黄山学院食品工程原理复习题新6.docx

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黄山学院食品工程原理复习题新6

单元操作按其理论基础可分为下列三类：

（1）流体流动过程

（2）传热过程

（3）传质过程

三传理论

1、动量传递（momentumtransfer）：

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，到可以用动量传递的理论去研究。

2、热量传递（heattransfer）:

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，到可以用热量传递的理论去研究。

3、质量传递（masstransfer）:

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，到可以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。

国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的。

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。

圆管中有常温下的水流动,管内径d=100mm,测得其中的质量流量为15.7kg.s-1,其体积流量为_________.平均流速为______。

***答案***

0.0157m3.s-12.0m.s-1

流体在圆形管道中作层流流动,如果只将流速增加一倍,则阻力损失为原来的____倍;如果只将管径增加一倍,流速不变,则阻力损失为原来的_____倍。

***答案***

2；1/4

离心泵的流量常用＿＿＿＿＿＿＿＿调节。

***答案***

出口阀

某输水的水泵系统,经管路计算得,需泵提供的压头为He=25m水柱,输水量为20kg.s-1,则泵的有效功率为_________.

***答案***

4905w

用饱和水蒸汽加热空气时，换热管的壁温接近____________的温度，而传热系数K值接近____________的对流传热系数。

***答案***

饱和水蒸汽；空气

实现传热过程的设备主要有如下三种类型___________、_____________、__________________.

***答案***

间壁式蓄热式直接混合式

中央循环管式蒸发器又称_______________。

由于中央循环管的截面积_______。

使其内单位容积的溶液所占有的传热面积比其它加热管内溶液占有的______________，因此，溶液在中央循环管和加热管内受热不同而引起密度差异，形成溶液的_______________循环。

***答案***

标准式，较大，要小，自然

圆管中有常温下的水流动,管内径d=100mm,测得中的体积流量为0.022m3.s-1,质量流量为_________,平均流速为_______。

***答案***

22kg.s-1;2.8m.s-1

球形粒子在介质中自由沉降时，匀速沉降的条件是_______________。

滞流沉降时，其阻力系数=____________.

***答案***

粒子所受合力的代数和为零24/Rep

某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃,而外层包上隔热层表面温度为20℃,采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=0.57w.m-1.K-1,此时单位面积的热损失为_______。

（注:

大型容器可视为平壁）

***答案***

1140w

非结合水份是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

***答案***

主要以机械方式与物料相结合的水份。

设离心机转鼓直径为1m，转速n=600转.min-1，则在其中沉降的同一微粒，比在重力沉降器内沉降的速度快____________倍。

***答案***

201

用冷却水将一定量的热流体由100℃冷却到40℃，冷却水初温为15℃，在设计列管式换热器时，采用两种方案比较，方案Ⅰ是令冷却水终温为30℃，方案Ⅱ是令冷却水终温为35℃，则用水量WI＿＿WII，所需传热面积AI＿＿＿AII。

（大于，等于，小于）

***答案***

大于，小于

多效蒸发的原理是利用减压的方法使后一效的蒸发压力和溶液的沸点较前一效的____________，以使前一效引出的______________作后一效_________，以实现_____________再利用。

***答案***

为低、二次蒸汽、加热用、二次蒸汽

物料干燥时的临界水份是指＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；它比物料的结合水份＿＿＿＿。

***答案***

由恒速干燥转到降速阶段的临界点时，物料中的含水率;大

颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响：

原因：

由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。

其结果能减小溶解过程的阻力

过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比

流体:

在剪应力作用下能产生连续变形的物体，流体是气体与液体的总称。

质点：

由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备

尺寸、远大于分子自由程。

工程意义：

利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。

流体的特征：

具有流动性；

无固定形状，随容器形状而变化；

受外力作用时内部产生相对运动。

不可压缩流体：

流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体。

可压缩流体：

流体的体积如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。

质量力：

万有引力、达朗贝尔力

表面力：

压力、剪力

压力：

流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。

压力的特性：

流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；

任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；

作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。

压力的单位:

帕斯卡,Pa,N/m2（法定单位）;

标准大气压,atm;

某流体在柱高度;

bar（巴）或kgf/cm2等。

表压＝绝对压力－大气压力

真空度＝大气压力－绝对压力

粘性：

流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性

运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。

流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。

牛顿粘性定律：

多效蒸发的原理是利用减压的方法使后一效的蒸发压力和溶液的沸点较前一效的____________，以使前一效引出的______________作后一效_________，以实现_____________再利用。

***答案***

为低、二次蒸汽、加热用、二次蒸汽

恒定的干燥条件是指空气的＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿以及＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿都不变。

***答案***

湿度、温度、速度与物料接触的状况

物料的临界含水量的大小与______________________________________

_________________等因素有关。

***答案***

物料的性质，厚度和恒速干燥速度的大小

指示液的选取：

指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；

其密度要大于被测流体密度。

应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。

位能：

流体受重力作用在不同高度所具有的能量。

1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。

理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。

利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：

管内流体的流量；

输送设备的功率；

管路中流体的压力；

容器间的相对位置等。

位能基准面的选取：

必须与地面平行；

宜于选取两截面中位置较低的截面；

若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。

截面的选取：

与流体的流动方向相垂直；

两截面间流体应是定态连续流动；

截面宜选在已知量多、计算方便处。

Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。

流动边界层：

存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。

边界层厚度：

边界层外缘与壁面间的垂直距离。

边界层区（边界层内）：

沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。

主流区（边界层外）：

速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。

边界层分离的必要条件：

流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度

边界层分离的后果：

产生大量旋涡；造成较大的能量损失。

直管阻力：

流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；

局部阻力：

流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。

减少流动阻力的途径：

管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；

尽量不安装不必要的管件和阀门等；

管径适当大些。

设计型计算步骤：

设计要求：

规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1（或静压能p1）。

给定条件：

（1）供液与需液点的距离，即管长l；

（2）管道材料与管件的配置，即及；

（3）需液点的位置z2及压力p2；

（4）输送机械We。

选择适宜流速----------确定经济管径

安装及优缺点：

（1）安装在稳定流段，上游l>10d，下游l>5d；

（2）结构简单，制造与安装方便；

（3）能量损失较大。

泵的分类，按工作原理分：

叶片式泵往复泵旋转式泵

按用途分：

清水泵油泵耐腐蚀泵杂质泵

离心泵的选用：

（1）根据液体的性质确定类型

（2）确定管路流量和所需外加压头。

Q生产任务，H管路的特性方程。

（3）根据所需Q和H确定泵的型号

①查性能表或曲线，要求泵的H和Q与管路所需相适应。

②若需Q有变，以最大Q为准，H应以最大Q值查找。

③若泵的H和Q与管路所需不符，在邻型号中找H和Q都稍大一点的。

④若几个型号都行，应选在操作条件下最高者

⑤若液体性质与清水相差大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，看是否能满足要求。

⑥为保险，所选泵可以稍大；但若太大，能量利用程度低。

离心泵的安装与操作

安装：

①安装高度应小于允许安装高度

②尽量减少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；调节阀应装于出口管路。

操作：

①启动前应灌泵，并排气。

②应在出口阀关闭的情况下启动泵

③停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮

④经常检查轴封情况

往复泵的操作要点和流量调节

（1）适用场合与流体（Q不太大，H较高，非腐蚀和悬浮物）

（2）安装高度有一定的限制

（3）有自吸作用，启动前无需要灌泵

（4）一般不设出口阀，有也必须打开启动

（5）往复泵的流量调节方法：

①用旁路阀调节流量②改变曲柄转速

离心式通风机的结构特点

①叶轮直径较大——适应大风量

②叶片数较多

③叶片有平直、前弯、后弯

不求高效率时——前弯

④机壳内逐渐扩大的通道及出口截面常为为矩形

热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：

热传导对流辐射

强制对流：

因泵（或风机）或搅拌等外力所导致的对流称为强制对流。

自然对流：

由于流体各处的温度不同而引起的密度差异，致使流体产生相对位移，这种对流称为自然对流。

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。

温度场：

空间中各点在某一瞬间的温度分布，称为温度场。

传热速率（热流量）：

单位时间通过传热面积的热量。

用Q表示，单位W（J/s）。

热通量（热流密度）：

单位时间通过单位传热面积的热量q，单位W/m2

单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比

对流传热：

是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。

影响重力沉降速度的主要因素是什么？

为了增大沉降速度以提高除尘器的生产能力，你认为可以采取什么措施？

***答案***

由重力沉降式Ut=dp2（ρs-ρ）g/（18μ）可见，影响重力沉降速度Ut的主要是dp和μ（Ut∝dp，Ut∝1/μ，为提高Ut，在条件允许的情况下，可用湿法增大颗粒直径。

这样可大大增大Ut，较可行的办法是让含尘气体先冷却，使其粘度下降，也可使Ut增大。

说明列管式换热器的基本结构。

***答案***

由壳体、管束、管板、封头等组成。

蒸发与加热操作相比，有何特点？

***答案***

（1）蒸发的料液是溶有不挥发性溶质的溶液，在相同压力下，其沸点比纯溶剂的沸点高，溶液浓度愈大，影响愈显著。

（2）蒸发时，要汽化大量溶剂，所以耗汽量大。

（3）蒸发的溶液本身具有某些特性，如热敏性，伴有结晶产生等，也会给蒸发过程带来一定的影响。

多效蒸发中，“最后一效的操作压强是由后面的冷凝能力确定的。

”这种说法是否正确？

冷凝器后使用真空泵的目的是什么？

***答案***

不对。

蒸发室的操作压强是根据工艺操作要求，料液的特性，经济效果等应方面而定的。

最后一效操作压强是由后面冷凝器的真空度确定的，真空度太高时，导致冷凝器的T*太低，冷凝困难，这是决定最后一效的操作压强时应考滤的。

使用真空泵的目的是排除凝性气体，维持蒸发器内要求的真空度。

有一高温炉，炉内温度高达1000℃以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。

本题目有题图：

titu185.bmp

***答案***

炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。

在炉壁内通过传导传热，将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，它与炉内对流与辐射传热相串联。

炉外通过对流与辐射并联联合传热，将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联，所以该传热过程的特点是：

（1）传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；

（2）并联、串联的联合传热同时存在。

工业生产中对溶液的浓缩，为何采用真空蒸发？

*****答案*****

因为：

（1）加热蒸汽压力相同时，真空蒸发时溶液的沸点较低，则有效温度差较大，可使传热面积A减小。

（2）真空蒸发，可蒸发不耐高温的溶液。

（3）真空蒸发，可利用低压蒸汽或废汽作加热剂，

（4）真空蒸发时，由于溶液沸点低，设备的热损失小。

影响对流传热系数的主要因素：

1流体的状态：

液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。

有相

变时对流传热系数比无相变化时大的多；

2流体的物理性质：

影响较大的物性如密度р、比热cp、导热系数

λ、粘度μ等；

3流体的运动状况：

层流、过渡流或湍流；

4流体对流的状况：

自然对流，强制对流；

5传热表面的形状、位置及大小：

如管、板、管束、管径、管

长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。

常压下，空气以15m/s的流速在长为4m，φ60×3.5mm的钢管中流动，温度由150℃升到250℃。

试求管壁对空气的对流传热系数。

解：

此题为空气在圆形直管内作强制对流

定性温度t=（150+250）/2=200℃

查200℃时空气的物性数据（附录）如下

Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m.℃

μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3

Pr=0.68

特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053m

l/d=4/0.053=75.5>50

Re=duρ/μ=（0.053×15×0.746）/（0.6×10-5）

=2.28×104>104（湍流）

Pr=cpμ/λ=（1.026×103×26.0×10-5）/0.03928=0.68

本题中空气被加热,k=0.4代入

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

=0.023×（22800）0.8×（0.68）0.4

=60.4

W/m2·℃

蒸汽冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。

膜状冷凝：

由于冷凝液能润湿壁面，因而能形成一层完整的膜。

在整个冷凝过程中，冷凝液膜是其主要热阻。

滴状冷凝：

若冷凝液不能润湿避免，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝称为滴状冷凝。

在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。

蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。

工业上沸腾的方法有两种：

管内沸腾大溶积沸腾（池内沸腾）

根据传热温差的变化，可将液体沸腾传热过程分为以下四个阶段：

自然对流阶段泡核沸腾阶段膜状沸腾阶段稳定腊状沸腾阶段

热辐射能物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。

食品热加工分直接加热和间接加热。

一列管式换热器，由Ø25×2.5mm的钢管组成。

管内为CO2，流量为6000kg/h，由55℃冷却到30℃。

管外为冷却水，流量为2700kg/h，进口温度为20℃。

CO2与冷却水呈逆流流动。

已知水侧的对流传热系数为3000W/m2·K，CO2侧的对流传热系数为40W/m2·K。

试求总传热系数K，分别用内表面积A1，外表面积A2表示。

解：

查钢的导热系数λ=45W/m·K

取CO2侧污垢热阻Ra1=0.53×10-3m2·K/W

取水侧污垢热阻Ra2=0.21×10-3m2·K/W

以内、外表面计时，内、外表面分别用下标1、2表示。

生产上换热器内流体流动方向大致可分为下列四种情况：

并流逆流错流折流

例在一由Ø25×2.5mm钢管构成的废热锅炉中，管内通入高温气体，进口500℃,出口400℃。

管外为p=981kN/m2压力（绝压）的水沸腾。

已知高温气体对流传热系数a1=250W/m2·℃，水沸腾的对流传热系数a2=10000W/m2·℃。

忽略管壁、污垢热阻。

试求管内壁平均温度Tw及管外壁平均tw。

解：

（a）总传热系数

以管子内表面积S1为基准

（b）平均温度差在p=981kN/m2，水的饱和温度为179℃

（c）计算单位面积传热量

Q/S1=K1Δtm=242×271=65580W/m2

（d）管壁温度

T----热流体的平均温度，取进、出口温度的平均值

T=（500+400）/2=450℃

管内壁温度

管外壁温度

℃

用离心泵经φ57×3.5mm的钢管,将敞口贮槽内的有机溶剂（密度为800kg.m-3,粘度为20cp）输送到反应器中。

设贮槽内的液面离反应器内的液面高度保持16m，见附图。

已知钢管总长度（包括局部阻力当量长度）为25m，反应器内的压力恒定为4×98100Pa（表压）,有机溶液输送量为6m3.h-1,试确定泵提供的压头。

本题目有题图：

titu027.bmp

***答案***

取敞口贮槽液面为1-1截面，反应器内液面为2-2截面，在1-1与2-2截面间列柏努利方程，并以1-1截面为基准面：

gZ1+（u12/2）+（p1/ρ）+W=gZ2+（u22/2）+（p2/ρ）+Σhf

W=（Z2–Z1）g+[（u22-u12）/2]+[（p2–p1）/ρ]+Σhf

Σhf=λ[（l+le）/d]（u22/2）

u=（6/3600）/[（π/4）×0.052]=0.8488m.s-1u1≈u2≈0Z1=0

Re=duρ/μ=0.05×0.8488×800/（20×10-3）=1697.6<2000

则λ=64/Re=64/1697.6=0.0377

Σhf=0.0377×（25/0.05）×（0.84882/2）=6.7904J.kg-1

故W=16×9.81+4×98100/800+6.79=654J.kg-1

H=W/g=66.7m

现要设计一降尘室来净制气体，要求降尘室的最大生产能力为1500标准m3/h，近似常压的含尘气体。

气体的温度为50℃，粘度为2×10-5pa.s，密度为1.5kg/m3，而层粒的密度为3500kg.m-3，最小直径为10μm，沉降过程服从斯托克斯定律，试求：

（1）降尘室的面积为多少m2？

（取整数）

（2）若此降尘室只允许做成宽4m，高2m，那么此降尘室的最小长度为多少m？

（3）如果厂房面积有限，要求降尘室的长度为你所计算出的最小长度的一半，你认为座采取什么措施来完成此任务？

***答案***

（1）求A

Ut=（10×10-6）2（3500－1.5）×9.81/（18×2×10-5）

=9.53×10-3m.s-1

V=V标T/T标=1500×（50+273）/273=1774.73m3/h

A=V/Ut=（1774.73/3600）/（9.53×10-3）=52m2

（2）求LL=（A/b）=（52/4）=13m

（3）当长度缩小一半时，为完成此生产任务，可在降尘室中间加一隔板。

某燃烧炉的平壁由耐火砖（λ=1.05w.m-1.K-1）,绝热砖（λ=0.15w.m-1.K-1）和普通砖（λ=0.8w.m-1.K-1）三种材料组成。

已知耐火砖内侧温度为1273K，耐火砖与绝热砖接触面温度1213K，绝热砖与普通砖接触温度411K；普通砖厚230mm，设为稳定热传导，问：

（1）耐火砖和绝热砖应砌多厚才能保证热损失不超过274w.m2

（2）普通砖的外侧温度为多少？

***答案***

δ耐=λ耐×△t耐/Q=1.05（1273-1213）/274=0.2299m

δ绝=λ绝×△t绝/Q=0.15（1213-411）/274=0.4391m

△t普=Q×δ普/λ普=274×0.23/0.8=78.78K

411-t外=78.78

∴t外=332.2K

某车间有一台换热面积（以外表面积计）为2.5m2的单程列管换热器。

用180℃的热废气预热轻油,轻油走管外,其流量为200kg.h-1,比热为2kJ.kg-1.K-1,温度由30℃升至80℃。

轻油与热气体作逆流流动。

热废气出口温度为70℃。

求：

换热器的热负荷和传热系数。

***答案***

A＝2.5m2,Cp＝2kJ.kg-1.K-1

Δtm＝（（180-80）-（70-30））/ｌｎ（100/40）

＝65.5℃

Q＝200×2×（80-30）＝20000kJ.h-1

Q＝KAΔtm

∴K＝20000/（65.5×2.5）＝122.2kJ.m-2.K-1.h-1=34ｗ.m-2.K-1

在单效真空蒸发器中，将流量为10000kg.h-1的某水溶液从10%连续浓缩至50%。

原料液温度为31℃。

估计溶液沸点升高为7℃，蒸发室的绝对压强为0.2kgf.cm-2。

加热蒸汽压强为2kgf.cm-2（绝压），其冷凝水出口温度为79℃。

假设总传热系数为1000w.m-2.K-1，热损失可忽略。

试求加热蒸消耗量和蒸发器的传热面积。

当地大气压为1kgf.cm-2。

已知0.2kgf.cm-2时蒸汽饱和温度为59.7℃，汽化潜热为2356kJ.kg-1及焓2605.45kJ.kg-1；2kgf.cm-2时蒸汽饱和温度为119.6℃，汽化潜热为2206kJ.kg-1及焓为2708kJ.kg-1。

***答案***

溶液沸点t1=T′+△=59.7+7=66.7℃

蒸发量W=F（1－（X0/X1）=10000（1－（0.1/0.5）=8000kg.h-1

溶液的比热Cp=4.187（1－X