operazioni unitarie esami svolti

Esame di Operazioni Unitarie della Tecnologia Alimentare 29/04/2015

Risolvere i seguenti esercizi

Per la produzione di succo di pomodoro, i pomodori vengono macinati e sottoposti ad un trattamento di blanching nelle seguenti condizioni: 250 kg/h di polpa di pomodoro (con una percentuale in solidi del 6,8% ed una temperatura di 18°C) vengono riscaldati mediante iniezione diretta di vapore saturo a 115 kPa per raggiungere la temperatura di 90°C. Calcolare la portata di vapore necessaria e la concentrazione in solidi del prodotto così riscaldato.Dopo il blanching il prodotto viene nuovamente raffreddato fino a 25°C in un scambiatore di calore di superficie. Come fluido di servizio si utilizza acqua di rete in controcorrente: L’acqua entra a 15°C e viene scaricata a 72°C. Calcolare la portata d’acqua e la superficie dello scambiatore il considerando un coefficiente globale di scambio termico di 1100 W/m²°C.

• Un liquido scorre con una velocità di 2,1 m/s in un tubo liscio di diametro di 65 mm; La tubazione è orizzontale e ha una lunghezza di 75 m. Se la densità del liquido è 1,160 kg/L e la viscosità è di 1,23 10⁻³Pa·s:
• Determinare il numero di Reynolds ed il tipo di moto del fluido
• Determinare le perdite di carico continue
• Determinare la portata volumetrica e la portata in massa
• Se in questo percorso si dovesse superare un dislivello di 8 m mantenendo costante la pressione del fluido, calcolare la quantità di energia che deve essere fornita dalla pompa (considerare influenti eventuali perdite di carico localizzate).

Un essiccatore viene utilizzato per essiccare della frutta in pezzi, portandola da una umidità iniziale dell’85% ad una umidità finale del 14%. La frutta è alimentata ad una portata di 150 kg/h.L’essiccatore opera con riciclo parziale dell’aria, nelle seguenti condizioni: aria ambiente, 25°C, umidità relativa 55%; aria in ingresso nell’essiccatore, 75°C, umidità relativa 10%; aria esausta 52°C, umidità relativa 40%.L’aria è riscaldata con vapore condensante a 100°C (λ=2257.06 kJ/kg). Calcolare il consumo di vapore e la percentuale di riciclo dell’aria. Ci sono perdite energetiche nell’essiccatore?

Rispondere alle seguenti domande

• Illustrare le tipologie e il funzionamento degli scambiatori di calore a piastre.
• Descrivere il processo di sterilizzazione del latte sfuso mediante iniezione di vapore e spiegarne vantaggi/svantaggi rispetto alla sterilizzazione del latte in bottiglia
• Spiegare i principi dell'ultrafiltrazione e dell'osmosi inversa, descrivere le tipologie di impianto alcune applicazioni di questi trattamenti.
• Illustrare le modalità dell’ essiccamento spray in corrente d’aria e descrivere i componenti di tipico impianto di spray-drier.

Operazioni Unitarie della Tecnologia Alimentare – esame 20 febbraio 2013

Risolvere i seguenti esercizi

Una pompa deve essere impiegata per trasferire un fluido alimentare con densità di 1150 kg/m³ e viscosità di 2,1 10³ Pa·s, da un serbatoio a livello costante ad un altro serbatoio a livello costante, posto ad una quota superiore di 6 m. Il prodotto deve essere trasferito ad una portata di 8 m³/h mediante una tubazione lunga 45 m, con un diametro di 50 mm. Le perdite di carico localizzate, dovute a curve, valvole, restringimenti/allargamenti ecc., equivalgono a 200 diametri. Sapendo che il rendimento della pompa è del 65%, calcolare la potenza minima necessaria.

Una bevanda viene preparata miscelando a 70 kg di latte intero (percentuale in solidi = 12,4 %), 8 kg di concentrato di frutta (percentuale in solidi 45%) e 4 kg di zucchero (considerare questo ingrediente costituito dal 100% di solidi). La miscela viene alimentata in uno scambiatore di calore ad una portata di 200 kg/h, ed una temperatura iniziale di 10 °C; nello scambiatore il fluido di riscaldamento è vapore condensante a 80 kPa e la bevanda è portata a 75 °C. Calcolare il consumo di vapore. Sapendo che l’area dello scambiatore di calore è di 0.7 m², determinare il coefficiente globale di scambio termico dello scambiatore.

La bevanda calda viene inviata alla camera di un evaporatore flash, in cui è mantenuta una pressione pari a 12,3 kPa. Calcolare la quantità di vapore che si separa dalla bevanda e la nuova concentrazione in solidi del prodotto.

Un essiccatore viene utilizzato per essiccare della frutta in pezzi da un contenuto di umidità iniziale dell’87% ad un tenore finale in solidi dell’85%. La frutta è alimentata ad una portata di 300 kg/ora. L’essiccatore opera in riciclo parziale: l’aria ambiente ha una temperatura di 22°C e umidità assoluta di 0,007; l’aria entrante nell’essiccatore ha una temperatura di 75°C e una temperatura del bulbo umido di 37°C, e viene scaricata a 50°C (l’aria segue una linea di raffreddamento adiabatica). Per il riscaldamento dell’aria si utilizza uno scambiatore di calore indiretto con vapore condensante a 100°C (calore latente di condensazione = 2257,06 kJ/kg). Calcolare la portata dell’aria secca, la percentuale di riciclo e il consumo di vapore.

Rispondere alle seguenti domande

• Spiegare il significato del coefficiente globale di scambio termico (U) degli scambiatori di calore e descrivere le condizioni per massimizzare il trasporto di calore in questi impianti.
• Disegnare il flow-sheet della sterilizzazione del latte sfuso mediante iniezione di vapore ed illustrarne i vantaggi rispetto alla sterilizzazione del latte in bottiglia.
• Descrivere il filtro a tamburo sotto vuoto e spiegare le modalità di funzionamento.
• Descrivere le cinetiche dell’essiccamento in corrente d’aria in relazione alla fenomenologia del processo.

Risolvere i seguenti esercizi:

1) Meccanica dei fluidi

Una pompa deve essere impiegata per trasportare del succo di frutta (densità= 1065 kg/m³, viscosità = 1.84 cP) (1 cP = 10^-3 Pa * s) da un serbatoio a pressione atmosferica ad un altro serbatoio ad una portata di 2 L/s. Il livello del liquido nel primo serbatoio è di 10 m sopra la pompa e il secondo serbatoio si trova a 5 m sopra la pompa. Il circuito è lungo 100 m ed è costituito da un tubo liscio con diametro interno di 50 mm. Nel circuito sono inserite una valvola a disco aperta e 4 curve a 90 °C. Il prodotto passa anche attraverso uno scambiatore di calore che determina una perdita di carico di 94 J/kg. Calcolare le perdite di carico totali, sapendo che ogni curva a 90 °C corrisponde a 1,8 m lineari e la valvola a 21 metri lineari di tubazione. Se al secondo serbatoio è necessario che il liquido arrivi con una pressione di 3 atm, determinare la potenza della pompa necessaria per il trasferimento (rendimento 65%).

2) Evaporazione

Un evaporatore flash è utilizzato per concentrare una miscela costituita dal 35% di succo di frutti tropicali (6,7% di solidi), 35% di succo di papaia (8,5% in solidi), 30% succo di pompelmo (7% di solidi). La miscela così ottenuta è alimentata nello scambiatore di calore a una portata di 100 kg/h, ad una temperatura di 10 °C, ed esce dallo scambiatore alla temperatura di 83°C. Il fluido di servizio nello scambiatore a vapore condensante a 98°C con una pressione di 19,94 kPa. Calcolare la portata di succo evaporato e la % sul percentuale di solidi. Il vapore prodotto viene condensato in uno scambiatore a scambio indiretto, che utilizza acqua ed entra a 15 °C che viene scaricata a 40 °C. Calcolare il consumo di acqua al condensatore se le condense sono raffreddate a 45 °C

3) Trasporto di calore

Una pentola di diametro 15 cm è posta su una piastra di riscaldamento. La pentola è di acciaio (conducibilità termica 15 W/m °C) e contiene acqua all'ebollizione. La superficie inferiore della pentola ha uno spessore di 6 mm. Se la temperatura della superficie inferiore, in contatto con l'acqua è di 110°C e la temperatura della superficie inferiore della pentola dalla parte a contatto con il fornello è di 115 °C, calcolare il flusso termico attraverso la superficie della pentola.

Rispondere alle seguenti domande:

1. Scrivere l'equazione di Bernoulli per i fluidi reali, spiegare il significato dei singoli termini e indicare le unità di misura.
2. Illustrare le pompe positive e descriverne il funzionamento
3. Spiegare il sistema di recupero energetico mediante multiplo effetto negli evaporatori.