泵的外观
第3页/共46页
2第二章流体输送_食品工程原理
(四）转速对离心泵特性的影响
当液体的粘度不大且泵的效率不变时，泵的流量、压 头、轴功率与转速的近似关系可表示为：
Q' n' = Q n
H' n' 2 =( ) H n
N' n' 3 =( ) N n
——比例定律
(五）叶轮直径的影响
某一尺寸的叶轮外周经过切削而使D2 变小，若切 削使直径D2 减小的幅度在20%以内，效率可视为不变 ，并且切削前、后叶轮出口的截面积也可认为大致相 等， 此时有：
P − P u12 将 HS = P − p1 / ρg 代入 Hg = a 1 − − H f 0−1 得 a ρg 2g
u Hg = HS − − H f 0−1 ——允许吸上高度的计算式 允许吸上高度的计算式 2g
2 1
HS值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能好，安 装高度Hg越高。 HS与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气 压等因素有关。 通常由泵的制造工厂 试验测定，实验在大 气压为10mH2O下,以 20℃清水为介质进行 的。
(一)离心泵的结构 一
1.叶轮 通常有开式、半开式和闭式 叶轮 通常有开式、
2.泵壳 呈蜗牛壳形，有时在叶轮和泵壳之间 泵壳 呈蜗牛壳形， 安装一个导轮。 安装一个导轮。
1－泵壳 － 2－叶轮 － 3－导轮 －
3. 轴封装置 填料密封，机械密封 填料密封，
(二)离心泵的工作原理 二 离心泵的工作原理
(二）安装高度 Hg
离心泵的安装高度，指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可 允许达到的最大垂直距离，以Hg表示。 计算方法：允许吸上真空高度法和气蚀余量法。
贮槽液面0-0’与入口处1-1’两截面间列 柏努利方程:
食品工程原理教学大纲
《食品工程原理》教学大纲前言食品工程原理讲授食品加工过程的各种工程概念和单元操作的一门课程。
通过本课程的课堂讲授及实验教学，要求学生具备以下能力：(1) 熟悉和了解现代化食品生产中各个单元操作的作用原理，过程描述，典型设备的结构和工艺计算。
(2) 能够分析解决食品生产中出现的问题。
例如，在实际生产中涉及的因数较多，需要研究如何判断它们的主次来确定适宜的设备，以及优惠的操作条件或经济适用的加工方案等；此外，需要了解将实验室试验成果应用到实际生产中去的方法，即过程的开发。
本课程是食品科学与工程专业的必修课，总学时为72学时，其中理论课54学时，实验18学时，4.0学分。
理论课教学方法主要是课堂讲授，配合多媒体等方法进行教学。
教学目的要求和内容引论【目的要求】1、了解食品工程原理研究的主要内容，单元操作的概念和“三传理论”。
2、熟悉物料衡算和能量衡算的计算方法。
3、了解食品工程原理与化工原理的联系。
4、了解国际单位制和量纲含义。
【教学内容】1、单元操作的概念、分类，“三传理论”。
2、食品工程原理的研究内容、课程性质、学习方法。
3、食品工程原理的由来，食品工程原理与化工原理的联系和区别。
4、物料衡算的计算方法。
5、能量衡算的计算方法。
6、单位制和量纲。
【教学方法】讲授、多媒体。
第一章流体流动【目的要求】1、掌握密度、压强、绝压、表压、真空度的有关概念、有关表达式和计算。
2、掌握流体静力学平衡方程式。
3、掌握流体流动的基本概念——流量和流速，掌握稳定流和不稳定流概念。
4、掌握连续性方程式、柏努利方程式及有关应用、计算。
5、掌握牛顿黏性定律及有关应用、计算。
6、掌握雷诺实验原理、雷诺数概念及计算、流体三种流态判断。
7、掌握流体流动阻力计算，掌握简单管路计算，了解复杂管路计算方法。
8、了解测速管、流量计的工作原理，会利用公式进行简单计算。
【教学内容】2、流体静力学平衡方程式。
3、流量和流速概念。
4、稳定流和不稳定流概念。
1.食品工程原理流体流动
因此，水在输送管内的实际操作流速为：
u 1.62m/s u qvv 00..778855dd22
30 0.785(0.081)23600
所选管径合适
3、稳定流动与不稳定流动
稳定流动(steady flow) ：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。 (p16)
(3) 管道直径的估算(经济性原则）
若以d表示管内径，则式u＝qV/A 可写成
u qv
qv
π4 d2
0.785d 2
d
qv 0.785u
流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应 根据经济权衡决定，一般液体流速为0.5～3m/s。气 体为10～30m/s。某些流体在管道中的常用流速范围， 可参阅有关手册。(P16)
换算关系：
1标准大气压(atm)=101325Pa =1.0330kgf/cm2 =1.0133bar(巴) =10.33mH2O =760mmHg
压力可以有不同的计量基准。
绝对压力Pab（absolute pressure） ：以绝对真空(即零大气
压)为基准。
表压Pg(gauge pressure)：以当地大气压为基准。它与绝对
单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称
q 为体积流量，以 V表示，其单位为m3/s。 质量流量 (mass flow rate) qm, 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qm表示，其单位为kg/s。体积流
量与质量流量之间的关系为：
qm=ρqV
2、流速 (1) 平均流速 (average velocity) u, m/s
u＝qV/A
流量与流速关系为：
04169食品工程原理大纲
第一章流体流动和输送（*计算题）（一）课程内容化工、生物、食品、环境等许多生产领域中的处理对象多为流体，掌握流体流动的规律是解决流体输送以及研究传热、传质过程及设备的重要基础。
本章重点讨论流体流动的基本原理，并运用基本原理分析和解决流体输送过程的计算问题。
（二）学习要求要求通过对本章的学习能理解和掌握流体和流体流动的一些基本概念和基本原理，掌握运用基本原理分析和解决流体输送过程的基本计算问题。
（三）考核知识点和考核要求第一节流体的物理性质[1]了解：流体的压缩性。
[2]理解：连续性假定；流体的密度；流体的黏度。
[3]掌握：牛顿黏性定律。
第二节流体静力学[1]了解：体积力；表面力[2]理解：流体压强的度量。
[3]掌握：压强的静力学测量。
[4]熟练掌握：流体静力学基本方程。
第三节流体流动的基本概念[1]了解：边界层和边界层的分离。
[2]理解：稳态与非稳态流动；流量与流速；流动的形态与雷诺数。
[3]掌握：层流与湍流的特性。
第四节流体流动的质量衡算和能量衡算[1]掌握：质量衡算；能量衡算。
[2]熟练掌握：连续性方程；柏努利方程的应用。
（①大计算题）第五节流体流动的阻力[1]了解：直管阻力损失的实验研究；因次分析法。
[2]理解：直管阻力；局部阻力；当量直径[3]掌握：层流时的速度分布；湍流的速度分布；局部阻力损失的计算。
[4]熟练掌握：直管阻力损失的计算；（大计算题）第六节流体输送管路的计算[1]了解：分支管路计算。
[2]理解：管路特性曲线。
[3]掌握：管径的确定；并联管路计算。
[4]熟练掌握：简单管路计算；管路特性方程。
第七节流速和流量的测定[1]了解：文丘里流量计[2]理解：皮托管、孔板流量计和转子流量计的原理。
[3]掌握：毕托管、孔板流量计和转子流量计的计算方法。
第八节非牛顿流体的流动[1]了解：非牛顿流体及其流动特点第九节液体输送机械[1]了解：离心泵的类型；往复泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵、漩涡泵的工作原理和特点。
食品工程原理难点
《食品工程原理》课程教学重点、难点绪论主要论述食品工程在食品科学中的地位；食品工程原理的研究对象，基本内容，发展概况；食品工程原理及工程设备在农、副、特产及食品加工中的应用。
1．食品工程原理的研究内容2．物料衡算和能量衡算第一章流体流动基本要求：熟练掌握流体静力学基本方程式，连续性方程式和柏努利方程式及其应用；正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念；掌握流体流动阻力的计算，简单管路的设计型计算和输送能力的核算。
了解测速管，文丘里流量计,孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。
重点：流体流动过程中的基本原理及流体在管内的流动规律；柏努利方程式的应用；流体在管道内的流动阻力产生的原因和摩擦阻力的计算；简单管路的计算。
难点：流体的不同流型的摩擦系数及其计算，简单管路的设计型计算和输送能力的核算。
基本内容：1．流体静力学原理流体静力学基本方程2．管内流体流动中的基本规律柏努利方程3．流体流动现象牛顿粘性定律4．流体流动的阻力直管阻力损失与局部阻力损失的计算5．管路计算简单管路、分支和汇合管路的特点和计算※6．流量测量第二章流体输送基本要求：了解离心泵的结构及基本方程式；掌握离心泵的性能参数及影响因素、泵的特性曲线、工作点和流量调节；掌握离心泵安装高度的确定原则；正确选用离心泵、风机的型号。
了解其它类型流体输送机械。
重点：离心泵的特性曲线及其影响因素；管路特性曲线方程式。
难点：离心泵的基本方程式；离心泵的工作点的改变；离心泵安装高度的计算。
基本内容：1．概述2．离心泵的基本方程3．离心泵的特性曲线及影响因素4．离心泵的工作点和流量调节5．离心泵的安装和选型※6．其他类型的流体输送机械第三章传热基本要求：熟练掌握热传导的基本原理，傅立利定律，平壁与圆筒壁的稳定热传导及计算，掌握对流传热的基本原理，牛顿冷却定律，对流传热系数关联式的用法和条件；熟练运用传热速率方程并对热负荷、平均温度差、总传热系数进行计算；要求能够根据计算结果及工艺要求选用合适的换热器。
食品工程原理 第二章 流体输送机械
流体输送机械
2．离心泵的主要性能 （1）离心泵的主要性能参数 要正确选择和使用离心 泵 ，必须了解其工作性能 参数， 离心泵泵体铭牌上 标注的性能参数主要有流量、扬程、轴 功率和效率等。 ① 流量。离心泵的流量是指单位时间内，泵所排出的 液体的体 积 ，也 称为泵 的 输液能力，用符 号 qv 表示， 单 位 为 m3/s 或m3/h,离心泵的流量与泵叶轮直径、叶片宽度以及 叶轮转速有关。 ② 扬程。在液体输送中离心泵给予单位重量（1N）液 体的能量， 称为泵 的 扬 程，又 称泵 的 压头 ，用符 号 H 表示， 单 位 m， 泵 的 扬 程由 实验测 得， 泵 的 扬 程取 决 于 泵 的 结构 （叶轮直径，叶片的弯曲情况）、转速和流量。
率不低于最高效率的92%的范围内工作。
流体输送机械
（3）影响离心泵性能的因素 ①液体物理性质 的影响 。因 泵 生 产 部 门 所提供的特性 参数或特性曲线是用常温清 水做实验测定的， 当所输送的 液体种类或输送条 件发生改 变时，流体的物理性 质将发生 变化，则要对原参数和特性曲线进行修正。 a．液体密度的影响。离心泵的流量、扬程和效率均与 密度无关，所以 H - qv 线、η- qv线保持不变。泵的轴功率 则与密度成正比，因此泵的原P-qv线应进行修正。 b．液体黏度的影 响 。离心 泵 所 输 送的液体黏度增大， 则泵的流量、扬程、效率均变小，而 轴功率增大，此时， 泵的三条特性曲线均应进行修正。
流体输送机械
图2-3 泵壳 1泵壳 2叶轮
流体输送机械
③轴封装置。由于泵轴转动而泵壳固定不动，因此泵 轴和泵壳之间必然有缝隙，这种缝隙如果与泵内高压液体 相通，则液体将从泵壳沿轴的四周漏出；如果缝隙和泵的
吸入口相通，则因吸入口为低压区，外界空气就会沿轴进
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【例 2-4】 在【例 2-2】中，若安装了 IS100 80 125型泵，试求此时泵的稳定工作点。再求此时
泵的有效功率。 解：管路特性曲线
H
z2
z1
p2 p1 g
6.38
10
9
l
d
le
5
qv
2
10
0
0
6.38 10 9
0.025
Z1
u12 2g
P1
g
H
Z2
u22 2g
P2
g
H Z2
Z1
u22 u12 2g
P2 P1
g
泵的铭牌上标出的性能参数指最高效率下的参数
三、离心泵的特性曲线
H
η
H
P
qV
影响特性曲线的因素：比例定律，切割定律
泵性能实验装置示意图
泵性能实验原理图。泵的流量，压头，功率，效率之间的关系，可以用实验方 法测得。在这套实验装置中，水是循环的，水泵前后安装了真空表和压力表，还有 流量计和电功率表。改变水的流量，读得真空表，压力表，功率表数据，即为一组 数据。读10—15组数据，就可以得到泵性能曲线。
选 用 IS 100 80 125 型 泵 ， 该 离 心 泵 的 性 能 参 数 如 下 ：
流量
扬程 H /m
气蚀余量 h / m
qv / m 3 h 1
60
24
4.0
100
20
4.5
120
16.5
5.0
60
19910 Pa
0 .101 MPa
试 计 算 ：（ 1 ）泵 的 安 装 高 度 。已 知 oC 水 的 饱 和 蒸 汽 压 为
解：在水池液面与喷水口截面列柏努利方程
Z1
u
2 1
2g
p1 g
H
Z2
u
2 2
2g
p2 g
Hf
85 u 2 3 6 0 0 (0 .1 0 6 )2 2 .6 8
4 p1 p 2 ， u1 0 ， z1 0
m s 1 ，
代入上式得
Hf
l
le
u
2 2
0 . 025
100 ( 2 . 68 ) 2
8 . 63
d 2g
0 . 106 2 9 . 81
H 10 ( 2 . 68 ) 2 8 . 63 19 m 2 9 . 81
查 王 志 魁 主 编 的 《 化 工 原 理 》 附 录 21， 可 选
管路工作时，液体要求泵提供的压头，可由柏努利方程求得，
H
z2
z1
p2 p1 g
u11
u
2 2
2g
hf
…………… (d)
由于位压头和静压头与流量无关，可令其为常数 A ，即 A
z2
z1
p2 p1 g
。又因为 u1 u2 ，所
以
u
2 2
u12
0 ，所以式 (d) 为：
泵性能实验装置
这是泵性能测定装置，它既可以测定泵性能曲线，还可以测定管道 阻力系数。
四、离心泵的工作点与流量调节
工作点——泵的特性曲线与管路特性曲线的交点
图 2-6 离心泵工作点示意图
流量调节：改变阀门开度，改变离心泵转速，改变叶轮直径
离心泵工作时，不仅取决于泵的特性曲线 H ~ qv 线，而且取决于工作管路的特性。当离心泵在给定
3.32 m s1 ；
u1
60
3600 0.12
2.12 m s1
4
4
∴ H 0.4 0.21 0.0210 6 3.322 2.122 0.4 23.44 0.332 24.2 m
1000 9.81
2 9.81
汽压具有的静压头 ( pv ) 之差，即 g
h
u
2 1
2g
p1 g
pv g
… … … (…b )
改 写 式 （ a） 并 将 式 （ b） 代 入 得 ：
Hg p 0 p v h Hf … … … … （ c ） g g
Hm ga x p g 0 p g v h 允许 Hf
T S100-80-125 型 离 心 泵
选择泵的依据是，计算管道中需要泵提供的压头H，和需要输送的液体流量Q， 然后查泵样本就可以了。
【 例 2 -3 】 在 【 例 2-2 】 的 输 水 系 统 中 ， 泵 的 吸 入 管 内 径 为 150 mm 吸 入 管 压 头 损1失 为 m[ H 2 O ]，
(2) 兰 州 地 区 的 安 装 高 度 为 ：
H g max
85000 19919 4.5 1 1.13 m 1000 9.81 1000 9.81
在兰州地区安装高度应更低，才能正常运行。所以该设计图用于兰州地区，则应该根据兰州地区大 气压数据进行修改。
这个例题说明，同样的工艺流程，用于海拔不同的地区，离心泵安装高度是不同的。
100
0.106 5
qv 2
H 10 0.00119qv2 将上式计算若干数据，如下表：
qv / m3 h 1
70
80
90
100
H /m
15.83
17.62
19.64
21.9
取 IS100-80-125 泵的特性曲线，
qv / m3 h 1
60
100
120
H /m
24
20
2g
H A hf
……………… (e)
hf
l le u 2 d 2g
l
le d
1 2g
(
qv 2 d 2 )2 (3600)2
Bqv2
4
其中
B
6.38 109
l
le d5
，
qv 单位为 m3 h 1
16.5
将泵性能曲线与管路特性曲线绘在图 2-7 中，
得到交点为： qv 94.5 m3 h 1 , H 20.8 m 此即泵的稳定工作点。
此时泵的有效功率为：
Pe
qv Hg
94.5 20.81000 9.81 3600
5
3
5 6W
图 2-7 【例 2-4】附图
第三节 其它类型泵
允许吸上真空高度Hs
Hg
p0
pv
u
2 1
Hf
g
2g
定义 Hs p 0 p 1 则 g
Hg
Hs
u
2 1
Hf
2g
六、离心泵的类型与选用 通过例题来学习
【 例 2-1 】 今 有 一 台 IS100 80 125 型 离 心 泵 ， 测 定 其 性 能 曲 线 时 的 某 一 点 数 据 如 下 ： qv 60 m3 h 1 ；真空计读数 pV 0.02MPa ，压力表读数为 0.21 MPa ，功率表读数为
2、避免“汽蚀”发生的条件：泵的吸入口的压力大 于吸液条件下被输送液体的饱和蒸汽压。
3、泵的安装高度：为了保证离心泵入口的压力不至 于太低，泵的安装高度不能超过一定的值。
泵的允许安装高度用允许吸上真空高度Hs和汽蚀余 量Δh来表示。
在 图 中 的 贮 槽 液 面 0-0 与 泵 入 口 处 1-1 截 面 ， 列柏努利方程得，
Pe
qv1
H
g
60 24.2 1000 9.81 3600
3956
W
Pe 3956 71% P 5550
我们可以根据实验读得的真空表，压力表，流量计，功率表的读数，计算得 到泵提供的压头H，泵功率Pe，泵效率η。从这个例题，我们学会计算泵功率Pe。 解决了第二讲中的第二个问题，计算泵功率Pe的问题。
5550W 。已知液体密度为 1000 kg m3 。真空计与压力计的垂直距离为 0.4 m ，吸入管直径为
100 mm ，排出管直径为 80 mm ，试求此时泵的扬程 H ，功率 Pe 和效率 。
解： H
h0
pM pV g
u
2 2
u12
2g
u2
60
3600 0.082
H A Bqv2 …………… ( f )
式 ( f ) 为管路特性曲线。离心泵的稳定工作点应是泵特性曲线（ H ~ qv 曲线）与管路特性曲线式 ( f )
的交点，如图 2-6 所示。
五、离心泵的“汽蚀”现象与安装高 度
1、 “汽蚀”现象：当泵的吸入口的压力小于或等于 吸液条件下被输送液体的饱和蒸汽压时，吸入的液 体会发生沸腾蒸发，形成大量汽泡。当汽泡被甩到 外周后，由于压力升高而迅速冷凝为液体，体积急 剧减小，造成对泵壳内壁的冲击、腐蚀。
第二章 流体输送(二)
二、离心泵的主要性能参数
1、流量（q v ）：m³/h或m/s³
2、扬程（压头）：m 3、功率（P）：有效功率— p e ，轴功率—P， w
4、效率（η ）： Pe P