식품공학 - 유체흐름과 식품공정

문서 내 토픽

1. 식품공정과 유체

식품 공정 중에는 많은 유체의 흐름이 필수적으로 존재합니다. 파이프, 교반기, 반응기 등에서 흐름이 존재하며 또한 열을 가해주거나 열을 제거해 주는 공정을 동반합니다. 유체의 흐름은 각 단위 공정을 연결해 주는 공정이며, 거의 모든 단위 공정에서 흐름은 가장 기본적이고 필수적인 특성으로 존재합니다. 유체에는 액체(물, 우유, 기름, 술, 당, 용매 등)와 기체(질소, 공기, 스팀, 이산화탄소 등)가 포함되며, 분체(쌀, 밀가루, 설탕 등 입자화 된 물질)도 유체로 간주하여 취급하는 경우가 많습니다.
2. 유체 흐름의 기본 원리

유량속도는 관 속을 흐르는 액체의 속도를 나타내며, 관의 중심에서 최대이고 관의 벽 쪽으로 갈수록 속도가 감소하여 관 벽에서는 0이 됩니다. 유체의 점도는 유체의 흐름에 대한 저항의 정도를 나타내는 유체의 물성입니다. 뉴턴의 점도식에 따르면 전단응력이 속도 기울기에 선형적으로 비례하는 유체를 뉴턴 유체라 하며, 직선관계를 벗어나는 모든 유체를 비뉴턴 유체라 합니다. 비뉴턴 유체의 특성은 Power law 모델, Herschel-Bulkley 모델 등으로 묘사할 수 있습니다.
3. 유체의 흐름 상태 판별

유체의 흐름 상태는 층류와 난류로 구분할 수 있습니다. 층류는 유체의 유속분포가 포물선 모양을 보이는 경우이며, 난류는 유체 흐름의 속도나 방향이 일정치 않은 경우입니다. Reynolds number(레이놀즈 수)는 유체의 흐름 상태를 결정하는 무차원수로, NRe ≤ 2100일 때 층류, NRe ≥ 4000일 때 난류, 2100 < NRe < 4000일 때 전이영역입니다.
4. 유체의 흐름과 물질수지

유체의 흐름에 관계되는 역학을 유체동역학이라고 하며, 유체의 운동은 질량과 속도를 갖고 있으며 위치, 압력 등의 에너지들에 의하여 영향을 받습니다. 정상상태에서 유입량과 유출량은 같으며, 비압축성 유체의 경우 유체의 밀도가 흐름 중에 변하지 않습니다. 식품 공정에 유입되거나 유출되는 유체의 양이나 속도 등을 구하는데 물질수지 식을 사용할 수 있습니다.
5. 유체의 흐름과 에너지수지

유체의 흐름에서는 질량보존의 법칙과 함께 에너지보존의 법칙이 존재합니다. 유체가 상태1에서 상태2로 이동할 때 단위 질량의 유체가 갖는 에너지(potential energy, kinetic energy, pressure energy)의 형태로 변화하여도 에너지의 총합은 일정합니다. Bernoulli 식은 유체가 흐르는 과정에서 마찰에너지 손실이 없거나 펌프나 가열/냉각 장치가 없는 경우에 적용할 수 있습니다. 실제 식품 공정에서는 유체의 이동 시 펌프를 사용하며, 가열 또는 냉각되어 열에너지가 관여하므로 총괄 기계적 에너지수지를 적용해야 합니다.

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1. 식품공정과 유체

식품 공정에서 유체의 역할은 매우 중요합니다. 유체는 원료와 제품을 운반하고, 열과 물질을 전달하며, 공정 장치를 냉각하는 등 다양한 기능을 수행합니다. 유체의 물리적 특성과 흐름 특성을 이해하는 것은 식품 공정의 효율성과 안전성을 높이는 데 필수적입니다. 유체의 점도, 밀도, 표면장력 등의 물성은 공정 설계와 운전에 큰 영향을 미치며, 유체의 층류 및 난류 흐름 특성은 열전달, 물질전달, 압력 강하 등에 중요한 요인이 됩니다. 따라서 식품 공정 기술자들은 유체 역학의 기본 원리를 깊이 있게 이해하고, 이를 실제 공정에 적용할 수 있어야 합니다.
2. 유체 흐름의 기본 원리

유체 흐름의 기본 원리를 이해하는 것은 식품 공정 설계와 운전에 매우 중요합니다. 유체 흐름의 기본 원리에는 연속방정식, 베르누이 방정식, 나비어-스토크스 방정식 등이 포함됩니다. 연속방정식은 유체의 질량 보존을 나타내며, 베르누이 방정식은 유체의 압력, 속도, 높이 간의 관계를 설명합니다. 나비어-스토크스 방정식은 유체의 운동량 보존을 나타내는 방정식으로, 유체의 층류 및 난류 흐름을 해석하는 데 사용됩니다. 이러한 기본 원리를 이해하면 유체의 압력 강하, 유속 분포, 열전달 등을 예측할 수 있어 식품 공정 설계와 운전에 활용할 수 있습니다.
3. 유체의 흐름 상태 판별

유체의 흐름 상태를 정확히 판별하는 것은 식품 공정 설계와 운전에 매우 중요합니다. 유체의 흐름은 크게 층류와 난류로 구분되며, 이는 레이놀즈 수에 따라 결정됩니다. 레이놀즈 수가 낮은 경우 층류 흐름이 나타나며, 레이놀즈 수가 높은 경우 난류 흐름이 나타납니다. 층류 흐름과 난류 흐름은 유체의 압력 강하, 열전달, 물질전달 등의 특성이 크게 다르므로, 공정 설계 시 정확한 흐름 상태 판별이 필요합니다. 또한 유체의 점도, 밀도, 유속 등의 물성이 흐름 상태에 큰 영향을 미치므로, 이러한 물성 변화에 따른 흐름 상태 변화도 고려해야 합니다. 따라서 식품 공정 기술자들은 유체 흐름 상태 판별 기법을 숙지하고, 이를 실제 공정에 적용할 수 있어야 합니다.
4. 유체의 흐름과 물질수지

유체의 흐름 특성은 식품 공정의 물질수지 계산에 매우 중요한 요소입니다. 유체의 속도 분포, 압력 강하, 난류 확산 등은 물질 전달 과정에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 예를 들어, 유체의 층류 흐름에서는 물질 전달이 주로 확산에 의해 일어나지만, 난류 흐름에서는 대류 효과가 크게 작용하여 물질 전달이 더 효과적으로 일어납니다. 또한 유체의 압력 강하는 펌프 동력 등 에너지 소비에 영향을 미치므로, 이를 고려한 물질수지 계산이 필요합니다. 따라서 식품 공정 기술자들은 유체 흐름 특성을 정확히 이해하고, 이를 바탕으로 물질수지를 계산할 수 있어야 합니다.
5. 유체의 흐름과 에너지수지

유체의 흐름 특성은 식품 공정의 에너지수지 계산에도 중요한 요소입니다. 유체의 압력 강하, 속도 분포, 난류 효과 등은 펌프 동력, 열교환기 성능, 반응기 효율 등에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 예를 들어, 유체의 압력 강하가 크면 펌프 동력이 증가하여 에너지 소비가 늘어나게 됩니다. 또한 유체의 난류 효과는 열전달 계수를 높여 열교환기 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이처럼 유체 흐름 특성을 정확히 이해하고 이를 에너지수지 계산에 반영하는 것이 중요합니다. 식품 공정 기술자들은 유체 역학의 기본 원리를 바탕으로 유체 흐름 특성을 분석하고, 이를 통해 에너지 효율적인 공정 설계와 운전을 할 수 있어야 합니다.

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