《食品工程原理》自测试题.docx

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《食品工程原理》自测试题

食品工程原理——自测验题2012

1.一、填空题（20分）

2.71dyn/cm=0.071N/m（已知1N=105dyn）；

3.给热是以流体的平均温度和壁面温度的差作为传热推动力来考虑问题的；

4.金属的导热系数大都随其温度的升高而减小,随其纯度的增加而增加；

5.能够全部吸收辐射能的物体（即A=1）称为黑体；

6.蒸发操作中，计算由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失的方法有吉辛柯公式、杜林规则；

7.蒸发器主要由加热室和分离室组成；

8.喷雾干燥中，热空气与雾滴的流动方式有并流、逆流、混流三种；

9.形状系数不仅与比表面积有关，而且与代表性尺寸的选择有关；

10.粉碎的能耗假说比较著名的三种是表面积假说、体积假说、裂缝假说；

11.圆形筛孔主要按颗粒的宽度进行筛分，长形筛孔主要按颗粒的厚度度进行筛分。

12.二、选择题（10分）（有一项或多项答案正确）

13.揭示了物体辐射能力与吸收率之间关系的定律是（c）

（A）普朗克定律；（B）折射定律；（C）克希霍夫定律；（D）斯蒂芬-波尔兹曼定律

14.确定换热器总传热系数的方法有（bcd）

（A）查样本书；（B）经验估算；（C）公式计算；（D）实验测定

15.为保证多效蒸发中前一效的二次蒸汽可作为后一效的加热蒸汽，前一效的料液的沸点要比后一效的（a）

（A）高；（B）低；（C）相等；（D）无法确定；

16.对饱和湿空气而言，下列各式正确的是（ad）

（A）p=pS，φ=100%，；（B）p=pS，φ=0；（C）p=0，φ=0；（D）t=tw=td=tas

17.粉碎产品粒度分析中，一般认为，筛分法分析的下限是（g）

（A）100μm；（B）50μm；（C）10μm；（D）5μm。

18.三、判断题（10分）（对者打“”号，错者打“”号。

）

19.（）算术平均温度差是近似的，对数平均温度差才是准确的；

20.（）两固（灰）体净辐射传热的热流方向既与两者温度有关，又与其黑度有关；

21.（√）NaOH溶液的杜林线不是一组相互平行的直线；

22.（√）恒速干燥阶段干燥速率的大小决定于物料外部的干燥条件；

23.（）泰勒标准（TylerStandard）筛制中，相邻两筛号的网眼净宽度之比为1∶2。

24.四、计算题（60分）

25.（10分）外径为426mm的蒸汽管道，其外包扎一层厚度位426mm的保温层，保温材料的导热系数可取为0.615W/（m·℃）。

若蒸汽管道的外表面温度为177℃，保温层的外表面温度为38℃，试求每米管长的热损失以及保温层中的温度分布。

1．解：

r1=0.426/2=0.213m，r2=0.213+0.426=0.639m，

λ=0.615w/（m•℃）；t1=177℃,t2=38℃,

（1）每米长的热损失

=489W/m

（2）在保温层中，设半径r处，温度为t：

由

，得：

t=-18.64-126.6lnr

26.（10分）一单程列管式换热器，由若干根长为3m、直径为φ25×2.5mm的钢管束组成。

要求将流量为1.25kg/s的苯从350K冷却到300K，290K的冷却水在管内和苯呈逆流流动。

若已知水侧和苯侧的对流传热系数分别为0.85和1.70kW／（m2．K），污垢热阻和换热器的热损失可以忽略不计，若维持水出口不超过320K。

试求换热器的传热面积。

取苯的平均比热为1.9kJ/（kg．K），管壁材料（钢）的导热系数为45W／（m2．K）。

27.（15分）用一单效蒸发，将1000kg/h的NaCl溶液从5%连续浓缩到30%。

蒸发操作的平均压强20kPa（绝压），原料液进料温度为30℃，料液比热

4kJ/（kg.℃），蒸发器内溶液沸点为75℃，蒸发器的传热系数为1500W/（m2·℃），加热蒸汽绝压为120kPa（绝压），若不计热损失，试求：

（1）蒸发量W；

（2）加热蒸汽消耗量；（3）蒸发器的传热面积。

28.（15分）采用常压干燥器干燥湿物料。

每小时处理2000kg，干燥操作使物料的湿基含水量由40%减至5%，干燥介质是湿空气，初温为20℃，湿度H0=0.009kg水/kg绝干气，经预热器加热至120℃后进入干燥器中，离开干燥器时废气的温度为40℃，若在干燥其中空气状态沿等焓线变化。

试求：

（1）水分蒸发量；

（2）绝干空气消耗量；

（3）在H－I图上示意地画出空气在整个干燥过程（包括预热、干燥）的状态变化情况,并说明各点所代表的状态。

29.（10分）某湿物料在恒定干燥条件下干燥，其含水量由0.6kg水/kg绝干料降至0.05kg水/kg绝干料，实验得该干燥条件下的干燥速率曲线如图1所示，试求：

恒速干燥阶段和降速干燥阶段的干燥时间之比。

图1

附：

cpw=4.187kJ/kg·℃

p=120kPa时：

汽化潜热2247kJ/kg；饱和蒸汽温度104.2℃；

p=20kPa时：

汽化潜热2356kJ/kg；饱和蒸汽温度60.1℃

2．解：

r1=0.426/2=0.213m，r2=0.213+0.426=0.639m，

λ=0.615w/（m•℃）；t1=177℃,t2=38℃,

（3）每米长的热损失

=489W/m

（4）在保温层中，设半径r处，温度为t：

由

，得：

t=-18.64-126.6lnr

3．2.解：

依据总传热速率方程：

Q=KoSoΔtm

式中：

=1.25×1.9×103（350-300）=118.8kW

℃

kW/（m2.℃）

3.解：

（1）蒸发量：

=833.3kg/h;

（2）p=120kPa时，饱和蒸汽温度T=104.2℃,r=2247kJ/kg，

pk=20kPa时，饱和蒸汽温度Tkˊ=60.1℃，rˊ=2356kJ/kg

原料液比热:

cp0==3.77kJ/（kg.℃）

溶液沸点：

t1=75℃

进料温度：

t0=30℃

加热蒸汽消耗量：

（3）传热面积：

4.解：

（1）w1=40%；w2=5%；G1=2000kg/h；t0=20℃；t1=120℃；t2=40℃

Gc=G1（1-w1）=2000×（1-0.40）=1200kg水/h

W=Gc（X1-X2）=1200×（0.667-0.053）=736.8kg水/h=0.205kg水/s

（2）

预热器预热后，是等湿过程，所以：

H1=H0=0.009kg水/kg绝干气

进出干燥器时空气等焓：

I1=I2，

I1=（1.01+1.88H1）t1+2490H1=（1.01+1.88×0.009）×120+2490×0.009=145.64kJ/kg绝干气

I2=（1.01+1.88H2）t2+2490H2=（1.01+1.88H2）×40+2490H2

I1=I2，（1.01+1.88H2）×40+2490H2=145.64，解得：

H2=0.041kg水/kg绝干气

（3）

A点：

新鲜空气状态点（H0、t0）

B点：

预热后状态点（H1、t1）：

等湿：

H1=H0

C点：

空气出干燥器状态点（H2、t2）

等焓过程定C点.

5.解：

X1=0.6kg水/kg绝干料；X2=0.05kg水/kg绝干料；

查图：

X*=0.02kg水/kg绝干料；X0=0.2kg水/kg绝干料；

恒速干燥阶段：

降速干燥阶段：

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.如图所示的2B31型离心泵装置中，你认为有哪些错误？

并说明原因。

本题目有题图：

TITU157.bmp

***答案***图中错误有：

1）无底阀，无法灌液且易堵塞；

2）安装高度15m过高，因常压下送水理论上最大的吸上高度为10.33m而实际由于存在阻力，不可能达到如此高度；

3）吸入管径比排出管径小，因流速增大而引起损失能量增大易发生气蚀在现象；4）叶轮反转；无法排液；

6.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。

7.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。

五、计算题：

1.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

2.20℃的水以2.5m.s-1的流速流经Φ38×2.5mm的水平钢管，此管以锥形管与另一Φ53×3mm的水平钢管相连，如图所示。

在锥形管两侧A.B处各插入一垂直玻璃管，以观察两截面的压强。

若水流经A.B两截面间的能量损失为1.5J.kg-1,求两玻璃管的水面差（以mm表示）,并在附图上画出两玻璃管中水面的相对位置。

本题目有题图：

titu164.bmp

***答案***

按连续性方程：

uB=uA（d2A/dB2）=2.5（0.0332/0.0472）=1.23m.s-1

由柏式知：

R=（PA-PB）/（ρg）=uB2/2g－uA2/2g+Lf

=1.232/2g－2.52/2g+1.5

=-0.087m=-87mm负号PB＞PA

3.密度为1200kg.m-3的盐水，以25m3.h-1的流量流过内径为75mm的无缝钢管。

两液面间的垂直距离为25m，钢管总长为120m，管件、阀门等的局部阻力为钢管阻力的25％。

试求泵的轴功率。

假设：

（1）摩擦系数λ＝0.03；

（2）泵的效率η＝0.6

***答案***

Z1+（u12/2g）+（p1/ρg）+He=Z2+（u22/2g）+（p2/ρg）+ΣHf

u1≈u2≈0;Z1=0;u1≈u2≈0Z2=25m;p1＝p2

∴He＝Z2＋∑Hf＝25＋∑Hf

∑Hf＝（λ×ｌ/d×ｕ2/2ｇ）×1.25

ｕ＝Ｖ/A＝25/（3600×0.785×（0.075）2）

＝1.573m.s-1

∑H＝（0.03×120/0.075×1.5732/（2×9.81）×1.25

＝7.567m盐水柱

He＝25＋7.567＝32.567m

Ne＝QeHeρ/102＝25×32.567×1200/（3600×102）

＝2.66kw

N轴＝Ne/η＝2.66/0.6＝4.43kw

4.某台离心泵铭牌上列出的性能为：

Q=11～25m3/h,H=21～16m,η=66.5%,Hsp=6.4m，配套电机功率N电=2.2kw。

今欲用它来将密度为1400kg.m-3的20℃液体（其它物性与水相近），从贮槽内送到某一高位槽中，要求的输送量为32t/h,输送流程如图示，若已知吸入管路和压出管路的阻力分别为1m和4m。

试求：

（1）此泵能否适用于此输送流程？

（2）图中所示的吸上高度是否恰当？

（吸上管路动压头可略）（3）此泵配套的电机要不要更换？

本题目有题图：

titu192.bmp

***答案***

（1）求此泵能否适用？

已知：

ρ=1400kg.m-3

Qe=32×1000/1400=22.86m3.h（Q=11～25m3/h）

He=△Z＋△p/ρg＋△u2/2g＋Hf=12＋0＋0＋（1＋4）=17m（H=21～16m）

因Q、H均在使用范围内，故适用

（2）验吸液高度H安H安=Hsp’-u2/2g-∑Hf吸

已知：

u2/2g=0;∑H吸=1m；Hsp=6.4m

而Hsp’=Hs×ρ水/ρ=6.4×1000/1400=4.57m

∴H安=4.57-1=3.57m>2m

故吸液高度合适。

（2）验电机N电≥Ne

而Ne=QeHeρ/102η=22.86×17×1400/102×0.665×3600

=2.23kw

即N电≥2.23kw＞2.2kw

故原配电机要更换

5.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。

6.　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

7.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

8.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－X0）=4.187×（1－0.1）=3.77kJ.kg-1.K-1

由蒸发器的热量衡算式知：

Q=FCp（t1－t0）+wr’+Q损

=10000×3.77×（66.7－31）+8000×2356=20193890kJ*h-1=5609414w

由传热速率方程式知传热面积为：

A=Q/〔K（T－t）〕=5609414/〔1000×（119.6－66.7）〕=106m2

加热蒸汽量D=Q/r

=20193890/2206

=9154kg.h-1

9.现采用某单效真空蒸发器来浓缩某水溶液。

已知进料量为10t.h-1，料液从15%浓缩至浓度为60%（均为质量%），沸点进料；加热蒸汽压力为300kN.m-2（绝压）；冷凝水在饱和温度下排出；冷凝器内的真空度为610mmHg，各项温度差损失分别为△′=2.5℃，△″=3.5℃，△'''=1℃；热损失为加热蒸汽放出热量的5%，传热系数K=2500w.m-2.K-1，试：

（1）估算单位蒸汽耗量为多少？

（2）估算蒸发器的传热面积为多少m2？

（3）若产品浓度达不到要求，你认为可采取什么措施？

附：

饱和水蒸汽性质

压力kN.m-2温度℃汽化潜热kJ.kg-1

2060.12454.9

3066.52333.7

101.31002258.4

300133.32168.1

401.3143.52138.1

设：

当地大气压为101.3kN.m-2

***答案***

（1）求D/w

D=[w×r′+F×Cp（t1–t0）+QL]/r

∵沸点进料t1=t0，且QL=0.05D×r

∴D/w=r′/0.95r,

W=F（1-X0/X1）=10×102（1-15/60）=7500kg.h-1

由P=300kN.m-2，查表得r=2168.1kJ.kg-1，T=133.3℃

∵P'=[（760-610）×101.3]/760=20kN.m2,查表得T冷=60.1℃，此冷凝器中二此蒸汽冷凝温度,而T'=T'+△'''=60.1+1=61.1℃，查表得r′=2351.6kJ.kg-1

∴D/W=2351.6/（0.95×2168.1）=1.142

（2）求A

A=Q/（k×△tm）=（D×r）/[k（T–t1）]

而t1=T'+△'+△''+△'''=60.1+2.5+3.5+1=67.1℃

∴A=（1.142×7500×2168.1）×1000/[3600×2500（133.3-67.1）]

=31.17m2

（3）①必须按设计要求控制好操作条件。

②增加料液的循环速度（如暂停出料，料液回流入器再循环）。

③可适当增大P，以使T↑，可使△tm↑，以保证有足够的所需的传热面积。

④可适当提高冷凝器的真空度，使T'↓，则t1↓，有利于△tm↑。

10.某小组在干燥实验中测得：

湿纸板G1=50g,G2=48g,干燥时间△τ=2′10″。

已知纸板的绝干量Gd=30g，尺寸：

150×100×7mm。

试求其对应的干燥速率和平均干基含水量为多少？

***答案***

X平均=（X1＋X2）/2

X1=（G1-Gd）/Gd=（50-30）/30=0.6667kg水.kg-1绝干料

X2=（G2-Gd）/Gd=（48-30）/30=0.6kg水.kg-1绝干料

∴X平均=（0.6667＋0.6）/2=0.6334kg水.kg-1绝干料

干燥速率U：

U=△W/A△τ

A=2（0.15×0.1＋0.15×0.007＋0.1×0.007）=0.0335m2

∴U=（50-48）/（1000×0.0335×130）=4.592×10-4kg.m2.s-1

11.水在内径为250mm的钢管内流动。

已知截面1－1处的流速为1m.s-1，测压管中水柱高为1m；在