食品工程原理思考题与习题参考答案.docx

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食品工程原理思考题与习题参考答案

思考题与习题参考答案

绪论

一、填空

1、经济核算

2、物料衡算、经济核算、能量核算、物系的平衡关系、传递速率

3、液体输送、离心沉降、混合、热交换、蒸发、喷雾干燥

二、简答

1、在食品工程原理中，将这些用于食品生产工艺过程所共有的基本物理操作过程成为单元操作。

例如，奶粉的加工从原料乳的验收开始，需要经过预热杀菌、调配、真空浓缩、过滤、喷雾干燥等过程；再如，酱油的加工，也包含大豆的浸泡、加热、杀菌、过滤等工序，这两种产品的原料、产品形式、加工工艺都有较大的不同，但却包含了流体的输送、物质的分离、加热等相同的物理操作过程。

2、“三传理论”即动量传递、热量传递和质量传递。

（1）动量传递理论。

随着对单元操作的不断深入研究，人们认识到流体流动是一种动量传递现象，也就是流体在流动过程中，其内部发生动量传递。

所以凡是遵循流体流动基本规律的单元操作都可以用动量传递理论去研究。

（2）热量传递理论。

物体在加热或者冷却的过程中都伴随着热量的传递。

凡是遵循传热基本规律的单元操作都可以用热量传递的理论去研究。

（3）质量传递理论。

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都可以用质量传递的理论去研究。

例如，啤酒的灭菌（热量传递），麦芽的制备（动量传递，热量传递，质量传递）等。

三传理论是单元操作的理论基础，单元操作是三传理论具体应用。

3、单元操作中常用的基本概念有物料衡算、能量衡算、物系的平衡关系、传递速率和经济核算。

物料衡算遵循质量守恒定律，是指对于一个生产加工过程，输入的物料总量必定等于输出的物料总质量与积累物料质量之和。

能量衡算的依据是能量守恒定律，进入过程的热量等于离开的热量和热量损失之和。

平衡状态是自然界中广泛存在的现象。

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。

过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以减小。

为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。

对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。

因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。

4、流体流动过程包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。

传热过程包括热交换、蒸发等。

传质过程包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。

5、（略）

流体流动

一、名词解释

1、流体流动时产生内摩擦力的性质

2、剪应力与速度梯度的关系完全符合牛顿黏性定律的流体

3、流场中任意点的流速不随时间变化的流动

4、壁面附近存在的较大速度梯度的流体层

二、填空

1、牛顿

2、剪切力、速度梯度

3、层流、湍流

4、层流、湍流、外界干扰

5、雷诺数、4000、湍流、2000、层流

6、直管阻力、局部阻力

7、μ平均=0.82max

8、层流区、过渡区、湍流区、完全湍流区

9、管子、管件、阀门

10、阻力系数法、当量长度法

三、选择

1、A

2、A

3、A

四、简答

1、

假设流体无黏性，在流动过程中无摩擦损失；流体在管道内作稳定流动；在管截面上液体质点的速度分布是均匀的；流体的压力、密度都取在管截面上的平均值；流体质量流量为G，管截面积为A。

在管道中取一微管段dx，段中的流体质量为dm。

作用此微管段的力有：

作用于两端的总压力分别为pA和－（p+dp）A；作用于重心的重力为gdm；

由于dm=ρAdx，sinθdx＝dz

故作用于重心的重力沿x方向的分力为

gsinθdm=gρAsinθdx =gρAdz

作用于微管段流体上的各力沿x方程方向的分力之和为:

pA－（p+dp）A－gρAdz＝－Adp－gρAdz

流体流进微管段的流速为u，流出的流速为（u＋du）。

流体动量的变化速率为Gdu＝ρAudu

合并得:

ρAudu＝－Adp－gρAdz→ρAudu＝－Adp－gρAdz

对不可压缩流体，ρ为常数，对上式积分得

称为柏努利方程式

2、

上式表明：

三种形式的能量可以相互转换，总能量不会有所增减，即三项之和为一常数

3、影响流体流动类型的因素包括流体的流速u、管径d、流体密度ρ、流体的黏度μ。

u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。

上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。

这数群称为雷诺准数，用Re表示。

Re≤2000，流动类型为层流；Re≥4000，流动类型为湍流；2000＜Re＜4000，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。

4、

（1）观察流体流动的情况：

若流体的各质点均作轴向流动，则为层流；若有径向流动，则为湍流。

（2）测流体的流速u、黏度μ、密度ρ和管道直径d，计算Re=duρ/μ.Re≤2000，流动类型为层流；Re≥4000，流动类型为湍流；2000＜Re＜4000，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流

5、层流运动时流体运动速度较慢，与管壁碰撞不大，因此阻力、摩擦系数与ε无关，λ只与Re有关。

层流时，λ在粗糙管的流动与在光滑管的流动相同。

湍流运动时δb>ε，阻力与层流相似，此时称为水力光滑管。

δb<ε，Re→↑δb↓→质点通过凸起部分时产生漩涡→能耗↑。

五、计算题

1、绝对压强7.53×104Pa

2、高度1.92m

3、（略）

4、蒸汽压6.46×105Pa

5、管底压强1.15×105Pa

6、深度h≥5.1m

7、16.63kN

8、u果汁=2.75m/s；u蒸汽=26.21m/s

9、高度差0.191m

10、qm=602kg/hr

11、h=2.315m

12、湍流

13、水流速度1.5cm/s

14、0.25倍

15、真空度为5.53×104Pa

16、∆p=959.5×103Pa

17、

18、

（1）阻力为原来的2倍；

（2）阻力为原来的一半；（3）阻力不变

19、39.06倍

20、（略）

21、该泵轴功率为7.5kw＞完成输送任务所需功率7.01kW，故从功率角度考虑，该泵能完成输送任务。

22、PZ=1.39kW

23、开一阀门时V=2.0m3/h；两阀门同时打开时V=2.17m3/h

第二章流体输送机械

一、名词解释

1、当进口压力等于或小于环境温度下液体的饱和蒸汽压pv时，就会有蒸汽从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体混合的小气泡。

气泡周围的压力大于饱和蒸汽压，产生了压差，在压差作用下气泡将以很高的速度打击离心泵的金属叶片，对叶片造成损伤，这种现象称为气蚀现象。

2、离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线He-Qe的交点M称为泵在该管路的工作点

3、离心泵若安装在贮槽液面之上，则离心泵入口中心到贮液面的垂直高度Hg，称为离心泵的安装高度。

4、切割定律：

离心泵的流量之比等于叶轮直径之比；离心泵的压头之比等于叶轮直径之比的平方；离心泵的轴功率之比等于叶轮直径之比的三次方。

比例定律：

离心泵的流量之比等于转速之比；离心泵的压头之比等于转速之比的平方；离心泵的轴功率之比等于转速之比的三次方。

二、填空

1、转速、清水

2、泵、管路

3、泵的结构、转速、流量

4、泵的特性、所在管路的特性

5、气蚀、降低进口管段流速、降低进口管阻力

6、直管、管件、阀门

7、容积损失、机械损失、水力损失

三、选择

1、D

2、D

3、B

4、A

5、B

6、C

7、A

8、B

四、简答

1、气蚀现象的原因：

离心泵进口压力等于或小于环境温度下液体的饱和蒸汽压pv时，就会有蒸汽从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体混合的小气泡。

这些小气泡随液体流到高压区时，气泡周围的压力大于气泡内的饱和蒸汽压，从而产生压差。

在该压差作用下，气泡受压破裂而重新凝结。

凝结过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，在凝结的瞬间，质点相互撞击，产生很大的局部压力，造成管路系统的振动；同时，这些气泡将以很高的速度打击离心泵的金属叶片，对叶片造成损伤，这种现象称为气蚀现象。

危害：

气蚀现象会造成管路系统的振动和离心泵叶片的损伤，离心泵在严重的气蚀状态下工作时，寿命会大大缩短。

防止：

泵的安装位置不能太高，即Hg不能太大以保证泵入口处的压力p1大于液体输送温度下的饱和蒸汽压pv，就可避免气蚀现象的发生。

2、改变阀门开度以调节流量，实质是改变管路特性曲线。

（1）如图1所示，当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，泵的工作点由M移到M1。

流量由QM减小到QM1；

（2）当阀门开大时，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点移到M2，流量增加到QM2。

图1改变阀门开度调节流量的示意图

3、单位质量的流体在某一截面上所具有的总机械能与获得的能量之和等于在下一个截面上的总机械能与这两截面间消耗的能量之和。

4、离心泵的基本部件是旋转的叶轮和固定的泵壳。

工作原理是叶轮旋转时，叶片就将机械能转化为液体的动能，由于离心力的作用液体从叶轮中心沿半径方向流向外周，因流道注射广，部分动能就转化为压力能，达到液体输送的目的。

5、在往复泵出口处装有旁路，如图2所示，当下游压力超过一定限度时安全阀将自动开启，往复泵出口总流量不变，只是通过支路的安全阀使部分液体回流从而达到改变排出管路流量的目的，以保证系统安全运转。

这种方法简单方便，在生产上广泛使用，但造成一定的能力损失。

图2往复泵的流量调节

五、计算

1、吸水管内的流量1.56×10-2m3/s

2、扬程28.48m；功率42.82W

3、总摩擦损失20.49J/kg；泵所作的功80.33J；有效功率492.40W

4、泵的功率97.04W

第三章非均相物系的分离

一、名词解释

1、物系内部有隔开两相的界面存在，界面两侧物料物理性质截然不同的物系称为非均相物系。

2、在旋风分离器分离中，理论上能被完全分离下来的最小颗粒直径。

临界粒径是判断分离效率高低的重要依据。

3、通过重力作用使得分散相（颗粒）相对于连续相（流体）运动的过程称为重力沉降。

若实现沉降的作用力是，则称为离心沉降。

4、通过惯性离心力作用使得分散相（颗粒）相对于连续相（流体）运动的过程称为离心沉降。

5、在颗粒的重力沉降过程中，在阻力、浮力与重力三个力达到平衡时的等速阶段，颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度。

6、通常将单位时间获得的滤液体积为过滤速率，而过滤速度为单位过滤面积上的过滤速率。

二、填空

1、恒压过滤、恒速过滤、恒压过滤

2、扁平、多层水平隔板

3、底面积、沉降速度

4、重力降尘室、旋风分离器、袋滤器

5、重力降尘室、旋风分离器

6、滤饼过滤、深层过滤

7、进料过滤、滤饼洗涤、卸除滤饼

8、架桥、滤饼

9、过滤介质、滤饼的性质

10、流体力学

三、选择

1、C

2、B

3、C

4、D

四、简答

1、旋风分离器的主体上部为圆柱，下部为圆锥。

气体进口管与圆柱部分相接，气体出口管于上方中心插入圆柱部分，圆锥部分的底部为尘灰的出口。

旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气固混合物中分离出固相颗粒的设备。

含尘气体由圆筒上部的进口管依切线方向进入，受器壁的约束而向下作螺旋运动。

在惯性离心力的作用下，颗粒被抛向器壁而与气流分离，再沿器壁面落至锥底的排灰口。

净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。

2、

（1）颗粒的浓度效应。

但当颗粒浓度较高时，颗粒间会发生相互摩擦、碰撞等相互作用，且大颗粒也会拖曳着小颗粒下降，从而发生干扰沉降。

（2）容器的壁效应。

实际容器是一个有限的流体空间，当颗粒直径与壁直径相比差值较小时，容器的壁面和底面均增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒和实际沉降速度较自由沉降速度低，