天津大學(xué)化工原理(第二版)上冊(cè)課后習(xí)題答案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上-大學(xué)課后習(xí)題解答之化工原理(上)-天津大學(xué)化工學(xué)院-柴誠(chéng)敬主編09化工2班制作QQ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=0.00856 g/(cm·s) （2）密度=138.6 kgf s2/m4（3）某物質(zhì)的比熱容CP=0.24 BTU/(lb·)（4）傳質(zhì)系數(shù)KG=34.2 kmol/(m2hatm) （5）表面張力=74 dyn/cm（6）導(dǎo)熱系數(shù)=1 kcal/(mh) 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1 kg=1000 g，1 m=100 cm則 （2）密度

2、基本物理量的換算關(guān)系為1 kgf=9.81 N，1 N=1 kgm/s2則 （3）從附錄二查出有關(guān)基本物理量的換算關(guān)系為 1 BTU=1.055 kJ，l b=0.4536 kg 則 （4）傳質(zhì)系數(shù) 基本物理量的換算關(guān)系為1 h=3600 s，1 atm=101.33 kPa則 （5）表面張力 基本物理量的換算關(guān)系為1 dyn=1×105 N 1 m=100 cm則 （6）導(dǎo)熱系數(shù) 基本物理量的換算關(guān)系為1 kcal=4.1868×103 J，1 h=3600 s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氣

3、相質(zhì)量速度，lb/(ft2h)；D塔徑，ft；Z0每段（即兩層液體分布板之間）填料層高度，ft；相對(duì)揮發(fā)度，量綱為一；L液相黏度，cP；L液相密度，lb/ft3A、B、C為常數(shù)，對(duì)25 mm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

4、間的關(guān)系為 （見1）量綱為一，不必?fù)Q算1=1=16.01 kg/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6 000 m3，若氣柜內(nèi)的表壓力為5.5 kPa，溫度為40 。已知各組分氣體的體積分?jǐn)?shù)為：H2 40%、 N2 20%、CO 32%、CO2 7%、CH4 1%，大氣壓力為 101.3 kPa，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830 kg

5、/ m3的油與密度為710 kg/ m3的油各60 kg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85.3 kPa，乙地區(qū)的平均大氣壓力為101.33 kPa，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20 kPa。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960 kg/m3的重油（如附圖所示），油面最高時(shí)離罐底9.5 m，油面上方與大氣相通。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760 mm的孔，其

6、中心距罐底1000 mm，孔蓋用14 mm的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作壓力為39.5×106 Pa，問至少需要幾個(gè)螺釘（大氣壓力為101.3×103 Pa）？ 解：由流體靜力學(xué)方程，距罐底1000 mm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=500 mm，R2=80 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=100 mm。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 （2）B點(diǎn)的壓力 6

7、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=100 mm，h=800 mm。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?01.3 kPa，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13.3 kPa（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：流體流動(dòng)概述8. 密度為1800 kg

8、/m3的某液體經(jīng)一內(nèi)徑為60 mm的管道輸送到某處，若其平均流速為0.8 m/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1.5 cm的玻璃管路輸送20 的70%醋酸。已知質(zhì)量流量為10 kg/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1.2 m，高3 m。現(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4 cm，測(cè)得水流過小孔的平均流速u0與槽內(nèi)水面高度z的關(guān)系為： 試求算（

9、1）放出1 m3水所需的時(shí)間（設(shè)水的密度為1000 kg/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800 kg/m3）？ 解：放出1m3水后液面高度降至z1，則 由質(zhì)量守恒，得 ， （無水補(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7 m，水從108 mm×4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。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：（

10、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=7 m，ub10，p1=0（表壓） z2=1.5 m，p2=0（表壓），ub2 =5.5 u2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1220 的水以2.5 m/s的平均流速流經(jīng)38 mm×2.5 mm的水平管，此管以錐形管與另一53 mm×3 mm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1.5 J/kg，求兩玻璃管的水面差（以mm計(jì)），并在本題附圖

11、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=1.5 J/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. Pa。流體密度為800 kg/m3。精餾塔進(jìn)口處的塔內(nèi)壓力為1.21105 Pa，進(jìn)料口高于儲(chǔ)罐內(nèi)的液面8 m，輸送管道直徑為68 mm 4 mm，進(jìn)料量為20 m3/h。料液流經(jīng)全部管道的能量損失為70 J/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=2 m，槽底與內(nèi)徑d0為32

12、 mm的鋼管相連，槽內(nèi)無液體補(bǔ)充，其初始液面高度h1為2 m（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=20 u2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1 m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?（5）式（4）與式（5）聯(lián)立，得 即 i.c. =0，h=h1=2 m；=，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

13、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

14、為直線分布，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=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，將管徑減至原來的1/2，問因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍？ 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

15、=32×0.84=26.9 習(xí)題19附圖 19用泵將2×104 kg/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25.9×103 Pa的真空度，高位槽液面上方為大氣壓。管道為76 mm×4 mm的鋼管，總長(zhǎng)為35 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17 m。若泵的效率為0.7，求泵的軸功率。（已知溶液的密度為1073 kg/m3，黏度為6.310-4 Pas。管壁絕對(duì)粗糙度可取為0.3 mm。） 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

16、，以截面1-1，為基準(zhǔn)水平面，得 （1）式中 z1=0，z2=17 m，ub10 p1=-25.9×103 Pa (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=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）： 0.43×2 m =0.86 m 標(biāo)準(zhǔn)彎頭： 2.2×5 m =11 m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

17、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(cè)壓點(diǎn)與管路出口端之間的直管長(zhǎng)度為20 m。 （1）當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)，測(cè)得R=600 mm、h=1500 mm；當(dāng)閘閥部分開啟時(shí)，測(cè)得R=400 mm、h=1400 mm。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/d15，摩擦系數(shù)仍可取0.025。） 解：（1

18、）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，并通過截面2-2，的中心作基準(zhǔn)水平面，得 （a）式中 p1=0(表) ub2=0，z2=0 z1可通過閘閥全關(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=1.5 m, R=0.6 m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=+2.13 ub2 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，并通過管中心線作基準(zhǔn)平面，得 （c）式中 z1=6.66 m，z3=0，ub1=0

19、，p1=p3 =將以上數(shù)據(jù)代入式（c），即 9.81×6.66=+4.81 ub2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=6.66 m，z2=0，ub10，ub2=3.51 m/s，p1=0（表壓力） 將以上數(shù)值代入上式，則 解得 p2=3.30×104 Pa（表壓）2110 的水以500 l/min的流量流經(jīng)一長(zhǎng)為300 m的水平管，管壁的絕對(duì)粗糙度為0.05 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：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=6 m（題給

20、）即 =6×9.81 J/kg =58.56 J/kg （a） 將ub代入式（a），并簡(jiǎn)化得 （b） 與Re及e/d有關(guān)，采用試差法，設(shè)=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。 下面驗(yàn)算所設(shè)的值是否正確： 10 水物性由附錄查得 =1000 kg/m3，=130.77×10-5 Pa 由e/d及Re，查得=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190 m（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15 m。設(shè)水溫為12 ，試求管路的輸水量（m3/h）。 解：在截面

21、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38 m、長(zhǎng)為58 m；BC支管的內(nèi)徑為32 mm、長(zhǎng)為12.5 m；BD支管的內(nèi)徑為26 mm、長(zhǎng)為14 m，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

22、，可取為0.15 mm，水的密度為1000 kg/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=11 m，zc=0，ub10，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=2.45 m/s故 VBC=3600××0.0322×2.45 m3/h=

23、7.10 m3/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=11 m，zC=0，ub10，ub, C0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即均為未知數(shù)，且又為ub,BD的函數(shù)，可采用試差法求解。設(shè)ub,BD=1.45 m/s，則 查摩擦

24、系數(shù)圖得=0.034。將與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（108.4107.9），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300 mm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500 Pa，大氣壓力為98.66×103 Pa。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835 kg/m3和998 kg/m3 ，測(cè)得的讀數(shù)為100 mm。試求空氣的質(zhì)量流量（kg/h）。解： 查附

25、錄得，20 ，101.3 kPa時(shí)空氣的密度為1.203 kg/m3，黏度為1.81×10-5 Pa，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16.4 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(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?，F(xiàn)測(cè)得U管壓差計(jì)的讀數(shù)為600 mm，試計(jì)算管中甲苯的流量為多少（kg/h）？ 解：已知孔板直徑do=16.4 mm，管徑d1=33 mm，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866 kg/m3，黏度為0.6×

26、10-3 Pa·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)26用泵將容器中的蜂蜜以6.28×10-3 m3/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20 m，管徑為0.l m，蜂蜜的流動(dòng)特性服從冪律，密度=1250 kg /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39 m3/h，此時(shí)泵的壓頭為38

27、 m。已知輸油管內(nèi)徑為100 mm，摩擦系數(shù)為0.02；油品密度為810 kg/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=2.5×102 h2/m5則 （qe的單位為m3/h）（2）輸油管線總長(zhǎng)度m/s=1.38 m/s于是 m=1960 m2用離心泵（轉(zhuǎn)速為2900 r/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60

28、kPa和220 kPa，兩測(cè)壓口之間垂直距離為0.5 m，泵的軸功率為6.7 kW。泵吸入管和排出管內(nèi)徑均為80 mm，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2.5 m，實(shí)驗(yàn)是在20 ，98.1 kPa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=57.61 m3/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=57.61 m3/h H=29.04 m P=6.7 kW =68%3對(duì)于習(xí)題2

29、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1220 kg/m3的果汁（其他性質(zhì)與水相近）；（2）泵的轉(zhuǎn)速降至2610 r/min。解：由習(xí)題2求得：q=57.61 m3/h H=29.04 m P=6.7 kW（1）改送果汁改送果汁后，q，H不變，P隨加大而增加，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2900 r/min）將20 的清水以60 m3/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2.4 m和0.61 m。規(guī)定泵入口的真空度不能大于64 kPa。泵的必需氣

30、蝕余量為3.5 m。試求（1）泵的安裝高度（當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00 kPa）；（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985.7 kg/m3，飽和蒸汽壓為15.733 kPa則 =m=2.31m原安裝高度（3.51 m）需下降1.5 m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5.3 m，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

31、度為2.0 m。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32.5 kPa(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1.46 m，泵的必需氣蝕余量為2.3 m，該泵安裝在塔內(nèi)液面下3.0 m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1.5 m。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qH數(shù)據(jù)如本題附表所示。習(xí)題7 附表1 q (m3/min)00.10.20.30.40.5H /m37.238.03

32、734.531.828.5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(=81%)習(xí)題7 附圖qeHeMqH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qH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qeHe曲線，如本題附圖所示。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=0.455 m3/min，H=29.0 m，則習(xí)題7 附圖 q / (m3/min)kW=2.66 kW習(xí)題7 附表2qe / (m3/min)00.10.20.30.40.5He /m12.012.815.219.224.832.0注意：

33、在低流量時(shí)，qH曲線出現(xiàn)峰值。8用離心泵將水庫中的清水送至灌溉渠，兩液面維持恒差8.8 m，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=4.52×103 m3/s H=19.42 m則 W=861 W9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：

34、 q=5.54×103 m3/s=19.95 m3/h(2) 兩臺(tái)泵的串聯(lián)解得： q=5.89×103 m3/s=21.2 m3/h在本題條件下，兩臺(tái)泵串聯(lián)可獲得較大的輸水量21.2 m3/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1200 kg/m3的粘稠液體送至表壓為1.62×103 kPa的高位槽中，兩容器中液面維持恒差8 m，管路系統(tǒng)總壓頭損失為4 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.

35、499 m3/min(2)泵的揚(yáng)程m=149.6 m(3)泵的軸功率kW=16.08 kW11用離心通風(fēng)機(jī)將50 、101.3 kPa的空氣通過內(nèi)徑為600 mm，總長(zhǎng)105 m（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1×104 Pa的設(shè)備中?？諝獾妮斔土繛?.5×104 m3/h。摩擦系數(shù)可取為0.0175?，F(xiàn)庫房中有一臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，其性能為：轉(zhuǎn)速1450 min-1，風(fēng)量1.6×104 m3/h，風(fēng)壓為1.2×104 Pa。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)量來換算庫存風(fēng)機(jī)是否合用。Pa=Pakg/m3=1.147 kg/m3m

36、/s=14.40 m/s則 Pa=10483 PaPa=10967 Pa庫存風(fēng)機(jī)的風(fēng)量q=1.6×104 m3/h，風(fēng)壓HT=1.2×104 Pa均大于管路要求（qe=1.5×104 m3/h，HT=10967 Pa），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

37、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=401 K（3）壓縮極限即 解得 第五章 傳熱過程基礎(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0.02 m2，厚度為0.02 m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流表讀數(shù)為0.5 A，伏特表讀數(shù)為100 V，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400 mm厚的耐火磚和一層200 mm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

38、 ，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)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即 （5-32）或 （5-32a）式中 代入1、2得 解之得 則 3外徑為159 mm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50 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(m·)，B層保溫材料的厚度為100 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W /(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

39、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40 mm厚的軟木包扎，其外又包扎100 mm厚的保溫灰作為絕熱層?，F(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)問題，則 5在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為25 mm×2.5 mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·)。冷卻水在管程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為2 600 W/(m2·)，熱空氣在殼程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為52 W/(m2·)。試求

40、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) mm mm 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40 m2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30 000kg/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4.174 kJ/

41、(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25 m2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28 000kg/h，其溫度由25 升至38 ，平均比熱容為4.17 kJ/(kg·)。有機(jī)溶液的溫度由110 降至65 ，平均比熱容為1.72 kJ/(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

42、 25 72 40 8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10 000 kg/h，其初始溫度為30 ，平均比熱容為4.174 kJ/（kg·）。有機(jī)溶劑的流量為14 000 kg/h，溫度由180 降至120 ，平均比熱容為1.72 kJ/（kg·）。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為500 W/(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1 600 m3/h，常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1 ，氣化熱為394 kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20 ，流量為35 000 kg/h，水的平均比熱容為4.17 kJ/(kg·)?？倐鳠嵯禂?shù)為450 W/(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 31.6 20 48.5 60.110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