PYTANIA EGZAMINACYJNE 2 PUNKT

1. Opisz z jakich składników składa się uogólniony proces technologiczny.

proces technologiczny - wszystkie czynności występujące po sobie w określonej kolejności, powodujące przemiany fizyczne,
bio-/chemiczne surowców oraz materiałów i prowadzące do otrzymania gotowego wyrobu

• operacje jednostkowe - podstawowe etapy o charakterze fizycznym lub fizykochemicznym, w których nie występują reakcje chemiczne, jakie można wyróżnić w procesie technologicznym; każda z nich ma zdefiniowany i przewidywalny wpływ na przetwarzany surowiec, a ich przebieg może być opisany fizycznie i matematycznie

• procesy bio-/chemiczne - zjawiska, których istotę stanowi przemiana jednych substancji (substratów) w inne, o odmiennych własnościach (produkty)

proces technologiczny można także przedstawić w formie układu dynamicznego:

informacja - taki zasób wiedzy, który umożliwia właściwy dobór maszyn, urządzeń i aparatów oraz świadome wpływanie na jego przebieg (wiedza technologiczna i inżynierska)

2. Wymień stosowane metody pracy w inżynierii bioprocesowej.

• skomplikowany układ rzeczywisty zastępowany jest znacznie uproszczonym układem modelowym; uzyskane wyniki doświadczalne w układzie modelowym są opracowywane teoretycznie oraz właściwie interpretowane (powiększanie skali - teoria podobieństwa)

• rozważane zjawisko opracowywane jest początkowo wyłącznie teoretycznie, a wynikające wnioski sprawdzane są metodą doświadczalną

• badanie skomplikowanego zjawiska przebiegającego w aparaturze przemysłowej przeprowadza się poprzez rezygnację z dużej dokładności poznania mechanizmu i teorii tego zjawiska, natomiast w sposób przybliżony lub orientacyjny ustala się zależności między głównymi parametrami, mającymi wpływ na badane zjawisko

3. Wymień 4 zasady uwzględniane w teorii i technice operacji jednostkowych.

• bilans materiałowy - w rozważanym układzie zamkniętym suma mas poszczególnych składników (przed procesem i po jego przeprowadzeniu) jest wielkością stałą (zasada zachowania masy)

• bilans energetyczny - suma wszystkich rodzajów energii w rozważanym układzie zamkniętym jest stała (zasada zachowania energii)

• równowaga (mechaniczna, cieplna, fizykochemiczna) osiągana przez układ charakteryzuje się stałością własności całego układu w dowolnie długim czasie

• kinetyka przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość z jaką układ zdąża do stanu równowagi; szybkość przebiegu takiej operacji zależy od wartości siły napędowej oraz od wielkości występującego w toku operacji oporu

4. Wyjaśnij istotę koncepcji przenoszenia pędu, ciepła i masy.

Operacje jednostkowe wywołują zmiany wielkości ekstensywnych, wynikające ze zjawisk zachodzących wewnątrz układu oraz z oddziaływań między układem a otoczeniem (wymiana z otoczeniem). Procesy wymiany ogólnie nazywa się procesami przenoszenia. Istota procesu przenoszenia określa siłę napędową, a fizyczna natura tego procesu wyjaśnia przyczyny składające się na opór środowiska. Przenoszenie wielkości ekstensywnej może odbywać się w wyniku transportu molekularnego, konwekcyjnego lub promieniowania (dla energii cieplnej).

• przenoszenie pędu - w procesach w których występuje ruch płynu

• przenoszenie ciepła - intensywność zależy od różnicy temperatur

• przenoszenie masy - w warunkach izobaryczno-izotermicznych różnica w stężeniach składnika staje się siłą napędową procesu

5. Scharakteryzuj siły masowe działające w płynach.

siły masowe - siły wywierane na każdy element masy płynu zawartej wewnątrz objętości V przez zewnętrzne pole sił; miarą sił masowych jest jednostkowa siła masowa, F_jm , czyli siła przypadająca na jednostkę masy płynu, która ma wymiar przyspieszenia, gdyż:

• ciążenia (ciężar płynu) - jednostkową siłą masową jest przyspieszenie ziemskie g

• bezwładności (inercje)

• siłę odśrodkową wywoływane ruchem naczynia z płynem

6. Scharakteryzuj jednostkową siłę powierzchniową w kierunku normalnym.

Składowa jednostkowej siły powierzchniowej w kierunku normalnym to naprężenie normalne.

• dla płynu w stanie spoczynku naprężenie normalne to ciśnienie

• dla płynów poruszających się ciśnienie to średnia arytmetyczna z naprężeń normalnych działających w danym punkcie w przestrzeni na 3 wzajemnie prostopadłe powierzchnie

7. Scharakteryzuj jednostkową siłę powierzchniową w kierunku stycznym.

Składowa jednostkowej siły powierzchniowej w kierunku stycznym to naprężenie styczne.

Zdolność płynu do przenoszenia naprężeń stycznych przy przemieszczaniu się elementów płynu z rożnymi prędkościami to lepkość. Powstające przy tym siły są styczne do kierunku ruchu i noszą nazwę sił stycznych lub oporów tarcia. Stosunek siły stycznej do powierzchni na której ona działa określa naprężenie styczne
.

8. Omów prawo tarcia (lepkości) Newtona.

Rozpatrując zachowanie się płynu między dwiema nieskończonymi płaskimi i równoległymi płytami odległymi od siebie o niewielką odległość l, przy założeniu, że płyta dolna jest nieruchoma, a płyta górna porusza się z niezbyt dużą liniową prędkością u₀ , to na każdy element powierzchni równoległy do ścianek płyt działa siła styczna przeciwdziałająca odkształceniu:

Dzieląc obie strony równania przez dA otrzymuje się siłę tarcia przypadającą na jednostkę powierzchni tarcia, zwaną naprężeniem stycznym:

9. Podaj definicję współczynnika lepkości dynamicznej i kinematycznej.

współczynnik lepkości dynamicznej - jeżeli dwie powierzchnie po 1m² każda, odległe od siebie o 1m, pod działaniem siły 1N poruszają się z prędkością względną równą 1m/s, to lepkość płynu jest równa jednostce

współczynnik lepkości kinematycznej - stosunek lepkości dynamicznej do gęstości płynu

10. Scharakteryzuj płyny newtonowskie i nienewtonowskie.

płyny newtonowskie - płyny, które spełniają prawo tarcia Newtona

płyny nienewtonowskie - takie, dla których krzywa płynięcia
w ustalonych warunkach temperatury i ciśnienia nie jest linią prostą przechodząca przez początek układu współrzędnych

11. Omów opory sumaryczne przepływu płynów rzeczywistych.

opory sumaryczne przepływu - suma oporów tarcia wewnętrznego i oporów lokalnych, wywołanych zmianą kierunku lub kształtu geometrycznego rurociągu (np. zagięcia, zwężenia, zawory, rozszerzenia przewodu)

12. Opisz sumaryczny spadek ciśnienia podczas przepływu płynów rzeczywistych w przewodach.

sumaryczny spadek ciśnienia przepływu płynów rzeczywistych spowodowany jest tarciem wewnętrznym i oporami miejscowymi

gdy u₁ = 0

13. Omów wypływ cieczy rzeczywistej ze zbiornika przez otwór o małych wymiarach w dnie zbiornika.

Wypływ cieczy rzeczywistej ze zbiornika przez otwór o małych wymiarach w dnie jest mniejszy niż w przypadku cieczy doskonałej, co spowodowane jest oporami występującymi podczas ruchu cieczy (przejawiają się one zwężeniem strumienia cieczy w stosunku do przekroju otworu oraz dławieniem strugi cieczy).

, gdzie
- współczynnik wypływu

W wypadku gdy średnica otworu jest bardzo mała można założyć, że
oraz po przyjęciu, że
otrzymuje się
.

14. Opisz przepływ płynu w zwężce pomiarowej i przedstaw rozkład ciśnienia podczas przepływu płynu przez zwężkę pomiarową.

Ponieważ zwężka ma mniejszą średnicę od średnicy rurociągu, struga podlega ściśnięciu. Za zwężką występuje największe przewężenie strumienia cieczy. Następnie rozszerza się do swojego stanu pierwotnego.

przepływ płynu w zwężce i rozkład ciśnienia:

15. Na czym polega zasada pomiaru prędkości w rotametrze?

Rotametr składa się z pionowej rury o kształcie paraboloidy obrotowej, rozszerzającej się w kierunku przepływu płynu, wewnątrz której umieszczony jest pływak, wykonany z materiału o gęstości mniejszej od gęstości płynu. Podczas przepływu płynu z dołu do góry pływak jest unoszony przez ciecz i, jeśli prędkość przepływu jest stała, utrzymywany na niezmiennym poziomie. W tym przypadku zachodzi równowaga siły ciężkości pływaka oraz wywieranej na niego siły parcia. Znając tę zależność można wyprowadzić wzór na prędkość przepływu.

16. Dlaczego rotametry są drogie i jak można obniżyć te koszty? Co to jest czułość rotametru?

Wysoki koszt rotametrów spowodowany jest trudnością wykonania; obniżenie kosztów może nastąpić poprzez zmianę gęstości pływaka, co pozwala na zmianę zakresu wskazań rotametru.

czułość rotametru - stosunek przyrostu wzniesienia pływaka do przyrostu objętościowego natężenia przepływu

17. Scharakteryzuj przepływ dwufazowy.

przepływ dwufazowy - wspólny przepływ dwóch faz; charakteryzują się tym, że granica rozdziału faz formuje się i zmienia w czasie ruchu

• faza ciągła (gaz lub ciecz)

• faza rozproszona (dowolny stan skupienia)

trzy zasadnicze formy przepływów dwufazowych:

• gaz - ciecz lub para - ciecz

• gaz - faza stała

• ciecz - faza stała

18. Przedstaw zasadę działania cyklonu.

Cyklon służy do odpylania gazów pod działaniem siły odśrodkowej. Gaz wraz z cząsteczkami zawieszonego w nim pyłu jest doprowadzany przez przewód stycznie do cylindrycznej części cyklonu. Wewnątrz cyklonu gaz podlega ruchowi obrotowemu. Pylinki zawieszone w gazie, mając masę nieporównywalnie większą niż masa cząsteczek gazu, podlegają działaniu siły odśrodkowej i zostają odrzucone ku ściance cyklonu. Po osiągnięciu ścianki i wielokrotnym odbiciu się o nią cząstki pyłu tracą energię kinetyczną i pod działaniem siły ciężkości opadają w dół do stożkowej części cyklonu, skąd zostają odprowadzone na zewnątrz. Gaz pozbawiony znacznej części pyłu odpływa rurą środkową ku górze. Stopień odpylania gazu jest tym większy im większe było stężenie pyłu w gazie oraz im średnice cząstkowe pyłu są większe.

19. Dlaczego ze wzoru na prędkość opadania swobodnego cząstek w płynach nie można bezpośrednio wyznaczyć tej prędkości gdy nie znamy wartości współczynnika oporu ośrodka?

Prędkość opadania cząstek w płynie jest równa
. Jeżeli wielkości d,
,
są znane, wtedy prędkość opadania
byłaby możliwa do wyznaczenia, gdyby można było właściwie dobrać wartość współczynnika oporu ośrodka
. Ponieważ
zależy od charakteru ruchu cząstki (
), a wartość liczby Reynoldsa jest z kolei uzależniona między innymi od prędkości opadania
, zatem bezpośrednie wykorzystanie równania na prędkość opadania jest niemożliwe.

20. Scharakteryzuj wpływ oporu ośrodka płynnego na opadającą cząstkę ciała stałego.

Z podstaw mechaniki wiadomo, że ciała spadają swobodnie ruchem jednostajnie przyspieszonym. Gdy wymiary ciała są duże, można pominąć opór ośrodka, jednak dla ciał o małych wymiarach takie rozumowanie mogłoby doprowadzić do poważnych błędów. Jeżeli dana cząstka rozpoczyna opadanie od początkowej prędkości równej zeru, wówczas w ciągu krótkiego czasu będzie ona opadać ruchem przyspieszonym. Równocześnie w miarę wzrostu prędkości opadania rosnąć będzie opór ośrodka, przeciwstawiający się dalszemu wzrostowi prędkości opadania. Gdy siła oporu ośrodka stanie się równa ciężarowi cząstki opadającej, prędkość, z jaką porusza się cząstka ustala się i pozostaje już dalej niezmienna.

8

proces technologiczny

surowce

energia

informacja

środowisko

produkty

maszyny, urządzenia i aparaty, systemy kontroli i regulacji

---