化工原理题库(199006).doc

六、计算题 1、某牛顿型流体在圆、直、等径管内流动，在管截面上的速度分布可表达为：v=20y-200y2，式中：y截面上任一点至管壁的径向距离，m；v该点的点流速，m/s。试求：管半径中点处的流速；管壁处的剪应力。该流体的黏度为0.05 Pas 。 5分 (1)已知 v=20y200y2，则 令 ，解得y=0.05m，即管半径R=0.05m当=0.05/2=0.025m， V =20y200y2=200.025200(0.025)2=0.375 m/s 3分(2) =20(m/s)/m 则 tw=m=0.0520=1.0N/m2 2分2、水在水平管内流动，截面1处管内径d1为0.2m，截面2处管内径d2为0.1m。现测得水在某流量下截面1、2处产生的水柱高度差为0.20m，若忽略水由1至2处的阻力损失，试求水的流量m3/h。 10分 4分 zi、pi均按管中心线取值，因z1=z2，u2=4u1 得 h= =0.20 u1=0.511m/s 4分 。 5分 令高于喷嘴出口5m处水流截面为22截面 12 截面间：p1=p2 d2=1.2d1， u1d12= u2d22 u2= 3分 由 即 u1=13.76 m/s 2分4、某厂如图所示的输液系统将某种料液由敞口高位槽A输送至一敞口搅拌反应槽B中, 输液管规格为382.5mm,已知料液在管中的流速为u m/s,系统的hf=20.6u2/2 J/kg。因扩大生产，须再建一套同样的系统,所用输液管直径不变，而要求的输液量须增加30%,问新系统所设的高位槽的液面需要比原系统增高多少? 10分 u10u2 p1=p2 于是gZ1=gZ2+hf g(Z1-Z2)=hf =20.6 4分u= =2.39m/s 2分Z1=Z2+20.6=15.14m 2分 增高为：Z1-Z1=15.14-11=4.14m 2分 5、用泵自贮油池向高位槽输送矿物油，流量为 38.4T/h。池及槽皆敞口。高位槽中液面比池中液面高20m,管路总长(包括局部阻力)430m，进出口阻力不计。管径为1084mm，油的黏度为3430cP，密度为960kg/m3, 泵的效率为50%，求泵的实际功率。 10分 2分 层流 =1.62 2分列两截面柏方 8 4分 2分6、用离心泵经573.5mm的钢管,将敞口贮槽内的有机溶液(密度为800kg/m3, 黏度为20cP)输送到反应器中。设贮槽内的液面离反应器内的液面高度保持16m，见附图。已知钢管总长度(包括局部阻力当量长度)为25m，反应器内的压力恒定为4kgf/cm2(表压)，有机溶液输送量为6m3/h，泵的效率为60%，试确定泵的轴功率。 10分 层流 2分 2分列两截面柏方 2分 4分 2分7、40水由高位槽经异径收缩管向下流动，40水的密度为992kg/m3，饱和蒸汽压pv=7.38kPa，当地大气压为97kPa。现拟d0取135mm，试问：当不计阻力损失，水在流经收缩管时会不会汽化？ 10分 6管子出口流速u= =14.0 m/s 2分 14.0(0.15) 2 =u0(0.135) 2 u0=17.28m/s 2分由水槽液面至收缩管处排伯努利方程： p0=17.0103Pa 4分 p0pv，故收缩管处不会发生水汽化。 8、如图所示，水从槽底部沿内径为100mm的管子流出，槽中水位稳定。阀门关闭时测得R=50cm，h=1.8m。求：阀门全开时的流量 阀门全开时B处的表压(阀全开时Le/d=15，入管口及出管口的阻力系数分别为0.5及1.0，设摩擦系数=0.018 15分 阀关时：(ZA+1.8)1000=0.513600 ZA=5m 2分阀全开：对A-A和C-C截面外侧列伯努利方程： 取Zc=0(基准面), 4分 解出：u=3.02m/s 3分对A-A到B-B截面列伯努利方程： 4分解出pB=1.76104N/m2（表） 2分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， 即水槽液面距阀门中心线的高度为3.1 m。 4分 Z1 = H = 3.1 m，Z2 = 0，P1 = 0，P2 = 0.21.013105 Pa，u10，hf/g = 0.5 mH2O 代入上式 3. 解得 u2 = 3.24 m/s 2分 2分10、如图示常温水由高位槽以1.5m/s流速流向低位槽，管路中装有孔板流量计和一个截止阀, 已知管道为573.5mm的钢管，直管与局部阻力的当量长度(不包括截止阀)总和为 60m,截止阀在某一开度时的局部阻力系数为7.5。设系统为稳定湍流,管路摩擦系数l为0.026。 (1) 1-1.2-2截面列伯努利方程 5分(2)阀前后： Dp = (ri-r)gR 即 8.438103= (13.6-1) 1039.81R2 R2 = 0.06826 m=6mm 5分(3) 1-1.2-2截面列伯努利方程 当u= 0.8u = 0.8 1.5 = 1.2 m/s 5分(4)因高位槽水位不变，流量减小，阀前管路阻力减小，必引起a点压强pa增大。 511、水塔供水系统如附图所示。管路总长50m(不包括局部阻力当量长度)，水塔内水位高9.8m，管内径d=45mm，现测得流量V为12m3/h，摩擦系数可按0.02 计，试计算所有局部阻力当量管长Le之值。 10分 1-1.2-2截面列伯努利方程 4分 2分 2分 2分12、有一内径d50mm的管子，用孔板流量计测量水的流量，孔板内孔直径d0=25mm，U形压差计的指示液为汞 ，孔流系数C0=0.62。当需测的最大水流量为18m3/h，问：U形压差计最大读数max为多少？ 5分 期中 3分m 2分13、密度为103kg/m3、黏度为1cP的水，以10m3/h的流量在513mm 的水平光滑管内流过。在管内某处p1=1.5at(表压)，若局部阻力不计，问距该处100m下游处p2为多少Pa?(Re=30001105，l= 0.3164/Re0.25) 10分 2分 2分 1分 列两面的柏方 3分(表) 2分14、内截面为1000mm1200mm的矩形烟囱的高度为30m。平均摩尔质量为30kg/kmol，平均温度为400的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49pa的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20，地面处的大气压强为101.33103pa。流体流经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干？ 20分 9 解:烟囱底端为上游截面11、顶端内侧为下游截面22，并以截面11为基准水在两截面间列柏式，即： 式中 Z1=0，Z2=30m，u1u2 4分 由于烟道气压强变化不大，烟道气的密度可按1.033105pa及400计算，即： 2分以表示大气的密度，pa，1与pa，2分别表示烟囱底端与顶端大气压强，即： P1= pa，149Pa 因烟囱顶端内侧压强等于同高度处的大气压强，故p2= pa，2 = pa，1gZ2 2分标准状况下空气的密度为1.293kg/m3，所以1.0133105Pa、20时的密度为 2分于是 p2= pa，11.29.8130= pa，1353 Pa 将以上各值代入 柏式，解得 2分 2分其中 2分烟道气的流速为 2分烟道气的流量为 2分15、已知输水量为15m3/h，管径53mm，总机械能损失为40J/kg，泵的效率0.6，求泵的轴功率。 15分 取池内水面为截面1，作为基准面；输水管出口为截面2，则有z1=0, z2=20m,p1=0, p2=500103Pa u1=0, 2分 2分 代入数值，得We=738J/kg 质量流量: WS=(15/3600)(1000)=4.17kg/s 2分有效功率:Ne= 4.17738=3080J/s=3.08kw 2分泵的轴功率: 216、某液体密度为800 kg/m3，黏度为73cP，在连接两常压容器间的光滑管中流动，管径300mm，总长为50m（包括全部局部阻力当量长度），两容器液面差为3.2m（如图示）。求：(1)管内流量为多少？(2)若在连接管口装一阀门，调节此阀的开度使流量减为原来的一半，阀的局部阻力系数是多少？按该管折算的当量长度又是多少？层流：=64/Re；湍流=0.316/Re 0.25 15分 解：（1）在1-1，2-2两截面间列柏努力方程，u1=u2=0，p1=p2=0，We=0 4分由 ，代入上式得u=3.513m/s 2分验证Re=0.33.513800/0.073=115504000假设正确，V=Au=893.95m3/h 2分（2）流量减半，流速减半，即u=1.7565m/sRe=5775符合伯拉修斯式列1-1，2-2间柏努力方程则 3分 4分17、右图，有一直径为382.5mm，长为30m的水平直管段AB，在其中装有孔径为16.4mm的标准孔板流量计来测量流量，流量系数Co为0.63，流体流经孔板的永久压降(局部损失)为6104Pa，AB段摩擦系数取为0.022，试计算：(1)流体流经AB段的压力差；(2)若泵的轴功率为800W，效率为62%，求AB管段消耗的功率为泵的有效功率的百分率，已知：操作条件下液体密度为870kg/m3，U管指示液为汞，其密度为13600kg/m3。 15分 3分（1）由A、B两点列柏努力方程5分（2）AB段消耗的功率： 4分则 3分18、一敞口高位水槽A中水流经一喉径为14mm的文丘里管，将浓碱液槽B中的碱液（密谋为1400 kg/）抽吸入管内混合成稀碱液送入C槽，各部分标高如附图所示；输水管规格为573mm，自A至文丘里喉部M处管路总长（包括所有局部阻力损失的当量长度在内）为20m，摩擦系数可取0.025。（1） 当水流量为8m3/h时，试计算文丘里喉部M处的真空度为多少mmHg；（2） 判断槽的浓碱液能否被抽吸入文丘里内（说明判断依据）。如果能被吸入，吸入量的大小与哪些因素有关？ 15分 ACB8m1.5m1mM主管道 (1)文丘里喉部M处 3分在高位水槽上面与M处界面间的列柏努利方程得：5分(2) h碱碱水h水 h水1.51400/10002.1m(,故应设法增大之值 在管程允许的压力降范围内增大空气的流量,设将空气流量提高2.4倍,则 W/(m2) W/(m2) (5分) 若将增大一倍 W/(m) (3分) W/(m) (3分)4、某厂精馏塔顶,采用列管式冷凝器,共有252.5mm的管子60根, 管长为2m,蒸汽走管间,冷却水走管内,水的流速为1m/s 。进、出口温度分别为20和60,在定性温度下水的物性数据为:=992.2kg/m3 =0.6338W/(m) =6.5610-4Pa.s Pr=4.31 求管内水的对流给热系数 如使总管数减为50根,水量和水的物性视为不变,此时管内水的对流给热系数又为多大? (15分)解: (3分)可采用下式计算对流给热系数 流体被加热 n=0.4 (2分) W/(m2) (2分) (2) 当管子根数减少时,流速变大 (4分) (2分)） (2分)5、一套管换热器,由483mm和252.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为和，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。求将内管改322.5mm后,管内对流给热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流) (10分)解: 原内管外径 内径 新内管外径 内径 设 改用322.5钢管后,内管对流给热系数 (5分) (5分)6、一套管换热器用 133的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33加热到 73，氯苯流量为 5500Kg/h。现因某种原因，氯苯流量减少到 3300Kg/h，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？（设两种工况下的蒸汽冷凝热阻，管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化） (15分)解： (3分) (5分) (3分) (4分)7、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243和128；终温分别为167和157。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。解： 以下标“”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知： (3分) 两式相除，得： （a）将和比定律应用于下式，得： (4分)所以 (3分) 或 （b）由式a得： 即： （c） 联立式b和c解得： (5分)8、一套管式换热器管内流体的对流传热系数 = 20 W/（m2），管间流体的对流传热系数= 350 W/（m2）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）(10分)解：原流动情况 m2/W K=18.92 W/ m2 (2分)（1）管内对流传热系数增加一倍 = 2 = 220= 40 W/ m2 m2/W K=35.9 W/ m2 （35.9-18.92）/18.92 = 89.75% (4分)（2）管外对流传热系数增加一倍 = 2350 = 700 W/ m2 m2/W K = 19.44 W/ m2 （19.44-18.92）/18.92 = 2.75% (4分)9、在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数为349 W/（m2），管外油侧对流传热系数为258 W/（m2）。换热器在使用一段时间后，管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻Rsi 为0.00026 （m2）/W，油侧的污垢热阻为0.000176 （m2）/W。若此换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。(10分)求：（1）产生污垢后热阻增加的百分数； （2）总传热系数K。 解：（1）产生污垢前的热阻 （m2）/W (4分) 产生污垢后的热阻 （m2）/W （0.007177-0.00674）/0.00674 = 6.48% (4分)（2）总传热系数 W/（m2） (2分)10、在并流换热器中, 用水冷却油。水的进、出口温度分别为15和40, 油的进、出口温度分别为150和100。现因生产任务要求油的出口温度降至80, 设油和水的流量、进口温度及物性均不变, 若原换热器的管长为1m, 求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽略。 (15分)解：原平均温度差 (3分)由热量衡算 (4分) 当油的温度降至80时, 由热量衡算得 或 解得 (3分)新的平均温度差，= 150-15 = 135, = 80-50 = 30 由传热速率方程可分别得 原换热器 新换热器 (5分)11、一单程列管式