化工原理(上)課后習(xí)題解答-天津大學(xué)化工學(xué)院-柴誠(chéng)敬

PAGEPAGE1習(xí)題解答緒論1.從基本單位換算入手，將下列物理量的單位換算為SI單位。（1）水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)（2）密度ρ=138.6kgf?s2/m4（3）某物質(zhì)的比熱容CP=0.24BTU/(lb·℉)“^l^l（4）傳質(zhì)系數(shù)KG=34.2kmol/(m2?h?atm)（5）表面張力σ=74dyn/cm（6）導(dǎo)熱系數(shù)λ=1kcal/(m?h?℃)解：本題為物理量的單位換算。（1）水的黏度基本物理量的換算關(guān)系為1kg=1000g，1m=100cm則（2）密度基本物理量的換算關(guān)系為1kgf=9.81N，1N=1kg?m/s2則（3）從附錄二查出有關(guān)基本物理量的換算關(guān)系為1BTU=1.055kJ，lb=0.4536kg則（4）傳質(zhì)系數(shù)基本物理量的換算關(guān)系為1h=3600s，1atm=101.33kPa則（5）表面張力基本物理量的換算關(guān)系為1dyn=1×10–5N1m=100cm則（6）導(dǎo)熱系數(shù)基本物理量的換算關(guān)系為1kcal=4.1868×103J，1h=3600s則2．亂堆25cm拉西環(huán)的填料塔用于精餾操作時(shí)，等板高度可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即式中HE—等板高度，ft；G—?dú)庀噘|(zhì)量速度，lb/(ft2?h)；D—塔徑，ft；Z0—每段（即兩層液體分布板之間）填料層高度，ft；α—相對(duì)揮發(fā)度，量綱為一；μL—液相黏度，cP；ρL—液相密度，lb/ft3A、B、C為常數(shù)，對(duì)25mm的拉西環(huán)，其數(shù)值分別為0.57、-0.1及1.24。試將上面經(jīng)驗(yàn)公式中各物理量的單位均換算為SI單位。解：上面經(jīng)驗(yàn)公式是混合單位制度，液體黏度為物理單位制，而其余諸物理量均為英制。經(jīng)驗(yàn)公式單位換算的基本要點(diǎn)是：找出式中每個(gè)物理量新舊單位之間的換算關(guān)系，導(dǎo)出物理量“數(shù)字”的表達(dá)式，然后代入經(jīng)驗(yàn)公式并整理，以便使式中各符號(hào)都變?yōu)樗Ｍ膯挝?。具體換算過(guò)程如下：（1）從附錄查出或計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)公式有關(guān)物理量新舊單位之間的關(guān)系為（見1）α量綱為一，不必?fù)Q算1=1=16.01kg/m2(2)將原符號(hào)加上“′”以代表新單位的符號(hào)，導(dǎo)出原符號(hào)的“數(shù)字”表達(dá)式。下面以HE為例：則同理(3)將以上關(guān)系式代原經(jīng)驗(yàn)公式，得整理上式并略去符號(hào)的上標(biāo)，便得到換算后的經(jīng)驗(yàn)公式，即

第一章流體流動(dòng)流體的重要性質(zhì)1．某氣柜的容積為6000m3，若氣柜內(nèi)的表壓力為5.5kPa，溫度為40℃。已知各組分氣體的體積分?jǐn)?shù)為：H240%、N220%、CO32%、CO27%、CH41%，大氣壓力為101.3kPa，試計(jì)算氣柜滿載時(shí)各組分的質(zhì)量。解：氣柜滿載時(shí)各氣體的總摩爾數(shù)各組分的質(zhì)量：2．若將密度為830kg/m3的油與密度為710kg/m3的油各60kg混在一起，試求混合油的密度。設(shè)混合油為理想溶液。解：流體靜力學(xué)3．已知甲地區(qū)的平均大氣壓力為85.3kPa，乙地區(qū)的平均大氣壓力為101.33kPa，在甲地區(qū)的某真空設(shè)備上裝有一個(gè)真空表，其讀數(shù)為20kPa。若改在乙地區(qū)操作，真空表的讀數(shù)為多少才能維持該設(shè)備的的絕對(duì)壓力與甲地區(qū)操作時(shí)相同？解：（1）設(shè)備內(nèi)絕對(duì)壓力絕壓=大氣壓-真空度=（2）真空表讀數(shù)真空度=大氣壓-絕壓=4．某儲(chǔ)油罐中盛有密度為960kg/m3的重油（如附圖所示），油面最高時(shí)離罐底9.5m，油面上方與大氣相通。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760mm的孔，其中心距罐底1000mm，孔蓋用14mm的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作壓力為39.5×106Pa，問(wèn)至少需要幾個(gè)螺釘（大氣壓力為101.3×103Pa）？解：由流體靜力學(xué)方程，距罐底1000mm處的流體壓力為作用在孔蓋上的總力為每個(gè)螺釘所受力為因此習(xí)題5附圖習(xí)題4附圖5．如本題附圖所示，流化床反應(yīng)器上裝有兩個(gè)U管壓差計(jì)。讀數(shù)分別為R1=500mm，R2=80mm，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=100mm。試求A、B兩點(diǎn)的表壓力。習(xí)題6附圖解：（1）A點(diǎn)的壓力習(xí)題6附圖（2）B點(diǎn)的壓力6．如本題附圖所示，水在管道內(nèi)流動(dòng)。為測(cè)量流體壓力，在管道某截面處連接U管壓差計(jì)，指示液為水銀，讀數(shù)R=100mm，h=800mm。為防止水銀擴(kuò)散至空氣中，在水銀面上方充入少量水，其高度可以忽略不計(jì)。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.3kPa，試求管路中心處流體的壓力。解：設(shè)管路中心處流體的壓力為p根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式，則7．某工廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓力不超過(guò)13.3kPa（表壓），在爐外裝一安全液封管（又稱水封）裝置，如本題附圖所示。液封的作用是，當(dāng)爐內(nèi)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，氣體便從液封管排出。試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。習(xí)題7附圖解：習(xí)題7附圖流體流動(dòng)概述8.密度為1800kg/m3的某液體經(jīng)一內(nèi)徑為60mm的管道輸送到某處，若其平均流速為0.8m/s，求該液體的體積流量（m3/h）、質(zhì)量流量（kg/s）和質(zhì)量通量[kg/(m2·s)]。解：9．在實(shí)驗(yàn)室中，用內(nèi)徑為1.5cm的玻璃管路輸送20℃的70%醋酸。已知質(zhì)量流量為10kg/min。試分別用用SI和厘米克秒單位計(jì)算該流動(dòng)的雷諾數(shù)，并指出流動(dòng)型態(tài)。解：（1）用SI單位計(jì)算查附錄70%醋酸在20℃時(shí)，故為湍流。（2）用物理單位計(jì)算，10．有一裝滿水的儲(chǔ)槽，直徑1.2m，高3m。現(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4cm，測(cè)得水流過(guò)小孔的平均流速u0與槽內(nèi)水面高度z的關(guān)系為：試求算（1）放出1m3水所需的時(shí)間（設(shè)水的密度為1000kg/m3）；（2）又若槽中裝滿煤油，其它條件不變，放出1m3煤油所需時(shí)間有何變化（設(shè)煤油密度為800kg/m3）？解：放出1m3水后液面高度降至z1，則由質(zhì)量守恒，得，（無(wú)水補(bǔ)充）(A為儲(chǔ)槽截面積)故有即上式積分得11．如本題附圖所示，高位槽內(nèi)的水位高于地面7m，水從φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。已知水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按∑hf=5.5u2計(jì)算，其中u為水在管內(nèi)的平均流速（m/s）。設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)，試計(jì)算（1）A-A'截面處水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。解：（1）A-A'截面處水的平均流速在高位槽水面與管路出口截面之間列機(jī)械能衡算方程,得（1）式中z1=7m，ub1～0，p1=0（表壓）z2=1.5m，p2=0（表壓），ub2=5.5u2代入式（1）得（2）水的流量（以m3/h計(jì)）習(xí)題11附圖習(xí)題12附圖12．20℃的水以2.5m/s的平均流速流經(jīng)φ38mm×2.5mm的水平管，此管以錐形管與另一φ53mm×3mm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力。若水流經(jīng)A、B兩截面間的能量損失為1.5J/kg，求兩玻璃管的水面差（以mm計(jì)），并在本題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對(duì)位置。解：在A、B兩截面之間列機(jī)械能衡算方程式中z1=z2=0，∑hf=1.5J/kg習(xí)題13附圖故13．如本題附圖所示，用泵2將儲(chǔ)罐1中的有機(jī)混合液送至精餾塔3的中部進(jìn)行分離。已知儲(chǔ)罐內(nèi)液面維持恒定，其上方壓力為1.0133105Pa。流體密度為800kg/m3。精餾塔進(jìn)口處的塔內(nèi)壓力為1.21105Pa，進(jìn)料口高于儲(chǔ)罐內(nèi)的液面8m，輸送管道直徑為φ68mm4mm，進(jìn)料量為20m3/h。料液流經(jīng)全部管道的能量損失為70J/kg，求泵的有效功率。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得習(xí)題14附圖14．本題附圖所示的貯槽內(nèi)徑D=2m，槽底與內(nèi)徑d0為32mm的鋼管相連，槽內(nèi)無(wú)液體補(bǔ)充，其初始液面高度h1為2m（以管子中心線為基準(zhǔn)）。液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的全部能量損失可按∑hf=20u2計(jì)算，式中的u為液體在管內(nèi)的平均流速（m/s）。試求當(dāng)槽內(nèi)液面下降1m時(shí)所需的時(shí)間。解：由質(zhì)量衡算方程，得（1）（2）（3）將式（2），（3）代入式（1）得即（4）在貯槽液面與管出口截面之間列機(jī)械能衡算方程即或?qū)懗桑?）式（4）與式（5）聯(lián)立，得即i.c.θ=0，h=h1=2m；θ=θ，h=1m積分得動(dòng)量傳遞現(xiàn)象與管內(nèi)流動(dòng)阻力15．某不可壓縮流體在矩形截面的管道中作一維定態(tài)層流流動(dòng)。設(shè)管道寬度為b，高度2y0，且b>>y0，流道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，兩端壓力降為，試根據(jù)力的衡算導(dǎo)出（1）剪應(yīng)力τ隨高度y（自中心至任意一點(diǎn)的距離）變化的關(guān)系式；（2）通道截面上的速度分布方程；（3）平均流速與最大流速的關(guān)系。解：（1）由于b>>y0,可近似認(rèn)為兩板無(wú)限寬，故有（1）（2）將牛頓黏性定律代入（1）得上式積分得（2）邊界條件為y=0，u=0，代入式（2）中，得C=-因此（3）（3）當(dāng)y=y0，u=umax故有再將式（3）寫成（4）根據(jù)ub的定義，得16．不可壓縮流體在水平圓管中作一維定態(tài)軸向?qū)恿髁鲃?dòng)，試證明（1）與主體流速u相應(yīng)的速度點(diǎn)出現(xiàn)在離管壁0.293ri處，其中ri為管內(nèi)半徑；（2）剪應(yīng)力沿徑向?yàn)橹本€分布，且在管中心為零。解：（1）（1）當(dāng)u=ub時(shí)，由式（1）得解得由管壁面算起的距離為（2）由對(duì)式（1）求導(dǎo)得故（3）在管中心處，r=0，故τ=0。17．流體在圓管內(nèi)作定態(tài)湍流時(shí)的速度分布可用如下的經(jīng)驗(yàn)式表達(dá)試計(jì)算管內(nèi)平均流速與最大流速之比u/umax。解：令18．某液體以一定的質(zhì)量流量在水平直圓管內(nèi)作湍流流動(dòng)。若管長(zhǎng)及液體物性不變，將管徑減至原來(lái)的1/2，問(wèn)因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來(lái)的多少倍？解：流體在水平光滑直圓管中作湍流流動(dòng)時(shí)=或=/==（式中=2，=（）2=4因此==32又由于=（=（=（2×=（0.5）0.25=0.841故=32×0.84=26.9習(xí)題19附圖19．用泵將2×104kg/h的溶液自反應(yīng)器送至高位槽（見本題附圖）。反應(yīng)器液面上方保持25.9×103Pa的真空度，高位槽液面上方為大氣壓。管道為76mm×4mm的鋼管，總長(zhǎng)為35m，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17m。若泵的效率為0.7，求泵的軸功率。（已知溶液的密度為1073kg/m3，黏度為6.310-4Pas。管壁絕對(duì)粗糙度可取為0.3mm。）解：在反應(yīng)器液面1-1，與管路出口內(nèi)側(cè)截面2-2，間列機(jī)械能衡算方程，以截面1-1，為基準(zhǔn)水平面，得（1）式中z1=0，z2=17m，ub1≈0p1=-25.9×103Pa(表)，p2=0(表)將以上數(shù)據(jù)代入式（1），并整理得=9.81×17+++=192.0+其中=（++）==1.656×105根據(jù)Re與e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度分別為閘閥（全開）：0.43×2m=0.86m標(biāo)準(zhǔn)彎頭：2.2×5m=11m故=(0.03×+0.5+4)=25.74J/kg于是泵的軸功率為===1.73kW流體輸送管路的計(jì)算習(xí)題20附圖20．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100mm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15m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(cè)壓點(diǎn)與管路出口端之間的直管長(zhǎng)度為20m。（1）當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)，測(cè)得R=600mm、h=1500mm；當(dāng)閘閥部分開啟時(shí)，測(cè)得R=400mm、h=1400mm。摩擦系數(shù)可取為0.025，管路入口處的局部阻力系數(shù)取為0.5。問(wèn)每小時(shí)從管中流出多少水（m3）？（2）當(dāng)閘閥全開時(shí)，U管壓差計(jì)測(cè)壓處的壓力為多少Pa（表壓）。（閘閥全開時(shí)Le/d≈15，摩擦系數(shù)仍可取0.025。）解：（1）閘閥部分開啟時(shí)水的流量在貯槽水面1-1，與測(cè)壓點(diǎn)處截面2-2，間列機(jī)械能衡算方程，并通過(guò)截面2-2，的中心作基準(zhǔn)水平面，得（a）式中p1=0(表)ub2=0，z2=0z1可通過(guò)閘閥全關(guān)時(shí)的數(shù)據(jù)求取。當(dāng)閘閥全關(guān)時(shí)，水靜止不動(dòng)，根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程知（b）式中h=1.5m,R=0.6m將已知數(shù)據(jù)代入式（b）得將以上各值代入式（a），即9.81×6.66=++2.13ub2解得水的流量為（2）閘閥全開時(shí)測(cè)壓點(diǎn)處的壓力在截面1-1，與管路出口內(nèi)側(cè)截面3-3，間列機(jī)械能衡算方程，并通過(guò)管中心線作基準(zhǔn)平面，得（c）式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3=將以上數(shù)據(jù)代入式（c），即9.81×6.66=+4.81ub2解得再在截面1-1，與2-2，間列機(jī)械能衡算方程，基平面同前，得（d）式中z1=6.66m，z2=0，ub10，ub2=3.51m/s，p1=0（表壓力）將以上數(shù)值代入上式，則解得p2=3.30×104Pa（表壓）21．10℃的水以500l/min的流量流經(jīng)一長(zhǎng)為300m的水平管，管壁的絕對(duì)粗糙度為0.05mm。有6m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：由于是直徑均一的水平圓管，故機(jī)械能衡算方程簡(jiǎn)化為上式兩端同除以加速度g，得=/g=6m（題給）即==6×9.81J/kg=58.56J/kg（a）將ub代入式（a），并簡(jiǎn)化得（b）λ與Re及e/d有關(guān)，采用試差法，設(shè)λ=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。下面驗(yàn)算所設(shè)的λ值是否正確：10℃水物性由附錄查得ρ=1000kg/m3，μ=130.77×10-5Pa由e/d及Re，查得λ=0.021故習(xí)題22附圖22．如本題附圖所示，自水塔將水送至車間，輸送管路用mm的鋼管，管路總長(zhǎng)為190m（包括管件與閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，但不包括進(jìn)、出口損失）。水塔內(nèi)水面維持恒定，并高于出水口15m。設(shè)水溫為12℃，試求管路的輸水量（m3/h）。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得（1）采用試差法，代入式（1）得，故假設(shè)正確，管路的輸水量習(xí)題23附圖23．本題附圖所示為一輸水系統(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。AB管段內(nèi)徑為38m、長(zhǎng)為58m；BC支管的內(nèi)徑為32mm、長(zhǎng)為12.5m；BD支管的內(nèi)徑為26mm、長(zhǎng)為14m，各段管長(zhǎng)均包括管件及閥門全開時(shí)的當(dāng)量長(zhǎng)度。AB與BC管段的摩擦系數(shù)均可取為0.03。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多少（m3/h）；（2）當(dāng)所有閥門全開時(shí)，兩支管的排水量各為多少（m3/h）？（BD支管的管壁絕對(duì)粗糙度，可取為0.15mm，水的密度為1000kg/m3，黏度為。）解：（1）當(dāng)BD支管的閥門關(guān)閉時(shí)，BC支管的最大排水量在高位槽水面1-1，與BC支管出口內(nèi)側(cè)截面C-C,間列機(jī)械能衡算方程，并以截面C-C,為基準(zhǔn)平面得式中z1=11m，zc=0，ub1≈0，p1=pc故=9.81×11=107.9J/kg（a）（b）（c）（d）（e）將式（e）代入式（b）得（f）將式（f）、（d）代入式（b）,得ubC=ub,BC，并以∑hf值代入式（a），解得ub,BC=2.45m/s故VBC=3600××0.0322×2.45m3/h=7.10m3/h（2）當(dāng)所有閥門全開時(shí)，兩支管的排水量根據(jù)分支管路流動(dòng)規(guī)律，有（a）兩支管出口均在同一水平面上，下游截面列于兩支管出口外側(cè)，于是上式可簡(jiǎn)化為將值代入式（a）中，得（b）分支管路的主管與支管的流量關(guān)系為VAB=VBC+VBD上式經(jīng)整理后得（c）在截面1-1，與C-C’間列機(jī)械能衡算方程，并以C-C’為基準(zhǔn)水平面，得（d）上式中z1=11m，zC=0，ub1≈0，ub,C≈0上式可簡(jiǎn)化為前已算出因此在式（b）、（c）、（d）中，ub,AB、ub,BC、ub,BD即λ均為未知數(shù)，且λ又為ub,BD的函數(shù)，可采用試差法求解。設(shè)ub,BD=1.45m/s，則查摩擦系數(shù)圖得λ=0.034。將λ與ub,BD代入式（b）得解得將ub,BC、ub,BD值代入式（c），解得將ub,AB、ub,BC值代入式（d）左側(cè)，即計(jì)算結(jié)果與式（d）右側(cè)數(shù)值基本相符（108.4≈107.9），故ub,BD可以接受，于是兩支管的排水量分別為24．在內(nèi)徑為300mm的管道中，用測(cè)速管測(cè)量管內(nèi)空氣的流量。測(cè)量點(diǎn)處的溫度為20℃，真空度為500Pa，大氣壓力為98.66×103Pa。測(cè)速管插入管道的中心線處。測(cè)壓裝置為微差壓差計(jì)，指示液是油和水，其密度分別為835kg/m3和998kg/m3，測(cè)得的讀數(shù)為100mm。試求空氣的質(zhì)量流量（kg/h）。解：查附錄得，20℃，101.3kPa時(shí)空氣的密度為1.203kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa，則管中空氣的密度為查圖1-28，得25．在mm的管路上裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，孔板的孔徑為16.4mm，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(cè)量孔板兩側(cè)的壓力差，以水銀為指示液，測(cè)壓連接管中充滿甲苯。現(xiàn)測(cè)得U管壓差計(jì)的讀數(shù)為600mm，試計(jì)算管中甲苯的流量為多少（kg/h）？解：已知孔板直徑do=16.4mm，管徑d1=33mm，則設(shè)Re>Reo，由教材查圖1-30得Co=0.626，查附錄得20℃甲苯的密度為866kg/m3，黏度為0.6×10-3Pa·s。甲苯在孔板處的流速為甲苯的流量為檢驗(yàn)Re值，管內(nèi)流速為原假定正確。習(xí)題26附圖非牛頓型流體的流動(dòng)習(xí)題26附圖26．用泵將容器中的蜂蜜以6.28×10-3m3/s流量送往高位槽中，管路長(zhǎng)（包括局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度）為20m，管徑為0.lm，蜂蜜的流動(dòng)特性服從冪律，密度ρ=1250kg/m3，求泵應(yīng)提供的能量（J/kg）。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得；

第二章流體輸送機(jī)械1．用離心油泵將甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情況如本題附圖所示。啟動(dòng)泵之前A、C兩壓力表的讀數(shù)相等。啟動(dòng)離心泵并將出口閥調(diào)至某開度時(shí)，輸油量為39m3/h，此時(shí)泵的壓頭為38m。已知輸油管內(nèi)徑為100mm，摩擦系數(shù)為0.02；油品密度為810kg/m3。試求（1）管路特性方程；（2）輸油管線的總長(zhǎng)度（包括所有局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度）。習(xí)題1附圖習(xí)題1附圖解：（1）管路特性方程甲、乙兩地油罐液面分別取作1-1’與2-2’截面，以水平管軸線為基準(zhǔn)面，在兩截面之間列柏努利方程，得到由于啟動(dòng)離心泵之前pA=pC,于是=0則又mh2/m5=2.5×10–2h2/m5則（qe的單位為m3/h）（2）輸油管線總長(zhǎng)度m/s=1.38m/s于是m=1960m2．用離心泵（轉(zhuǎn)速為2900r/min）進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。在某流量下泵入口真空表和出口壓力表的讀數(shù)分別為60kPa和220kPa，兩測(cè)壓口之間垂直距離為0.5m，泵的軸功率為6.7kW。泵吸入管和排出管內(nèi)徑均為80mm，吸入管中流動(dòng)阻力可表達(dá)為（u1為吸入管內(nèi)水的流速，m/s）。離心泵的安裝高度為2.5m，實(shí)驗(yàn)是在20℃，98.1kPa的條件下進(jìn)行。試計(jì)算泵的流量、壓頭和效率。解：（1）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之間列柏努利方程式（池中水面為基準(zhǔn)面），得到將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式并整理，得m/s則m3/h=57.61m3/h(2)泵的揚(yáng)程(3)泵的效率=68%在指定轉(zhuǎn)速下，泵的性能參數(shù)為：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWη=68%3．對(duì)于習(xí)題2的實(shí)驗(yàn)裝置，若分別改變?nèi)缦聟?shù)，試求新操作條件下泵的流量、壓頭和軸功率（假如泵的效率保持不變）。（1）改送密度為1220kg/m3的果汁（其他性質(zhì)與水相近）；（2）泵的轉(zhuǎn)速降至2610r/min。解：由習(xí)題2求得：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kW（1）改送果汁改送果汁后，q，H不變，P隨ρ加大而增加，即(2)降低泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)比例定律，降低轉(zhuǎn)速后有關(guān)參數(shù)為4．用離心泵（轉(zhuǎn)速為2900r/min）將20℃的清水以60m3/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的壓頭損失和動(dòng)壓頭分別為2.4m和0.61m。規(guī)定泵入口的真空度不能大于64kPa。泵的必需氣蝕余量為3.5m。試求（1）泵的安裝高度（當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00kPa）；（2）若改送55℃的清水，泵的安裝高度是否合適。解：(1)泵的安裝高度在水池液面和泵入口截面之間列柏努利方程式（水池液面為基準(zhǔn)面），得即m（2）輸送55℃清水的允許安裝高度55℃清水的密度為985.7kg/m3，飽和蒸汽壓為15.733kPa則=m=2.31m原安裝高度（3.51m）需下降1.5m才能不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。5．對(duì)于習(xí)題4的輸送任務(wù)，若選用3B57型水泵，其操作條件下（55℃清水）的允許吸上真空度為5.3m，試確定離心泵的安裝高度。解：為確保泵的安全運(yùn)行，應(yīng)以55℃熱水為基準(zhǔn)確定安裝高度。泵的安裝高度為2.0m。6．用離心泵將真空精餾塔的釜?dú)堃核椭脸嘿A罐。塔底液面上的絕對(duì)壓力為32.5kPa(即輸送溫度下溶液的飽和蒸汽壓)。已知：吸入管路壓頭損失為1.46m，泵的必需氣蝕余量為2.3m，該泵安裝在塔內(nèi)液面下3.0m處。試核算該泵能否正常操作。解：泵的允許安裝高度為式中則泵的允許安裝位置應(yīng)在塔內(nèi)液面下4.26m處，實(shí)際安裝高度為–3.0m，故泵在操作時(shí)可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。為安全運(yùn)行，離心泵應(yīng)再下移1.5m。7．在指定轉(zhuǎn)速下，用20℃的清水對(duì)離心泵進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)得q～H數(shù)據(jù)如本題附表所示。習(xí)題7附表1q(m3/min)00.10.20.30.40.5H/m37.238.03734.531.828.5在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)變化不大，管路特性方程為（qe的單位為m3/min）試確定此管路中的q、H和P(η=81%)習(xí)題7附圖qe～HeMq～H解：該題是用作圖法確定泵的工作點(diǎn)。由題給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出q～H曲線。同時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)流量下管路所要求的He，在同一坐標(biāo)圖中作qe～HeMq～H兩曲線的交點(diǎn)M即泵在此管路中的工作點(diǎn)，由圖讀得q=0.455m3/min，H=29.0m，則習(xí)題7附圖q/(m習(xí)題7附圖q/(m3/min)習(xí)題7附表2qe/(m3/min)00.10.20.30.40.5He/m12.012.815.219.224.832.0注意：在低流量時(shí)，q～H曲線出現(xiàn)峰值。8．用離心泵將水庫(kù)中的清水送至灌溉渠，兩液面維持恒差8.8m，管內(nèi)流動(dòng)在阻力平方區(qū)，管路特性方程為（qe的單位為m3/s）單臺(tái)泵的特性方程為（q的單位為m3/s）試求泵的流量、壓頭和有效功率。解：聯(lián)立管路和泵的特性方程便可求泵的工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的q、H，進(jìn)而計(jì)算Pe。管路特性方程泵的特性方程聯(lián)立兩方程，得到q=4.52×10–3m3/sH=19.42m則W=861W9．對(duì)于習(xí)題8的管路系統(tǒng)，若用兩臺(tái)規(guī)格相同的離心泵（單臺(tái)泵的特性方程與習(xí)題8相同）組合操作，試求可能的最大輸水量。解：本題旨在比較離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)的效果。（1）兩臺(tái)泵的并聯(lián)解得：q=5.54×10–3m3/s=19.95m3/h(2)兩臺(tái)泵的串聯(lián)解得：q=5.89×10–3m3/s=21.2m3/h在本題條件下，兩臺(tái)泵串聯(lián)可獲得較大的輸水量21.2m3/h。10．采用一臺(tái)三效單動(dòng)往復(fù)泵，將敞口貯槽中密度為1200kg/m3的粘稠液體送至表壓為1.62×103kPa的高位槽中，兩容器中液面維持恒差8m，管路系統(tǒng)總壓頭損失為4m。已知泵的活塞直徑為70mm，沖程為225mm，往復(fù)次數(shù)為200min-1，泵的容積效率和總效率分別為0.96和0.91。試求泵的流量、壓頭和軸功率。解：（1）往復(fù)泵的實(shí)際流量m3/min=0.499m3/min(2)泵的揚(yáng)程m=149.6m(3)泵的軸功率kW=16.08kW11．用離心通風(fēng)機(jī)將50℃、101.3kPa的空氣通過(guò)內(nèi)徑為600mm，總長(zhǎng)105m（包括所有局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度）的水平管道送至某表壓為1×104Pa的設(shè)備中?？諝獾妮斔土繛?.5×104m3/h。摩擦系數(shù)可取為0.0175。現(xiàn)庫(kù)房中有一臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，其性能為：轉(zhuǎn)速1450min-1，風(fēng)量1.6×104m3/h，風(fēng)壓為1.2×104Pa。試核算該風(fēng)機(jī)是否合用。解：將操作條件的風(fēng)壓和風(fēng)量來(lái)?yè)Q算庫(kù)存風(fēng)機(jī)是否合用。Pa=106300Pakg/m3=1.147kg/m3m/s=14.40m/s則Pa=10483PaPa=10967Pa庫(kù)存風(fēng)機(jī)的風(fēng)量q=1.6×104m3/h，風(fēng)壓HT=1.2×104Pa均大于管路要求（qe=1.5×104m3/h，HT=10967Pa），故風(fēng)機(jī)合用。12．有一臺(tái)單動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)，余隙系數(shù)為0.06，氣體的入口溫度為20℃，絕熱壓縮指數(shù)為1.4，要求壓縮比為9，試求（1）單級(jí)壓縮的容積系數(shù)和氣體的出口溫度；（2）兩級(jí)壓縮的容積系數(shù)和第一級(jí)氣體的出口溫度；（3）往復(fù)壓縮機(jī)的壓縮極限。解：（1）單級(jí)壓縮的容積系數(shù)和氣體的出口溫度K=548.9K（2）兩級(jí)壓縮的容積系數(shù)和第一級(jí)氣體出口溫度改為兩級(jí)壓縮后，每級(jí)的壓縮比為則重復(fù)上面計(jì)算，得到K=401K（3）壓縮極限即解得 第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)1．用平板法測(cè)定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時(shí)在板兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其表面溫度，若所測(cè)固體的表面積為0.02m2，厚度為0.02m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流表讀數(shù)為0.5A，伏特表讀數(shù)為100V，兩側(cè)表面溫度分別為200℃和50℃，試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱（導(dǎo)熱）速率相等，即式中將上述數(shù)據(jù)代入，可得2．某平壁燃燒爐由一層400mm厚的耐火磚和一層200mm厚的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測(cè)得爐的內(nèi)表面溫度為1500℃，外表面溫度為100℃，試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)各層平壁截面的傳熱速率相等，即（5-32）或（5-32a）式中代入λ1、λ2得解之得則3．外徑為159mm的鋼管，其外依次包扎A、B兩層保溫材料，A層保溫材料的厚度為50mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·℃)，B層保溫材料的厚度為100mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.0W/(m·℃)，設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170℃和40℃，試求每米管長(zhǎng)的熱損失；若將兩層材料互換并假設(shè)溫度不變，每米管長(zhǎng)的熱損失又為多少？解：A、B兩層互換位置后，熱損失為4．直徑為mm的鋼管用40mm厚的軟木包扎，其外又包扎100mm厚的保溫灰作為絕熱層。現(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外表面溫度為10℃。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為℃)和℃)，試求每米管長(zhǎng)的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，則5．在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為Φ25mm×2.5mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·℃)。冷卻水在管程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為2600W/(m2·℃)，熱空氣在殼程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為52W/(m2·℃)。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)，以及各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)mmmm殼程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為管程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為6．在一傳熱面積為40m2的平板式換熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動(dòng)。冷卻水的流量為30000kg/h，其溫度由22℃升高到36℃。溶液溫度由115℃降至55℃。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至40℃，試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：（1）兩種情況下，冷、熱流體的物性可視為不變，水的平均比熱容為4.174kJ/(kg·℃)；（2）兩種情況下，分別相同；（3）忽略壁面熱阻和熱損失。

解：求清洗前總傳熱系數(shù)K求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻7．在一傳熱面積為25m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶液。冷卻水的流量為28000kg/h，其溫度由25℃升至38℃，平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。有機(jī)溶液的溫度由110℃降至65℃，平均比熱容為1.72kJ/(kg·℃)。兩流體在換熱器中呈逆流流動(dòng)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計(jì)算該有機(jī)溶液的處理量。解：kJ/(kg·℃)求有機(jī)物110→65水38←2572408．在一單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶劑。冷卻水的流量為10000kg/h，其初始溫度為30℃，平均比熱容為4.174kJ/（kg·℃）。有機(jī)溶劑的流量為14000kg/h，溫度由180℃降至120℃，平均比熱容為1.72kJ/（kg·℃）。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為500W/(m2·℃)，試分別計(jì)算逆流和并流時(shí)換熱器所需的傳熱面積，設(shè)換熱器的熱損失和污垢熱阻可以忽略。解：冷卻水的出口溫度為逆流時(shí)并流時(shí)9．在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知苯蒸汽的體積流量為1600m3/h，常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1℃，氣化熱為394kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20℃，流量為35000kg/h，水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)?？倐鳠嵯禂?shù)為450W/(m2·℃)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計(jì)算所需的傳熱面積。解：苯蒸氣的密度為解出℃求苯80.1→80.1水31.62048.560.110．在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度為30℃，出口溫度為65℃。油在管程流動(dòng)，進(jìn)口溫度為120℃。出口溫度為75℃，試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時(shí)平均溫度差油120→75水65305545計(jì)算P及R查圖5-11（a）得11．某生產(chǎn)過(guò)程中需用冷卻水將油從105℃冷卻至70℃。已知油的流量為6000kg/h，水的初溫為22℃，流量為2000kg/h?，F(xiàn)有一傳熱面積為10m2的套管式換熱器，問(wèn)在下列兩種流動(dòng)型式下，換熱器能否滿足要求：（1）兩流體呈逆流流動(dòng)；（2）兩流體呈并流流動(dòng)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為300W/(m2·℃)；油的平均比熱容為1.9kJ/(kg·℃)，水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。熱損失可忽略。解：本題采用法計(jì)算（1）逆流時(shí)查圖得能滿足要求（2）并流時(shí)查圖得不能滿足要求12．在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻。已知換熱器的傳熱面積為5m2，總傳熱系數(shù)為1400W/(m2·℃)；熱水的初溫為100℃，流量為5000kg/h；冷水的初溫為20℃，流量為10000kg/h。試計(jì)算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為4.18kJ/(kg·℃)，熱損失可忽略不計(jì)。解：查圖得傳熱量解出℃解出℃13．水以1.5m/s的流速在長(zhǎng)為3m、直徑為的管內(nèi)由20℃加熱至40℃，試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的定性溫度為由附錄六查得30時(shí)水的物性為ρ＝995.7kg/m3，μ=80.07×10－5Pa·s，λ=0.6176，Pr=5.42則（湍流）Re、Pr及值均在式5-59a的應(yīng)用范圍內(nèi)，故可采用式5-76a近似計(jì)算。水被加熱，取n=0.4，于是得14．溫度為90℃的甲苯以1500kg/h的流量流過(guò)直徑為mm，彎曲半徑為0.6m的蛇管換熱器而被冷卻至30℃，試求甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為由附錄查得60時(shí)甲苯的物性為ρ＝830kg/m3，Cp＝1840J/(kg·℃)，μ=0.4×10－3Pa·s，λ=0.1205，則（湍流）流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時(shí)可用下式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，即式中—彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，；—直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，；di—管內(nèi)徑，m；R—管子的彎曲半徑，m。15．壓力為101.3kPa，溫度為20℃的空氣以60m3/h的流量流過(guò)直徑為，長(zhǎng)度為3m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至80℃，試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為由附錄五查得50C時(shí)空氣的物性為ρ＝1.093kg/m3，Cp＝1005J/(kg·℃)，μ=1.96×10－5Pa·s，λ=0.0283，Pr=0.698則（湍流）16．常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過(guò)。已知管子尺寸為mm，正方形排列