Egz. INŻ. z IP Pytania 23-09-2014

Pytania na EGZAMIN INŻYNIERSKI z Inżynierii Procesowej na kierunku TŻiŻCz, UP P-ń
2014/15
1. Przez przewód o przekroju kołowym, o osi poziomej i zmiennej
średnicy (D i d) odbywa się izotermiczny, ciągły przepływ cieczy
(patrz rysunek). Przewód jest całkowicie wypełniony cieczą, a jej
przepływ odbywa się ruchem ustalonym. Wyjaśnij prawo
ciągłości strugi. Zakładając, że znana jest prędkość ū2 przepływu
cieczy na odcinku przewodu o średnicy d, przedstaw zastosowanie
równania ciągłości strugi do określenia prędkości przepływu cieczy
w części przewodu, o średnicy D.
2. Przedstaw równanie Bernoulliego dla płynu
rzeczywistego, przepływającego ruchem izotermicznym i
ustalonym przez dwa przekroje przewodu o zmiennej
średnicy (na rysunku to przekroje 1-1 i 2-2). Jakie rodzaje
energii reprezentują poszczególne składniki tego równania?
3. Do strugi płynu płynącego przewodem prostoliniowym o stałej średnicy
przez kapilarę o niewielkiej średnicy wprowadzono w osi przewodu
barwną ciecz. Zachowanie wprowadzonej cieczy zostało przedstawione na
rysunkach a i b:
− nazwij rodzaj ruchu płynu rzeczywistego na danym rysunku,
− dla każdego rodzaju ruchu podaj charakterystyczne cechy,
− przedstaw
kryterium
pozwalające
określić
rodzaj
ruchu
przepływającego płynu wraz z wyjaśnieniem użytych symboli i
zakresami wartości rozgraniczających poszczególne rodzaje ruchu.
4. Przez przewód o stałej średnicy, w którym zamontowano
zawór, przepływa płyn rzeczywisty:
− nazwij i podaj źródła oraz miejsce występowania oporów
przepływu, wywołujących straty ciśnienia podczas przepływu płynu rzeczywistego przez przewód na odcinku 1-2
(patrz rysunek ∆pstr);
− przedstaw ogólnie (bez zapisywania szczegółowych
zależności) sposób wyznaczenia całkowitych strat ciśnienia.
a)
b)
5. W obliczeniach dotyczących procesu przenikania ciepła przez przegrodę płaską w stanie ustalonym
wykorzystywane są trzy poniższe współczynniki – wyjaśnij je (podaj przyjęty symbol, jednostkę i opis
słowny jednostki zgodnie z układem SI):
1) Współczynnik
przewodzenia
ciepła
2) Współczynnik
wnikania
ciepła
3) Współczynnik
przenikania
ciepła
6. W pobliżu przegrody płaskiej ze szkła, w kilku
punktach na osi prostopadłej do powierzchni
przegrody, zmierzono wartości temperatury i
wykonano przedstawiony profil temperatury,
obrazujący przenikanie ciepła w stanie
ustalonym (temperatury płynów 1 i 2 nie
zmieniają się w czasie).
Współczynnik przewodzenia ciepła dla szkła
można przyjąć równy 1 W/(m·K).
Wyznacz:
(a) gęstość strumienia ciepła przenikającego
między ośrodkami płynnymi oddzielonymi
przegrodą z ciała stałego,
(b) wartość współczynnika wnikania ciepła z
przegrody do ośrodka płynnego 2.
7. Przeanalizuj zmiany entalpii wody podczas jej
ogrzewania izobarycznego, w wyniku którego,
woda–ciecz ulega przemianie fazowej w parę
przegrzaną. Analizę przeprowadź posługując się
wykresem zmian temperatury substancji podczas
ogrzewania.
Odpowiedź powinna zawierać nazwy cieczy i pary oraz
wzory na entalpię dla ważnych wartości i zakresów
zmian temperatury.
czas ogrzewania
8. W wymienniku ciepła typu rura w rurze schładzana jest ciecz spożywcza (np. mleko). Parametry obu
nośników ciepła, cieczy spożywczej i czynnika chłodzącego przedstawiono na rysunku (podano wartości
przybliżone w celu ułatwienia obliczeń). Oblicz strumień ciepła opuszczającego ten wymiennik do
otoczenia.
Uwaga: symbole t gin i t gout oznaczają
temperaturę gorącego nośnika ciepła,
wlotową i wylotową, a t zin i t zout ,
temperaturę zimnego nośnika ciepła, też
wlotową i wylotową.
9. Narysować wykresy zmian temperatury wzdłuż wymienników ciepła przedstawionych na poniższych
schematach. Przebieg tych wykresów zależy od stanu cieplnego nośników ciepła: oddającego ciepło (indeks g –
gorący) oraz pobierającego ciepło (indeks z -zimny). Stan cieplny określają parametry nośników, których symbole
przedstawione są na schematach. Określić stan skupienia nośników na wlocie i wylocie wymiennika ciepła w
poszczególnych przypadkach.
Uwaga: symbole t gin i t gout oznaczają temperaturę gorącego nośnika ciepła, wlotową i wylotową, a t zin i t zout ,
temperaturę zimnego nośnika ciepła, też wlotową i wylotową.
10. Przedstaw sposób wyznaczania współczynnika wnikania ciepła (dla warunków wymiany ciepła, w których
Bi<0,1) przy wykorzystaniu następujących równań różniczkowych nieustalonego przewodzenia ciepła:
(a) modelu o parametrach skupionych,
(b) prawa stygnięcia Newtona,
−
−
dt (τ ) A ⋅ α
=
⋅ [t (τ ) − t ∞ ],
dτ
m ⋅ cp
dts (τ ) 1
= ⋅ [ts (τ ) − t ∞ ].
τC
dτ
11. Przedstaw bilans cieplny wyparki jednodziałowej o
działaniu ciągłym do zagęszczania przez odparowywanie
wody w temperaturze wrzenia;
- uzupełnij schemat i zaznacz strumienie cieplne, ciepła
wprowadzanego do wyparki i opuszczającego wyparkę.
Oznaczenia: D, G i W – strumienie masy
Indeksy dolne: 0 i 1: dot. surowca i koncentratu
D i W: dot. czynnika grzejnego i pary wtórnej
Indeksy górne:
„” : parametry pary nasyconej suchej
‘ : parametry cieczy nasyconej
W
G0
D·i”
G1
12. Przedstaw zależność na jednostkowe zapotrzebowanie na parę grzejną w procesie zagęszczania
roztworów w wyparce rzeczywistej i teoretycznej – uwzględniając bilans cieplny procesu w postaci:
D ⋅ iD'' + G0 ⋅ cG 0 ⋅ tG 0 = D ⋅ iD' + (G0 ⋅ cG 0 − W ⋅ cw ) ⋅ tG1 + W ⋅ iw'' + qotocz
Odpowiedź powinna zawierać m.in.
- uproszczony schemat ideowy procesu z zaznaczonymi strumieniami cieplnymi,
- równania jednostek dla strumieni cieplnych związanych z parą i surowcem;
Indeksy dolne:
0 – parametry surowca;
D
Indeksy górne:
1 – parametry …………………
– parametry …………………........… ; W – parametry ……………..…
„” – ………………………………….. ; ‘ – …………………………….……..
13. Przedstaw graficzną metodę wyznaczania
szybkości suszenia w dowolnie wybranym
punkcie przedstawionej krzywej suszenia.
Odpowiedź powinna też zawierać uzupełnienie opisu osi.
u [kgH2O /kgss]
14. Wyjaśnij etapy procesu suszenia konwekcyjnego plasterków wykrojonych z owoców lub warzyw
- przy wykorzystaniu dwóch krzywych charakteryzujących kinetykę suszenia, przedstawionych na
rysunku.
du/dτ [kgH2O /(kgss·s)]
Odpowiedź powinna zawierać uzupełnienie rysunku
(nazwy krzywych, opis osi, charakterystyczne wartości).
t
°C
15. Przedstaw sposób wyznaczania zapotrzebowania na strumień masy powietrza suchego ( L ) dla
adiabatycznego procesu suszenia konwekcyjnego o działaniu ciągłym, w wariancie normalnym. Załóż, że znane
są następujące parametry powietrza: t0, φ0, t1ad, φ2 oraz strumień masy i wilgotność surowca Gin, win jak
również wilgotność suszu wout.
Ponadto: - dokończ schemat blokowy suszarki,
- narysuj linie podgrzewania i nawilżania powietrza na wykresie i-x,
- zaznacz punkty charakteryzujące czynnik suszący (np. 0, 1ad, 2),
zarówno na schemacie jak i na wykresie.
dokończ schemat ideowy procesu
0
●
[kJ /kgsp]
16. Wyznacz jednostkowe zużycie energii dla adiabatycznego
procesu suszenia konwekcyjnego o działaniu ciągłym, w
wariancie normalnym. Wykorzystaj wykres i-x. Podaj
wartość przybliżoną lub wynik w postaci ułamka.
Temperatura czynnika suszącego na wlocie i wylocie z
suszarki to odpowiednio 16°C i 28°C, a jego wilgotność
względna w tych miejscach odpowiednio 60% i 70%.
Dokończ schemat blokowy procesu.
17. Przedstaw podstawowe pojęcia i prawa wykorzystywane w procesach destylacji. Uzupełnij zdania:
(a) stan równowagi międzyfazowej para-ciecz to stan, w którym ….
przykładem jest ….
(b) prawo Raoulta dla roztworów doskonałych w formie wzoru z wyjaśnieniem użytych symboli można
zapisać:
(c) lotność bezwzględną i lotność względną można przedstawić następująco:
18. Uzupełnij diagram fazowy ciecz-para dla
roztworu doskonałego i przedstaw na nim, oraz
na uproszczonym schemacie aparatury, charakterystykę procesu destylacji prostej. Zaznacz
jak zmienia się skład roztworu, a jak destylatu.
Temperatura nasycenia roztworu zmienia się
od tp do tk.
19. Wyjaśnij wymianę ciepła i masy
między pęcherzykiem pary i cieczą
mieszaniny dwuskładnikowej o nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności na półce kolumny rektyfikacyjnej. Wyjaśnij też mechanizm
wzbogacania par w SBL.
Wykorzystaj i uzupełnij
rysunek.
20. Wyznacz teoretyczną liczbę półek kolumny rektyfikacyjnej w taki sposób, aby z surówki destylacyjnej
o składzie xF = 0,4 [mol/mol], przy założonym stopniu deflegmacji Rrob = 3, otrzymywać destylat o składzie
xD = 0,8 [mol/mol] i ciecz wyczerpaną o składzie xb = 0,1 [mol/mol]. Załóż, że surówka dopływa do
kolumny w stanie wrzenia. Wykorzystaj poniższy wykres równowagi. Wyznacz linie operacyjne dla
przestrzeni między-półkowych wiedząc, że y(0) = xD/(Rrob + 1).
Zaznacz na wykresie punkty 1G, 1C, 2G, 2C widoczne na schemacie.
Oznaczenia: 1 i 2 to stopnie koncentracji (półki) licząc od góry.
21. Wykorzystaj niżej przedstawione 1-sze prawo dyfuzji Ficka, i wyjaśnij, jakie wielkości fizyczne mają
wpływ na zwiększenie szybkości suszenia konwekcyjnego w złożu fluidalnym, w porównaniu z suszeniem
w złożu nieruchomym. Poniższe równanie opisuje wnikanie masy pary wodnej w warstwie granicznej tuż przy
powierzchni suszonego materiału w okresie stałej szybkości suszenia.
m& pw
A
= −D
Uwaga, wyjaśnij użyte symbole i ich jednostki.
∆p pw
∆z
22. Na załączonym trójkącie Gibbsa zilustrować przebieg ekstrakcji dwustopniowej współprądowej w układzie
ciecz-ciecz. Objaśnić, jakie substancje biorą udział w procesie, ich symbole nanieść na schemat aparatury.
23. Przedstaw graficznie rozkład ciśnienia cieczy wzdłuż warstwy osadu w procesie filtracji oraz zapisz
ogólne równanie szybkości filtracji i określ wpływ poszczególnych parametrów na szybkość procesu.
= ---------------------
24. Korzystając z poniższego schematu przedstaw mechanizm separacji membranowej oraz zdefiniuj
wszystkie strumienie wchodzące w skład układu membranowego. Podaj zalety stosowania procesów
separacji membranowej w przemyśle spożywczym.
Membrana