2011化工原理上册复习思考题参考答案.doc

复习思考题参考答案1密度为850 kg/m3、粘度为810-3 Pas的液体在内径为14 mm的钢管内流动，液体的流速为1 m/s。计算：（1）雷诺准数，并指出属于何种流型；（2）若要使该流动达到湍流，液体的流速至少应为多少？ 解：（1）Re = du/= 0.0141850/810-3 = 1487.5 2000 流动类型为层流 （2）湍流时，Re 4000，流速最小时，Re = 4000，即du/= 4000 u = 4000/d= 40000.008/（0.014850）= 2.69 m/s 2用 1084 mm 的钢管从水塔将水引至车间，管路长度150 m（包括管件的当量长度）。若此管路的全部能量损失为118 J/kg，此管路输水量为若干m3/h？（管路摩擦系数可取为0.02，水的密度取为1000 kg/m3） 解：能量损失 118 J/kg u = 2.8 m/s 流量 V = uA = 2.8 79.13 m3/h 3用1689 mm的钢管输送原油。管线总长100 km, 油量为60000 kg/h，油管最大抗压能力为1.57107 Pa。已知50 时油的密度为890 kg/m3, 粘度为181 cp。假定输油管水平放置，其局部阻力忽略不计。问：为完成上述输油任务, 中途需设几个加压站? 解：u1 = u2，Z1 = Z2， u = V/A = (60000/890)/(36000.7850.152) = 1.06 m/s Re = du/= 0.151.06890/(18110-3) = 782 层流 = 64/Re = 64/782 = 0.0818 P =(l/d)(u2/2)= 0.0818(105/0.15)(1.062/2)890 = 2.72107 Pa n = 2.72107/(1.57107) = 1.73 中途应设一个加压站 4某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。测得R1 = 400 mm，R2 = 50 mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，在右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3 =50 mm。求A、B两处的表压强。 解：U管压差计连接管中是气体，其密度远远小于水银及水的密度，由气柱高度所产生的压强差可以忽略。设R2下端为C点，R1下端为D点，因此可认为 PAPC,PBPD。 PAPC =H2OgR3 +HggR2 = 10009.810.05 + 136009.810.05 = 7161 N/m2（表压） PBPD = PA +HggR1 = 7161 + 136009.810.4 = 6.05104 N/m2（表压）5用泵将水从水池送至高位槽。高位槽液面高于水池液面50m，管路全部能量损失为20 J/kg，流量为36 m3/h，高位槽与水池均为敞口。若泵的效率为60%，求泵的轴功率。（水的密度取为1000 kg/m3） 解：设水池液面为1-1截面，高位槽液面为2-2，以水池液面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式。 Z1 = 0，Z2 = 50 m，u10，u20，P1 = P2 = 0（表压），hf = 20 J/kg we = 9.8150 + 20 = 510.5 J/kg 水的质量流率 ws = 361000/3600 = 10 kg/s 有效功率 Ne = wews = 510.510 = 5105 W 轴功率 N = 5105/0.6 = 8508.3 W 6水以2.5m/s的流速流经 382.5 mm的水平管，此管以锥形管与另一 383 mm的水平管相连。如附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压强。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5 J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm记），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。（水的密度取为1000 kg/m3） 解：上游截面A-A，下游截面B-B，通过管子中心线作基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。 式中 ZA = ZB = 0，uA = 2.5 m/s，hfA,B = 1.5 J/kg 根据连续性方程式，对于不可压缩流体 有 m/s 两截面的压强差为 = = 868.55 N/m2 即 mmH2O 由于 pB pA7.在如图所示的测压差装置中，U形管压差计中的指示液为水银，其密度为rHg，其他管内均充满水，其密度为rw，U形管压差计的读数为R，两测压点间的位差为h，试求a、b两测压点间的压力差。解：由 所以 所以 8用离心泵将水从储槽送至水洗塔的顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为 762.5 mm。在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66103 Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按 与 计算。由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。排水管与喷头处的压强为98.07103 Pa（表压）。求泵的有效功率。（水的密度取为1000 kg/m3） 解：（1）水在管内的流速与流量 设储槽水面为上游截面1-1，真空表连接处为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程。 式中 Z1 = 0，Z2 = 1.5 m，p1 = 0（表压），p2 = -24.66103 Pa（表压） u1 0， 将上列数值代入柏努利方程式，解得水在管内的流速u2 m/s 水的流量 ws = uA= kg/s （2）泵的有效功率 设储槽水面为上游截面1-1，排水管与喷头连接处为下游截面2-2，仍以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程。 式中 Z1 = 0，Z2 = 14 m，u1 0，u2 = 2 m/s，p1 = 0（表压） p2 =98.07103 Pa（表压）， 将上列数值代入柏努利方程式，解得 we J/kg 泵的有效功率 Ne = wews = 285.417.92 = 2260 W 9 在图示装置中，水管直径为573.5 mm。当阀门全闭时，压力表读数为0.3大气压, 而在阀门开启后，压力表读数降至0.2大气压。设管路入口至压力表处的压头损失为 0.5 mH2O，求水的流量为若干m3/h？ 解：阀门全闭时，由 P2 =gH，H = 0.31.013105/（10009.81）= 3.1 m 即水槽液面距阀门中心线的高度为3.1 m。 阀门开启时，以水槽液面为上游截面1-1，压力表处为下游截面2-2，管路中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式 Z1 = H = 3 m，Z2 = 0，P1 = 0，P2 = 0.21.013105 Pa，u10，hf/g = 0.5 mH2O 代入上式 3.1 = 0.21.013105/（10009.81）+ /（29.81）+ 0.5 解得 u2 = 3.24 m/s Vh =（/4）d2u3600 = 22.9 m3/h 10如图所示，密度为850 kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽内的液面维持恒定。塔内表压强为9.81103 Pa，进料量为8 m3/h。连接管直径为 422.5 mm，料液在连接管内流动时的能量损失为25J/kg（不包括出口的能量损失）。求：高位槽内的液面应比塔的进料口高出多少？ 解：以高位槽液面为上游截面1-1，连接管出口内侧为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。 式中 Z1 = 0，u10， m/s p1 = 0（表压），p2 = 9.81103 Pa（表压），hf = 30 J/kg 将上述数值代入柏努利方程，解得 m 高位槽内的液面应比塔的进料口高4.37 m。11如图所示，用泵将储槽中密度为1200 kg/m3的溶液送到蒸发器内。储槽内液面维持恒定，其上方与大气相同。蒸发器内的操作压强为150mmHg（真空度），蒸发器进料口高于储槽内的液面12 m，输送管道的直径为 644 mm，送料量为30 m3/h，溶液流径全部管道的能量损失为150 J/kg，求泵的有效功率。 解：以储槽的液面为上游截面1-1，管路出口内侧为下游截面2-2，并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。 式中 Z1 = 0，Z2 = 15 m， p1 = 0（表压）， Pa（表压） u1 0， m/s，hf = 120 J/kg 将以上各项数值代入柏努利方程中 we J/kg ws kg/s Ne = wews =246.96.67 = 1647 W 12附图中所示的高位槽液面维持恒定，管路中ab和cd两段的长度、直径及粗糙度均相同。某液体以一定流量流过管路，液体在流动中温度可视为不变。问：（1）液体通过ab和cd两管段的能量损失是否相等？（2）此两管段的压强差是否相等？写出它们的表达式。 解：（1）直管的能量损失 管段ab与cd中，长度、直径均相同；流量不变则流速相同；温度不变，密度相同，粘度相同，则雷诺数相同；又由于粗糙度相同，则摩擦系数相同，所以两管段的能量损失相等。 （2）两管段的压强差不相等。 在两管段上分别列柏努利方程式 ab管段 式中 ua = ub，则 cd管段 式中 uc = ud，Zc = Zd，则 13.如本题附图所示用泵将20水经总管分别打人容器A、B内，总管流量为176m3/h，总管直径为168x5mm,C点处压力为1. 97kgf/cm2 (表) ,求泵供给的压头及支管CA、CB的阻力（忽略总管内的阻力）。解：（1）总管流速 在图示的O-O与C-C截面之间列机械能衡算方程： 式中： （2）求支路阻力在C-C和A-A截面之间列机械能衡算方程： 式中：，故支路CA的阻力为 液柱同理 液柱14、如图2-1用离心泵将20的水由敞口水池送到一压力为2.5atm的塔内，管径为1084mm管路全长100m(包括局部阻力的当量长度，管的进、出口当量长度也包括在内)。已知： 水的流量为56.5m3h-1，水的粘度为1厘泊，密度为1000kgm-3，管路摩擦系数可取为0.024，计算并回答： (1)水在管内流动时的流动形态；(2) 管路所需要的压头和功率； 图2-1 解：已知：d = 108-24 = 100mm = 0.1mA=(/4)d2 = 3.14(1/4)0.12 = 0.78510-2 ml+le =100m qv = 56.5m3/h u = q/A = 56.5/(36000.78510-2) = 2m/s = 1cp = 10-3 PaS =1000 kg.m-3, = 0.024 Re = du/=0.121000/10-3 = 2105 4000 水在管内流动呈湍流 以1-1面为水平基准面,在1-1与2-2面间列柏努利方程： Z1 +(u12/2g)+(p1/g)+H=Z2+(u22/2g)+(p2/g)+HfZ1=0, u1=0, p = 0 (表压), Z2=18m, u2=0 p2/g=2.59.81104/(10009.81)=25m Hf =(l+le )/d(u2/2g) =0.024(100/0.1)22/(29.81) = 4.9mH = 18+25+4.9 = 47.9m Ne = Hqvg = 47.910009.8156.5/3600 = 7.4kw15、拟用泵将碱液由敞口碱液槽大入位差为10m高的塔中，塔顶压强（表压）为0.06 Mpa.全部输送管均为 f57mm3.5mm 无缝钢管。管长50m （包括局部阻力的当量长度）。碱液的密度 r = 1200kg/m3，粘度为 m = 2mPas。管路粗糙度为 0.3mm。试求：（1）流动处于阻力平方区时的管路特性曲线；（2）流量为30 m3/h 时的 He 和Pe。解：（1）在阻力平方区，l = f（e/d）e/d = 0.006，查图得：l = 0.033管路特性方程：（2）qv = 30 m3/h 时,16、采用IS80-65-125水泵从一敞口水槽输送60热水。最后槽内液面将降到泵人口以下1.4m。已知该泵在额定流量60m3/h下的(NPSH)r为3m，60水的饱和蒸汽压Pv为19.92kpa、为983.2kg/m3，泵吸入管路的阻力损失为2.5m，问该泵能否正常工作。解：该泵不能正常工作。说明安装高度偏高。17、拟用一台IS65-50-160A型离心泵将20C的某溶液由溶液罐送往高位槽中供生产使用，溶液罐上方连通大气。已知吸入管内径为60 mm，送液量为30 m3/h，估计此时吸入管的阻力损失为3m液柱，求大气压分别为101.3 kPa的平原和51.4kPa的高原地带泵的允许安装高度，查得上述流量下泵的允许汽蚀余量为3.5 m，20C时溶液的饱和蒸汽压为5.87 kPa，密度为800 kg/m3。 解： 其中Z2为为负值，表明在高原安装该泵时要使其入口位于液面以下，才能保证正常操作。同时考虑实际操作的波动一般还应给予适当的裕量，比如安装高度再降低0.5m，变成-1m。18、今选用IS型水泵将水从低位水池向高位槽送水，要求送水量为40 t/h，槽内压强（表压）为0.03 Mpa，槽内水面离低位水池水面16 m，管路总阻力为4.1 J/N。试确定选用哪一种类型为宜？解：在槽内水面和低位水池水面之间列柏努利方程： 即管路所需压头为23.2 m。 查课本附录9 ，选IS-80-65-160型合适。19、欲将一容器中的溶液进行加热，使其从30加热至60，容器中的液量为6000，用夹套加热，传热面积为，容器内有搅拌器，因此器内液体各处的温度可视为均匀的，加热蒸气为0.1MPa的饱和水蒸气，传热系数为，求将溶液由30加热至60所需要的时间？已知溶液比热为，热损失忽略不计。解：溶液从30被加热到60所需的热量：而夹套的传热效率：其中，对于的饱和水蒸气，则 所需加热时间为：20、现有两台单壳程单管程的传热面积均为的列管式空气加热器，每台加热器均由64根钢管组成。壳程为170的饱和水蒸气冷凝（冷凝潜热），空气入口温度，流量为，以湍流方式通过管内。（1）若两台换热器并联使用，通过每台热换器的空气流量均等，此时空气的对流传热系数为，求空气的出口温度及水蒸气的总冷凝量为多少？（2）若二台换热器改为串联使用，问此时空气的出口温度及水蒸气的总冷凝量为多少？假定空气的物性不随温度压力而变化，视为常量。解：（1）两台并联使用：对于其中一台：即： 解得：即空气的出口温度为93.8两台的传热量：蒸汽总冷凝量：（2）两台串联使用：即 又 即： 即空气的出口温度总传热量：水蒸汽总冷凝量：21、有一套管换热器，管内为，套管为的钢管，内管中苯被加热，苯进口温度为50，出口温度为80，流量为。环隙为133.3的饱和水蒸气冷凝，其汽化热为，冷凝传热膜系数为。苯在5080之间的物性参数平均值为密度，比热，粘度，导热系数，管内壁垢阻为，管壁及管外侧热阻不计。试求：（A）加热蒸汽消耗量；（B）所需的传热面积（以内管外表面计）。（C）当苯的流量增加50%，要求苯的进出口温度不变，加热蒸汽的温度应为多少？解：（1）加热蒸汽消耗量：（2）内管中苯的流速：湍流则以内管外表面计的传热系数为： （3）苯的流量增加50%，而进出口温度不变，则 （以内管外表面计）即：解得：即苯的流量增加50%而温度不变时，加热蒸汽的温度应为145.2。22、一长度为3m、管外径为131mm、管内通有123饱和蒸汽的竖直加热管。管外壁的温度为120，周围空气的温度为20，试求：（1）每米管道因自然对流而产生的热损失为多少?（2）若管外包一层40mm的保温层后,保温层外表面温度降至60,上述热损失减至多少?解: (1)定性温度=,在此温度下空气的物性为 ） 查表得： =6。84W/（m2）（1） 加保温后定性温度，在此温度下： ） Pr=0.699 Gr= =1.171011GrPr=1.1710110.699 =8.171010 = =5.39 W/(m2) =5.393.140.131(60-20)=88.7W/m 即加了保温层后，每米管道的热损失由原来的281W/m减至88.7W/m。 此题亦可采取简化的方法：如上求出=6.84W/(m2)后，因为保温前后均属自然对流，假定物性不变，则保温前后对流系数的关系为 W/(m2) 简化计算的结果与前面计算相差 分析：=可以发现：当n=1/3时，定性尺寸（此例中既蒸汽管的长度）可以消去。利用这种自然对流与定性尺寸无关的特点，可以在较小尺寸的模型上进行自然对流传热研究，即所谓的“自模化”实验，从而为实验工作带来诸多方便。23、有一套管换热器，管内为，套管为的钢管，内管中苯被加热，苯进口温度为30，出口温度为70，流量为。环隙为133.3的饱和水蒸气冷凝，其汽化热为，冷凝传热膜系数为。苯在3070之间的物性参数平均值为密度，比热，粘度，导热系数，管内壁垢阻为，管壁及管外侧热阻不计。试求：（A）加热蒸汽消耗量；（B）所需的传热面积（以内管外表面计）。（C）当苯的流量增加30%，要求苯的进出口温度不变，加热蒸汽的温度应为多少？解：（1）加热蒸汽消耗量：（2）内管中苯的流速：湍流则以内管外表面计的传热系数为： （3）苯的流量增加50%，而进出口温度不变，则 （以内管外表面计）即：解得：即苯的流量增加50%而温度不变时，加热蒸汽的温度应为145.2。24、有一套管换热器，内管为，外管为的钢管。现用120的饱和水蒸气加热苯，使苯由50加热至80，苯在内管中以的流量流动，试求：（A）加热蒸汽消耗量；（B）所需套管的有效长度；（C）由于某种原因，加热蒸汽的温度降为110，苯的出口温度将变为多少？（假设苯不变,在5080范围内，苯的物性为，钢的导热系数为，120时水蒸气冷凝潜热，蒸汽侧对流传热系数，壁两侧垢层热阻及换热器损失均可忽略，加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出。）解：（1）加热蒸汽消耗量： （2）套管的有效长度：湍流则以内管外表面计的传热系数：（3）当时，不变，也可视为不变。则 即：解得：25、某一列管式换热器，将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动，饱和水蒸气在管外冷凝。今因生产任务加大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。如果使新旧两台换热器并联使用，且使二台换热器在空气流量、进、出口温度及饱和蒸汽温度都相同的条件下操作。原换热器列管数为，管径为，管长为，而新换热器管数为，管径为。试问新换热器管长为原换热器管长的几倍。解：二台换热器的空气流量、进、出口温度及饱和蒸汽温度都相同，且，原换热器： (1) 新换热器： (2)（2）/（1）得：其中：原换热器管内流速，新换热器管内流速，则 即新换热器管长为原换热器管长的倍。27、某常用套管换热器每小时冷凝甲苯蒸汽，冷凝温度110，冷凝潜热为，冷凝膜系数，冷却水温16，以的流量进入内管内（内径50），作湍流流动，膜系数，水的比热取为，忽略壁阻及污垢热阻。试求A）冷却水出口温度及管长； B）如在夏季，冷却水入口温度将升至25，使换热器传热能力下降，为此建议将水流量增加一倍，那么，该换热器的传热能力能否增加？定量地说明。解：（1）冷却水出口温度： 管长： （2）当时。而流量加倍时， 即：则传热能力 原传热能力 换热器的传热能力能增加。28、在列管式换热器中，用饱和水蒸气将空气由20加热到80,该换热器由38根,长1.5m的铜管构成,空气在管内作湍流流动,其流量为740Kg/h,比热为1.005,饱和水蒸气在管间冷凝。已知操作条件下的空气对流给热系数(或称对流传热膜系数)为65W/.,水蒸气的冷凝给热系数为8000W ,管壁及垢层热阻可忽略不计。A） 试确定所需饱和水蒸气的温度；B） 若将空气量增大30%通过原换热器，在饱和水蒸气温度及空气进口温度均不变的情况下，空气能加热到多少度？（设在本题条件下空气出口温度有所改变时，其物性参数可视为不变）解：（1）饱和水蒸气的温度T:其中： (以外表面计) T=124(2) 若空气量增大25%,则 由式（）可知： 解得：即空气加热到29、欲设计一列管式换热器，用110的饱和水蒸气将的常压空气由20预热到95。A、若初步选定采用单管程换热器，空气走管程，管束由120根的铜管组成。试确定所需管束长。B、若选用双管程浮头式列管换热器。管子总数、管长及直径同上。则空气的出口温度有无变化？试确定之。在计算中，冷凝液膜的热阻、管壁及其两侧污垢热阻可忽略不计，其空气平均温度下的物性可取：粘度，比热：，导热系数，密度。解：（1）管长： 管内流速：=9.59湍流冷凝液膜热阻，管壁及两侧污垢热阻可忽略不计，（以内表面计）则 即管束长2.0m（2）若改为双管程： 即： 由（1）式可知： 解得: 因现蒸汽温度,所以此蒸汽能满足传热要求。30、有一套管式换热器，甲流体（走管间）和乙流体（走管间）在其中逆流换热。生产要求将流量为810的甲流体（）从120冷却至70，管壁的对流膜系数，并可视作不变。乙流体由20被加热至50。35的水的粘度为0.72，已知内管内径为0.0508，乙流体的平均流速为0.15，管内壁对乙流体的对流传热膜系数，内管两端压强差为。如果管壁及污垢热阻不计，流体的物性常数及摩擦力系数均可视为常数。求当此换热器内管两端压强差经调节增至3时，完成这一传热过程所需的传热面积。解：当内管压强差为时，内管压强差为3时， 湍流 当内管压强差为3时，管内流动也肯定为湍流则又由原工况：可得： 热流体的流量，进出口温度不变（生产要求）解得：平均温差：则由 可得：1.某流体在圆形直管中作滞流流动时，其速度分布是_ 抛物线_型曲线，其管中心最大流速为平均流速的_2倍_倍，摩擦系数与Re的关系为_64/Re _。2.牛顿型流体与非牛顿型流体的主要的区别是_牛顿型流体符合牛顿粘性定律_。3.稳定流动的定义是_流动状况不随时间而变_。4.液柱压力计量是基于_流体静力学_原理的测压装置，用U形管压差计测压时，当一端与大气相通时，读数R表示的是_表压_或_真空度_。14.流体体积流量一定时，有效截面扩大，则流速 减少，动压头减少，静压头增加。4.化工生产中，物料衡算的理论依据是质量守恒定律，热量衡算的理论基础是能量守恒定律。5. 雷诺准数的表达式为_ Re=d/_。流体在圆形直管内流动，工程上一般认为当雷诺准数_ 时为层流, 为湍流， 为过渡区。6. 当地大气压为750mmHg时, 测得某体系的表压为100mmHg,则该体系的绝对压强为_ 850_mmHg, 真空度为_-100_mmHg。7、离心泵的流量调节阀安装在离心泵_管路上，关小出口阀门后，真空表的读数_，压力表的读数_。出口；减小；增大8、离心泵的工作点是_曲线与_曲线的交点。离心泵特性；管路特性9、泵的扬程的单位是_，其物理意义是_。M；泵提供给单位重量流体的能量10、离心泵输送的液体粘度越大，其扬程_，流量_,轴功率_，效率_。越小；越小；越大；越小11、离心泵输送的液体密度变大，则其扬程_，流量_，效率_，轴功率_。不变；不变；不变；变大12、离心泵的主要部件有如下三部分:_,_,_。泵壳；叶轮；泵轴13、对流传热的热阻主要集中在 ，因此， 是强化对流传热的重要途径。答案：滞流内层；减薄湍流内层的厚度14、黑体的表面温度从300升至600，其辐射能力增大到原来的 倍. 答案: 5.39 15、热油和水在一套管换热器中换热，水由20升至75。若冷流体为最小值流体，传热效率0.65，则油的入口温度为 。答案：10416、换热器在使用一段时间后，传热速率会下降很多，这往往是由于 的缘故。答案：传热管表面有污垢积存1当被测流体的绝对压力（ ）外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。 A A 大于；B 小于；C 等于；D 近似于。2.在稳定流动系统中，水由粗管连续地流入细管，若粗管直径是细管的2倍，则细管流速是粗管的（ ）倍。 CA. 2； B. 8； C. 4。3流体在圆管内（ ）流动时，平均速度是最大速度的一半。 A A 层流；B 湍流；C 过渡流；D 漩涡流。4.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因