化工原理流体流动04习题.pdf

流体流动流体流动 3 一 填充题 20 分 1 牛顿粘性定律 粘度在 SI 制中的单位是 2 常用测定流量的流 3 在流动糸统中 若截面上流体的流速 压强 密度等仅随 而变 不随 而变 称为稳定流动 若以上各量既随 而变 又随 而变 称为不稳定流动 4 等边三角形的边长为 a 其当量直径为 5 流体在圆形直管内滞流流动时 其速度分布是 型曲线 其管中心的最大流速为平均流速的 縻擦糸数 与 e R的 关系为 6 泵是指 按其工作原理来分可分为 7 气体按压缩比来分 可分为 8 降沉室内颗粒得以沉降的条件 9 过滤操作实际上是滤液通过 和 的流动过程 过滤速率是指 10 传热一般采用逆流操作 但为 时采用并流操作 11 用二种厚度相同的材料保温时 往往把 的材料包在内 层 以达到好的保温效果 12 蒸发是利用溶液中溶质的 用加热的方法使部分溶剂汽化 并除去 溶液的浓度或析出溶质 13 金属的导热糸数大都随其纯度的增加而 随其温度的升高 14 对流传热的热阻主要集中在 因 强化对流传热的重要途径 15 工程上流体流经换热器的压降通常限定在 Kpa 二 问答题 30 分 1 流体的流动形态有哪几种 如何判断 2 何谓层流内层 其厚度受哪些因素影响 3 采用多级压缩的优点有哪些 4 列管式换热器为何要进行热补偿 5 单层圆筒壁的内 外半径分别为 1 r和 2 r 壁表面温度分别为 T 和 t 若 t T 试写出圆筒任意半径 r 处的温度表达式 三 计算题 50 分 1 流量为 5000 h m3 的水通过一根 20Km 长的水平管 总压降为 0 5Mpa 现 在中央接一完全相同的平行管到中点 问总流量变为多少 h m3 设总 压降始终不变 流动始终为高度湍流 局部阻力忽略 2 泵将C 0 20的水由一贮槽打到另一贮槽 其中吸入管和排出管的管径为 mmm498 的无缝钢管 吸入管长为 50m 排出管长为 160m 且泵到 管出口的距离为 10m 其中流量为 h m3 35 已知 atmp1 0 02 0 0 3 s Hm KwN2 电 94 0 电 C 0 20时水 3 1000 m Kg 2 3 1024 1 m sN 2 3 0 104 2 m N p 求 忽略动压头 求泵的安装高度 泵的轴功率和效率 3 一列式换热器规格如下 管长 3m 管数 30 根 管径为mm5 225 管程 为 1 现拟选用此换热器冷凝 冷却 2 CS饱和蒸汽 使之从饱和温度 C 0 46降至C 0 10 2 CS走管外 其流量为 s Kg G07 0 1 其冷凝潜热为 Kg Kj 356 比热为 CKg Kw 0 05 1 水走管内 且与 2 CS成逆流流动 冷 却水的进出口温度分别为C 0 5和C 0 30 已知冷凝和冷却段基于外表面的 总传热糸数分别为 Cm W K 02 1 2000 和 Cm W K 02 2 100 问此换热器是 否造适用 4 用一传热面积为 2 10m的蒸发器将某溶液由 15 浓缩到 40 沸点进料 要求每小时蒸得 375Kg 浓缩液 已知加热蒸汽压强为 200Kpa 蒸发室的 操作压强为 20Kpa 此操作条件下的温度差损失可取C 0 8 热损失可忽略 不计 试求 开始设入使用时 此蒸发器的传热糸数为多少 操作一段时间后 因物料在传热面上结垢 为完成同样蒸发任 务 需将加热蒸汽的压力提高到 350Kpa 问此时蒸发器的传热糸数为多少 查得 20Kpa 水蒸汽的饱和温度为C 0 1 60 汽化潜热为 Kg Kj 9 2354 查得 200Kpa 水蒸汽的饱和温度为C 0 2 120 查得 350Kpa 水蒸汽的饱和温度为C 0 8 138 试题二的答案 一 填充题 1 dy dw 2 m sN 2 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计 3 位置 时间 时间 位置 4 a 3 3 5 抛物线 0 5 e R 64 6 为液体提供能量的输送机械 离心式 往复式 旋转式和流体作用式 7 通风机 鼓风机 压缩机 8 颗粒的停留时间大于沉降时间 9 介质和滤渣层的流动 单位时间内所获到的滤液量 10 控制温度 降低粘度 减少阻力 11 导热糸数小的 12 不挥发性 提高 13 增加 增加 14 层流内层 减薄层流内层的厚度 15 10 13 101 3 二 问答题 1 流体的流动形态有两种 层流和湍流 用雷诺准数来判断 当2000 e R 为层流 当4000 e R为湍流 1 在湍流主体内靠近管壁处始终存在着一层作层流流动 的流体薄层 此薄 层称为层流内层 受管径 流速 粘度和密度 2 避免压缩后气体温度过高 提高气缸容积糸数 减小功率 使压缩机结 构更为合理 3 列管式换热器中 由于两流体的温度不同 使管束和壳体的温度也不相 同 因此它们的热膨胀程度也有区别 若两流体的温度差较大 C 0 50以 上 时 由于热应力会引起设备的变形 甚至弯曲和破裂 因此我们要 考虑热补偿 4 1 2 ln 2 r r tTL Q 1 ln 2 r r tTL 1 2 1 ln ln r r r r tT Tt 三 计算题 1 设接平行管道后 总流量为 h m V 3 3 二平行管流量为 h m V 3 1 和 h m V 3 2 板努利方程 3 2 3 2 pu 1 1 2 1 2 f h pu 3 2 3 2 pu 2 2 2 2 2 f h pu 总压降相同得 2 2 3 3 3 u d l 2 2 1 1 1 u d l 2 2 u d l 321 llll 2 1 321 31 2 1u u uu 5 8 3 h m VV 3 6 3 3 0 5 8 2 s m d V u53 1 3600 09 0 4 1 35 4 1 22 1 s m u53 1 2 m g u d l g u Hh g u HZ s f s 555 1 81 9 2 53 1 09 0 50 02 0 81 9 2 53 1 0 3 2 22 2222 2 考虑 0 5m 的安装安全糸数 则泵的安装高度为 1m KwNN88 194 0 2 电电轴 g u g u d l ZhZH 22 22 出进 81 9 2 53 1 5 01 09 0 50160 02 011 2 H mH75 16 KwgHQN6 13600 81 9 1000 35 75 16 85 电 N N 1 3 2 图 2 1 2 2 10m 1 1 图 2 2 3 换热器已有的传热面积 2 07 73 025 0 14 3 30 mdlnA 求所需的传热面积 冷凝段的热量 1 Q Kwrw9 24356 07 0 冷却段的热量 KwTTCwQ65 236 05 1 07 0 2112 总热量为 Q 1 Q 2 Q 27 55Kw 冷却水的用量 s Kg ttC Q G0263 530 187 4 55 27 12 水 冷却水离开冷却段的温度 C CG Q tt 0 1 4 7 187 4 263 0 65 2 5 比水 冷凝段的温度差 Ct 0 7 25 3046 4 746 ln 30464 746 冷却段的温度差 Ct 0 4 16 510 4 746 ln 5104 746 冷凝段所需传热面积 2 1 84 4 7 25 200 1000 9 24 m tK Q A 冷却段所需传热面积 2 2 61 1 4 16 100 1000 65 2 m tK Q A 所需的总的传热面积 A 6 45 2 m 4 水分蒸发量 F x x FW625 01 1 0 375 WF F 1000Kg W 625Kg 溶液的沸点为 Ct 0 1 6881 60 传热糸数 K 为 Cm w tA Q K 02 785 1 682 120 3600 10 1000 9 2354 625 改变压力后的传热糸数 Cm w tA Q K 02 578 1 688 138 3600 10 1000 9 2354 625 可见结垢以后的传热糸数降低 一 填充题 20 分 1 精馏塔内 气液两相的流动 液体靠 自上而下地流动 气 体靠 自下而上地与液体成逆流流动 2 全回流时 操作线与 重合 操作线方程为 理论 塔板数为 当回流比减少到 称为最 小回流比 所需的理论塔板数 适宜的回流比应通过 确定 3 y x 相平衡曲线上各点的温度是 4 当增大操作压强时 精馏过程中物糸的相对挥发度 塔顶 温度 塔釜温度 5 精馏塔设计时 若工艺要求一定 减少需要的理论板数 回流比应 蒸馏釜中所需的加热蒸汽消耗量应 所需塔径应 操作 费和设备费的总设资将是 6 享利定律 其数学表达式 7 所谓气膜控制 即吸收总阻力集中在 一侧 而 一侧阻 力可忽略 如果说吸收质气体是属于难溶气体 则此吸收过程是 控制 8 填料层高度的计算将要涉及 与 这三 种关系 式的应用 9 离开干燥器的湿空气温度 2 t比绝热饱和温度 目的是 10 物料中的水分与空气达到平衡时 物料表面所产生的水蒸汽分压与空气 中水蒸汽分压 11 非吸水性物料 如黄沙 瓷土等平衡水分接近于 12 萃取和精馏同样是分离 的单元操作 但萃取操作更适用 一 填充题 1 重力 压力差 2 对角线 y x 最小 两操作线的交到相平衡线时 无限多 经济核算 3 不等的 4 减少 增加 增加 5 增大 增大 增大 急速下降至一最低点后又上升 6 总压不太高时 在一定温度下 稀溶液上方溶质组分的平衡分压与它 在液相中的浓度之间的关系 xEp H C p mxy mXY 7 气膜 液膜 液膜 8 物料衡算 传质速率 相 平衡 9 高 20 50K 防止干燥产品反潮 10 相等 11 零 12 液体均相混合物 溶液沸点高 沸点相近 恒沸物 热敏性物料 四 计算题 四 计算题 1 10 分 将 20 的水由水池打至一敞口高位槽中 槽内的水面与水池内的水面的垂直 距离为 31 6m 管路总能量损失为 50J kg 流量为 20m3 h 试求理论功率为多少 kw 答案 Z1 12 2 P1 e Z2 22 2 P2 Wf Z1 0 Z2 31 6m P1 P2 1 0 2 0 Wf 50 kg e Z2 Wf 9 81 31 6 50 3 60 kg ms 20 3600 1000 5 556kg s N e ms 360 5 556 2000 s 2kw 2 16 分 如图所示输水系统 已知 管路总长度 包括所有局部阻力当量长度 为 100m 从 压力表至高位槽所有管长 包括所有局部阻力当量长度 为 80m 管路摩擦系数 0 025 管 子内径为 0 05m 水的密度 1000kg m3 泵的效率为 0 8 输水 量为 10m3 h 求 1 泵轴功率 N 轴 2 压力表的读数为多少 kgf cm2 答案 N 轴 Ne Ne ms We ms 10 1000 3600 2 778kg s We 泵对单位质量流体所做的有效功 选取 1 1 与 2 2 截面 并以 1 1 截面的基准面 在两截面间 做能量衡算 Z1 12 2 P1 He Z2 22 2 P2 hf Z1 0 Z2 2 18 20m p1 p2 0 1 0 2 0 We g Z2 hf hf L d u2 2 u V 3600 4 d2 10 3600 0 7852 0 052 1 415m s hf 0 025 100 0 05 1 4152 2 50 06J kg We 9 81 20 50 06 246 25J kg Ne Ms We 2 778 246 25 684J s N轴 Ne 0 8 684 0 8 855W 再就 3 3 与 2 2 截面做能量衡算 并取 3 3 为基准面 gZ3 p3 u32 2 gZ2 p2 u22 2 hf Z3 0 Z2 18 p2 0 u2 0 p3 gZ2 hf u32 2 9 81 18 l d u32 2 u32 2 176 58 0 025 80 0 05 1 4152 2 1 4152 2 176 58 40 04 1 0 215 62J kg P3 215 62 215620N m2 P3 215620 9 81 104 2 198kgf cm2 表 3 18 分 如图 3B57 离心泵将 20 的水由敞口水池送到一压力为 2 5at 的塔内 管径为 108 4mm 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 5m3 h 水的粘度为 1 厘泊 密度为 1000kg m3 管路摩擦系数可取为 0 024 试计算并回答 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 答案 已知 d 108 2 4 100mm 0 1m A 4 d2 3 14 1 4 0 12 0 785 10 2m2 l le 100m Q 56 5m3 h u Q A 56 5 3600 0 785 10 2 2m s 1cp 10 3Pa S 1000kg m3 0 024 Re du 0 1 2 1000 10 3 2 105 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 12 2 P1 He Z2 22 2 P2 hf Z1 0 u1 0 p1 0 表压 Z2 18m u2 0 P2 g 2 5 9 81 103 1000 9 81 25m hf l le d u2 2g 0 024 100 0 1 22 2 9 81 4 9m He 18 25 4 9 47 9m Ne HQ g 47 9 1000 9 81 56 5 3600 7 4kw 4 20 分 如图所示 用离心泵将水从贮水池输送到敞口高位槽中 已知高位槽的水面离贮 水池的水面高度保持为 10m 输送水量用孔板流量计测得 孔板安装在离高位槽水面 0 8m 处 孔径为 20mm 孔流系数为 0 61 管路为 57 3 5mm 的钢管 直管长度和局部阻力当 量长度之和 包括孔板局部阻力当量长度 为 250m 其中贮水池至孔板前测压点 A 的直管长 度和局部阻力当量长度之和为 50m 水的密度为 1000kg m3 水的粘度为 1cp 摩擦系数近似为 0 3164 Re0 25 U 形管中指示 液均为水银 其密度为 13600kg m3 当水的流量为 6 86m3 h 时 试确定 1 水通过泵所获得的外加能量为多少 2 在孔板前测 压点 A 处安装的 U 形管压力计中指示液读数 R1为多少 孔 板流量计的 U 形管中指示液读数 R2为多少 答案 u Vs 0 785d2 6 86 0 785 0 052 3600 0 971m s Re 0 05 0 971 1000 1 10 3 48550 0 3164 Re0 25 0 1364 485500 25 0 0213 取贮水池液面为 1 1 截面 高位槽液面为 2 2 截面 列柏努利方程式 Z1g p1 u12 2 We Z2g p2 u22 2 h f 1 2 W Z2g h f 1 2 Z2g l le d u2 2 10 9 81 0 0213 250 0 05 0 9712 2 98 1 50 2 148 3J kg 以 A 点为 2 2 截面 在 1 1 与 2 2 截面间列柏努利方程式 Z1g p1 u12 2 We Z2 g p2 u2 2 2 h f 1 2 p2 p1 pA pa We Z2 g u2 2 l le d u2 2 148 3 9 2 9 81 0 9712 2 0 0213 50 0 05 0 9712 2 148 3 90 252 0 4714 10 04 47 53J kg pA pa 47 5366 1000 47 53 103N m2 R1 pA pa g o 47 53 103 9 81 13600 1000 0 3846m 38 46cm 根据 Vs CoAo 2gR2 o R2 Vs CoAo 2g o 式中 Co 0 61 Ao 0 785 0 022 3 14 10 4m2 Vs 6 86 3600m3 s R2 6 86 3600 1 0 61 3 14 10 4 1000 2 9 81 13600 1000 0 4m 40cm 5 12 分 欲用离心泵将 20 水以 30m3 h 的流量由水池打到敝口高位槽 两液面均保持不 变 液面高差为 18m 泵的吸入口在水池液面上方 2m 处 泵的吸入管路全部阻力为 1mH2O 柱 压出管路全部阻力为 3mH2O 柱 泵的效率为 0 6 求泵的轴功率 若已知泵的允许吸上 真空高度为 6m 问上述安装高度是否合适 动压头可忽 略 水的密度可取 1000kg m3 答案 如图取 1 1 2 2 截面 并以 1 1 截面为 基准面 列柏努里方程得 H Z h f 1 2 18 1 3 22m N 轴 QH 102 30 3600 22 1000 102 0 6 3kw Hg允 Hs允 u2 2 hf吸 6 1 5m 2m Hg实 Hg允 安装高度合适 6 15 分 如附图所示 计划在蓄水池 A 的一侧安装一台离心泵 将水输送至列管换热器 B 的壳程内作冷却用 要求水的流量为 18m3 h 水自换热器出来后流进高位水槽 C 中 回收 他用 已知 1 蓄水池 A 水面标高 3m 高位槽 C 处进水管末端标高 23m 2 输水管为 60 3 5mm 的钢管 3 管路部份的压头损失 hf 19 u2 2 mH2O 换热器 B 壳程的 压力损失 P 73 6 u2 2 kN m 2 式中 u 为管内流体流速 m s 水 1000kg m3 今库存有一台 2B 31 型离心泵 其性能参数如下表所示 试核算选用此泵是否合适 流 量 扬程 轴功率 允许吸入真空度 m3 h m kw m 10 34 5 1 87 8 7 20 30 8 2 60 7 2 30 24 3 07 5 7 本题目有题图 titu066 bmp 答案 选择计算截面 1 1 2 2 面如题图所示 地平面为基 准面 u Vs A 18 3600 4 0 06 2 0 0035 2 2 27m s Z1 P1 u12 2 He Z2 P2 u22 2 hf P1 P2 u1 0 He 23 3 2 272 2 9 81 19 2 272 2 9 81 73 6 2 272 2 9 81 1000 1000 9 81 27 2mH2O 由 2B 31 型离心泵特性曲线图查得 Q 18m3 h He 31 5m 27 2m 且 62 而 m a x 65 65 90 58 5 62 故此泵通用 7 15 分 如图所示输水系统 管长 管径 均以 m 计 和各局部阻力的阻力系数 均标于图 中 直管部分的 值均为 0 03 求 1 以流量 Q m3 min 和压头 He m 表示的管路特性曲 线方程 2 输水量为 15m3 h 时 要求泵提供的有效功 率 以 kw 计 答案 u1 d2 d1 2u2 0 64 u2 Q u2 4 d2 60 1 884 u2 或 u2 0 531Q u1 0 34Q e 20 3 0 2 0 03 20 0 25 u12 2g 2 0 2 0 5 1 0 03 260 0 2 u22 2g 20 0 286 u12 2 086 u22 20 0 0331Q 0 5882Q 20 0 62Q Q 15 60 0 25 m3 min He 20 0 62 0 25 20 04m Ne QHe 60 0 25 20 04 1000 9 81 60 819 w 0 819kw 7 20 分 欲用离心泵在两敞口容器间输液 该水泵铭牌标有 流量 39 6m3 h 扬程 15m 轴功率 2 02kw 效率 80 配用 2 8kw 电机 转数 1400r min 今欲在以下情况使用是否可 以 如不可时采用什么措施才能满足要求 要用计算结果说明 1 输送比重为 1 8 的溶液 流量为 38m3 h 扬程 15m 2 输送比重为 0 8 的油类 流量为 40m3 h 扬程 30m 3 输送比重为 0 9 的清液 流量为 30m3 h 扬程 15m 答案 1 电动机功率不够 N 38 3600 15 1800 102 0 8 3 5kW 换大电机 2 扬程不够 H H n n 2 15 30 1400 1980 增加 1980 转 分 检查功率 N N n n 3 2 02 N 1400 1980 3 N 5 72 kw 换一电机功率为 5 72Kw 1980 转 分 3 可以使用 通过关小出口阀调节至工作点 8 8 分 有一台离心泵 铭牌上标出允许吸上真空度 Hs 5m 用来输送 20 的清水 已知吸 入管路的全部阻力损失为 1 5mH2O 当地大气压为 10mH2O 若略去泵入口处的动压头 试计 算此泵的允许安装高度 Hg 为多少米 答案 Hg Hs u2 2 hf 5 1 5 3 5m 实际安装高度 H实 3 5 0 5 3 0m 9 16 分 图示为 n