食品工程原理 考題例題

1、熱風(fēng)干燥的基本流程熱風(fēng)干燥的基本流程8.3A 干燥過程的物料衡算干燥過程的物料衡算1.1.水分蒸發(fā)量和產(chǎn)品量水分蒸發(fā)量和產(chǎn)品量)w(m)w(mm2s21111211211wwmm22111wwwmW2.2.干燥空氣用量干燥空氣用量 對(duì)進(jìn)出干燥器的水分作衡算：對(duì)進(jìn)出干燥器的水分作衡算：W)x(xm)HL(Hs211212HHWL以以 絕對(duì)干燥物料作物料衡算絕對(duì)干燥物料作物料衡算122111wwmmWLl 設(shè)稱作單位空氣用量，稱作單位空氣用量，kgd/kgw8.3B 干燥過程的熱量衡算干燥過程的熱量衡算1.1.耗熱量耗熱量222120cmLhQ)Wcc(mLhQsLws1L12202WcQ)(cm

2、)hL(hQws121HHl)/W(cmqss122蒸發(fā)蒸發(fā)1kg水相應(yīng)物料升溫所需熱量水相應(yīng)物料升溫所需熱量, J/kgw102cqq)hl(hqwLs2.2.熱效率熱效率)hl(hhqhQhWvvv01qL=QL/W令：令：q=Q/W 稱單位熱耗，稱單位熱耗，J/kgw112202WcQ)(cm)hL(hQwLs則則例例8-3 用回轉(zhuǎn)干燥器干燥濕糖，進(jìn)料濕糖濕基用回轉(zhuǎn)干燥器干燥濕糖，進(jìn)料濕糖濕基含水量為含水量為1.28% ,溫度為溫度為31，每小時(shí)生產(chǎn)濕基，每小時(shí)生產(chǎn)濕基含水量為含水量為0.18%的產(chǎn)品的產(chǎn)品4000kg,出料溫度出料溫度36。所用空氣的溫度所用空氣的溫度20，濕球溫度為，

3、濕球溫度為17，經(jīng)加，經(jīng)加熱器加熱至熱器加熱至97后進(jìn)入干燥室，排出干燥室的后進(jìn)入干燥室，排出干燥室的空氣溫度為空氣溫度為40，濕球溫度，濕球溫度32。已知產(chǎn)品的。已知產(chǎn)品的比熱容為比熱容為1.26kJ/(kgK)。試求：試求：（1）水分蒸發(fā)量；）水分蒸發(fā)量；（2）空氣消耗量；）空氣消耗量；（3）加熱器所用表壓）加熱器所用表壓100kPa的加熱蒸汽消耗量；的加熱蒸汽消耗量；（4）干燥器的散熱損失；）干燥器的散熱損失；（5）干燥器的熱效率。）干燥器的熱效率。（1）水分蒸發(fā)量）水分蒸發(fā)量44.6kg/h0.012810.00180.0128400011212wwwmW（2）空氣用量）空氣用量 查圖

4、查圖7-20濕空氣的濕空氣的h-H圖，得圖，得dv2dv10/kg0.028kg/kg0.011kgHHH/hkg102.620.0110.02844.6d312HHWL（3）加熱器中蒸汽用量）加熱器中蒸汽用量由由h-H圖可查得圖可查得 h0=49kJ/kgd, h1=125kJ/kgd, Tw1=38 h2=113kJ/kgd解解kJ/h1019849)(125102.62)3301hL(hQ90kg/h2205101983hQSv（4）干燥器的散熱損失）干燥器的散熱損失（5）干燥器的熱效率）干燥器的熱效率0.54210198240544.63QhWv112202Wc)(cm)hL(hQQw

5、sL1.26400049)(1132620198000kJ/h1012.0314.1744.631363 例例: 用氣流干燥器將濕基含水量用氣流干燥器將濕基含水量w1=5的食品的食品物料干燥到物料干燥到w2=0.25,產(chǎn)品量產(chǎn)品量m2=1000kg/h。加熱介。加熱介質(zhì)用質(zhì)用T0=20，0=0.80的新鮮空氣經(jīng)加熱器加熱到的新鮮空氣經(jīng)加熱器加熱到T1=140，進(jìn)入干燥器，出口溫度，進(jìn)入干燥器，出口溫度T2=95，物料，物料入口溫度入口溫度1=50，出口溫度，出口溫度2=80，干物料比，干物料比熱容熱容cs=1.256kJ/(kg.K)。 若此干燥過程為絕熱干燥過程，求水分蒸若此干燥過程為絕熱干

6、燥過程，求水分蒸發(fā)量發(fā)量W，空氣用量，空氣用量l和熱消耗和熱消耗q； 若已知干燥器表面散熱若已知干燥器表面散熱QL=33.4MJ/h，試求出，試求出 口空氣的濕含量口空氣的濕含量H2以及此實(shí)際干燥過程的以及此實(shí)際干燥過程的l和和q。解：解：絕熱干燥過程絕熱干燥過程50kg/h0.0510.00250.05100011212wwwmWwd12/kg56kg0.0120.03011HHlq =l(h1-h0）= 56(173-50) = 6.89103kJ/kgw(2)實(shí)際干燥過程實(shí)際干燥過程qL = QL/W = 33400/50 = 668kJ/kgw在在h-H圖上，查圖上，查T0=20，0=

7、0.80, h0=50kJ/kgdT1=140 ，h1=173kJ/kgd，H0=H1=0.012kgv/kgd。過過B點(diǎn)作等點(diǎn)作等h線交線交T2=95等溫線與等溫線與C，查得，查得H2=0.030kgv/kgd, 如圖所示。則：如圖所示。則：T1T2T0hHABCDC=0=0n = cw1-qs-qL = 4.18750-754-668 = -1213kJ/kgwvkgkJHHhhn/121311在在H1H2間任取間任取 H = HD = 0.025h= hD = h1+n(HD-H1) = 173-1213(0.025-0.012) = 10.2103kJ/kgw 由由HD,hD確定點(diǎn)確定

8、點(diǎn)D,作直線作直線BD交交T2 = 95等溫線于等溫線于點(diǎn)點(diǎn)C,查查C的的H2=0.02483012. 0024. 01112HHlkgd/kgwq = l(h1-h0) = 83(173-50) = 10.2103kJ/kgwqs = m2cs(2-1)/W = 10001.256(80-50)/50 = 754kJ/kgw11第二節(jié)第二節(jié) 干燥靜力學(xué)干燥靜力學(xué)一、物料含水量的表示方法一、物料含水量的表示方法 1. 濕基含水量濕基含水量w（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）定義：定義：水分在濕物料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)水分在濕物料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濕物料的總質(zhì)量濕物料中水分的質(zhì)量w2. 干基含水量干基含水量X（即質(zhì)

9、量比）（即質(zhì)量比）定義：定義：水分質(zhì)量與絕干物料質(zhì)量之比水分質(zhì)量與絕干物料質(zhì)量之比量濕物料中絕對(duì)干料的質(zhì)濕物料中水分的質(zhì)量XX=w/(1-w) w=X/(1+X)兩種含水量之間兩種含水量之間的換算關(guān)系為的換算關(guān)系為12新鮮空氣新鮮空氣L，H1干燥產(chǎn)品干燥產(chǎn)品G2，X2廢氣廢氣L，H2濕物料濕物料G1，X1L絕干空氣的消耗量，絕干空氣的消耗量，kg絕干氣絕干氣/s；H1，H2濕空氣進(jìn)、出干燥器時(shí)的濕含量，濕空氣進(jìn)、出干燥器時(shí)的濕含量，kg水氣水氣/kg絕干氣；絕干氣；X1，X2物料進(jìn)、出干燥器時(shí)的干基含水量，物料進(jìn)、出干燥器時(shí)的干基含水量，kg水氣水氣/kg絕干料；絕干料；G1，G2物料進(jìn)、出干

10、燥器時(shí)的流量，物料進(jìn)、出干燥器時(shí)的流量，kg濕物料濕物料/s；G絕干物料的流量，絕干物料的流量，kg絕干料絕干料/s。 通過物料衡算可確定將濕物料干燥到規(guī)定的含水量所通過物料衡算可確定將濕物料干燥到規(guī)定的含水量所。 二、干燥系統(tǒng)的物料衡算二、干燥系統(tǒng)的物料衡算 131. 水分蒸發(fā)量水分蒸發(fā)量W 2. 干空氣消耗量干空氣消耗量 L2112()()=L HHG XXW122121()G XXWLHHHH連續(xù)干燥器作水分的物料衡算，以連續(xù)干燥器作水分的物料衡算，以1s為基準(zhǔn)。為基準(zhǔn)。 2112()()WL HHG XX14：從濕物料中氣化從濕物料中氣化1kg1kg水分所需的干空氣量。水分所需的干空氣

11、量。211LlWHH 若新鮮空氣進(jìn)入干燥器前先通過預(yù)熱器加熱，由于加熱前后空若新鮮空氣進(jìn)入干燥器前先通過預(yù)熱器加熱，由于加熱前后空氣的濕度不變，以氣的濕度不變，以H H0 0表示進(jìn)入預(yù)熱器時(shí)的空氣濕度，則表示進(jìn)入預(yù)熱器時(shí)的空氣濕度，則021211HHHHl原濕空氣的消耗量為：原濕空氣的消耗量為：)1 ()1 (01HLHLL153. 干燥產(chǎn)品的流量干燥產(chǎn)品的流量G2)1 ()1 (1122wGwGG21121)1 (wwGG式中式中, w1、w2物料進(jìn)出干燥器時(shí)的濕基含水量。物料進(jìn)出干燥器時(shí)的濕基含水量。16例例8-18-1 在一連續(xù)干燥器中，每小時(shí)處理濕物料在一連續(xù)干燥器中，每小時(shí)處理濕物料

12、1000kg，經(jīng)干燥后，經(jīng)干燥后物料的含水量有物料的含水量有10%降至降至2%。以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕。以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕度度H1=0.008kg水水/kg絕干氣，離開干燥器時(shí)濕度為絕干氣，離開干燥器時(shí)濕度為H2=0.05 kg水水/kg絕干氣，假設(shè)干燥過程中無物料損失，試求：水分蒸發(fā)量、絕干氣，假設(shè)干燥過程中無物料損失，試求：水分蒸發(fā)量、濕空氣消耗量以及干燥產(chǎn)品量。濕空氣消耗量以及干燥產(chǎn)品量。絕干料水絕干料水kgkgwwXkgkgwwX/0204. 002. 0102. 01/111. 01 . 011 . 01222111解：（解：（1）水分蒸發(fā)量）水分蒸發(fā)量：將物料的濕基含水

13、量換算為干基含水量：將物料的濕基含水量換算為干基含水量17進(jìn)入干燥器的絕干物料為：進(jìn)入干燥器的絕干物料為： G=G1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg絕干料絕干料/h水分蒸發(fā)量為：水分蒸發(fā)量為： W=G（X1-X2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水水/h（2）空氣消耗量）空氣消耗量2181.51940/0.050.008WLkghHH絕干氣原濕空氣的消耗量為：原濕空氣的消耗量為： L=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg濕空氣濕空氣/h18（3）干燥產(chǎn)品量）干燥產(chǎn)品量121211 0.11000918.4/11 0.02wGGkg hw21

14、100081.5918.5/GGWkg h習(xí)題：今有一干燥器，濕物料處理量為習(xí)題：今有一干燥器，濕物料處理量為800kg/h。要求物料干。要求物料干燥后含水量由燥后含水量由30%減至減至4%（均為濕基）。干燥介質(zhì)為空氣，（均為濕基）。干燥介質(zhì)為空氣，初溫初溫15 ，相對(duì)濕度為，相對(duì)濕度為50%的的 H1=0.005kg水水/kg絕干氣，絕干氣，出干出干燥器時(shí)降溫至燥器時(shí)降溫至45 ，相對(duì)濕度為，相對(duì)濕度為80%的的 H2=0.052kg水水/kg絕干絕干氣氣。試求：（試求：（1）水分蒸發(fā)量）水分蒸發(fā)量W；（；（2）空氣消耗量，單位空氣消耗）空氣消耗量，單位空氣消耗量；（量；（3）干燥產(chǎn)品量。）

15、干燥產(chǎn)品量。第二章第二章 連續(xù)性方程連續(xù)性方程管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)1122qm,1= qm,2A1u11= A2u22=qm不可壓縮流體，不可壓縮流體，=constconstA1u1 = A2u2 = qv2 22 22 21 12 21 14 44 4u ud du ud d22112dduu1.4C 柏努利方程的應(yīng)用柏努利方程的應(yīng)用1.求管道中流體的流量求管道中流體的流量例例1-4 輸水系統(tǒng)如圖所示。輸水系統(tǒng)如圖所示。452.5mm鋼管鋼管,已知已知2fuh1.6,試求水的體積流量。又欲使試求水的體積流量。又欲使水的流量增加水的流量增加30%，應(yīng)將水箱水面升高多少？，應(yīng)將水箱水面升高多

16、少？18m23m解解 (1)0(21表壓 pp01ufhupgZwupgZ2222222111222222222uuuhu)zg(zf2.1212)zg(zu4.83m/s2.13)(89.81w = 02.1212)zg(zu4.83m/s2 2. .1 13 3) )( (8 89 9. .8 81 1224udqv4.830.040.7852/sm106.0733(2)若水的流量增加若水的流量增加30% ，則，則6.28m/s4.83m/s1.32u8.44m2.12221guzz11.44m8.4438.4421 zz水箱水面應(yīng)升高水箱水面應(yīng)升高3.44m811.

17、442.1212)zg(zu2.求輸送設(shè)備的功率求輸送設(shè)備的功率 例例1-5 牛奶輸送系統(tǒng)如圖所示。泵效牛奶輸送系統(tǒng)如圖所示。泵效率為率為65%，管道，管道342mm,牛奶密度為牛奶密度為1080kg/m3,質(zhì)量流量為質(zhì)量流量為4.5t/h，阻力損失，阻力損失為為50J/kg,試計(jì)算泵的功率。試計(jì)算泵的功率。01u解解fhuppzzgw2)(2212121.64m/s0.030.785)/1080(4500/36004222d/qAqumvPa108.8)(412vmvmaapppppp206J/kg5021.641080108.81.5)(99.8124w258W36004500206mew

18、qP397W258/0.65 /PPe1.5m9mPvm=88kPa21習(xí)題習(xí)題1（p.78） 求離心泵的壓頭求離心泵的壓頭H吸入管吸入管d1 = 350mm,吸入口吸入口pvm = 29.3kPa,排出管排出管d2 = 310mm，排出口排出口pg = 350kPa，兩表間垂直距離，兩表間垂直距離350mm,流量流量540m3/h解解1.56m/s0.350.785540/360021u1.99m/s0.310.785540/360022u9.8121.561.999.819993793000.352222gugpzHp = pg + pvm = 350+29.3 = 379.3 kPa=3

19、9.1m2.3A 離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度 離心泵吸入口中心到貯液面的垂直高度離心泵吸入口中心到貯液面的垂直高度Hg 防止汽蝕的產(chǎn)生，要求防止汽蝕的產(chǎn)生，要求p1pv ,使泵使泵Hg受限。受限。 汽蝕：汽蝕：當(dāng)當(dāng)p1pv,液體沸騰汽液體沸騰汽化，又被壓縮，化，又被壓縮，V ,液體質(zhì)液體質(zhì)點(diǎn)急劇補(bǔ)位沖擊對(duì)泵葉片的點(diǎn)急劇補(bǔ)位沖擊對(duì)泵葉片的損傷損傷 求求Hg 常用兩法：通過常用兩法：通過允許吸上真空高度允許吸上真空高度Hs汽蝕余量汽蝕余量h1.允許吸上真空高度允許吸上真空高度HsgppHas10-0和和1-1間伯努利方程：間伯努利方程：fgHgugpHgp22110fH液體經(jīng)吸入管的壓頭損失

20、，液體經(jīng)吸入管的壓頭損失，mfgHgugpgpH22110fsgHguHH221 離心泵的離心泵的Hs值由制造廠在樣本或說明書中給出值由制造廠在樣本或說明書中給出如環(huán)境非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓如環(huán)境非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,液體非溫度液體非溫度20水水,Hs應(yīng)校正：應(yīng)校正： 24010.HHHHvass大氣壓頭大氣壓頭飽和蒸汽壓頭飽和蒸汽壓頭2.汽蝕余量汽蝕余量h 泵入口處液體的靜壓頭與動(dòng)壓頭之和超過其飽泵入口處液體的靜壓頭與動(dòng)壓頭之和超過其飽和蒸汽壓頭的某一最小指定值和蒸汽壓頭的某一最小指定值gp)gugp(hv2211fvgHhgpgpH0fgHgugpgpH221102.3B 離心泵的工作點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn)1.管

21、路特性曲線管路特性曲線(m)HgugpzHf22令令gpzA 02gu2fHAHgu)dll(Hef22令令528dllgBe2vBqAHudqv2424dquv2528vef)qdll(gH2. 離心泵的工作點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn) 將離心泵的特性曲線將離心泵的特性曲線II和管路特性曲線和管路特性曲線I繪制繪制在同一壓頭在同一壓頭-流量坐標(biāo)圖上流量坐標(biāo)圖上 兩曲線相交點(diǎn)兩曲線相交點(diǎn)M, 是是離心泵在該管路中的離心泵在該管路中的工作點(diǎn)工作點(diǎn)（duty point） 若工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)效若工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)效率在最高效率區(qū)，則率在最高效率區(qū)，則該工作點(diǎn)是適宜的該工作點(diǎn)是適宜的3. 流量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié) 可以采用流量調(diào)

22、節(jié)改變可以采用流量調(diào)節(jié)改變管路特性曲線管路特性曲線,或者改變泵的特性曲線或者改變泵的特性曲線, 改變泵的改變泵的工作點(diǎn)工作點(diǎn)M,使工作點(diǎn)處于高效率區(qū)。使工作點(diǎn)處于高效率區(qū)。 例例 5-4 用刮板式換熱器冷卻蘋果醬，蘋果醬質(zhì)量用刮板式換熱器冷卻蘋果醬，蘋果醬質(zhì)量流量為流量為50kg/h，比熱容比熱容cp為為3817J/（kgK）,入口溫度入口溫度80，出口溫度，出口溫度20。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口。套管環(huán)隙逆流通冷水，入口溫度溫度10，出口溫度，出口溫度17。傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)K為為568W/（m2K）求：求：（1） 需要的冷卻水量；需要的冷卻水量；（2） 換熱平均溫差及換熱面積；換熱平均溫差

23、及換熱面積；（3） 若改順流，兩流體出入口溫度同前，若改順流，兩流體出入口溫度同前， 求求(2)各值。各值。mhhphmhccpcmcTKATTcqTTcq)()(2112解解)T(Tcqhhphmh21J/h109.5620)(803817506)(12660W3600109.566326kg/h10)4186(17109.566)T(Tcqc1c2pcmc)2(2080 hT1017 cT1063T28.8K1063ln1063mT20.162m28.85682660mTKA)3(2080 hT1710 cT370T21.3K370ln370mT20.220m21.35682660AmTK

24、16的鹽水以3960kg/h的流量通過套管換熱器的內(nèi)管被加熱。105的熱水以4000kg/h的流量在環(huán)隙內(nèi)與鹽水進(jìn)行熱交換被冷卻至48 。已知鹽水的平均比熱容為3.300kJ/(kg);熱水的平均比熱容為4.174kJ/(kg).試求： 鹽水的出口溫度； 若該換熱器的傳熱系數(shù)為500 W/（m2K），求換熱器的傳熱面積（管外表面積）。 解：根據(jù)熱量衡算原理 40004.174（10548）39603.3（t216） 解得t288.8 判斷應(yīng)為逆流操作 t110588.816.2t2481632 tm（t1t2）/ln (t1/ t2) （16.232）/ln16.2/3223.2 2m8 .2

25、22 .23500360048105310174. 44000mtKQA）（9. 現(xiàn)采用某單效真空蒸發(fā)器來濃縮某水溶液。已知進(jìn)料量為10t.h-1，料液從15%濃縮至濃度為60%（均為質(zhì)量%），沸點(diǎn)進(jìn)料；加熱蒸汽壓力為300kN.m-2（絕壓）；冷凝水在飽和溫度下排出；冷凝器內(nèi)的真空度為610mmHg，各項(xiàng)溫度差損失分別為=2.5，=3.5，=1；熱損失為加熱蒸汽放出熱量的5%，傳熱系數(shù)K=2500w.m-2.K-1，試：（1）估算單位蒸汽耗量為多少？（2）估算蒸發(fā)器的傳熱面積為多少m2？（3）若產(chǎn)品濃度達(dá)不到要求，你認(rèn)為可采取什么措施？ 附：飽和水蒸汽性質(zhì) 壓力kN.m-2 溫度 汽化潛熱

26、kJ.kg-1 20 60.1 2454.9 30 66.5 2333.7 101.3 100 2258.4 300 133.3 2168.1 401.3 143.5 2138.1設(shè)：當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kN.m-2 （1）求D / w D =wr+FCp(t1 t0 )+QL /r 沸點(diǎn)進(jìn)料t1=t0 ，且QL =0.05Dr D / w = r/ 0.95 r , W=F(1-X0 /X1 )=10102 (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溫度, 而T=T +=60.1+1=61.1，查表得r=2351.6kJ.kg-1 D / W=2351.6/(0.952168.1)=1.142（2）求A A=Q/（ktm ）=(D r )/k(T t1 ) 而t1 =T +=60.1+2.5+3.5+1=67