化工原理(第二版 華南理工大) 習題

第一章流體力學及應用靜力學方程式：連續(xù)性方程：（不可壓縮流體）柏努利方程：直管局部或阻力計算重要問題1.什么是絕對壓強、表壓和真空度2.雷諾數(shù)的物理意義是什么？3.粘性應力與質(zhì)點脈動產(chǎn)生的原因是什么？4.試解釋層流底層對流動阻力的影響。5.什么是局部阻力？1-1、如圖所示，水從儲水箱A經(jīng)異徑水平管段B及C流至大氣中。已知水箱內(nèi)液面與管子中心線間的垂直距離為5.5m，保持恒定，管段B的直徑為管段C的兩倍。水流經(jīng)B、C段的摩擦阻力分別為∑hf,B=15J/Kg及∑hf,C=30J/Kg。水箱至管段B及由管段B至管段C的突然縮小損失可以忽略，而管段C至外界的出口損失不能忽略。試求：1、水在管段c中的流速；2、水在管段B中的流速；3、管段B末段內(nèi)側(cè)的壓強。解：（1）水在管路C中的流速uC

在水箱1-1面及管C出口內(nèi)側(cè)面2-2間列柏努利方程，以水平管中心線為基準面：

其中 z1=5.5mp1=0(表壓)

u1≈0(因水箱截面很大，故u1很小，可以認為u1≈0)

z2=0u2=uC

p2=0（2-2面在管口內(nèi)側(cè)，接近外界大氣壓，故可認為p2與外界大氣壓相等，其表壓為0）

取水的密度為1000kg/m3，故有

解得uC=4.232m/s

注意：c管末端內(nèi)外兩側(cè)的流速不同，因為出口處有阻力方程有兩種算法：能量或壓頭uC（外）=uC（內(nèi)）/1.414(2)水在管路B中的流速uB據(jù)連續(xù)性方程所以 (3)管段B末端內(nèi)側(cè)的壓強在水箱1-1面及管B出口內(nèi)側(cè)面3-3間列柏努利方程，以水平管中心線為基準面：其中u3=uB=1.058m/s所以

解得管B出口表壓強 1-2、用離心泵將密度為1200kg/m3的水溶液由敞口貯槽A送至高位槽B.已知離心泵吸入管路上各種流動阻力之和∑hf,a=10J/kg、壓出管路的∑hf,b=30J/kg,兩槽液面維持恒定，其間垂直距離為20m,每小時液面的輸送量為30m3.若離心泵的效率為0.65，試求泵的軸功率。解：列1-1面與2-2面間的柏努利方程，以1-1面為基準面。其中z1=0z2=20mp1=0(表壓)p2=0(表壓)u1≈0u2≈0J/kg

有效功率：

W軸功率：

即：Pa≈3.7kW1-3、用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均衡定不變。輸送管路尺寸為φ57×3.5mm，泵出口垂直管段A、B截面上的測壓口有軟管與兩支液柱壓差計相連，其上指示劑水銀柱的讀數(shù)分別為R=40mm及R′=1200mm。右邊壓差計的左側(cè)指示劑液面與截面A的垂直距離H＝1000mm，右側(cè)開口水銀面上灌有一段R″=20mm的清水。A、B兩截面間的管長（即垂直距離）為6m。管路中摩擦系數(shù)為0.02。當?shù)卮髿鈮簭姙?.0133×105Pa。試求：1.水在管路中的流速；2.截面A上的壓強。解：令Pa＝大氣壓強。取水的密度為ρH2O=1000kg/m3、水銀的密度ρHg＝13600kg/m3。1.水在管路中的流速水在管路中的流速或流量直接影響流動的阻力，故可用式（1-19）計算流速：上式中的∑hf可由柏努利式算出。分析題給數(shù)據(jù)應取截面A及B作衡算范圍，因二者間的垂直距離為已知、壓強差可由壓差計算出、速度相等、且無外功加入，故可算出∑hf,AB,然后由式（1）計算出管路中的流速。以截面A為基準面：（1）（2）或（3）其中ZA-ZB=0-6=-6muA2-uB2=0（對不可壓縮流體uA=uB

）將以上諸值代入式（3）：上式中∑hf,AB即式（1）中的∑hf，故：解得管路中流速u＝2.029m/s2.截面A上的壓強前項已算出PA-PB的值，此處再利用右邊壓差計的數(shù)據(jù)算出截面B上的壓強PB后，即可算出PA。在右邊壓差計上作等壓參口面T及S，PT=PS,參考圖知：即：=1.0133×105+0.02×1000×9.81+1.2×13600×9.81-（6+1）×1000×9.81=193000PaPA=PB+△P=193000+63800=256800Pa-1-4、實驗室測定離心泵性能時，采用本題附圖所示的定態(tài)流動流程。每小時以45m3、20℃的清水為工作介質(zhì)。泵的進口管直徑為φ85×4mm，出口管直徑為φ75×4mm。在泵的進口和出口附近分別裝有真空表及壓強表，已測得真空表上讀數(shù)為2.6×104Pa、壓強表讀數(shù)為2.6×105Pa，兩測壓口中心線間的垂直距離為0.5m，因其間管路較短，故流體在兩表間的摩擦阻力可以忽略。泵由電動機直接帶動，傳動效率可視為1，已測得電動機輸出功率為5.5kW，試求泵的效率。0.5m11'22'解：在兩測壓口中心截面1－1'及2－2'間列柏努利式，以2－2'面的中心線為基準面，取ρH2O＝1000kg/m3。Z1=0P1=-2.6×104Pa（表壓）（因真空度的負值為表壓）We=待求值Z2=0.5mP2=2.6×105Pa（表壓）解得：1-5、在如圖所示的列管換熱器內(nèi)，管束外的冷溶液與管束內(nèi)的熱苯溶液交換熱量。換熱器的外殼內(nèi)徑600mm，殼內(nèi)裝有269根Ф25×2.5mm的熱交換列管束。215m3/h的熱苯在管束內(nèi)流過，從95℃被冷卻到25℃，求苯在管束中流動時的流型。解：以Re準數(shù)數(shù)值來判斷流型，而Re=duρ/μ，其中ρ及μ是溫度的函數(shù)，本題苯在管束內(nèi)流過時的溫度由95℃降到25℃，固應根據(jù)算術(shù)平均值60℃查取苯的ρ及μ。查的60℃時的黏度μ=0.4×10-3Pa·s，ρ≈880kg/m3.苯進熱交換器封頭后即均分進入每根列管，在每根加熱管熱速度都是相同的，故：d=25-2.5×2=20mm故流型為湍流。1-6、在層流情況下，于圓形直管內(nèi)以定態(tài)條件輸送一定量的液體，若換以長度不變而直徑減半的新管，試求因摩擦阻力而產(chǎn)生的壓強降與原情況時壓強降間的關(guān)系。解：液體在圓形直管內(nèi)作層流流動時因摩擦阻力而產(chǎn)生的壓強降用哈根-泊謖葉（Hagen-Poiseuille)公式計算：液體流動過程中液體的物理性質(zhì)可視為恒定，管長又沒有變化，只有速度是管徑的函數(shù)，故推導新、舊情況下的關(guān)系時，可將式中的u用d表達。以下標“O”代表原情況，以下標“N”代表新情況：湍流時：范寧公式或=16即在層流條件下，若流量和管長不變，而將管徑減半，因流動阻力而引起的壓強降為原來的16倍，故在特定的管徑時，流動阻力是考慮的重要因素。1-7.用泵將密度1100kg/m3、粘度1.2×10-3Pa·s的溶液從貯槽送至表壓0.2×l05Pa的密閉高位槽。管子直徑為Ф108·4mm、直管長度70m、各管件的當量長度之和為100m(不包括進口與出口阻力)。輸送量為50m3/h，兩槽液面恒定，其間垂直距離為20m，今用η＝65％、軸功率為7.5kW的庫存離心泵，問該泵能否完成任務(wù)。解：式中z1=0z2=20mP1=0(表壓)P2=0.2×105Pa（表壓）u1≈0u2≈0其中=(,)取=0.3mm，故=0.3/100=0.003由化工原理教材查出=0.027。取進口阻力系數(shù)=0.5，出口阻力系數(shù)≈1.將已知值代入伯努利式：We=20×9.81+0.2×105/1100+74.17=288.6J/kg質(zhì)量流量=(50×1100)/3600=15.28kg/sN=(288.6×15.28)/0.65=6.784J/s≈6.8kW＜7.5kW只從功率角度考慮該泵合適。1-81-9

1-10如圖所示，某廠計劃建一水塔，將20℃水分別送至第一、第二車間的吸收塔中。第一車間的吸收塔為常壓，第二車間的吸收塔內(nèi)壓力為20kPa（表壓）。總管為

57

3.5mm的鋼管，管長為（30+z0）m，通向兩吸收塔的支管均為25

2.5mm的鋼管，管長分別為28m和15m（以上各管長均已包括所有局部阻力的當量長度在內(nèi)）。噴嘴的阻力損失可以忽略。鋼管的絕對粗糙度可取為=0.2mm?，F(xiàn)要求向第一車間的吸收塔供應1800kg/h的水，向第二車間的吸收塔供應2400kg/h的水，試確定水塔離地面至少多高才行？已知20

C水的黏度Pa

s，可用下式計算：

57

3.5mm（30+z0）

25

2.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/h解：這是分支管路設(shè)計型問題，可沿兩分支管路分別計算所需的z0，從中選取較大者?？偣埽?/p>

通向吸收塔一的支路：通向吸收塔二的支路：為計算滿足吸收塔一的供水量水塔應處的高度，在0-0面和1-1面間列機械能衡算方程：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：解之得：

再計算為滿足吸收塔二的供水量，水塔應處的高度，為此在0-0面和2-2面間列機械能衡算方程：將有關(guān)數(shù)據(jù)代入得：解之得： 為了同時滿足第一、二車間的供水要求，應取z0、z

0中較大者，即水塔離地面至少13.9m才行。實際操作時，第一車間供水量可通過關(guān)小閥門來調(diào)節(jié)。

1-11解：1-1面和2-2面（出口截面外側(cè)）間有：

1-12

因為Et1不變，Et2變小證明：（1）k1關(guān)小，則V1

減小。假設(shè)V不變V2、V3不變V變小，故假設(shè)不成立假設(shè)V變大V2、V3變小V變小，故假設(shè)不成立現(xiàn)將支路1上的閥門k1關(guān)小，則下列流動參數(shù)將如何變化？

(1)總管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；

(2)壓力表讀數(shù)pA、pB。

復雜管路的操作型問題分析1-13V2、V3變大pA變大、pB變小現(xiàn)將支路1上的閥門k1關(guān)小，則下列流動參數(shù)將如何變化？

(1)總管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；

(2)壓力表讀數(shù)pA、pB。第二章流體輸送機械理論壓頭：實際壓頭測量：軸功率與效率比例定律泵的特性曲線管路的特性曲線重要問題1、分析離心泵實際壓頭低于理想壓頭的影響因素有哪些？2、什么是氣蝕現(xiàn)象？3、如何確定離心泵的安裝高度？4、離心泵并聯(lián)與串聯(lián)后產(chǎn)生何種效果？5、流量調(diào)節(jié)的兩種方式是什么？2-1

用離心泵將江水送至高位槽。若管路條件不變，則下列參數(shù)隨著江面的下降有何變化？（設(shè)泵仍能正常工作）泵的壓頭H，管路總阻力損失hf，泵出口處壓力表讀數(shù)，泵入口處真空表讀數(shù)。管路特性曲線平行上移不變管徑較大，動能變化較小VV

H

he

(2)a.采用調(diào)節(jié)出口閥門的方法節(jié)流損失泵特性曲線方程管路特性曲線方程b.采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法VV

泵特性曲線方程管路特性曲線方程2-3

用離心泵把20℃的水從開口槽送至表壓為1.5×105Pa的密閉容器，貯槽和容器的水位恒定，各部分相對位置如本題附圖所示。管道均為φ108×4mm的無縫鋼管，吸入管長為20m，排出管長為100m（各段管長均包括所有局部阻力的當量長度）。當閥門為3/4開度時，真空表讀數(shù)為42700Pa，兩測壓口的垂直距離為0.5m，忽略兩測壓口之間的阻力，摩擦系數(shù)可取0.02，求：閥門3/4開度時管路的流量（m3/h）及壓強表讀數(shù)（Pa）各為多少。解：在貯槽液面0-0'及真空表所在截面1-1'間列伯努利式，并以0-0'面為基準面：其中z0=0z1=3mP0=0(表壓)P1=-42700Pa（表壓）u0≈0u1=待求所以0=3-42700/(9.8×1000)++

u1=2.3m/s所以Q==0.785×0.12×2.3×3600=65m3/h再在泵出口壓強表測壓口中心2-2'截面與容器內(nèi)液面3-3'間列伯努利式，并仍以0-0'面為基準面：解得P2=3.23×105Pa（表壓）2-4、用一離心泵將敞口水槽中的水輸送到表壓強為147.2kPa的高位密閉容器中。管路系統(tǒng)尺寸如下圖示。供水量為36m3/h，此時管內(nèi)流動已進入阻力平方區(qū)。并知泵的特性曲線方程為H＝45-0.00556Q2（Q的單位為m3/h）。若用此泵輸送密度為1200kg/m3的堿液，閥門開度及管路其它條件不變，求輸送堿液時的流量和離心泵的有效功率為多少？水的密度為1000kg/m3，兩液面差值為10m。解：供水量就是管路特性曲線與泵特性曲線交點對應的流量，即H=HeQ=Qe

管路特性曲線方程為：（1）

泵特性曲線方程為：H＝45-0.00556Q2=45-0.0056×362

（2）聯(lián)立式（1）及式（2），求出管路特征曲線方程中系數(shù)B=0.00987送堿液時，B值不變，則管路特性曲線方程為：上式與泵特性曲線方程聯(lián)立，解得：Q=38.19m3/h相應的泵壓頭為：He=H=45-0.00556×38.192=36.89m泵的有效功率Ne=（36.89×38.19×1200×9.8）/3600=4600W=4.6kW第三章非均相機械分離過濾基本方程：恒壓過濾：洗滌時間：板框：橫穿洗滌，Aw=1/2A,Lw=2L回轉(zhuǎn)：置換洗滌轉(zhuǎn)筒過濾機的生產(chǎn)能力：重要問題1、過濾中流體產(chǎn)生壓降的原因是什么？2、影響過濾速率的因素有哪些？3、什么是操作周期與生產(chǎn)能力？4、板框過濾機的優(yōu)點與缺點是什么？5、試分析轉(zhuǎn)筒過濾機的生產(chǎn)能力與哪些因素有關(guān)？3-1、實驗室用一片慮面積為0.1m2的濾葉對某種懸浮液進行實驗，濾葉內(nèi)部真空度為8×104Pa，測出qe為0.01m3/m2，θe為20s，且知每獲1升濾液，便在濾葉表面積累1mm厚的濾渣，今選用板框過濾機在3.2×105Pa的表壓下過濾該懸浮液，所用過濾介質(zhì)與實驗相同，該壓濾機濾框為正方形，其邊長為810mm，框厚為42mm，共20個框，濾餅不可壓縮。試求：（1）濾框完全充滿濾餅所需的過濾時間；（2）若濾餅洗滌與裝卸時間為0.5h，求以濾液體積計的生產(chǎn)能力。解：1）濾框完全充滿濾餅所需的過濾時間θ過濾面積：濾餅體積：

Vc=l2bn=0.812×0.042×20=0.551

m3濾液體積

真空度為，即

K∝，而濾餅不可壓縮s=0則(q+qe)=K(θ+θe)2q=0,θ=0恒壓過濾方程qe'=qe=0.01m3/m2則過濾時間：2）過濾機的生產(chǎn)能力3-2、在板框壓濾機中以300kPa的壓強差過濾含鈦白粉的水懸浮液。通過實驗已測得過濾常數(shù)K=4.5×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2,且每獲得1L濾液得濾餅0.06L。采用的正方形板框壓濾機的尺寸為：濾框邊長810mm，框厚：25mm，25個框。過濾推動力及所用濾布與試驗時相同。試求：1.過濾至框內(nèi)全部滿濾餅后，用相當濾液量1/10的清水進行洗滌，求洗滌時間；2.若每次卸渣、重裝等輔助時間為0.25h，求以濾餅體積計的過濾機的生產(chǎn)能力。解：（1）洗滌時間過濾面積A=2L2n=2×0.812×25=32.8m2濾餅體積Vc=L2bn=0.812×0.025×25=0.41m3c=0.06m3濾餅/m3濾液過濾至框內(nèi)全部充滿濾餅的濾液量：V=Vc/c=0.41/0.06=6.83m3q=V/A=6.83/32.8=0.208m3/m2洗滌速率為洗滌時間

（2）生產(chǎn)能力Qc

因為先求出過濾時間θ將框內(nèi)全部充滿濾餅之濾液量q和過濾常數(shù)qe及K代入恒壓過濾方程q2+2qqe=Kθ中，則：生產(chǎn)能力3-3某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為635

635

25mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進行，過濾常數(shù)K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘。試求框全充滿濾餅所需時間?，F(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾濾漿，所用濾布與前相同，過濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，浸入角度為120

。問轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機同樣的生產(chǎn)能力？

假設(shè)濾餅不可壓縮?！窘狻恳砸粋€框為基準進行計算濾液量過濾面積再根據(jù)恒壓過濾方程得：K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2改用回轉(zhuǎn)真空過濾機后，壓差不變，故K不變；濾布不變，故qe不變。K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2過濾面積板框過濾機的生產(chǎn)能力為：設(shè)轉(zhuǎn)筒每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則回轉(zhuǎn)真空過濾機生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機V=Q/nV～nn=Q/(KA/3–2QVe)

22V=Q/n=0.166m3=0.17r.p.m=4.773×10×602-84.24×10×3.14×1/3-2×4.773×10×0.0631-52-4第四章熱量傳遞及設(shè)備=

t2

-t1

/⊿tm=T1

-T2

/⊿tm導熱：傳熱：熱衡算：重要問題1、分別說明熱量傳遞過程的三種基本方式？2、對流傳熱中流體的流動狀態(tài)如何影響傳熱速率？3、比較分析膜狀冷凝與滴狀冷凝的傳熱效果？4、分析液體沸騰對傳熱的影響？5、什么是輻射傳熱？它有哪些特性？4-1、在逆流操作的冷凝器中，用15℃的水使絕對壓強為11206kPa、溫度為95℃、流量為200kg/h的過熱氨氣冷卻并冷凝。液態(tài)氨在冷凝溫度下排出，相應的液氨飽和溫度為30℃。在操作過程中，冷凝器內(nèi)各截面上氨與水的溫差不允許低于5℃。試求冷水的用量、水的出口溫度及兩流體的平均溫度差。設(shè)熱損失可忽略不計。數(shù)據(jù)：95℃氨蒸氣的焓=1647kJ/kg；30℃氨蒸氣的焓=1467kJ/kg；30℃液氨的焓=323kJ/kg；水的比熱容為4.183kJ/(kg·℃).傳熱面

S/m230溫度/℃氨水冷卻冷凝1595解：過熱蒸氣放出的熱量為：氨由30℃飽和蒸氣變?yōu)?0℃液氨放出的能量為：Qr=200（1467-323）×103/3600=63600W冷卻水吸收的總熱量為：Q=Q1+Qr=10000+63600=73600W

冷凝段內(nèi)水的平均溫度=

已知20℃時水的平均比熱容為4183J/(kg·℃)63600=W2×4183×（25-15）解得W2=1.52kg/s水的出口溫度t2可通過總熱量衡算求得，若能近似的取水的比熱容為4183J/(kg·℃)，則：73600=1.52×4183（t2-15）解得t2=26.6℃兩流體間的平均溫差應分兩段計算，即：冷卻段

冷凝段

4-2、在傳熱面積為20m2的新購列管換熱器中用溫度為20℃、流量為13500kg/h的冷水以逆流流動方式將醋酸從110℃冷卻到40℃，冷水被加熱到45℃。運轉(zhuǎn)一段時間后，兩流體的流量和入口溫度均不變，而冷水的出口溫度降至38℃。試查找原因并作定量論證。計算時可忽略熱損失；比熱容為4.2kJ/(kg·℃)。解：在原工況條件下：在新工況條件下：根據(jù)熱量衡算確定醋酸的出口溫度T2'，即：運轉(zhuǎn)一段時間后，增加的熱阻比例為：運轉(zhuǎn)一段時間后，由于污垢的沉積，使總熱阻增加為新?lián)Q熱器熱阻的1.972倍。為了提高傳熱效果，工廠通常都定期進行設(shè)備檢修，清洗垢層。4-3一臥式列管冷凝管,鋼制換熱管長為3m,直徑為

25×2mm。水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過，并從17℃被加熱到37℃。流量為1.25kg/s、溫度為72℃烴的飽和蒸氣在管外冷凝成同溫度的液體。烴蒸氣的冷凝潛熱為315kJ/kg。已測得：蒸氣冷凝傳熱系數(shù)

0=800W/(m2·℃)，管內(nèi)側(cè)熱阻為外側(cè)的40%，污垢熱阻又為管內(nèi)側(cè)熱阻的70%，試核算換熱管的總根數(shù)和換熱器的管程數(shù)。[計算時可忽略管壁熱阻及熱損失，水的比熱為4.18kJ/(kg·℃)]。解：由冷卻水的總流量和單管內(nèi)水的流量確定每程管子的數(shù)目；再根據(jù)所需的傳熱面積確定管程數(shù)。計算如下：取水的比熱容為則效果計算：溫變、流量單管內(nèi)水的流量為：每程所需管子數(shù)為：取每程管子數(shù)為20，則每程所能提供的傳熱外表面積為：由題給數(shù)據(jù)

任務(wù)所需的傳熱外表面積為：

需要管程數(shù)為：Nt=S0/S1=18.7/4.71=3.97（取4）

換熱管的總根數(shù)為4×20=80過程計算：面積、熱阻、溫差4-4在套管換熱器中用110℃的飽和蒸汽加熱管內(nèi)的冷流體,使其溫度由15℃升至55℃。已知蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為α0=1.1×104W/(m2·℃)，試針對如下兩種冷流體估算總傳熱系數(shù)K值和傳熱壁面的平均溫度tw.1.管內(nèi)流動著空氣，其對流傳熱系統(tǒng)αi=90W/(m2·℃)；2.管內(nèi)流動為水，其對流傳熱系統(tǒng)αi=4000W/(m2·℃).計算時可忽略管壁熱阻、污垢熱阻和熱損失，且可當平壁處理。解：總傳熱系數(shù)K可按下面簡化式子計算，即：傳熱壁面的平均溫度可用總傳熱速率方程和對流傳熱速率方程聯(lián)解進行估算，即：壁溫也可由聯(lián)解冷、熱流體的對流傳熱速率方程估算，即：2.管內(nèi)流體為水或1.管內(nèi)流體為空氣1.逆流時：并流時：Q、t2、K與逆流時相同