化工原理(上)課后習題解答-天津大學化工學院-柴誠敬

PAGEPAGE1習題解答緒論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）某物質的比熱容CP=0.24BTU/(lb·℉)“^l^l（4）傳質系數KG=34.2kmol/(m2?h?atm)（5）表面張力σ=74dyn/cm（6）導熱系數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系為1kg=1000g，1m=100cm則（2）密度基本物理量的換算關系為1kgf=9.81N，1N=1kg?m/s2則（3）從附錄二查出有關基本物理量的換算關系為1BTU=1.055kJ，lb=0.4536kg則（4）傳質系數基本物理量的換算關系為1h=3600s，1atm=101.33kPa則（5）表面張力基本物理量的換算關系為1dyn=1×10–5N1m=100cm則（6）導熱系數基本物理量的換算關系為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，等板高度可用下面經驗公式計算，即式中HE—等板高度，ft；G—氣相質量速度，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，對25mm的拉西環(huán)，其數值分別為0.57、-0.1及1.24。試將上面經驗公式中各物理量的單位均換算為SI單位。解：上面經驗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。經驗公式單位換算的基本要點是：找出式中每個物理量新舊單位之間的換算關系，導出物理量“數字”的表達式，然后代入經驗公式并整理，以便使式中各符號都變?yōu)樗Ｍ膯挝?。具體換算過程如下：（1）從附錄查出或計算出經驗公式有關物理量新舊單位之間的關系為（見1）α量綱為一，不必換算1=1=16.01kg/m2(2)將原符號加上“′”以代表新單位的符號，導出原符號的“數字”表達式。下面以HE為例：則同理(3)將以上關系式代原經驗公式，得整理上式并略去符號的上標，便得到換算后的經驗公式，即

第一章流體流動流體的重要性質1．某氣柜的容積為6000m3，若氣柜內的表壓力為5.5kPa，溫度為40℃。已知各組分氣體的體積分數為：H240%、N220%、CO32%、CO27%、CH41%，大氣壓力為101.3kPa，試計算氣柜滿載時各組分的質量。解：氣柜滿載時各氣體的總摩爾數各組分的質量：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。設混合油為理想溶液。解：流體靜力學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)的某真空設備上裝有一個真空表，其讀數為20kPa。若改在乙地區(qū)操作，真空表的讀數為多少才能維持該設備的的絕對壓力與甲地區(qū)操作時相同？解：（1）設備內絕對壓力絕壓=大氣壓-真空度=（2）真空表讀數真空度=大氣壓-絕壓=4．某儲油罐中盛有密度為960kg/m3的重油（如附圖所示），油面最高時離罐底9.5m，油面上方與大氣相通。在罐側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，問至少需要幾個螺釘（大氣壓力為101.3×103Pa）？解：由流體靜力學方程，距罐底1000mm處的流體壓力為作用在孔蓋上的總力為每個螺釘所受力為因此習題5附圖習題4附圖5．如本題附圖所示，流化床反應器上裝有兩個U管壓差計。讀數分別為R1=500mm，R2=80mm，指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空間擴散，于右側的U管與大氣連通的玻璃管內灌入一段水，其高度R3=100mm。試求A、B兩點的表壓力。習題6附圖解：（1）A點的壓力習題6附圖（2）B點的壓力6．如本題附圖所示，水在管道內流動。為測量流體壓力，在管道某截面處連接U管壓差計，指示液為水銀，讀數R=100mm，h=800mm。為防止水銀擴散至空氣中，在水銀面上方充入少量水，其高度可以忽略不計。已知當地大氣壓力為101.3kPa，試求管路中心處流體的壓力。解：設管路中心處流體的壓力為p根據流體靜力學基本方程式，則7．某工廠為了控制乙炔發(fā)生爐內的壓力不超過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，當爐內壓力超過規(guī)定值時，氣體便從液封管排出。試求此爐的安全液封管應插入槽內水面下的深度h。習題7附圖解：習題7附圖流體流動概述8.密度為1800kg/m3的某液體經一內徑為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）、質量流量（kg/s）和質量通量[kg/(m2·s)]。解：9．在實驗室中，用內徑為1.5cm的玻璃管路輸送20℃的70%醋酸。已知質量流量為10kg/min。試分別用用SI和厘米克秒單位計算該流動的雷諾數，并指出流動型態(tài)。解：（1）用SI單位計算查附錄70%醋酸在20℃時，故為湍流。（2）用物理單位計算，10．有一裝滿水的儲槽，直徑1.2m，高3m。現由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4cm，測得水流過小孔的平均流速u0與槽內水面高度z的關系為：試求算（1）放出1m3水所需的時間（設水的密度為1000kg/m3）；（2）又若槽中裝滿煤油，其它條件不變，放出1m3煤油所需時間有何變化（設煤油密度為800kg/m3）？解：放出1m3水后液面高度降至z1，則由質量守恒，得，（無水補充）(A為儲槽截面積)故有即上式積分得11．如本題附圖所示，高位槽內的水位高于地面7m，水從φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。已知水流經系統(tǒng)的能量損失可按∑hf=5.5u2計算，其中u為水在管內的平均流速（m/s）。設流動為穩(wěn)態(tài)，試計算（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）習題11附圖習題12附圖12．20℃的水以2.5m/s的平均流速流經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），并在本題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對位置。解：在A、B兩截面之間列機械能衡算方程式中z1=z2=0，∑hf=1.5J/kg習題13附圖故13．如本題附圖所示，用泵2將儲罐1中的有機混合液送至精餾塔3的中部進行分離。已知儲罐內液面維持恒定，其上方壓力為1.0133105Pa。流體密度為800kg/m3。精餾塔進口處的塔內壓力為1.21105Pa，進料口高于儲罐內的液面8m，輸送管道直徑為φ68mm4mm，進料量為20m3/h。料液流經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，得習題14附圖14．本題附圖所示的貯槽內徑D=2m，槽底與內徑d0為32mm的鋼管相連，槽內無液體補充，其初始液面高度h1為2m（以管子中心線為基準）。液體在管內流動時的全部能量損失可按∑hf=20u2計算，式中的u為液體在管內的平均流速（m/s）。試求當槽內液面下降1m時所需的時間。解：由質量衡算方程，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械能衡算方程即或寫成（5）式（4）與式（5）聯(lián)立，得即i.c.θ=0，h=h1=2m；θ=θ，h=1m積分得動量傳遞現象與管內流動阻力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。設管道寬度為b，高度2y0，且b>>y0，流道長度為L，兩端壓力降為，試根據力的衡算導出（1）剪應力τ隨高度y（自中心至任意一點的距離）變化的關系式；（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系。解：（1）由于b>>y0,可近似認為兩板無限寬，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y=y0，u=umax故有再將式（3）寫成（4）根據ub的定義，得16．不可壓縮流體在水平圓管中作一維定態(tài)軸向層流流動，試證明（1）與主體流速u相應的速度點出現在離管壁0.293ri處，其中ri為管內半徑；（2）剪應力沿徑向為直線分布，且在管中心為零。解：（1）（1）當u=ub時，由式（1）得解得由管壁面算起的距離為（2）由對式（1）求導得故（3）在管中心處，r=0，故τ=0。17．流體在圓管內作定態(tài)湍流時的速度分布可用如下的經驗式表達試計算管內平均流速與最大流速之比u/umax。解：令18．某液體以一定的質量流量在水平直圓管內作湍流流動。若管長及液體物性不變，將管徑減至原來的1/2，問因流動阻力而產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時=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習題19附圖19．用泵將2×104kg/h的溶液自反應器送至高位槽（見本題附圖）。反應器液面上方保持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，總長為35m，管線上有兩個全開的閘閥、一個孔板流量計（局部阻力系數為4）、五個標準彎頭。反應器內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。管壁絕對粗糙度可取為0.3mm。）解：在反應器液面1-1，與管路出口內側截面2-2，間列機械能衡算方程，以截面1-1，為基準水平面，得（1）式中z1=0，z2=17m，ub1≈0p1=-25.9×103Pa(表)，p2=0(表)將以上數據代入式（1），并整理得=9.81×17+++=192.0+其中=（++）==1.656×105根據Re與e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、閥門的當量長度分別為閘閥（全開）：0.43×2m=0.86m標準彎頭：2.2×5m=11m故=(0.03×+0.5+4)=25.74J/kg于是泵的軸功率為===1.73kW流體輸送管路的計算習題20附圖20．如本題附圖所示，貯槽內水位維持不變。槽的底部與內徑為100mm的鋼質放水管相連，管路上裝有一個閘閥，距管路入口端15m處安有以水銀為指示液的U管壓差計，其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓差計連接管內充滿了水，測壓點與管路出口端之間的直管長度為20m。（1）當閘閥關閉時，測得R=600mm、h=1500mm；當閘閥部分開啟時，測得R=400mm、h=1400mm。摩擦系數可取為0.025，管路入口處的局部阻力系數取為0.5。問每小時從管中流出多少水（m3）？（2）當閘閥全開時，U管壓差計測壓處的壓力為多少Pa（表壓）。（閘閥全開時Le/d≈15，摩擦系數仍可取0.025。）解：（1）閘閥部分開啟時水的流量在貯槽水面1-1，與測壓點處截面2-2，間列機械能衡算方程，并通過截面2-2，的中心作基準水平面，得（a）式中p1=0(表)ub2=0，z2=0z1可通過閘閥全關時的數據求取。當閘閥全關時，水靜止不動，根據流體靜力學基本方程知（b）式中h=1.5m,R=0.6m將已知數據代入式（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）閘閥全開時測壓點處的壓力在截面1-1，與管路出口內側截面3-3，間列機械能衡算方程，并通過管中心線作基準平面，得（c）式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3=將以上數據代入式（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的流量流經一長為300m的水平管，管壁的絕對粗糙度為0.05mm。有6m的壓頭可供克服流動的摩擦阻力，試求管徑的最小尺寸。解：由于是直徑均一的水平圓管，故機械能衡算方程簡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），并簡化得（b）λ與Re及e/d有關，采用試差法，設λ=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。下面驗算所設的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，管路總長為190m（包括管件與閥門的當量長度，但不包括進、出口損失）。水塔內水面維持恒定，并高于出水口15m。設水溫為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，故假設正確，管路的輸水量習題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管段內徑為38m、長為58m；BC支管的內徑為32mm、長為12.5m；BD支管的內徑為26mm、長為14m，各段管長均包括管件及閥門全開時的當量長度。AB與BC管段的摩擦系數均可取為0.03。試計算（1）當BD支管的閥門關閉時，BC支管的最大排水量為多少（m3/h）；（2）當所有閥門全開時，兩支管的排水量各為多少（m3/h）？（BD支管的管壁絕對粗糙度，可取為0.15mm，水的密度為1000kg/m3，黏度為。）解：（1）當BD支管的閥門關閉時，BC支管的最大排水量在高位槽水面1-1，與BC支管出口內側截面C-C,間列機械能衡算方程，并以截面C-C,為基準平面得式中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）當所有閥門全開時，兩支管的排水量根據分支管路流動規(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，于是上式可簡化為將值代入式（a）中，得（b）分支管路的主管與支管的流量關系為VAB=VBC+VBD上式經整理后得（c）在截面1-1，與C-C’間列機械能衡算方程，并以C-C’為基準水平面，得（d）上式中z1=11m，zC=0，ub1≈0，ub,C≈0上式可簡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，且λ又為ub,BD的函數，可采用試差法求解。設ub,BD=1.45m/s，則查摩擦系數圖得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，即計算結果與式（d）右側數值基本相符（108.4≈107.9），故ub,BD可以接受，于是兩支管的排水量分別為24．在內徑為300mm的管道中，用測速管測量管內空氣的流量。測量點處的溫度為20℃，真空度為500Pa，大氣壓力為98.66×103Pa。測速管插入管道的中心線處。測壓裝置為微差壓差計，指示液是油和水，其密度分別為835kg/m3和998kg/m3，測得的讀數為100mm。試求空氣的質量流量（kg/h）。解：查附錄得，20℃，101.3kPa時空氣的密度為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的管路上裝有標準孔板流量計，孔板的孔徑為16.4mm，管中流動的是20℃的甲苯，采用角接取壓法用U管壓差計測量孔板兩側的壓力差，以水銀為指示液，測壓連接管中充滿甲苯。現測得U管壓差計的讀數為600mm，試計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Re值，管內流速為原假定正確。習題26附圖非牛頓型流體的流動習題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（包括局部阻力的當量長度）為20m，管徑為0.lm，蜂蜜的流動特性服從冪律，密度ρ=1250kg/m3，求泵應提供的能量（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。啟動泵之前A、C兩壓力表的讀數相等。啟動離心泵并將出口閥調至某開度時，輸油量為39m3/h，此時泵的壓頭為38m。已知輸油管內徑為100mm，摩擦系數為0.02；油品密度為810kg/m3。試求（1）管路特性方程；（2）輸油管線的總長度（包括所有局部阻力當量長度）。習題1附圖習題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面，在兩截面之間列柏努利方程，得到由于啟動離心泵之前pA=pC,于是=0則又mh2/m5=2.5×10–2h2/m5則（qe的單位為m3/h）（2）輸油管線總長度m/s=1.38m/s于是m=1960m2．用離心泵（轉速為2900r/min）進行性能參數測定實驗。在某流量下泵入口真空表和出口壓力表的讀數分別為60kPa和220kPa，兩測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徑均為80mm，吸入管中流動阻力可表達為（u1為吸入管內水的流速，m/s）。離心泵的安裝高度為2.5m，實驗是在20℃，98.1kPa的條件下進行。試計算泵的流量、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（池中水面為基準面），得到將有關數據代入上式并整理，得m/s則m3/h=57.61m3/h(2)泵的揚程(3)泵的效率=68%在指定轉速下，泵的性能參數為：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWη=68%3．對于習題2的實驗裝置，若分別改變如下參數，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（其他性質與水相近）；（2）泵的轉速降至2610r/min。解：由習題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)降低泵的轉速根據比例定律，降低轉速后有關參數為4．用離心泵（轉速為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（當地大氣壓為100kPa）；（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)生氣蝕現象。5．對于習題4的輸送任務，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：為確保泵的安全運行，應以55℃熱水為基準確定安裝高度。泵的安裝高度為2.0m。6．用離心泵將真空精餾塔的釜殘液送至常壓貯罐。塔底液面上的絕對壓力為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在塔內液面下4.26m處，實際安裝高度為–3.0m，故泵在操作時可能發(fā)生氣蝕現象。為安全運行，離心泵應再下移1.5m。7．在指定轉速下，用20℃的清水對離心泵進行性能測試，測得q～H數據如本題附表所示。習題7附表1q(m3/min)00.10.20.30.40.5H/m37.238.03734.531.828.5在實驗范圍內，摩擦系數變化不大，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%)習題7附圖qe～HeMq～H解：該題是用作圖法確定泵的工作點。由題給實驗數據作出q～H曲線。同時計算出對應流量下管路所要求的He，在同一坐標圖中作qe～HeMq～H兩曲線的交點M即泵在此管路中的工作點，由圖讀得q=0.455m3/min，H=29.0m，則習題7附圖q/(m習題7附圖q/(m3/min)習題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，q～H曲線出現峰值。8．用離心泵將水庫中的清水送至灌溉渠，兩液面維持恒差8.8m，管內流動在阻力平方區(qū)，管路特性方程為（qe的單位為m3/s）單臺泵的特性方程為（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對應的q、H，進而計算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．對于習題8的管路系統(tǒng)，若用兩臺規(guī)格相同的離心泵（單臺泵的特性方程與習題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）兩臺泵的并聯(lián)解得：q=5.54×10–3m3/s=19.95m3/h(2)兩臺泵的串聯(lián)解得：q=5.89×10–3m3/s=21.2m3/h在本題條件下，兩臺泵串聯(lián)可獲得較大的輸水量21.2m3/h。10．采用一臺三效單動往復泵，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，往復次數為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）往復泵的實際流量m3/min=0.499m3/min(2)泵的揚程m=149.6m(3)泵的軸功率kW=16.08kW11．用離心通風機將50℃、101.3kPa的空氣通過內徑為600mm，總長105m（包括所有局部阻力當量長度）的水平管道送至某表壓為1×104Pa的設備中?？諝獾妮斔土繛?.5×104m3/h。摩擦系數可取為0.0175。現庫房中有一臺離心通風機，其性能為：轉速1450min-1，風量1.6×104m3/h，風壓為1.2×104Pa。試核算該風機是否合用。解：將操作條件的風壓和風量來換算庫存風機是否合用。Pa=106300Pakg/m3=1.147kg/m3m/s=14.40m/s則Pa=10483PaPa=10967Pa庫存風機的風量q=1.6×104m3/h，風壓HT=1.2×104Pa均大于管路要求（qe=1.5×104m3/h，HT=10967Pa），故風機合用。12．有一臺單動往復壓縮機，余隙系數為0.06，氣體的入口溫度為20℃，絕熱壓縮指數為1.4，要求壓縮比為9，試求（1）單級壓縮的容積系數和氣體的出口溫度；（2）兩級壓縮的容積系數和第一級氣體的出口溫度；（3）往復壓縮機的壓縮極限。解：（1）單級壓縮的容積系數和氣體的出口溫度K=548.9K（2）兩級壓縮的容積系數和第一級氣體出口溫度改為兩級壓縮后，每級的壓縮比為則重復上面計算，得到K=401K（3）壓縮極限即解得 第五章傳熱過程基礎1．用平板法測定固體的導熱系數，在平板一側用電熱器加熱，另一側用冷卻器冷卻，同時在板兩側用熱電偶測量其表面溫度，若所測固體的表面積為0.02m2，厚度為0.02m，實驗測得電流表讀數為0.5A，伏特表讀數為100V，兩側表面溫度分別為200℃和50℃，試求該材料的導熱系數。解：傳熱達穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應與固體的散熱（導熱）速率相等，即式中將上述數據代入，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，測得爐的內表面溫度為1500℃，外表面溫度為100℃，試求導熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設兩磚接觸良好，已知耐火磚的導熱系數為，絕緣磚的導熱系數為，。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問題，穩(wěn)態(tài)導熱時，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，導熱系數為0.1W/(m·℃)，B層保溫材料的厚度為100mm，導熱系數為1.0W/(m·℃)，設A的內層溫度和B的外層溫度分別為170℃和40℃，試求每米管長的熱損失；若將兩層材料互換并假設溫度不變，每米管長的熱損失又為多少？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?，F測得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外表面溫度為10℃。軟木和保溫灰的導熱系數分別為℃)和℃)，試求每米管長的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導問題，則5．在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為Φ25mm×2.5mm的鋼管，其導熱系數為45W/(m·℃)。冷卻水在管程流動，其對流傳熱系數為2600W/(m2·℃)，熱空氣在殼程流動，其對流傳熱系數為52W/(m2·℃)。試求基于管外表面積的總傳熱系數，以及各分熱阻占總熱阻的百分數。設污垢熱阻可忽略。解：由查得鋼的導熱系數mmmm殼程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數為管程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數為管壁熱阻占總熱阻的百分數為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。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的總污垢熱阻。假設：（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K求清洗后傳熱系數由熱量衡算清洗前兩側的總傳熱熱阻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。設換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數并計算該有機溶液的處理量。解：kJ/(kg·℃)求有機物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·℃）。設換熱器的總傳熱系數為500W/(m2·℃)，試分別計算逆流和并流時換熱器所需的傳熱面積，設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并流時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·℃)。總傳熱系數為450W/(m2·℃)。設換熱器的熱損失可忽略，試計算所需的傳熱面積。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，水在殼程內流動，進口溫度為30℃，出口溫度為65℃。油在管程流動，進口溫度為120℃。出口溫度為75℃，試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時平均溫度差油120→75水65305545計算P及R查圖5-11（a）得11．某生產過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有一傳熱面積為10m2的套管式換熱器，問在下列兩種流動型式下，換熱器能否滿足要求：（1）兩流體呈逆流流動；（2）兩流體呈并流流動。設換熱器的總傳熱系數在兩種情況下相同，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：本題采用法計算（1）逆流時查圖得能滿足要求（2）并流時查圖得不能滿足要求12．在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內冷水所冷卻。已知換熱器的傳熱面積為5m2，總傳熱系數為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。試計算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量。設水的平均比熱容為4.18kJ/(kg·℃)，熱損失可忽略不計。解：查圖得傳熱量解出℃解出℃13．水以1.5m/s的流速在長為3m、直徑為的管內由20℃加熱至40℃，試求水與管壁之間的對流傳熱系數。解：水的定性溫度為由附錄六查得30時水的物性為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的應用范圍內，故可采用式5-76a近似計算。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℃，試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數。解：甲苯的定性溫度為由附錄查得60時甲苯的物性為ρ＝830kg/m3，Cp＝1840J/(kg·℃)，μ=0.4×10－3Pa·s，λ=0.1205，則（湍流）流體在彎管內流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數較直管內的大，此時可用下式計算對流傳熱系數，即式中—彎管中的對流傳熱系數，；—直管中的對流傳熱系數，；di—管內徑，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的流量流過直徑為，長度為3m的套管換熱器管內而被加熱至80℃，試求管壁對空氣的對流傳熱系數。解：空氣的定性溫度為由附錄五查得50C時空氣的物性為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。已知管子尺寸為mm，正方形排列