食品工程原理复习题

单元操作的应用及特点？1、若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。2、均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。3、同一食品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。4、单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。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。物料衡算的步骤：（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。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。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：利用连续的数学工具，从宏观研究函数流体。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：yu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。质量流速：单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。稳定流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化：),,(,,zyxfupT不稳定流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化：),,,(,,zyxfupT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。层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。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l10d，下游l5d；（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改变曲柄转速气体输送机械在工业生产中的应用：①气体输送压力不高，但量大，动力消耗大②产生高压气体：终到设备压力高③生产真空：上游设备负压操作气体输送机械的一般特点①动力消耗大②设备体积庞大③特殊性——气体的可压缩性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某冷库外壁内、外层砖壁厚均为12cm，中间夹层厚10cm，填以绝缘材料。砖墙的热导率为0.70w/m·k，绝缘材料的热导率为0.04w/m·k，墙外表面温度为10℃，内表面为-5℃，试计算进入冷库的热流密度及绝缘材料与砖墙的两接触面上的温度。解：根据题意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。按热流密度公式计算q：233221141/27.570.012.004.010.070.012.0)5(10)(mwbbbttAQq按温度差分配计算t2、t31.970.012.027.5101112bqtt℃1.4)5(70.012.027.54333tbqt℃求保温层的临界直径：假设保温层内表面温度为t1，环境温度为tf，保温层的内、外半径分别为r1和r0，保温层的导热系数为λ，保温层外壁与空气之间的对流传热系数为α。解：热损失为：LrrrLttRRttQff010121121ln21分析：当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有可能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。上式对r0求导，可求出当Q最大时的临界半径，即0]1)/ln([)11)((22012010rrrrrttLdrdQoof解得r0=λ/α所以，临界半径为rc=λ/α或dc=2λ/α在一60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.15W/m·℃。现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解：每米管长的热损失34323212141ln1ln1ln1)(2rrrrrrttLQ式中:r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mmwLQ/4.19107.009.0ln15.0103.007.0ln07.010265.003.0ln451)80500(14.32保温层界面温度t323212131ln1ln1)(2rrrrttLQ03.007.0ln07.010265.003.0ln451)500(14.324.1913t解得t3=131.2℃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/m3Pr=0.68特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.550Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(0.6×10-5)=2.28×104104(湍流)Pr=cpμ/λ=(1.026×103×26.0×10-5)/0.03928=