食品工程原理概念

1.2基本概念【1-1】粘性流体在静止时有无剪应力，理想流体在运动时有无剪应力？若流体在静止时无剪应力，是否意味着它们没有粘性？答：由牛顿内摩擦定律可知，剪应力与速度梯队成正比，因此，粘性流体静止时无剪应力。又由理想流体的定义可知，没有粘性的流体为理想流体，因此，理想流体流动时仍无剪应力。流体在静止时无剪应力不等于没有粘性，只是没有表现出来。粘性是由流体本身决定的性质。【1-2】粘性的物理本质是什么？为什么温度升高，气体粘度上升，而液体粘度下降？答：粘性是流体流动时表现出来的重要性质，其物理本质是分子内聚力大小和分子热运动强度的宏观表现。流体流动时，由于分子间内聚力作用和分子热运动动量交换作用，使宏观移动流层（速度为u）中的分子拉动临近流层中的分子，并使该临近流层以速度u-Δu发生流动，内聚力越大或分子热运动动量交换越小，粘性越大（即Δu越小）。对于液体，当温度升高时，分子间的距离加大，同时热运动也加强，此时由于分子间距离加大而引起内聚力下降对粘性影响大于热运动带来的影响，因此，液体粘度随温度升高而下降（即Δu加大）。对于气体，由于分子间距离远大于液体，因此，分子间内聚力对粘性影响处于次要位置。温度升高时，分子热运动引起动量交换加强，使粘度增加（即Δu减小）。【1-3】雷诺数的物理意义是什么？答：由雷诺数表达式可知，Re=ρdu/μ是流体流动惯性力与粘滞力之比，其数值大小反映流体的流动状态。【1-4】什么是水力光滑管？答：设管壁绝对粗糙度为Δ，流体粘性底层厚度为δ，当Δδ时，管壁凸凹表面似乎被镀上一层光滑的液膜，管壁粗糙度几乎不影响紊流核心。此时，称为水力光滑管。【1-5】是否在任何管道中，流量增大则阻力损失就增大；流量减小则阻力损失就减小？为什么？答：在某些管路中，流量与阻力损失并不是总成正比关系。如在分支管路中，如图所示，当阀门1和阀门2全开时，流量最大。如果此时关小阀门1，这时支路1流量减少，而局部阻力增加，如果支路沿程阻力可以忽略，则对支路1而言，是流量减少，而阻力损失增加。如果主管路的阻力损失与支路的阻力损失相比很小，则主管路的阻力损失可以忽略不计时，关小阀门1不影响支路2的流量，因为I-I面和0-0面能量基本相同，近似为常数，支路2阀门未改变，因此流量也不会改变。但此时整个分支管路流量减少了，阻力却增加了。【1-6】刚安装好的一台离心泵，启动后出口阀门已经开至最大，但不见水流出，试分析原因并采取措施使泵正常运行。答：出现此类问题的可能原因如下：1）没有向水泵内灌引水或没有灌满引水。从吸水口到离心泵，水是在吸水口处与离心泵进口处两处压力差作用下被吸入离心泵，压力差的大小主要取决于离心泵进口处的绝对压力。为了产生足够的压力差，启动前应向水泵内灌足引水，排空吸入管道内的空气，使水吸入水泵。2）水泵工作总扬程或吸水扬程超过规定标准，这是选型与设计问题。实际吸水高度超过水泵标定高度，水不能吸入。如果实际扬程大于水泵标定扬程，水虽被吸入但不能排出。3）水泵转速不够或反转。电动机与泵轴之间如果是皮带传递方式，新安装的水泵要调整好皮带的张紧度，保证水泵的正常运行转速。水泵反转是电动机接线问题造成的，应该按说明书接线方式接线。a)吸水管路或水泵填料处漏气，造成压力损失。应检查吸水管路连接处并拧紧漏气部位或压紧水泵填料2.2基本概念【2-1】在多层壁的热传导中确定层间界面温度具有什么实际意义？答：在多层壁的热传导中，确定层间界面温度具有的意义是：了解或掌握各层材料的热导率在一定条件下的特性。如由多层保温材料构成的冷库壁面中，有些保温材料吸水后热导率有很大的提高，保温能力下降。因此，在这种保温材料中的最低温度要高于所处环境下湿空气的露点，以保证湿空气中的水汽不会凝结成水，保证冷库壁面的保温性能。因此在冷库设计中，要充分考虑到这一点。【2-2】流动对传热的贡献主要表现在哪里？答：对流换热时，若流体静止不流动，则流体只能以热传导的方式与壁面进行热交换，当热导率为常数时，温度分布为直线，温度梯度较小；当流体流过壁面时，将形成流动边界层和温度边界层。所谓温度边界层是指在壁面附近存在较大温度梯度的区域。在温度边界层以外，流体的温度基本均匀一致，而在温度边界层以内，温度的分布与流动边界层内的流体流动情况有关，流动边界层越薄，温度边界层就越薄，滞流内层也越薄，因此，流动的结果是使温度梯度增大。由傅立叶定律0q=?λ?T/?n|n=0知，温度梯度小，则q就小；温度梯度大，则q就大。【2-3】自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热？答：因流体中各处的温度不同而引起密度不同，使轻者上浮，重者下沉，流体质点间发生相对位移，这种对流称为自然对流。显然，自然对流的关键是要使流体循环畅通，因此，对于要求加热的场合，加热面应放置在被加热空间的下部；对于要求冷却降温的场合，冷却面应放置在被加热空间的上部，这样放置才有利于充分传热。【2-4】热导率、对流传热系数和总传热系数的物理意义是什么？它们之间有什么不同？它们的单位是什么？答：热导率的物理意义是单位温度梯度下的热通量。热导率表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其单位是W/(m*K)。对流传热系数的物理意义是单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。对流传热系数反映对流传热的快慢，其值越大表示对流传热越快。与热导率不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，其单位是W/(m2*K)。总传热系数的物理意义是单位温度差下的传热通量。总传热系数反映传热过程的强度，其值越大表示传热越快。总传热系数值的大小主要决定于流体的特性、传热过程的操作条件以及换热器的类型等，其单位是W/(m2*K)。【2-5】蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体？答：若蒸汽中含有空气等不凝气体，当蒸汽冷凝时，它们会在液膜表面形成一层富集的气膜层。这样，可凝蒸汽在抵达液膜表面进行冷凝之前，必须以扩散方式通过这层气膜。扩散过程的阻力引起蒸汽分压和相应的饱和温度下降，使液膜表面的温度低于蒸汽主体温度。这相当于附加一额外热阻，使蒸汽冷凝传热系数大大降低。因此，为了降低不凝气的不良影响，在冷凝器的设计中要设有不凝气排气口，在操作过程中要定期排放不凝气。【2-6】为什么有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数？【2－6】答：在传热过程中，温差是由热阻造成的。以蒸汽冷凝为例，气相主体不存在温差，这表示汽相内不存在热阻。这是因为蒸汽在壁面冷凝时，汽相主体中的蒸汽必流向壁面以填补空位，而这种流动所需的压降极小，可以忽略不计。在冷凝传热过程中，蒸汽冷凝而产生的冷凝液形成液膜将壁面覆盖，因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给壁面。可见，冷凝传热的热阻几乎全部集中在冷凝液膜内。如果加热介质是过热蒸汽，而且冷壁面温度高于相应的饱和温度，则壁面上不会发生冷凝现象，蒸汽与壁面之间所进行的只是一般的对流传热。此时，热阻主要集中在壁面附近的滞流内层中。因为蒸汽的热导率比冷凝液的热导率小得多，所以蒸汽的冷凝传热系数远大于过热蒸汽的冷凝传热系数，即蒸汽有相变时的对流传热系数大于无相变时的对流传热系数。【2-7】若串联传热过程中存在某个控制步骤，其含义是什么？答：若串联传热过程中存在某个控制步骤，其含义是此控制步骤就决定了整个传热过程，在考虑传热过程强化时，必须设法减小控制步骤的热阻。若不去减小控制步骤的热阻，而去减小非控制步骤的热阻，则难以达到强化传热的目的。同样，在设计计算时要尽可能的确定控制步骤的热阻，并取足够的安全系数。【2-8】不稳定导热过程主要出现在什么情况下？一般应如何解决？答：不稳定导热过程主要出现在固体材料的加热或冷却、以及热力设备的起动、停机和变工况等情况中。就固体材料被加热（或冷却）而言，其加热或冷却的极限温度是固体的温度与周围加热（或冷却）介质的温度相同。一般的解决方法是分析解法（求解导热微分方程）和近似求解法（如图解法、数值计算法等）。【2-9】在列管换热器设计中为什么要限制温度差修正系数大于0.8?答：在间壁式换热器中，采用逆流时的传热平均温差要比并流时的大，而其它的流动型式的平均温差介于逆流与并流之间。采用折流和其它复杂流动的目的是为了提高传热系数，但其代价是使平均温差相应减小。温差修正系数是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度，综合利弊，一般在设计时最好使温度差修正系数大于0.9，至少不小于0.8，否则，应另选其它流动型式。【2-10】在列管换热器中拟用饱和水蒸气加热空气。试问:(1)传热管的壁温接近哪一种流体的温度?(2)总传热系数接近哪一种流体的对流传热系数?(3)如何确定两流体在换热器中的流径?答：（1）由于水蒸汽侧的对流传热系数远大于空气侧的对流传热系数，故传热管的壁温更接近于水蒸汽的温度；（2）基于同样的原因，总传热系数更接近空气的对流传热系数；（3）考虑到换热器的热补偿要求和冷凝水排放的方便，应使水蒸汽走壳程4.2基本概念【4-1】阻力系数（曳力系数）是如何定义的？它与哪些因素有关？【4-2】斯托克斯定律区的沉降速度与各物理量的关系如何？应用的前提是什么？颗粒的加速段在什么条件下可忽略不计？【4-3】直径为50μm、密度为2650kg/m3的球形颗粒，在20℃的空气中从静止状态开始作自由沉降，需要多少时间才能完全达到其（终端）沉降速度？需要多少时间便能达到其沉降速度的99%？【4-4】重力降尘室的气体处理量与哪些因素有关？降尘室的高度是否影响气体处理量？【4-5】悬浮液重力沉降分离设备按操作方式，可分为哪几类？有什么异同点？【4-6】强化悬浮液重力沉降的方法？【4-7】评价旋风分离器性能的主要指标有哪两个？【4-8】颗粒在旋风分离器内沿径向沉降的过程中，其沉降速度是否为常数？【4-9】提高流化质量的常用措施有哪些？【4-10】气力输送的主要优点有哪些？【4-11】过滤速率与哪些因素有关？【4-12】过滤常数有哪两个？各与哪些因素有关？什么条件下才为常数？【4-13】以间歇过滤机处理某种悬浮液，若滤布阻力可以忽略，洗水体积与滤液体积之比值为a，试分析洗涤时间与过滤时间的关系。【4-14】当滤布阻力可以忽略，滤饼不可压缩，试用图定性地表示恒速、恒压、先恒速后恒压三种过滤操作的q-τ、Δp-τ关系，并就先恒速后恒压过滤的q-τ图形讨论当全部非过滤时间（τD+τW）一定时的最佳过滤操作循环周期。【4-15】当滤布阻力可以忽略时，若要恒压操作的间歇过滤机取得其最大生产能力，在下列两种条件下，分别应如何确定过滤时间τ？1.已规定每一循环中的辅助操作时间为τD，洗涤时间为τW。2.若已规定每一循环中的辅助操作时间为τD，洗水体积与滤液体积之比值为a。【4-16】转筒真空过滤机的生产能力计算时，过滤面积为什么用A而不用Aφ？该机的滤饼厚度是否与生产能力成正比？【4-17】若分别采用下列各项措施，试分析转筒过滤机的生产能力将如何变化并分析各措施的可行性。已知滤布阻力可以忽略，滤饼不可压缩。（a）转筒尺寸按比例增大50%；（b）转筒浸没度增大50%；（c）操作真空度增大50%；（d）转速增大50%；（e）滤浆中固相体积分率由10%增稠至15%，已知滤饼中固相体积分率为60%。（f）升温，使滤液粘度减小50%。【4-18】强化过滤速率的措施有哪些？7.2基本概念【7-1】JA与NA的区别是什么，在什么情况下两者一致？【7-2】试叙述分子扩散中主体流动产生的原因及其对扩散过程的影响，在什么情况下可不考虑主体流动的影响，为什么?【7-3】试与传热过程对比，叙述对流扩散的有效膜模型及相间传质的双膜模型。【7-4】如何获得汽、液相界面浓度，说明总传质速率方程与相内传质速率方程比有何优点?【7-5】填料塔逆流吸收操作过程中，若相平衡关系符合Hery定律y=mx，试推导:【7-6】试分析比较并流吸收与逆流吸收操作的优缺点。【7-7】逆流解吸操作时平衡线满足Y=mX，试导出其液相总传质单元NOL的算式【7-8】为测定填料层的体积吸收系数KYa，在填料塔内以清水为溶