习题课(计算题)x1

1 一 计算题 一 计算题 2020 分 分 如附图所示的输水管路系统 用泵将低位槽中的水输送到高位槽 两槽 均敞口 总管路长度为 120m 包括所有局部阻力的当量长度 现利 用 U 型管压差计测得管路中 A B 两点的压强差为 0 05MPa 已知管 子的规格为 89 4 5mm A B 间管长为 60m 包括两点间的全部局部 阻力的当量长度 设输送条件下水的密度为 1000kg m3 黏度为 1 005mPa s 摩擦系数 0 024 其他尺寸见附图 试求 1 管路中水的流量 2 离心泵的有效功率 解 1 10分 在A B两点间列柏努利方程 3分 22 22 AABB ABfA B upup gzgzh 因为ZB ZA 1 0m uA uB pA pB 0 05MPa 所以 J kg 2分 6 0 05 10 9 81 1 040 19 1000 fA B h 又因为 3分 2 2 fA B l u h d 所以 m s 1分 2 2 0 08 40 19 2 11 0 024 60 fA B dh u l 所以 m3 s 38 16 m3 h 1分 22 3 14 0 082 110 0106 44 s Vd u 2 10分 以低位槽液面为截面1 1 以高位槽液面为截面2 2 在两截面间列柏努利方程 4分 fe h pu gzw pu gz 2 2 2 2 1 2 1 1 22 其中 z2 z1 3 0m u1 u2 0 p1 p2 而管路阻力为 J kg 2分 22 1 2 120 2 11 0 02480 14 20 082 f l u h d 所以 J kg 2分 211 2 9 81 380 14109 57 ef wg zzh 2 W 1 16kW 2分 109 57 0 0106 10001161 44 ees NwV 二 计算题 二 计算题 2020 分 分 用离心泵将水从敞口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 76 2 5mm 在操作条件下 泵入口处真空表的读数为 24 66 103 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 hf1 2u2与 hf2 10u2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 07 103 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 4 分 式中 Z1 0 Z2 1 5 m p1 0 表压 p2 24 66 103 Pa 表压 u1 0 hf1 2u2 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 3 分 0 25 2 5 181 9 66 24 2 u 水的质量流量 kg s 3 分 92 7 1000071 0 4 2 2 uAms 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 2 22 1122 12 1 22 eff upup gzwgzhh 式中 Z1 0 Z2 14 m u1 0 u2 2 m s p1 0 表压 p2 98 07 103 Pa 表压 4 分 将上列数值代入柏努利方程式 解得 J kg 3 分 41 2852 5 1207 981481 9 2 e w 泵的有效功率 Ne we ms 285 41 7 92 2260 W 3 分 三 三 2020 分 分 用离心泵将密度为 880kg m3的苯从贮罐输送到高位槽 流量为 18m3 h 高位 槽液面比贮罐内液面高 12m 两液面上方均为大气压 管路的出口在液面之下 泵吸入管 用 89mm 4mm 的无缝钢管 直管长度为 15m 管路上有一个底阀 le 6 3m 一个标准弯 头 le 2 7m 摩擦系数 0 029 泵排出管用 57mm 3 5mm 的无缝钢管 直管长度为 50m 管路装有一个全开的截止阀 le 17m 一个标准弯头 le 1 6m 0 031 计算 1 吸入管路的阻力损失 2 排出管路的阻力损失 3 所需泵的轴功率 设泵的效 率为 70 1 吸入管路内的平均流速 2分 sm d Q u i 97 0 081 0 4 3600 18 4 22 1 1 阻力损失 kgJ u d ll h c i e f 28 4 2 97 0 5 0 081 0 7 23 615 029 0 2 22 1 1 11 1 1 3分 2 排出管路内的平均流速 2分 sm d Q u i 55 2 05 0 4 3600 18 4 22 2 2 阻力损失 kgJ u d ll h e i e f 142 2 55 2 0 1 05 0 6 11750 031 0 2 22 2 2 22 2 2 3分 3 在贮罐液面和高位槽液面之间列柏努利方程 得 fe h ppuu zzgW 12 2 1 2 2 12 2 2112 ff hhzzg 5分 kgJ 264 14228 41281 9 苯的质量流量 skgVm ss 4 4880 3600 18 所需泵的轴功率 5分 kWW WmN N ese 66 1 1659 7 0 2644 4 四 计算题 四 计算题 1515 分 分 用离心泵将 20 的水从敞口贮槽送至表压强为 150kPa 的密闭容 器 贮槽和容器的水位恒定 各部分相对位置如右图所示 管道均为 108 4mm 的无缝钢管 泵吸入管长为 20m 排出管长为 100m 各管段均包括所有局部阻力的当量长度 离心泵前后装有真 空表和压力表 真空表读数为 42 7kPa 两测压口的垂直距离为 0 5m 忽略两测压口间的阻力 摩擦系数取为 0 02 水的密度取为 1000kg m3 试求 1 管路中水的流量 m3 h 2 压强表的读数 kPa 表压 3 泵的有效 功率 kW 解 5 分 1 以敞开贮槽水面为截面 0 以泵入口真空表所在水平面为截面 1 在 0 1 截面间列伯努利方程 2 分 10 1 2 1 1 0 2 0 0 22 f h Pu gZ Pu gZ 其中 Z1 Z0 3m u0 0 u1 u P0 0kPa 表压 P1 42 7kPa 表压 1000kg m3 2 分 21 0 20 02 0 2 22 10 uu d l hf 将以上数据代入公式得到 u 2 31m s Vs 2 31 3 14 0 12 4 3600 65 28m3 h 1 分 5 分 2 以泵出口压力表所在水平面为截面 2 以高位密闭容器中水面为截面 3 在 2 3 截面间列伯努利方程 2 分 32 3 2 3 3 2 2 2 2 22 f h Pu gZ Pu gZ 其中 Z3 Z2 16 3 0 5 12 5m u2 2 31m s u3 0m s P3 150kPa 表压 J kg 1000kg m3 2 分 36 53 2 31 2 1 0 100 02 0 2 22 32 u d l hf 将以上数据代入公式得到 P2 323kPa 表压 5 分 3 在截面 1 2 间列方程 也可在 0 2 0 3 1 3 截面间列方程 2 分 21 2 2 2 2 1 2 1 1 22 f h Pu gZWe Pu gZ 其中 Z2 Z1 0 5m u1 u2 P1 42 7kPa 表压 P2 323kPa 表压 J kg 因为不含管路 故没有管路阻力损失 1000kg m3 2 分 0 21 f h 将以上数据代入公式得到 We 370 6J kg Ne We Vs 370 6 65 28 3600 1000 1000 6 72kW 1 分 五 计算题 五 计算题 2020 分 分 用离心泵将密度为 1200kg m3的液体由敞口贮槽 A 送至高位槽 B 已知离心泵吸入管路上 各种阻力之和 hf a 10 J kg 输出管路上各种阻力之和 hf b 30 J kg 两槽液面维持恒定 其间垂直距离为 20m 每小时液体的输送量为 30m3 若离心泵效率为 0 65 试求 1 泵的扬程为多少 2 求泵的轴功率为多少 解 1 选贮槽 A B 的液面分别为截面 1 1 2 2 以 1 1 面为基准面 列柏努利方程 5 分 f H g p g u zHe g p g u z 2 2 1 2 1 2 1 1 22 z1 0 u1 0 p1 0 表压 z2 20m u2 0 p2 0 表压 5 2 1030 2024 1 9 81 effafb HZHZHHmH O 分 5 分 24 1 9 81 1200 30 36343 634 0 65 3600 eeses NW WHg W NWkW AA A 六 计算题 六 计算题 2020 分 分 如图所示 为二氧化碳水洗塔的供水系统 储槽水面绝 对压强为 100kPa 塔内水管出口处高于储槽水面 20m 管道 规格为 55mm 2 5mm 送水量为 15m3 h 塔内水管出口处 绝对压强为 225kPa 设系统管路总长度为 35m 所有局部阻 力当量长度之和为 10m 直管摩擦系数为 0 025 求输水泵所 需轴功率 已知水泵的效率为 60 水的密度取 1000kg m3 解 以储槽水面为截面 0 以管路出水口为截面 1 在 0 1 截面间列伯努利方程 5 分 10 1 2 1 1 0 2 0 0 22 fe H g P g u ZH g P g u Z 其中 Z1 Z0 20m u0 0 P0 100kPa P1 225kPa 2 分 m s12 2 05 0 4 14 3 3600 15 4 22 1 d V u 3 分 m15 5 81 9 2 12 2 05 0 1035 025 0 2 22 10 g u d ll H e f 1000kg m3 将以上数据代入伯努利方程可得 3 分 m 1 38 2 5 7 1223 0 2015 5 81 9 1000 1000 100225 81 9 2 12 2 20 22 2 10 01 2 0 2 1 01 fe H g P g P g u g u ZZH 所以 2 分 kgJgHW ee 8 37381 9 1 38 1 分 skgVms 17 4 3600 100015 2 分 kW56 1 155917 4 8 373 WmWN see V 1 20m 2 分 kW6 2 6 0 56 1 e N N 七 计算题 七 计算题 2020 分 分 用一离心泵将低位槽 表压强为 30kPa 中的水输送 到高位槽 表压强为 50kPa 两槽的水位恒定 高度差为 20m 管路内径为 60mm 总长 25m 包括所有局部阻力 的当量长度 摩擦系数为 0 025 管路中水的流量为 40m3 h 水的密度取为 1000kg m3 泵的效率为 70 试求 1 离心泵的轴功率 kW 2 若管路内径变 为 40mm 其他条件不变 则管路阻力变为原先的多少倍 解 10 分 1 以低位槽水面为截面 0 以高位槽水面为截面 1 在 0 1 截面间列伯努利方 程 3 分 10 1 2 1 1 0 2 0 0 22 fe H g P g u ZH g P g u Z 其中 Z1 Z0 20m u0 0 u1 0 P0 30kPa 表压 P1 50kPa 表压 2 分 m s9 3 06 0 4 14 3 3600 40 4 22 d V u 2 分 m1 8 8 92 9 3 06 0 25 025 0 2 22 10 g u d l H f 1000kg m3 将以上数据代入公式得到 2 分 m32 1 8 8 91000 1000 3050 20 22 10 01 2 0 2 1 01 fe H g P g P g u g u ZZH 所以 1 分 kW98 4 10007 03600 1000408 932 gVH N e 10 分 2 根据流速公式 可知 若直径变为原来的 2 3 则流速变为原来的 3 2 2 2 25 3 分 2 4 d V u 又根据范宁公式 g u d l H f 2 2 可知 阻力与 u2成正比 与 d 成反比 4 分 因此 在直径变为原来的 2 3 时 阻力变为原来的 2 252 3 2 7 6 倍 3 分 八 计算题 八 计算题 2020 分 分 一列管式冷凝器 换热管规格为 25 2 5mm 冷却剂在管内流过 其温度由 20 升至 50 流量为 5000kg h 温度为 75 的饱和有机蒸气在壳程冷凝为同温度的液体后排出 冷凝潜热为 310kJ kg 已测得 蒸气冷凝传热系数为 800W m2 K 冷却剂的对流传热系数为 2500W m2 K 污垢热阻 管壁热阻和热 损失均忽略不计 已知冷却剂的比热容为 2 5kJ kg K 试求 1 冷却剂用量 2 该换热器的传热面积 解 1 8分 有机蒸气冷凝释放的热量 W 3分 35 5000 310 104 31 10 3600 sh h Qw r 因为 3分 21scpc w cttQ 所以冷却剂用量为 kg s 2分 5 3 21 4 31 10 5 75 2 5 105020 sc pc Q w ctt 2 12分 传热平均温度差为 4分 12 1 2 75207550 38 05 7520 lnln 7550 m TtTt t Tt Tt 总传热系数为 1111125 8002500 20 o oii d Kd K 571 43W m2 4分 所以 所需的换热面积为 m2 4分 5 4 31 10 19 82 571 43 38 05 m Q S K t 九 计算题 20 分 在列管式换热器中 用饱和水蒸气将空气由 10 加热到 90 该换热器由 38 根 25 2 5mm 长 1 5m 的铜管构成 空气在管内作湍流流动 其流量为 740 Kg h 比热为 1 005 103J Kg 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 70W m2 水蒸气的冷凝给热系数为 8000W m2 壁阻及垢层热阻可忽 略不计 1 试确定所需饱和水蒸气的温度 2 若将空气量增大 25 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 KA tT tT Cw tT tT tt KAtKAttCw p mp 2 1 2 2 1 12 12 ln ln 2 2 5 分 其中 2 1 477 4 385 1025 0 mnldA 2 分 2070 25 8000 1 11 221 1 dd k 2 分 2 6 55mwk 以外表面计 1 分 477 4 6 55 90 10 ln10005 1 3600 740 3 T T T 124 2 分 2 若空气量增大 25 则 20 1 25 1 8 0 2 2 2 2 2 847020 1 20 1 mw 4 分 2084 25 8000 111 2 2 1 1 d d K CmwK 2 6 66 2 分 由式 可知 477 4 6 66 124 10124 ln10005 1 3600 740 25 1ln25 1 2 3 2 1 22 t AK tT tT Cw p 解得 Ct 1 882 即空气加热到 C 1 88 2 分 十 计算题 十 计算题 1515 分 分 在逆流换热器中 用初温为 20 C 的水将 1 5kg s 的液体 比热容 为 1 9kJ kg C 密度为 850kg m3 由 80 C 冷却到 30 C 换热器的列管直径为 25mm 2 5mm 水走管程 水侧和液体侧的对流传热系数分别为 0 85kW m2 C 和 1 70 kW m2 C 污垢热阻可忽略 管壁导热系数为 45 3W m C 水的比热容为 4 174 kJ kg C 现测得水的出口温度为 50 C 试求 1 冷却介质的用量 2 若已知一换 热器的传热面积为 13m2 请问在该操作条件下该换热器能够满足要求 解 1 di 25 2 5 2 20mm 0 02m do 25mm 0 025m 1分 根据热量衡算 2分 1221 ttCWTTCW pccphh 得水的流量为 2分 12 21 1 5 1 98030 1 14 4 1745020 hph c pc W CTT Wkg s Ctt 2 传热量为 kW 2分 12 1 5 1 98030142 5 hph QW cTT 总传热系数为 1070 1 1 5 22 25 3 45 0025 0 20 25 1085 0 1 1 11 1 33 om o i o i d db d d K 471 67 W m2 K 3分 对数平均传热温度差为 2分 20 18 2030 5080 ln 20305080 ln 22 11 2211 tT tT tTtT tm 因此 m2 2分 3 142 5 10 16 6 471 67 18 20 m Q S K t 16 6 m2 13 m2 故在该操作条件下该换热器不能够满足要求 1 分 十一 十一 2020 分 分 某管壳式换热器的管束采用 25mm 2 5mm 的钢管 有效长度为 3m 通过 管程的流体冷凝壳程流量为 4200kg h 温度为 75 C 的饱和有机蒸汽 蒸汽的冷凝潜热为 310kJ kg 蒸汽冷凝的对流传热系数为 800W m2 K 冷却剂的温度由 20 C 升高到 50 C 其比热容为 2 5kJ kg K 密度为 860kg m3 对流传热系数为 2100W m2 K 忽略管壁和 污垢热阻 计算 1 该换热器的传热面积 2 所需换热管的数量 3 冷却剂的流量 解 1 蒸汽冷凝的放热量 2 分 kWrWQ h 7 36110310 3600 4200 3 3 分 Ctm 05 38 25 55 ln 30 5075 2075 ln 5075 2075 3 分 001845 0 00125 0 000595 0 800 1 02 0 2100 025 0 11 oii o d d K 2 分 542 2 KmWK 该换热器所需传热面积为 5 分 2 3 5 17 05 38542 10 7 361 m tK Q S m o 2 换热器所需换热管的总根数 2 分 75 3 74 3025 0 5 17 根 Ld S n o o 3 冷却剂的流量 3htskg ttC Q W pc c 3 17 82 4 2050 105 2 10 7 361 3 3 12 分 十二 计算题 十二 计算题 1515 分 分 在一钢制套管换热器中 用冷却水将 3600kg h 的饱和苯蒸气在 80 下冷凝 冷却水在 25mm 2 5mm 的内管中逆流流动 其进出口温度分别为 10 和 45 已知苯和水侧的 对流传热系数分别为 1 50kW m2 K 和 0 87kW m2 K 在定性温度下水的比热容为 4 18kJ kg K 苯蒸气的冷凝潜热为 395kJ kg 钢材导热系数为 45W m K 两侧的污垢 热阻忽略不计 试求 1 冷却水消耗量 kg h 2 所需的总管长 解 5 分 1 列热量衡算方程 2 分 12 ttCpWrW cch 其中 Wh 3600kg h 1kg s r 395kJ kg Cpc 4 18kJ kg K t1 10 t2 45 2 分 将以上数据代入方程得 Wc 2 70kg s 9719 8kg h 1分 10分 2 传热量为 kW 2分 395395 1 rWQ h 总传热系数为 1050 1 1 5 22 25 45 0025 0 20 25 1087 0 1 1 11 1 33 om o i o i d db d d K 461 86 W m2 K 2分 对数平均传热温度差为 2分 49 50 4580 1080 ln 45801080 ln 2 1 21 tT tT tTtT tm 因此 16 94m2 49 5086 461 10395 3 m tK Q S m 2分 80 215 025 0 14 3 94 16 d S L 十三 计算题 十三 计算题 2020 分 分 在一列管式换热器内用水冷却苯 苯走管程 流量为 1 25kg s 由 80oC 被冷却至 30oC 冷却水在壳程内呈湍流流动 且与苯逆流流动 其进口温度为 20oC 出口温度为 50oC 已 估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为 850W m2K 1700W m2K 苯的平均比热为 1 9kJ kg K 若列管为 25 2 5mm 的钢管 长 3 米 其导热系数为 45W m2K 并忽略污 垢热阻及换热器的热损失 试求 1 传热速率为多少 3 总传热系数 K 为多少 2 所需换热器的列管数为多少 解 2 分 mm tLdKntKSQ 0 其中 1 5 1 9 103 80 30 142 5 kW 5 分 21 TTCWQ phh 490 5 W m2 K 0 00 11 1 mii d db d d K 1700 1 5 2245 25105 2 20900 25 1 3 5 分 18 2 5 分 2 1 21 ln t t tt tm 10 30 ln 1030 C 故 根 3 分 7 67 2 1831025 5 49014 3 10 5 142 3 3 0 m tLKd Q n 十四 计算题 十四 计算题 2020 分 分 现测定一传热面积为 4m2的螺旋板式换热器的总传热系数 K 值 测得热水流量为 900kg h 进口温度为 80 C 出口温度为 70 C 测得空气进口温度为 15 C 出口温度为 65 C 二者逆流流动 水的平均比热容为 4 18kJ kg K 1 计算该换热器的 K 值 2 若忽略热损失 空气的平均比热容为 1 005kJ kg K 计算空气的质量流量 3 若已知热水侧的对流传热系数为 2100 W m2 K 忽略板壁热阻 计算空气侧的对流传热 系数 解 1 计算换热器的换热量 3 分 WTTCpWQ hh 4 21 10045 1 7080 100018 4 3600 900