质量衡算与能量衡算练习题(ppt 38页)

2.8 某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为0.05m3/s的 小溪汇入该河流。为研究河水与小溪水的混合状况，在 溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限为 1.0mg/L。为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检 出，溪水中示踪剂的最低浓度是多少？需加入示踪剂的 质量流量是多少？假设原河水和小溪中不含示踪剂。 第二章 质量衡算与能量衡算 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m smqV/0 . 3 3 1 ? /05. 0 3 2 smqV 0 1 解：取衡算系统如图所示。确定衡算对象为示踪剂。衡算的基准是 s 可判断为稳态非反应系统，对汇合前后示踪剂进行质量衡算： 12mm qq 0.05=(3+0.05)1.0 =61mg/L 加入示踪剂的质量流量为： (6110-3g)/(10-3m3)0.05m3/s=3.05g/s 单位要统一 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 2.9 假设某城市上方的空气为一长度均为100km、高为1.0km的空箱模 型。干净的空气以4m/s的流速从一边进入。假设某种空气污染物以 10.0kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h-1。假设完全 混合。求稳态情况下的污染物浓度。 解：取衡算系统为空箱所占空间。确定衡算对象为污染物。衡算的基准是 s。可判断为稳态反应系统。 设稳态下污染物浓度为，对空箱中混和前后污染物进行质量衡算： 10.kg/s 41001106 m3/s(0.20/3600) 1001001109m3/s =0 =1.0510-2mg/m3 第二章 质量衡算与能量衡算 12 0 mm qqk V 单位要统一 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 2.13 有一个43m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/(m2h)，有50%的 太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为0.8L/min。求流过取暖器 的水升高的温度 解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取1h。 设取暖器的水升高的温度为T，根据热量衡算方程， 3000kJ/m2h 43m250%=0.8L/min60min4.183kJ/hkT T=89.65K 第二章 质量衡算与能量衡算 p QmcT 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 第二章 质量衡算与能量衡算 2.13 有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量为冷却水 带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自当地的一条河流，河水 的流量为100m3/s，水温为20 （1）如果水温只允许上升10，冷却水需要多大的流量 （2）如果加热后的水返回河中，冷却水的水温会上升多少？ 解：输入给冷却水的热量为： MWMWQ6673/21000 （1)以冷却水为衡算对象,该系统为开放系统。 设冷却水的流量为 V q 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 则冷却水热量的变化率为 PFmp HHq cT 第二章 质量衡算与能量衡算 333 /10183. 41010667mkJqKW V smqV/94.15 3 水的密度 kg/m3 水的比热 kJ/kg K 温度 （2）以河流水为衡算对象，在100m3/s的流量下，吸收667MW 能量后河水温度的变化为 C59. 1 184. 410100 10667 o 3 3 T 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 3.3污水处理厂中,将污水从调节池提升至沉淀池.两池水面差最大 为10m.管路摩擦损失为4J/kg，流量为34m3/h，求提升水所需要的 功率，设水的温度为25 解： 第三章 流体流动 fe h p gzuW p gzu 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 拓展的拓展的 伯努利方程伯努利方程 取调节池水面和沉淀池水面为1，2截面： 大气压 21 21 0 pp uu 伯努利方程变为伯努利方程变为 ： kgJhzzgW fe /1 .10241081. 9)( 12 （各项单位为J/kg） （各项单位为J/kg） WqWqWN memee 3 .9643600/34101 .102 3 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 解： 截面1和截面2之间列伯努力方程: u12/2+P1/u22/2+P2/ 由题目知:u2=4u1 则有: 15u12=2(P1-P2)/=2（0.1-0.04) 1039.81/1.2 解得：u1=8.09m/s 代入数据 ，解得 qv=u1A=8.09 3.14 0.22=1.02m3/s 3.4如图所示，有一水平通风管道，某处直径由400mm减缩至200mm。 为了粗略估计管道中的空气流量，在锥形接头两端各装一个U形管 压差计，现测得粗管端的表压为100mm水柱，细管端的表压为40mm 水柱，空气流过锥形管的能量损失可以忽略，管道中空气的密度为 1.2kg/m3，试求管道的空气流量 。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 3.6水在圆形直管中呈层流流动，若流量不变，说明在下列情况 下，因流动阻力而产生的能量损失的变化情况： （1）管长增加一倍 （2）管径增加一倍。 2 328 2 22 0 mmm f u d l d lu r lu p （1）管长增加一倍：阻力损失增加一倍 （2）管径增加一倍： um变为原来的1/4，和l不变，阻力损失变为原来的1/16 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 3.10 用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图所示，水塔与大气 相通，池和塔的水面高度差为60m，并维持不变。水泵吸水口 低于水池水面2.5m，进塔的管道低于塔内水面1.8m，泵的进水 管DN150，长60m，连有两个90弯头和一个吸滤底阀。泵出 水管为两端管段串连，两端管分别为DN150、长23m和DN100、 长100m，不同管径的管道经大小头相连，DN100的管道上有3 个90弯头和一个闸阀。泵和电机的总功率为60。要求水的 流量为140m3/h，如果当地电费为0.46元/kWh，则每天泵需要 消耗多少电费？（水温为25，管道视为光滑管） 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 解：内插法，25时，90.285105Pas 996.95kgm3 计算管道流速 ： 泵进水管DN150: u14qv/d12=2.20 （m/s ） 泵出水管: DN150: u2u12.20 （m/s ） DN100: u34.95 （m/s ） 计算雷诺数，判断流动状态： DN150:Re1 u1d1/ 996.952.20.15/90.285105 3.641054000 DN100:Re2 u2d2/ 996.954.950.1/90.285105 =5.471054000 故，流体处在湍流区。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 对于光滑管，可以采用经验公式P79 (3.4.20)(3.4.21) 可以直接查图3.4.6： 内插 Re13.64105时，10.014(0.022) Re25.47105时， 20.013(0.02) 进口管段的管件阻力系数分别为：吸滤底阀 11.5，90度弯头 20.75，管入口3 0.5. 则进口管段的阻力为： Hf1 1 l1/d1 u12/2+(1+2 2 + 3 ) u12/2 =（ 1.520.750.5+0.014 60/0.15）2.202/2 =22.02（J/kg） 进口管段的管件阻力系数分别为：大小头10.3，90度弯头 20.75，闸阀3 0.17，管出口口4 1. 则出口管段的阻力为： Hf21 l2/d2 u22/2 （ 2 l3/d3 1+ 32+ 3+ 4)u32/2 210.04 （J/kg） 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 在11和22之间建立伯努力方程： u12/2p1/ +gz1-We u22/2p2/ +gz2Hf 其中，u1=u2 则有：-We=( p2-p1)/ +g(z2-z1) Hf gh Hf 9.8160+ 22.02 + 210.04 820.67 （J/kg） WN= 820.67/60%140/3600996.95=53.03kW 电费： 53.03240.46=585.4(元) 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 4.4 某一60mm3mm的铝复合管，其导热系数为45W/mK,外包 一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木，石棉和软木 的导热系数分别为0.15W/mK和0.04W/mK，求 （1）如已知管内壁温度为105，软木外侧温度为5，则每 米管长的冷损失量为多少？ （2）若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5 ，则此时每米管长的冷损失量为多少？ 解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为rm1、rm2、rm3 mmr mmr mmr m m m 99.73 60 90 ln 30 28.43 30 60 ln 30 47.28 27 30 ln 3 3 2 1 第四章 热量传递 习题 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 每米管段的热阻为： WK r b r b r b R mmm /348. 2 99.7304. 02 30 28.4315. 02 30 47.28452 3 222 33 3 22 2 11 1 每米管段的冷损失量： mW R T Q/85.46 348. 2 1055 （2） WK r b r b r b R mmm /189. 3 99.7315. 02 30 28.4304. 02 30 47.28452 3 222 33 3 22 2 11 1 mW R T Q/50.34 189. 3 1055 第四章 热量传递 习题 R TT r r TT LQ 21 1 2 21 ln 2 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为192mm的钢管内 流动，水的对流传热系数为3490W/m2k，煤油的对流传热系数为 458W/m2k。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油 侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176m2k/W和0.00026m2k/W，管 壁的导热系数为45W/mk。求 （1）基于管外表面积的总传热系数 （2）产生污垢后热阻增加的百分数 WKm rr b K ss /1095. 2 000176. 000026. 0 3490 1 45 002. 0 458 1 111 23 21 21 KmWK 2 /9 .338 （1） 将钢管视为薄管壁，则有： 111 12 1222 11 SS m bAAA rr KAAA 1为管外流体 对流传热系数 27. 1 15 19 12. 1 9 .16 19 15 19 ln 1519 19 2 1 1 A A A A m KmWK 2 /22.322 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 3.12如图所示，从城市给水管网中引一支管，并在端点B处分成 两路分别向一楼和二楼供水（20）已知管网压力为0.8*105pa (表压)，支管管径均为32mm,摩擦系数均为0.03，阀门全开时的 阻力系数为6.4，管段AB,BC,BD的长度各为20mm，8mm和13m m(包括除阀门和管出口损失以外的所有局部阻力损失的当量长度 )，假设总管压力恒定。试求 （1）当一楼阀门全开时，二楼是否有水？ （2）如果要求二楼管出口流量为0.2L/s，是否需要增压水泵？需 要的话，求增压水泵的扬程。 解：以AC所在平面为基准面，在A，C断面之间列伯努力方程： fAC AA h pupu 1 2 1 2 22 在A，D断面之间列伯努力方程： fAD AA hgz pupu 2 2 2 2 2 22 （1） （2） 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 上面两式相减： 0 22 2 21 2 2 2 1 fADfAC hhgz ppuu 0 21 pp 则有： 2 )4 . 6032. 0/803. 0(8 . 93) 2 ( ) 2 ( 2 1 min 2 1 2min 2 1 uu hgz u fBC 22 min 2 1 /97. 1) 2 (sm u 表压 0 22 2 2 2 2 1 fBDfBC hhgz uu A f p sm u h 22 min 2 1 min /28.67) 2 () 14 . 6032. 0/2803. 0( 所以二楼有水 （3） 2 5 /144.80 2 .998 108 . 0 2 sm pA 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 当二楼流量为0.2L/s时：u2=0.249m/s 代入（3）可得：u1=2.02m/s AB段流速为：u0=u1+u2=2.259m/s 2 2 /665.78 2 02. 2 ) 14 . 6032. 0/803. 0( 2 259. 2 032. 0/2003. 0 2 2 sm hf AC 2 5 /144.80 2 .998 108 . 0 2 sm pA / AAC phf 故不需要增压水泵。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 第五章第五章 质量传递质量传递 5.1在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气 蒸发。干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。水 蒸气在管内的扩散距离（由液面到管顶部）L 20cm。在0.1MPa，298K的温度时，水蒸气在空 气中的扩散系数为DAB2.510-5m2/s，试求稳态 扩散时的传质通量、浓度分布。 已知：已知：T=298K，水的饱和蒸气压水的饱和蒸气压pA,i=3.1684KPa， 水水蒸蒸气气向干空气的扩散，向干空气的扩散，p0=0， 总压力总压力p=0.1MPa=100Pa， L=0.2m 单单向向扩扩散，散， 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m smmolpp RTLp pD N Pa pp pp pppp p p pp p AiA mB AB A iA A iAA iB B iBB mB 24 0, , 5 36 6 3 , 0, ,0, , 0, ,0, , /1062.1)( 109841.0 101684.3101.0 101.0 ln 0101684.3 ln )()( ln z A z A y y 51 15 9683. 01 033. 11 或 化简得 L z iA A iA A A A iA iA y y y y p p y p p y ) 1 1 () 1 1 ( 0 31684. 0100/1684. 3 , 0, , 0, 0, , , 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 6.3 粒径为粒径为76m的油珠在的油珠在20的常压空气中自由沉降，恒速阶段测得的常压空气中自由沉降，恒速阶段测得20s 内沉降高度为内沉降高度为2.7m。已知。已知20时，水的密度为时，水的密度为998.2kg/m3，黏度为，黏度为 1.00510-3Pa s；空气的密度为；空气的密度为1.205kg/m3，黏度为，黏度为1.8110-5Pas。 求：求： （1)油的密度油的密度 （2)相同的油珠注入相同的油珠注入20水中，水中，20内运动的距离内运动的距离 解（解（1) u=27/20 m/s=0.135m/s 油珠得运动处于层流状态，则沉降速率为：油珠得运动处于层流状态，则沉降速率为： 2683. 0 1081. 1 205. 1135. 01076 Re 5 6 ud p p 3 2 2 /43.777 18 18 )( mkg gd u gd u p t p pp t 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m (2) 利用无量纲判据法，代入相应数据判断油珠在水中的流态利用无量纲判据法，代入相应数据判断油珠在水中的流态 油珠在水中上浮处于层流状态，则沉降速率为油珠在水中上浮处于层流状态，则沉降速率为： 20s内油珠运动距离内油珠运动距离L: L=utt=1.3810-2m 3694. 0 )( 2 3 ppg d K sm gd u pp t /1092. 6 18 )( 4 2 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 6.6 落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃桶组成，将被测液体落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃桶组成，将被测液体 装入玻璃桶，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间， 即可以算出液体黏度。现已知钢球直径为 装入玻璃桶，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间， 即可以算出液体黏度。现已知钢球直径为10mm，密度为，密度为 7900kg/m3，待测某液体的密度为，待测某液体的密度为1300kg/m3，钢球在液体，钢球在液体 中下落中下落200mm，所用时间，所用时间9.02s，试求该液体黏度。，试求该液体黏度。 解：钢球在该液体中下落速度为：解：钢球在该液体中下落速度为： ut=20010-3/9.02 m/s=0.022m/s 假设钢球在液体中运动为层流状态，则：假设钢球在液体中运动为层流状态，则： 代入雷诺数检验：代入雷诺数检验： 假设成立，该液体黏度为假设成立，该液体黏度为16.33Pas。 sPa u gd gd u t pp pp t 33.16 18 )( 18 )( 2 2 2018. 0Re ud p p 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 6.11 用于例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含尘空气的 温度为 用于例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含尘空气的 温度为200，体积流量为，体积流量为3800m3/h，粉尘密度，粉尘密度2290kg/m3，求旋风，求旋风 分离器能分离粉尘的临界直径（旋风分离器的直径为分离器能分离粉尘的临界直径（旋风分离器的直径为650mm，200 空气的密度为空气的密度为0.746kg/m3，黏度为，黏度为2.6010-5Pa*s） 解：进气筒宽度解：进气筒宽度B=D/4=65010-3/4=162.510-3m， 高度高度h=D/2=32510-3m u=qv/Bh=19.99m/s 检验：检验：rm=(D-B)/2=243.7510-3m 在层流区符合斯托克斯公式，计算正确在层流区符合斯托克斯公式，计算正确 m Nu B d pi c 27. 7 5229099.1914. 3 105 .1621060. 299 35 2087. 0Re /42. 0 18 )( 2 tc p pp t ud sm gd u 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 6.13 原来用一个旋风分离器分离气体粉尘，现在改用三个相同的原来用一个旋风分离器分离气体粉尘，现在改用三个相同的 并联的小旋风分离器代替，分离器的形式和各部分的比例不变，并联的小旋风分离器代替，分离器的形式和各部分的比例不变， 并且气体的进口速度也不变，求每个小旋风分离器的直径是原来并且气体的进口速度也不变，求每个小旋风分离器的直径是原来 的几倍，分离的临界直径是原来的几倍。的几倍，分离的临界直径是原来的几倍。 （1）设原来的入口体积流量为）设原来的入口体积流量为qV，现在每个旋风分离器的入口，现在每个旋风分离器的入口 流量为流量为qV/3,入口气体速度不变，所以入口面积变为原来的入口气体速度不变，所以入口面积变为原来的1/3 又：形式和各部分的比例不变，面积与直径的平方成正比。又：形式和各部分的比例不变，面积与直径的平方成正比。 所以小旋风分离器直径的平方为原来的所以小旋风分离器直径的平方为原来的1/3，则直径为原来的，则直径为原来的 58. 03/1 （2）由）由 Nu B d pi c 9 其中只有其中只有B变化，其余各量均不变。变化，其余各量均不变。 所以临界直径变为原来的：所以临界直径变为原来的： 76. 058. 03/1 4 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 7.1 用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为 V2+V=610-5A2t，式中，式中t的单位为的单位为s。(1)如果如果30min内获得内获得 5m3滤液，需要面积滤液，需要面积0.4m2的滤框多少个？的滤框多少个？(2)求过滤常数求过滤常数 K,qe,te? 解（解（1)将将V、t代入公式代入公式V2+V=610-5A2t，得过滤所需总面积：，得过滤所需总面积： A16.67m2，则需，则需0.4m2的滤框：的滤框： 16.67/0.4=41.67(42) 个个 （2) 过滤方程：过滤方程：V2+V=610-5A2t，两边同除以，两边同除以A2得如下方得如下方 程：程： q2+(1/A) q=610-5A2t ， 与过滤方程与过滤方程:q2+2qqe=Kt比较，可得：比较，可得： K=610-5m2/s，qe=1/2A=0.03m3， 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 7.7恒压操作下过滤实验测得的数据如下，求过滤常数K，qe 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 8.1 在30，在常压下，用吸收塔清水逆流吸收空气SO2混合 气体中的SO2，已知气液平衡关系为y*47.87x，入塔混合气 中SO2的摩尔分数为0.05，出塔混合气SO2的摩尔分数为0.002， 出塔吸收液中每100g含有SO20.356g，试分别计算塔顶和塔低处 的传质推动力，用y、x、p、c表示 已知 y10.05； y20.002 ； x20 ； m47.87 求y、x、p、c 解：x1(0.356/64)/ 100/18=0.001 p1=0.05101.35.065kPa p20.002101.30.203（kPa） E=mP=47.87101.34.86103 （kPa） c0=995.7/18=55.32（kmol/m3） H=C0/E55.32/4.85103=1.15102 kmol/m3 kPa 求推动力： 第八章 吸 收 作业 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 塔顶：y2*=mx20 yy2y2*0.002 x2*=y2/m=0.002/47. 87=4.1810-5 x x2*x24.1810-5 p2*Ex20 pp2p2*= 0.203 kPa cc0x55.324.1810-52.31103 （kmol/m3） 塔底：y1*=mx147.870.0014.79102 yy1y1*0.054.791022.13103 x1*=y1/m=0.05/47. 87=1.0410-3 x x1*x11.0410-30.0014.45105 P1*Ex14.851030.0014.85 kPa pp1p1*=5.0654.86 0.205kPa cc0x55.324.451052.46103 （kmol/m3） 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 8.6利用吸收分离两组气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相 传质系数分别为ky3.77103kmol(m2s）、kx3.06kmol/(m2s） 气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为p* 1.067104x（p*的单 位时kPa），计算 （1）、总传质系数 （2）、传质过程的阻力分析 根据传质阻力分析，判断是否合适采取化学吸收，如果发生瞬时不 可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？ 解：已知P= 310kPa, ky3.77103kmol/(m2 s）、 kx3.06kmol/(m2s）, p* 1.067104x 求总传质系数： mE/P=1.067104/310=34.42 以气相、液相摩尔分数差为推动力的传质系数分别为Ky，Kx 第八章 吸 收 作业 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m xy k m kKy 11 代入数据：Ky8.8710-6(kmol/m2 s) mKyKx 3.0510-4(kmol/m2 s） 阻力分析： 气相阻力： Ky 1 265.25(m2s/kmol） 液相阻力： x k m 1.12105(m2s/kmol） 可知：液相阻力占总阻力的99.76，远远大于气相阻力 故，可以采用化学吸收。 yx mkkKx 111 或 第八章 吸 收 作业 课后答案网 w w w .k h d a w .c