化工原理 修訂版 天津大學(xué) 上下冊課后答案

1、上冊 第一章 流體流動(dòng)習(xí)題解答1. 某設(shè)備上真空表的讀數(shù)為13.3103 Pa，試計(jì)算設(shè)備內(nèi)的絕對壓強(qiáng)與表壓強(qiáng)。已知該地區(qū)大氣壓強(qiáng)為103 Pa。解：真空度大氣壓絕壓 2. 在本題附圖所示的貯油罐中盛有密度為960 kg/m3的油品，油面高于罐底9.6 m，油面上方為常壓。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760 mm的圓孔，其中心距罐底800 mm，孔蓋用14 mm的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作應(yīng)力取為106 Pa，問至少需要幾個(gè)螺釘?p解：設(shè)通過圓孔中心的水平液面生的靜壓強(qiáng)為p，則p罐內(nèi)液體作用于孔蓋上的平均壓強(qiáng) (表壓) 作用在孔蓋外側(cè)的是大氣壓，故孔蓋內(nèi)外所受的壓強(qiáng)差為作用在孔蓋上的凈壓力為

2、每個(gè)螺釘能承受的最大力為： 螺釘?shù)膫€(gè)數(shù)為個(gè)所需的螺釘數(shù)量最少為8個(gè)CD3. 某流化床反應(yīng)器上裝有兩個(gè)U管壓差計(jì)，如本題附圖所示。測得R1=400 mm，R2=50 mm，指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空間擴(kuò)散，于右側(cè)的U管與大氣連通的玻璃管內(nèi)灌入一段水，其高度R3=50mm。試求A、B兩處的表壓強(qiáng)。解：U管壓差計(jì)連接管中是氣體。若以分別表示氣體、水與水銀的密度，因?yàn)?，故由氣柱高度所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差可以忽略。由此可以認(rèn)為，。由靜力學(xué)基本方程式知 (表壓) 壓縮空氣4. 本題附圖為遠(yuǎn)距離制量控制裝置，用以測定分相槽內(nèi)煤油和水的兩相界面位置。已知兩吹氣管出口的距離H=1 m，U管壓差計(jì)的指示液為水銀，煤

3、油的密度為820 kg/m3。試求當(dāng)壓差計(jì)讀數(shù)R=68 m時(shí)，相界面與油層的吹氣管出口距離h。解：如圖，設(shè)水層吹氣管出口處為a，煤油層吹氣管出口處為b，且煤油層吹氣管到液氣界面的高度為H1。則pH1 (表壓) (表壓)U管壓差計(jì)中， (忽略吹氣管內(nèi)的氣柱壓力) 分別代入與的表達(dá)式，整理可得：根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知從壓差指示劑的讀數(shù)可以確定相界面的位置。并可通過控制分相槽底部排水閥的開關(guān)情況，使油水兩相界面仍維持在兩管之間。2345. 用本題附圖中串聯(lián)U管壓差計(jì)測量蒸汽鍋爐水面上方的蒸汽壓，U管壓差計(jì)的指示液為水銀，兩U管間的連接管內(nèi)充滿水。已知水銀面與基準(zhǔn)面的垂直距離分別為：h1=2.3 m、h2=

4、1.2 m、h3=2.5 m及h4=1.4 m。鍋中水面與基準(zhǔn)面間的垂直距離h5=3 m。大氣壓強(qiáng)=99.3103 Pa。試求鍋爐上方水蒸氣的壓強(qiáng)p。(分別以Pa和kgf/cm2來計(jì)量)。解：如圖所示標(biāo)記等壓面2，3，4，大氣壓記為 (1) (2) (3) (4)將以上四式相加并代入已知量 6. 根據(jù)本題附圖所示的微差壓差計(jì)的讀數(shù)，計(jì)算管路中氣體的表壓強(qiáng)p。壓差計(jì)中以油和水為指示液，其密度分別為920 kg/m3及998 kg/m3，U管中油、水交界面高度差R=300 mm。兩擴(kuò)大室的內(nèi)徑D均為60 mm，U管內(nèi)徑d為6 mm。當(dāng)管路內(nèi)氣體壓強(qiáng)等于大氣壓時(shí)，兩擴(kuò)大室液面平齊。解：可以知道當(dāng)微差

5、壓差計(jì)的讀數(shù)時(shí)，兩擴(kuò)大室液面相齊。那么當(dāng)壓力不同時(shí)，擴(kuò)大室液面差與的關(guān)系可用下式計(jì)算： 當(dāng) 時(shí)，根據(jù)靜力學(xué)基本方程： (表壓)7. 列管換熱器的管束由121根的銅管組成。空氣以9 m/s速度在列管內(nèi)流動(dòng)。空氣在管內(nèi)的平均溫度為50、壓強(qiáng)為196103 Pa(表壓)，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?03 Pa。試求：(1) 空氣的質(zhì)量流量；(2) 操作條件下空氣的體積流量；(3) 將(2)的計(jì)算結(jié)果換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積流量。解：(1) (2) (3) 8. 高位槽內(nèi)的水面高于地面8 m，水從的管道中流出，管路出口高于地面2 m。在本題特定條件下，水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按計(jì)算(不包括出口阻力損失)，其中u為水

6、在管內(nèi)的流速m/s。試計(jì)算：(l) 截面處水的流速；(2) 水的流量，以m3/h計(jì)。解：(1) 取高位槽水面為上游截面，管路出口內(nèi)側(cè)為下游截面，如圖所示，那么 (基準(zhǔn)水平面為地面) (表壓)，處的流速與管路出口處的流速相同， (管徑不變，密度相同) 在截面和間列柏努利方程方程，得 ，其中 代入數(shù)據(jù) 解得 (2) 9. 20的水以 m/s的流速流經(jīng)的水平管，此管以錐形管與另一的水平管相連。如本題附圖所示，在錐形管兩側(cè)A、B處各插入一垂直玻璃管以觀察兩截面的壓強(qiáng)。若水流經(jīng)A、B兩截面間的能量損失為，求兩玻璃管的水面差(以m計(jì))，并在本題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對位置。解：取兩點(diǎn)處所在的與管路垂

7、直的平面分別為上游和下游截面和，如圖所示，并取管路中心線所在的水平面為基準(zhǔn)面，那么， 在截面和間列柏努利方程： 查表得到 ， 那么 ，所以A點(diǎn)的壓力大于B點(diǎn)的壓力，即B管水柱比A管高88.510. 用離心泵把20的水從貯槽送至水洗塔頂部，槽內(nèi)水位維持恒定。各部分相對位置如本題附圖所示。管路的直徑均為，在操作條件下，泵入口處真空表的讀數(shù)為24.06103 Pa；水流經(jīng)吸入管與排出管(不包括噴頭)的能量損失可分別按與計(jì)算，由于管徑不變，故式中u為吸入或排出管的流速m/s。排水管與噴頭連接處的壓強(qiáng)為103 Pa(表壓)。試求泵的有效功率。解：取水槽中水面所在的平面為截面，并定為基準(zhǔn)水平面。泵入口真空

8、表連接處垂直于管子的截面為。水洗塔出口處為截面，如圖所示，那么有 (表壓) (表壓) (表壓) 在截面和間列柏努利方程，得 代入以上數(shù)值解得 再在截面和間列柏努利方程，得 將以上數(shù)值代入，其中，解得 11. 本題附圖所示的貯槽內(nèi)徑D為2 m，槽底與內(nèi)徑d0為32 mm的鋼管相連，槽內(nèi)無液體補(bǔ)充，其液面高度h1為2 m(以管子中心線為基準(zhǔn))。液體在本題管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的全部能量損失可按計(jì)算，式中u為液體在管內(nèi)的流速。試求當(dāng)槽內(nèi)液面下降1 m時(shí)所需的時(shí)間。解：根據(jù)物料衡算，在時(shí)間內(nèi)，槽內(nèi)由于液面下降而減少的液體量均由管路出口流出，于是有 (1) 取管中心線所在的水平面位能基準(zhǔn)面，在瞬時(shí)截面 與管路出口截

9、面間列柏努利方程，得其中， (表壓) 解得 (2) 將(2)式代入(1)式，并在下列邊界條件下積分 12. 本題附圖所示為冷凍鹽水循環(huán)系統(tǒng)。鹽水的密度為1100 kg/m3，循環(huán)量為36 m3/h。管路的直徑相同，鹽水由A流經(jīng)兩個(gè)換熱器而至B的能量損失為 J/kg，由B流至A的能量損失為49 J/kg，試計(jì)算：(1) 若泵的效率為70%時(shí)，泵的軸功率為若干kW? (2) 若A處的壓強(qiáng)表讀數(shù)為103 Pa時(shí)，B處的壓強(qiáng)表讀數(shù)為若干?解：對循環(huán)系統(tǒng)，在管路中任取一截面同時(shí)作上游和下游截面，列柏努利方程，可以證明泵的功率完全用于克服流動(dòng)阻力損失。(1) 質(zhì)量流量 (2) 在兩壓力表所處的截面A、B之

10、間列柏努利方程，以通過截面A中心的水平面作為位能基準(zhǔn)面。 其中，kPa， 將以上數(shù)據(jù)代入前式，解得(表壓)13. 用壓縮空氣將密度為1100 kg/m3的腐蝕性液體自低位槽送到高位槽，兩槽的液面維持恒定。管路直徑均為，其他尺寸見本題附圖。各管段的能量損失為，。兩壓差計(jì)中的指示液均為水銀。試求當(dāng)R1=45 mm，h=200 mm時(shí)：(1) 壓縮空氣的壓強(qiáng)p1為若干? (2) U管壓差計(jì)讀R2數(shù)為多少?解：求解本題的關(guān)鍵為流體在管中的流速 (1)在B、C間列柏努利方程，得 (1) 代入(1)式，同時(shí)已知 解得在低位槽液面與高位槽液面之間列柏努利方程，并以低位槽為位能基準(zhǔn)面，得其中 (表壓)代入上式

11、可得 (表壓)(2) 若求關(guān)鍵在于，通過可列出一個(gè)含的靜力學(xué)基本方程 (2)為此在低位槽液面與截面B之間列柏努利方程，以低位槽為位能基準(zhǔn)面，得其中，(表壓) (表壓)代入(2)式： 14. 在實(shí)驗(yàn)室中，用玻璃管輸送20的70%醋酸。管內(nèi)徑為 cm，流量為10 kg/min。用SI和物理單位各算一次雷諾數(shù)，并指出流型。解：(1) 用SI制計(jì)算從本教材附錄中查得70%醋酸在20時(shí)的物理性質(zhì)：， 流動(dòng)類型為湍流。(2) 用物理單位計(jì)算，15. 在本題附圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，于異徑水平管段兩截面間連一倒置U管壓差計(jì)，以測量兩截面之間的壓強(qiáng)差。當(dāng)水的流量為10 800 kg/h時(shí)，U管壓差汁讀數(shù)R為100

12、 mm。粗、細(xì)管的直徑分別為與。計(jì)算：(1) 1 kg水流經(jīng)兩截面間的能量損失；(2) 與該能量損失相當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)降為若干?解：(1) 取接入管路的U型管管線所在的平面與管截面垂直的平為面和，并取管路中心線所在的平面為基準(zhǔn)面，那么在截面和間列Bernouli方程： 于是 對U型管壓計(jì)： 對水在水平管中的流動(dòng)： 對粗管：；對細(xì)管：于是 (2) 16. 密度為850 kg/m3、黏度為810-3 Pas的液體在內(nèi)徑為14 mm的銅管內(nèi)流動(dòng)，溶液的流速為1 m/s。試計(jì)算：(1) 雷諾準(zhǔn)數(shù)，并指出屬于何種流型；(2) 局部速度等于平均速度處與管軸的距離；(3) 該管路為水平管，若上游壓強(qiáng)為147103

13、Pa，液體流經(jīng)多長的管子，其壓強(qiáng)才下降到127.5103 Pa? 解：(1) 流動(dòng)類型屬層流 (2) 對層流流動(dòng)的流體，其瞬時(shí)速度和半徑之間的關(guān)系如下： 而平均速度 于是當(dāng)局部速度等于平均速度時(shí)，有，即當(dāng)時(shí)，管路中的瞬時(shí)速度和平均速度相同。 所以(2) 定義上游截面，下游截面為，對直徑相同的水平管路根據(jù)哈根泊謖葉公式，即則液體流經(jīng)的管長為17. 流體通過圓管端流流動(dòng)時(shí)，管截面的速度分布可按下面經(jīng)驗(yàn)公式來表示：，式中y為某點(diǎn)與壁面的距離，即y=R-r。試求其平均速度u與最大速度umax的比值。解：在距離管中心處取一厚為的流體薄層，并定義此處流體的速度為， 則流體通過此環(huán)隙的體積流量 那么 (1)

14、 令 那么 當(dāng) 時(shí)，; 當(dāng) 時(shí)， 有 (2)代入(1)式， 于是 18. 一定量的液體在圓形直管內(nèi)作層流流動(dòng)。若管長及液體物性不變，而管徑減至原有的1/2，問因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的若干倍?解：流量不變， 當(dāng)時(shí)，根據(jù)哈根泊謾葉公式，有 當(dāng)，時(shí)19. 內(nèi)截面為1000 mm1200 mm的矩形煙囪的高度為30 m。平均摩爾質(zhì)量為30 kg/kmol、平均溫度為400的煙道氣自下而上流動(dòng)。煙囪下端維持49 Pa的真空度。在煙囪高度范圍內(nèi)大氣的密度可視為定值，大氣溫度為20，地面處的大氣壓強(qiáng)為103 Pa。流體流經(jīng)煙囪時(shí)的摩擦系數(shù)可取為，試求煙道氣的流量為若干(kg/h)?解： (20空氣

15、) 可應(yīng)用柏努利方程400時(shí)，煙道氣的密度 在煙囪的進(jìn)出口之間列柏努利方程，以煙囪底端為上游截面，以煙囪頂端為下游截面，并以截面作位能基準(zhǔn)面，有 其中，(表壓)，(表壓)， 代入上式解得 20每小時(shí)將2104 kg的溶液用泵從反應(yīng)器輸送到高位槽(見本題附圖)。反應(yīng)器液面上方保持103 Pa的真空度，高位槽液面上方為大氣壓強(qiáng)。管道為的鋼管，總長為50 m，管線上有兩個(gè)全開的閘閥、一個(gè)孔板流量計(jì)(局部阻力系數(shù)為4)、五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。反應(yīng)器內(nèi)液面與管路出口的距離為15 m。若泵的效率為，求泵的軸功率。解：在反應(yīng)器液面與管路出口內(nèi)側(cè)截面間列柏努利方程，以截面為基準(zhǔn)水平面，得 其中 (表壓) (表壓) 其

16、中，對直管阻力 那么 由和在圖127可查得 對局部阻力 二個(gè)全開的閘閥 五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭 進(jìn)口阻力系數(shù)孔板的局部阻力系數(shù) 4 該流體的質(zhì)量流量 21. 從設(shè)備送出的廢氣中含有少量可溶物質(zhì)，在放空之前令其通過一個(gè)洗滌器，以回收這些物質(zhì)進(jìn)行綜合利用，并避免環(huán)境污染。氣體流量為3600 m3/h(在操作條件下)，其物理性質(zhì)與50的空氣基本相同。如本題附圖所示，氣體進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)前的管路上安裝有指示液為水的U管壓差計(jì)，其讀數(shù)為30 mm。輸氣管與放空管的內(nèi)徑均為250mm，管長與管件、閱門的當(dāng)量長度之和為50 m(不包括進(jìn)、出塔及管出口阻力)，放空口與鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口的垂直距離為20 m，已估計(jì)氣體通過塔內(nèi)填料層的

17、壓強(qiáng)降為1.96103 Pa。管壁的絕對粗糙度可取為，大氣壓強(qiáng)為103 Pa。求鼓風(fēng)機(jī)的有效功率。解：這是有外加功的可壓縮流體，首先驗(yàn)證以過測壓口中心的截面和放空管內(nèi)側(cè)截面為衡算截面。 (表壓)以鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓差計(jì)連接處為截面，放空管出口內(nèi)側(cè)為截面，過截面的中心線作基準(zhǔn)水平面，在兩截面間列柏努利方程，其中， (表壓) (表壓)在和間壓強(qiáng)變化很小，溫度認(rèn)為恒定且管徑相同，可近似有，但為提高計(jì)算結(jié)果的精確度，計(jì)算流體速度時(shí)以平均壓強(qiáng)計(jì)。(表壓)(洗滌器中壓力有變化，導(dǎo)致氣體體積變化，由于等溫，以做變換) (一般來講，局部阻力損失包括了進(jìn)出口的情況，但常用的局部阻力計(jì)算為當(dāng)量長度法，而進(jìn)出口則多采用阻

18、力系數(shù)法)題給條件下，空氣的密度為，黏度為(見本教材附表六：干空氣的物理性質(zhì))，查摩擦系數(shù)圖， 代入前式 有效功率 22. 如本題附圖所示，貯槽內(nèi)水位維持不變。槽的底部與內(nèi)徑為100 mm的鋼質(zhì)放水管相連，管路上裝有一個(gè)閘閥，距管路入口端15 m處安有以水銀為指示液的U管壓差計(jì)，其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓差計(jì)連接管內(nèi)充滿了水，測壓點(diǎn)與管路出口端之間的直管長度為20 m。(1) 當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)，測得R=600 mm、h=1500 mm，當(dāng)閘閥部分開啟時(shí)，測得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系數(shù)可取為，管路入口處的局部阻力系數(shù)取為。問每小時(shí)從管中流出水若干立方米?(2) 當(dāng)閘閱全開

19、時(shí)，U管壓差計(jì)測壓處的靜壓強(qiáng)為若干(Pa，表壓)?閘閥全開時(shí)，摩擦系數(shù)仍可取。解：在該題所示的附圖內(nèi)，標(biāo)出幾個(gè)需列方程的平面。為貯水槽所在的平面，和為U管壓計(jì)和管路出口的截面，并取水平管中心線所在的水平面為基準(zhǔn)面(1) 閘閥關(guān)閉時(shí) (H為貯槽水面的高度) 代入數(shù)據(jù)，解得 當(dāng)閥門開啟之后 (表壓) 在貯槽液面與間列柏努利方程，得 (1) 其中(表壓) (表壓) (2) 將(2)代入(1)式，整理可得到： 解得水的流量 在(1)中，由于貯槽中水位不變，時(shí)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，故水平管中水的流速不變，只需求。為此需用柏努利方程，但在哪兩個(gè)面之間應(yīng)用？沒有相關(guān)量且閥門開度不知道，阻力系數(shù)難以計(jì)算。在貯槽與壓差計(jì)之

20、間用柏努利方程。在(2)中：欲求，仍應(yīng)使用柏努利方程，此時(shí)閘閥全開，對水平管，故.可求出，然后代入到的式中可知，為求應(yīng)在與間列柏努利方程(2) 當(dāng)閘閥全開時(shí)，在與間列柏努利方程，得 (3)其中(表壓) (4)把(4)代入(3)，整理得，解得 再在和間列柏努利方程， 得 其中， ，(表壓)，于是 (表壓)23. 10的水以500 L/min的流量流過一根長為300 m的水平管，管壁的絕對粗糙度為 mm。有6 m的壓頭可供克服流動(dòng)的摩擦阻力，試求管徑的最小尺寸。解：這是關(guān)于試差法的應(yīng)用。10的水， 在管路兩端端列柏努利方程，以管子中心線所在的水平面為基準(zhǔn)面，得 由范寧公式 (1)(1) 在該題中，

21、假設(shè)不是最好的選擇，因?yàn)楣軓讲恢溃缓糜?反查，且假設(shè)后由于不知道，也不能求和。(2) 假設(shè)管徑為待求量，但若假設(shè)，由于實(shí)際生產(chǎn)中管子的規(guī)格多樣，范圍太廣，不易得到準(zhǔn)確范圍。(3) 可假設(shè)根據(jù)本教材表，選擇合適的流速代入計(jì)算。自來水的流速為1m/s。取水的流速為 。根據(jù)給出的也可判斷，所計(jì)算的阻力損失和管子的粗糙度有關(guān)，必定為湍流。且流體黏度比較大，必須使在較大值時(shí)保證水是湍流的。 此時(shí)由(1)式計(jì)算的， 查摩擦系數(shù)圖，兩者之間一致，假設(shè)合理。管子的直徑為。24. 某油品的密度為800 kg/m3、黏度為41 cP，由附圖中所示的A槽送至B槽，A槽的液面比B槽的液面高 m。輸送管徑為、長50

22、 m(包括閥門的當(dāng)量長度)，進(jìn)、出口損失可忽略。試求：(1) 油的流量(m3/h)；(2) 若調(diào)節(jié)閥門的開度，使油的流量減少20%，此時(shí)閥門的當(dāng)量長度增加多少(m)?解：題給條件下，油品的密度，黏度 (1) 在A、B兩槽間列柏努利方程，并以B槽液面為基準(zhǔn)面，得 其中，(表壓)，將以上數(shù)據(jù)代入柏努利方程， 即此情況下，應(yīng)假設(shè)，求出之后，計(jì)算，由于并未給出粗糙度的值，且流體黏度很大，可先試驗(yàn)層流的磨擦系數(shù)關(guān)系式。假設(shè)流體處在層流區(qū)，有 解得 假設(shè)合理 (2) 流量減少之后 此時(shí)流體仍處在層流區(qū)， 閥門開度減小流速下降，直管阻力損失減小，但由于閥門關(guān)小之后，局部阻力損失過大。所以總阻力損失沒變。25

23、. 在兩座尺寸相同的吸收塔內(nèi)，各填充不同的填料，并以相同的管路并聯(lián)組合。每條支管上均裝有閘閥，兩支路的管長均為5 m(包括除了閘閥以外的管件局部阻力的當(dāng)量長度)，管內(nèi)徑為200 mm。通過填料層的能量損失可分別折算為與，式中u為氣體在管內(nèi)的流速，m/s。氣體在支管內(nèi)流動(dòng)的摩擦系數(shù)。管路的氣體總流量為 m3/s。試求：(1) 當(dāng)兩閥全開時(shí)，兩塔的通氣量；(2) 附圖中AB的能量損失。解：(1) 并聯(lián)管路中，各支路的阻力損失相等， 那么直徑200 mm管路上的全開閘閥，所以 (1) (2) 由(1)、(2)解得 (2) 取任一支路進(jìn)行能量損失計(jì)算皆可 26. 用離心泵將20水經(jīng)總管分別送至A、B容

24、器內(nèi)，總管流量為89 m3/h，總管直徑為。泵出口壓強(qiáng)表讀數(shù)為1.93105 Pa，容器B內(nèi)水面上方表壓為l kgf/cm2?？偣艿牧鲃?dòng)阻力可忽略，各設(shè)備間的相對位置如本題附圖所示。試求：(1) 兩支管的壓頭損失，；(2) 離心泵的有效壓頭He。解：(1) 在總貯槽液面和主管路壓力表之后，記為截面，列柏努利方程，并以通過截面2主管路中心線的水平面作為位能基準(zhǔn)面，得 其中，(表壓) 代入之后得到：(2) 在截面2和容器A的液面之間列柏努利方程，得其中(表壓) (表壓) 由于主管路的阻力可以忽略，同樣可列出截面2到容器 B的液面的柏努利方程，解得 27. 用效率為80%的齒輪泵將黏稠的液體從敞口槽

25、送至密閉容器內(nèi)，兩者液面均維持恒定，容器頂部壓強(qiáng)表的讀數(shù)為30103 Pa。用旁路調(diào)節(jié)流量，其流程如本題附圖所示。主管流量為14 m3/h，管徑為，管長為80 m(包括所有局部阻力的當(dāng)量長度)。旁路的流量為5 m3/h，管徑為，管長為20 m(包括除了閥門外的所有局部阻力的當(dāng)量長度)。兩管路的流型相同，忽略貯槽液面至分支點(diǎn)O之間的能量損失。被輸送液體的黏度為，密度為1100kg/m3。試計(jì)算：(1) 泵的軸功率；(2) 旁路閥門的阻力系數(shù)。解：(1) 流體在總管中的速度 ，總管阻力損失： 在敞口槽和密閉容器之間列柏努利方程，得(2) 旁路的流速，旁路是一循環(huán)管路，循環(huán)系統(tǒng)中，28. 本題附圖所

26、示為一輸水系統(tǒng)，高位槽的水面維持恒定，水分別從BC與BD兩支管排出，高位槽液面與兩支管出口間的距離均為11 m。AB管段內(nèi)徑為38 mm、長為58 m；BC支管的內(nèi)徑為32 m、長為 m；BD支管的內(nèi)徑為26 mm、長為14 m。各段管長均包括管件及閥門全開時(shí)的當(dāng)量長度。AB與BC管段的摩擦系數(shù)均可取為。試計(jì)算：(1) 當(dāng)BD支管的閥門關(guān)閉時(shí)，BC支管的最大排水量為若干(m3/h)?(2) 當(dāng)所有閥門全開時(shí)，兩支管的排水量各為若干(m3/h)?BD支管的管壁絕對粗糙度可取為 mm，水的密度為1000 kg/m3，黏度為 Pas。解：(1) 在高位槽液面和BC支管出口內(nèi)側(cè)截面間列柏努利方程，并以

27、截面為位能基準(zhǔn)面，得 (1)其中(表壓) 將以上數(shù)值代入方程(1)，整理得 (2)根據(jù)連續(xù)性方程，解得 代入(2)式，解得， (2) 根據(jù)分支管路的流動(dòng)規(guī)律，有 (3)由于出口管BC、BD在同一水平面上，取兩支管出口外側(cè)為下游截面，則兩截面上和均相等。(3)式可簡化為，記為方程(4)。但由于BC和BD是不連續(xù)的，不一定成立，和的關(guān)系也不能確定，需要試差計(jì)算。由于為已知，應(yīng)假設(shè)，這樣可確定和的比例。，查摩擦系數(shù)圖，得，將和代入方程(4)，得 (5) 在高位槽液面和截面間列柏努利方程，并以截面作位能基準(zhǔn)面，得 (6) 其中，(表壓) 將以上數(shù)據(jù)代入方程(6)，整理得 (7) (8) (9)由連續(xù)性

28、方程，可得 (10) 其中，代入方程(10)中，整理可得 (11)把代入方程(11)，得到把 、代入方程(11)得到校驗(yàn)：， 查得，與前面的假設(shè)不相符，需重新計(jì)算。 以代入計(jì)算，得，代入方程(11)得到校驗(yàn)：，查得，與相符。 29. 在的管路上裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，孔板的孔徑為 mm，管中流動(dòng)的是20的甲苯，采用角接取壓法用U管壓差計(jì)測量孔板兩測的壓強(qiáng)差，以水銀為指示液，測壓連接管中充滿甲苯?，F(xiàn)測得U管壓差汁的讀數(shù)為600mm，試計(jì)算管中甲苯的流量為若干(kg/h)?解：時(shí)甲苯的密度， 查本教材的圖1-33，假設(shè) 驗(yàn)證的值 原假設(shè)的合理。 第二章 流體輸送機(jī)械習(xí)題1. 在用水測定離心泵性能的實(shí)驗(yàn)

29、中，當(dāng)流量為26 m3/h時(shí)，泵出口處壓強(qiáng)表和入口處真空表的讀數(shù)分別為152 kPa， kW，轉(zhuǎn)速為2900 r/min。若真空表和壓強(qiáng)表兩測壓口間的垂直距離為，泵的進(jìn)、出口管徑相同，兩測壓口間管路流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)。試計(jì)算該泵的效率，并列出該效率下泵的性能。解：在真空表和壓強(qiáng)表測壓口處所在的截面和間列柏努利方程，得其中： (表壓) 則泵的有效壓頭為：泵的效率 該效率下泵的性能為： 2. 用某離心泵以40 m3/h的流量將貯水池中65的熱水輸送到?jīng)鏊敚⒔?jīng)噴頭噴出而落入涼水池中，以達(dá)到冷卻的目的。已知水在進(jìn)入噴頭之前需要維持49 kPa的表壓強(qiáng)，噴頭入口較貯水池水面高8 m。吸入管路和排出

30、管路中壓頭損失分別為l m和5 m，管路中的動(dòng)壓頭可以忽略不計(jì)。試選用合適的離心泵，并確定泵的安裝高度。當(dāng)?shù)卮髿鈮喊?01.33kPa計(jì)。解：在貯槽液面與噴頭進(jìn)口截面之間列柏努利方程，得 其中： 根據(jù) ，輸送流體為水，在型水泵系列特性曲線上做出相應(yīng)點(diǎn)，該點(diǎn)位于型泵弧線下方，故可選用(參見教材113頁），其轉(zhuǎn)速為，由教材附錄24(1)查得該泵的性能，必需氣蝕余量 由附錄七查得時(shí)， 泵的允許安裝高度 3. 常壓貯槽內(nèi)盛有石油產(chǎn)品，其密度為760 kg/m3，黏度小于20 cSt，在貯存條件下飽和蒸氣壓為80kPa，現(xiàn)擬用65Y-60B型油泵將此油品以15 m3/h的流量送往表壓強(qiáng)為177 kPa的

31、設(shè)備內(nèi)。貯槽液面恒定，設(shè)備的油品入口比貯槽液面高5 m，吸入管路和排出管路的全部壓頭損失分別為1 m和4 m。試核算該泵是否合用。，問此泵能否正常操作?當(dāng)?shù)卮髿鈮喊?01.33kPa計(jì)。解：要核算此泵是否合用，應(yīng)根據(jù)題給條件計(jì)算在輸送任務(wù)下管路所需壓頭的值，然后與泵能提供的壓頭數(shù)值比較。由本教材的附錄24 (2)查得65Y-60B泵的性能如下： ，在貯槽液面與輸送管出口外側(cè)截面間列柏努利方程，并以截面為位能基準(zhǔn)面，得其中， 將以上數(shù)值代入前述方程，得完成流體輸送任務(wù)所需的壓頭為所需流量，符合要求。 由已知條件確定此泵是否合用應(yīng)核算泵的安裝高度，驗(yàn)證能否避免氣蝕。由柏努利方程，完成任務(wù)所需的壓頭

32、： 泵的安裝高度低于安裝高度，故此泵能正常使用。4. 欲用例2-2附圖所示的管路系統(tǒng)測定離心泵的氣蝕性能參數(shù)，則需在泵的吸入管路中安裝調(diào)節(jié)閥門。適當(dāng)調(diào)節(jié)泵的吸入和排出管路上兩閥門的開度，可使吸入管阻力增大而管內(nèi)流量保持不變。若離心泵的吸入管直徑為100 mm，排出管直徑為50 mm，孔板流量計(jì)孔口直徑為35 mm， mHg，吸入口真空表讀數(shù)為550 mmHg時(shí)，離心泵恰發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，試求該流量下泵的氣蝕余量和允許吸上真空度。已知水溫為20，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?60mmHg。解：查得時(shí)， 由 ，由教材(上冊)第一章圖1-33，得 可知，通過孔板流量計(jì)孔口的流速為： 由于各段體積流量相等。則出口管路中流

33、體的速度為，校核雷諾數(shù)，故是常數(shù)。水在進(jìn)口管路中的流速 氣蝕余量 允許吸上真空度，5. 用3B33A型離心泵從敞口水槽中將70清水輸送到它處，槽內(nèi)液面恒定。輸水量為3545 m3/h，在最大流量下吸入管路的壓頭損失為1 m，液體在吸入管路的動(dòng)壓頭可忽略。試求離心泵的允許安裝高度。 m和5.0 m。解：由附錄查得操作條件下清水的飽和蒸汽壓，將已知的換算后代入便可求出。 由附錄可知時(shí)， 由此可知泵的允許裝高度為6. 用離心泵從敞口貯槽向密閉高位槽輸送清水，兩槽液面恒定。輸水量為40 m3/h。兩槽液面間垂直距離為12 m，管徑為，管長(包括所有局部阻力的當(dāng)量長度)為100 m，密閉高位槽內(nèi)表壓強(qiáng)為

34、9.81104Pa，流動(dòng)在阻力平方區(qū)，摩擦系數(shù)為0.015，試求：(1) 管路特性方程；(2) 泵的壓頭。解：(1）以貯槽液面為，并作為位能基準(zhǔn)面，以高位槽液面為，在和之間列柏努利方程，得 其中： 代入上述數(shù)據(jù)可得 管路摩擦阻力損失 (以為單位） (2）將代入以為單位的計(jì)算式7. 用水對某離心泵做實(shí)驗(yàn)，得到下列各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Q/(L/min）0100200300400500H/m3837泵輸送液體的管路管徑為76 mm4 mm、長為355 m(包括局部阻力的當(dāng)量長度)，吸入和排出空間為常壓設(shè)備， m，摩擦系數(shù)可取為0.03。試求該泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流量。若排出空間為密閉容器， kPa(表壓)，再求此時(shí)

35、泵的流量。被輸送液體的性質(zhì)與水的相似。解：(1) 在貯水池液面和輸水管出口內(nèi)側(cè)列柏努利方程，得 其中： (以為單位） 由此可得到管路特性方程： (1）泵的性能參數(shù)見表1。由表1的數(shù)據(jù)繪制如下的管路特性曲線，兩曲線的焦點(diǎn)即為泵的工作點(diǎn)，此時(shí)即(2）在貯水池液面和管路出口液面上方之間列柏努利方程，得 其中：， ， ， 重復(fù)(1)繪制管路特性曲線的步驟，數(shù)如由表(1)最后一行所示。此管路特性曲線與泵特性曲線交點(diǎn)即為新的工作點(diǎn)。 表(1）離心泵的性能參數(shù)Q01002003004005005383718 習(xí)題7附圖8. 用兩臺離心泵從水池向高位槽送水，單臺泵的特性曲線方程為；管路特性曲線方程可近似表示為

36、，兩式中Q的單位為m3/s，H的單位為m。試問兩泵如何組合才能使輸液量大?(輸水過程為定態(tài)流動(dòng))解：兩泵并聯(lián)時(shí)，流量加倍，壓頭不變，故并聯(lián)泵的特性曲線方程為并令并，可求得并聯(lián)泵的流量，即，解得兩臺泵串聯(lián)時(shí)，流量不變，壓頭加倍，故串聯(lián)泵的特性曲線方程為串同理，解得結(jié)果表明，并聯(lián)泵的流量高于串聯(lián)泵的流量。9. 現(xiàn)采用一臺三效單動(dòng)往復(fù)泵，將敞口貯罐中密度為1250 kg/m3的液體輸送到表壓強(qiáng)為1.28106 Pa的塔內(nèi)，貯罐液面比塔入口低10 m，管路系統(tǒng)的總壓頭損失為2 m。已知泵的活塞直徑為70 mm，沖程為225 mm，往復(fù)次數(shù)為200 min-1，泵的總效率和容積效率分別為0.9和0.95

37、。試求泵的實(shí)際流量、壓頭和軸功率。解：(1) 三效單動(dòng)往復(fù)泵的實(shí)際流量其中，為泵的容積效率，其值為0.95，所以，(2) 在貯罐液面及輸送管路出口外側(cè)截面間列伯努利方程，并以貯罐液面為位能基準(zhǔn)面，得其中， (表壓) (表壓) 所以管路所需的壓頭應(yīng)為泵所提供，所以泵的壓頭為116.4m。(3) 往復(fù)泵的軸功率計(jì)算與離心泵相同，則10. 已知空氣的最大輸送量為14500 kg/h，在最大風(fēng)量下輸送系統(tǒng)所需的風(fēng)壓為1.28106 Pa(以風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)計(jì))。由于工藝條件的要求，風(fēng)機(jī)進(jìn)口與溫度為40、真空度為196 Pa的設(shè)備連接。試選擇合適的離心通風(fēng)機(jī)。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為93.3 kPa。解：由題知， 由

38、附錄25知可采用47211No.8C型離心通風(fēng)機(jī)，性能如下： ，11. 15的空氣直接由大氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)，再通過內(nèi)徑為800 mm kPa?？諝廨斔土繛?0000 m3/h(進(jìn)口狀態(tài)汁)，管長為100 m(包括局部阻力的當(dāng)量長度)，管壁絕對粗糙度可取為 m kPa。 轉(zhuǎn)速/(r/min) 風(fēng)壓/Pa 風(fēng)量/( m3/h)1450 12650 21800解：離心機(jī)的風(fēng)速為： 查得時(shí)，則 又 查圖知，其阻力損失壓降 全風(fēng)壓 風(fēng)量 (符合）由上面分析，此風(fēng)機(jī)合用。12. 某單級雙缸雙動(dòng)空氣壓縮機(jī)，活塞直徑為300 mm，沖程為200 mm，每分鐘往復(fù)480次。壓縮機(jī)的吸氣壓強(qiáng)為9.807104 Pa，排

39、氣壓強(qiáng)為34.32104 Pa。試計(jì)算該壓縮機(jī)的排氣量和軸功率。假設(shè)汽缸的余隙系數(shù)為8%，排氣系數(shù)為容積系數(shù)的85%，絕熱總效率為0.7?？諝獾慕^熱指數(shù)為1.4。解：往復(fù)壓縮機(jī)的排氣量，其中：， ，將此數(shù)據(jù)代入上式可得到： 所需的軸功率 其中： 13用三級壓縮把20的空氣從98.07103 Pa壓縮到62.8103 Pa，設(shè)中間冷卻器能把送到后一級的空氣冷卻到20，各級壓縮比相等。試求：(1) 在各級的活塞沖程及往復(fù)次數(shù)相同情況下，各級汽缸直徑的比;(2) 三級壓縮所消耗的理論功(按絕熱過程考慮，空氣的絕熱指數(shù)為1.4，并以l kg計(jì))。解：(1）每級的壓縮比可由下式計(jì)算 則有 ， ， 即 所

40、以 (2) 其中：，代入上式得 第三章 機(jī)械分離和固體流態(tài)化1. 取顆粒試樣500 g，作篩分分析，所用篩號及篩孔尺寸見本題附表中第1、2列，篩析后稱取各號篩面上的顆粒截留量列于本題附表中第3列，試求顆粒群的平均直徑。習(xí)題1附表篩號篩孔尺寸/mm截留量/g篩號篩孔尺寸/mm截留量/E100661410020150282003527048共計(jì)500解：顆粒平均直徑的計(jì)算由 (1/mm)由此可知，顆粒群的平均直徑為da=.2. 密度為2650 kg/m3的球形石英顆粒在20空氣中自由沉降，計(jì)算服從斯托克斯公式的最大顆粒直徑及服從牛頓公式的最小顆粒直徑。解：時(shí)，對應(yīng)牛頓公式，K的下限為69.1，斯脫

41、克斯區(qū)K那么，斯脫克斯區(qū)：3. 在底面積為40 m2的除塵室內(nèi)回收氣體中的球形固體顆粒。氣體的處理量為3600 m3/h，固體的密度，操作條件下氣體的密度，黏度為210-5 Pas。試求理論上能完全除去的最小顆粒直徑。解：同P151.例3-3在降塵室中能被完全分離除去的最小顆粒的沉降速度ut，則 假設(shè)沉降在滯流區(qū)，用斯托克斯公式求算最小顆粒直徑。核算沉降流型：假設(shè)合理。求得的最小粒徑有效。4. 用一多層降塵室除去爐氣中的礦塵。礦塵最小粒徑為8，密度為4000 kg/m3。除塵室長4.1 m、寬1.8 m、高4.2 m，氣體溫度為427，黏度為3.410-5 Pas，密度為0.5 kg/m3。若

42、每小時(shí)的爐氣量為2160標(biāo)準(zhǔn)m3，試確定降塵室內(nèi)隔板的間距及層數(shù)。解：由氣體的狀態(tài)方程有則氣體的流量為假設(shè)沉降發(fā)生在滯流區(qū)，用斯托克斯公式求最小粒徑。核算沉降流型：假設(shè)合理。求得的最小粒徑有效。由以上的計(jì)算可知。粒徑為8的顆粒沉降必定發(fā)生在滯流區(qū)。用斯托克斯公式求沉降速度層數(shù)取為51層。板間距核算氣體在多層降塵室中的流型。當(dāng)量直徑(對降塵室)氣體在降塵室中的流動(dòng)為層流流動(dòng)。設(shè)計(jì)合理。5. 已知含塵氣體中塵粒的密度為2300 kg/m3,氣體流量為1000 m3/h、黏度為3.610-5 Pas、密度為0.674 kg/m3，采用如圖3-7所示的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵。若分離器圓筒直徑為0.4

43、 m，試估算其臨界粒徑、分割粒徑及壓強(qiáng)降。解：對標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器，已知D=0.4m，B=D/4=0.1m，h=D/2=0.2m。氣體流速為臨界粒徑壓強(qiáng)降所以，臨界粒徑，分割粒徑，壓強(qiáng)降6. 某旋風(fēng)分離器出口氣體含塵量為0.710-3 kg/標(biāo)準(zhǔn)m3，氣體流量為5000標(biāo)準(zhǔn)m3/h，每小時(shí)捕集下來的灰塵量為21.5 kg。出口氣體中的灰塵粒度分布及捕集下來的灰塵粒度分布測定結(jié)果列于本題附表中。習(xí)題6附表1粒徑范圍/05510102020303040405050在出口灰塵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%16252920721在搜集的灰塵中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%11203解：(1) 除塵總效率出口氣體中塵粒的質(zhì)量流量為

44、進(jìn)口氣體中塵粒的質(zhì)量流量為所以，即86% (2) 粒級效率曲線根據(jù)附表的數(shù)據(jù)求得粒級效率值如本題附表所示習(xí)題6附表1粒徑范圍05510102020303040405050平均粒徑1525354550(%，質(zhì)量)16252920721(%，質(zhì)量)11208根據(jù)的數(shù)據(jù)繪制粒級效率曲線如附圖所示習(xí)題6附圖7. 在實(shí)驗(yàn)室用一片過濾面積為0.1 m2的濾葉對某種顆粒在水中的懸浮液進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，濾葉內(nèi)部真空度為500 mmHg。過濾5 min得濾液1 L,又過濾5 min得濾液0.6 L。若再過濾5min,可再得濾液多少?解：由過濾基本方程：，代入數(shù)據(jù)有：解得：當(dāng)時(shí)，解得，8. 以小型板框壓濾機(jī)對碳酸鈣顆

45、粒在水中的懸浮液進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn),測得數(shù)據(jù)列于本題附表中。已知過濾面積為0.093 m2，試求：(1) 過濾壓強(qiáng)差為103.0 kPa時(shí)的過濾常數(shù)K、qe及；(2) 濾餅的壓縮性指數(shù)s；(3) 若濾布阻力不變，試寫出此濾漿在過濾壓強(qiáng)差為196.2kPa時(shí)的過濾方程式。習(xí)題8附表過濾壓強(qiáng)差kPa過濾時(shí)間濾液體積Vsm3502.27lO-36609.1O10-32.2710-32339.1Ol0-3解：(1) 下，(2) 由得(3) 常數(shù)，所以，以103kPa下的數(shù)值為基準(zhǔn)，得到9. 在實(shí)驗(yàn)室中用一個(gè)每邊長0.162 m的小型濾框?qū)aCO3顆粒在水中的懸浮液進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)。料漿溫度為19，其中CaCO

46、3固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0723。測得每1 m3濾餅烘干后的質(zhì)量為l062 kg。在過濾壓強(qiáng)差為275800 Pa時(shí)所得的數(shù)據(jù)列于本題附表中。習(xí)題9附表過濾時(shí)間濾液體積V/L試求過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積Ve，濾餅的比阻r，濾餅的空隙率及濾餅顆粒的比表面積。已知CaCO3顆粒的密度為2930 kg/m3，其形狀可視為圓球。解：由恒壓過濾方程式可得，也可寫作對題給的數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以對V作圖，據(jù)圖可求得有關(guān)參數(shù)0057習(xí)題9附圖s/LV/Ls/L2由圖得知：直線斜率直線的截距即，則， ，設(shè)濾餅與濾液的體積比是，并以1m3濾液為基準(zhǔn)做固相的物料衡算，得解則濾餅的比阻為10. 用一臺BMS5O/810-2

47、5型板框壓濾機(jī)過濾某懸浮液，懸浮液中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.139，固相密度為2200 kg/m3，液相為水。每1 m3濾餅中含500 kg水,其余全為固相。已知操作條件下的過濾常數(shù)K=2.7210-5 m2/s，qe=3.4510-3 m3/m2。濾框尺寸為810mm810mm25mm，共38個(gè)框。試求：(1) 過濾至濾框內(nèi)全部充滿濾渣所需的時(shí)間及所得的濾液體積；(2) 過濾完畢用0.8 m3清水洗滌濾餅，求洗滌時(shí)間。洗水溫度及表壓與濾漿的相同。解: (1)：過濾面積為:濾框總?cè)莘e:設(shè)1則 濾餅中對應(yīng)的濾液量當(dāng)濾框全部充滿時(shí),其濾液體積則該體系的恒壓過濾方程為:(2):洗滌時(shí)間:11. 用葉濾機(jī)處理某種懸浮液,先以等速過濾20 min，得濾液2 m3。隨即保持當(dāng)時(shí)的壓強(qiáng)差再過濾40