化工原理(郝晓刚、樊彩梅)课后答案

1、第一章 流体流动1-1在大气压强为98.7103 Pa的地区，某真空精馏塔塔顶真空表的读数为13.3103 Pa，试计算精馏塔塔顶内的绝对压强与表压强。绝对压强：8.54103Pa；表压强：-13.3103Pa【解】由 绝对压强 = 大气压强真空度 得到：精馏塔塔顶的绝对压强P绝= 98.7103Pa - 13.3103Pa= 8.54103Pa精馏塔塔顶的表压强 P表= -真空度= - 13.3103Pa1-2某流化床反应器上装有两个U型管压差计，指示液为水银，为防止水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的U型管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，如本题附图所示。测得R1=400 mm, R2=50 mm

2、，R3=50 mm。试求A、B两处的表压强。A：7.16103Pa；B：6.05103Pa【解】设空气的密度为g，其他数据如图所示aa处：PA+ ggh1= 水gR3+ 水银gR2由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽略不记即：PA=1.0 1039.810.05 + 13.61039.810.05 =7.16103Pab-b处：PB+ ggh3= PA + ggh2 + 水银gR1即：PB=13.61039.810.4 + 7.16103=6.05103Pa1-3用一复式形管压差计测定水流过管道上A、B两点的压差，压差计的指示液为水银，两段水银之间是水，今若测得h1=1.2 m，h2=1

3、.3 m， R1=0.9 m，R2=0.95 m，试求管道中A、B两点间的压差PAB为多少mmHg？（先推导关系式，再进行数字运算）1716 mmHg 【解】 如附图所示，取水平面1-1、2-2和3-3，则其均为等压面，即， 根据静力学方程，有因为，故由上两式可得即 (a)设2与3之间的高度差为h，再根据静力学方程，有因为，故由上两式可得 (b)其中 (c)将式(c)代入式(b)整理得 (d)因为，故由式(a)和式(d)得即 =(13600-1000)9.81(0.9+0.95) =228.7kPa或1716mmHg 1-4 测量气罐中的压强可用附图所示的微差压差计。微差压差计上部杯中充填有密

4、度为的指示液，下部U管中装有密度为的指示液，管与杯的直径之比为。试证气罐中的压强可用下式计算： 分析：此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解【解】由静力学基本原则，选取11为等压面， 对于管左边 表 + Cg(h1+R) = 1 对于管右边 2 = AgR + Cgh2 表 =AgR + Cgh2 Cg(h1+R) =AgR CgR +Cg（h2-h1）当表= 0时，扩大室液面平齐 即 (D/2)2(h2-h1)= (d/2)2R 则可得 1-5 硫酸流经由大小管组成的串联管路，硫酸密度为1830 kg/m3，体积流量为2.510-3m3

5、/s，大小管尺寸分别为76mm4mm和57mm3.5 mm，试分别计算硫酸在大、小管中的质量流量、平均流速及质量流速。质量流量：4.575 kg/s；平均流速：u小=1.27m/s；u大 =0.69 m/s；质量流速：G小 =2324kg/m2s；G大 =1263 kg/m2s【解】质量流量在大小管中是相等的，即 ms小= ms大=Vs= 2.510-3 1830 =4.575 kg/s u小 = u大 = G小 = u小=1830 1.27=2324kg/m2sG大 = u大=1830 0.69=1263 kg/m2s1-6 20水以2.5m/s的流速流经382.5mm的水平管，此管以锥形管

6、和另一53mm3mm的水平管相连。如本题附图所示，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AB两截面的能量损失为1.5J/，求两玻璃管的水面差（以mm计）。【解】1-7 用压缩空气将密度为1100kg/m3 的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。管路直径均为603.5mm，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为hf，2AB=hf，CD=u，hf，BC=1.18u2。两压差计中的指示液均为水银。试求当R1=45mm，h=200mm 时：（1）压缩空气的压强P1为若干？（2）U管差压计读数R2为多少？压缩空气的压强P1：1.23105Pa；压计读数R2：609.

7、7mm 【解】对上下两槽取截面列柏努力方程，并取低截面为基准水平面 0+0+P1/=Z g+0+P2/+hf P1= Z g+0+P2+hf=109.811100 +1100(2u2+1.18u2)=107.91103+3498u2在压强管的B，C处取截面，由流体静力学方程得 PB+g（x+R1）=Pc+g（hBC+x）+水银R1g PB+11009.81(0.045+x)=Pc+11009.81(5+x)+13.6109.810.045PB-PC=5.95104Pa在 B，C处取截面列柏努力方程，并取低截面为基准水平面0+uB/2+PB/=Z g+uc2/2+PC/+f,BC管径不变，ub=

8、ucPB-PC=（Zg+hf，BC）=1100(1.18u2+59.81）=5.95104Pau=4.27m/s压缩槽内表压 P1=1.23105Pa（2）在B，D处取截面列柏努力方程，并取低截面为基准水平面0+u2/2+PB/= Z g+0+0+f，BC+f，CD PB=（79.81+1.18u2+u2-0.5u2）1100=8.35104Pa PB-gh=水银R2g 8.35104-11009.810.2=13.6109.81R2 R2=609.7mm1-8 密度为850kg/m，粘度为810-3Pas的液体在内径为14mm的钢管内流动，溶液的流速为1m/s。试计算：（1）雷诺准数，并指出

9、属于何种流型？（2）局部速度等于平均速度处与管轴的距离；（3）该管路为水平管，若上游压强为147103Pa，液体流经多长的管子其压强才下降到127.5103Pa？属于滞流型；与管轴的距离：r=4.9510-3m；管长为14.95m【解】（1）Re =du/=（1410-31850）/（810-3）=1.49103 2000此流体属于滞流型（2）由于滞流行流体流速沿管径按抛物线分布，令管径和流速满足y2= -2p（u-um）当=0 时，y2= r2= 2pum p = r2/2 = d2/8当=平均=0.5max= 0.5m/s 时,y2= - 2p（0.5-1）= d2/8=0.125 d2即

10、 与管轴的距离 r=4.9510-3m（3）在 147103 和 127.5103 两压强面处列伯努利方程u12/2 + PA/ + Z1g = u22/2 + PB/+ Z2g + f u1= u2, Z1= Z2 PA/= PB/+ hf损失能量hf=（PA- PB）/=（147103-127.5103）/850=22.94流体属于滞流型摩擦系数与雷若准数之间满足=64/ Re又 f=（l/d）0.5 u2l=14.95m输送管为水平管，管长即为管子的当量长度即：管长为14.95m1-9某列管式换热器中共有250根平行换热管。流经管内的总水量为144 t/h，平均水温为10，为了保证换热器

11、的冷却效果，需使管内水流处于湍流状态，问对管内径有何要求？管内径39 mm 【解】 查附录可知，10水的黏度=1.305mPas即1.30510-3Pas。要求Re4000，即4000，因此 d0.039m或39mm即管内径应不大于39mm。1-10 90的水流进内径20 mm的管内，问当水的流速不超过哪一数值时流动才一定为层流？若管内流动的是90的空气，则此一数值应为多少？90的水：u0.0326 m/s；90的空气：u2.21 m/s 【解】 层流2000 90水 =965.3kgm-3 =0.31510-3Pas ums-1 90空气 =0.972kgm-3 =2.1510-5Pasu

12、ms-11-11流体通过圆管湍流动时，管截面的速度分布可按下面经验公式来表示：ur=umax（y/R）1/7，式中y为某点与壁面的距离，及y=Rr。试求起平均速度u与最大速度umax的比值。分析：平均速度u为总流量与截面积的商，而总流量又可以看作是速度是ur的流体流过2rdr的面积的叠加即：V=0Rur2rdr解：平均速度u=V/A=0Rur2rdr/（R2）=0Rumax（y/R）1/72rdr/（R2）=2umax/R15/70R（Rr）1/7rdr=0.82umaxu/umax=0.82【拓展1-11】 黏度为0.075pas、密度为900kg/m3的油品，以10kg/s的流量在1143

13、.5mm的管中作等温稳态流动，试求该油品流过15m管长时因摩擦阻力而引起的压强降为多少？drr 【解】从半径为R的管内流动的流体中划分出来一个极薄的环形空间，其半径为r，厚度为dr，如本题附图所示。 流体通过此环隙的体积流量 为将湍流时速度分布的经验式代入上式，得 通过整个管截面的体积流量为 平均速度，即 1-12 一定量的液体在圆形直管内做滞流流动。若管长及液体物性不变，而管径减至原有1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍？16倍【解】根据哈根-泊谡叶公式，即 分别用下表1和2表示原来的与改变管径后的情况。两种情况下及不变，则 因 ，及 即 所以1-13 在内径为100 mm的钢

14、管内输送一种溶液，流速为1.8 m/s。溶液的密度为1100 kg/m3，黏度为2.1 mPas。试求：（1）每100 m钢管的压力损失及压头损失；（2）若管由于腐蚀，其粗糙度增至原来的10倍，求沿程损失增大的百分率。压力损失：38.3 kPa；压头损失：3.55 m；沿程损失增大的百分率：42.3% 【解】 (1) 据题意有取新钢管=0.05mm，/d=0.05/100=0.0005，查图1-27得=0.0215或由下式计算得压力损失38300Pa或38.3kPa压头损失 m(2)腐蚀后，钢管=0.5mm，/d=0.5/100=0.005，查图1-27得=0.0306或计算得沿程损失增大的百

15、分率=%1-14 其他条件不变，若管内流速越大，则湍动程度越大，其阻力损失应越大。然而，雷诺数增大时摩擦系数却变小，两者是否有矛盾？应如何解释？不矛盾 【解】 不矛盾。由范宁公式可知，阻力损失不仅与有关，还和u2有关。层流时，u越大，虽然越小，但f越大(因)。完全湍流时，u越大，而不随Re变化，但，故f越大。1-15 设市场的钢管价格与其直径的1.37次方成正比，现拟将一定体积流量的流体输送某一段距离，试求采用两根小直径管道输送和一根大直径管道输送两种方案（这两种方案的管内流速相同），做以下比较：（1）所需的设备费；（2）若流体在大管中为层流，则改用上述两根小管后其克服管路阻力所消耗的功率将为

16、大管的几倍？若管内均为湍流（按柏拉修斯公式计算），则情况又将如何？小管设备费用/大管设备费用=1.24；层流时：N小/N大 = 2；湍流时：N小/N大 = 1.54 【解】 (1)所需的设备费比较因为 所以 又设备费 故有 (或小管设备费用/大管设备费用 =1/0.804=1.24)(2)所消耗的功率比较 按水平管、定压输送估算。根据机械能衡算方程，对水平等径管，有功率消耗N阻力损失层流时，因为Vs及u一定，且=64/Re，所以阻力损失故 湍流时，因为u一定，且，所以阻力损失故 习题17附图1-16 内截面为1000 mm1200 mm的矩形烟囱的高度为30 m。平均摩尔质量为30 kg/km

17、ol、平均温度为400的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49 Pa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101.33103 Pa。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kg/h。烟道气的流量：4.62104 kg/h 【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为基准水平面。在两截面间列泊式，即式中由于烟道气压强变化不大，烟道气的密度可按及400计算，即以表示大气的密度，与分别表示烟囱底部与顶端大气压强，即 因烟囱顶端内侧压强等于同高度处的大气压强，故标准状况下空气的密度为1.293，所以、20时空气的密

18、度为 于是 将以上各值代入泊式，解得 其中 烟道气的流速为 烟道气的流量为1-17 见本题附图的管路系统。每小时将2104 kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。反应器液面上方保持26.7103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压强。管道为的钢管，总长为50 m，管线上有两个全开的闸阀，一个孔板流量计（局部阻力系数为4），5个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为15 m。若泵效率为0.7，求泵的轴功率。泵的轴功率：1.61 kW 【解】在反应器液面11与管路出口内侧截面22间列泊式。以截面11为基准水平面，则 式中 将上列数值代入泊式，并整理得其中 根据与值，查得摩擦系数，并由本教材可查得

19、各管件，阀门的当量长度分别为闸阀（全开） 0.432=0.86m标准弯头 2.25=11m所以 于是泵的轴功率为 1-18 10的水以500 L/min的流量流过一根300 m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05 mm。有6 m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。90.4 mm 【解】由于是直径相同的水平管，所以单位重量流体的泊式简化为 而 （a）将各已知值代入式a，并简化得 （b） 与、有关，采用试差法，设=0.021代入式b，算出。验算所设之值是否正确。10水物性由本教材附录 ，则由及，查得=0.021 ，故 1-19 在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管

20、路并联组合。每条支管上均装有闸阀，两支路的管长均为5 m（均包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度），管内径为200 mm。通过填料层的能量损失可分别折算为5u12与4u22，式中u为气体在管内的流速m/s，气体在支管内流动的摩擦系数为0.02。管路的气体总流量为0.3 m3/s。试求：（1）两阀全开时，两塔的通气量；（2）附图中AB的能量损失。Vs1=0.147 m3/s，Vs2=0.153 m3/s；AB的能量损失：279.25 J/Kg 【解】（1）两塔通气量 直径200mm管路上的全开阀。 根据并联管路的流动规律 即 所以 解得(2)AB的能量损失 1-20 如附图所示，20软水由高

21、位槽A分别流入反应器B和吸收塔C中，反应器B内的压力为50 kPa，吸收塔C中的真空度为10 kPa，总管为57 mm3.5 mm，管长（20 + ZA）m，通向反应器B、吸收塔C的管路均为25 mm3.5 mm，长度分别为15 m和20 m（以上管长包括所有局部阻力的当量长度在内）。管壁粗糙度可取为0.15 mm。如果要求向反应器供应0.314 kg/s的水，向吸收塔供应0.471 kg/s水，问ZA至少为多少m？ZA至少为11.4 m 【解】 要完成向反应器B，吸收塔C的供水量要求，所需在zA大小可能不同，应从中选取较大者才行。为此，应按供水量要求分别沿支路1、支路2求算zA或分支点O处的

22、机械能。 沿支路1(通向B)：已知ms1=0.314kgs-1，=1000kgm-3，d1=0.02m；近似取20水的黏度=110-3Pas。则ms-1 查图得1=0.0383/d10.005，超出式(1-60)的适用范围令分支点O处的机械能为，在点O与通向反应器B的管出口外侧之间列机械能衡算方程Jkg-1沿支路2(通向C)：ms-1查图得2=0.0375分支点O处的=110.7Jkg-1在、中较大者，即Jkg-1对总管：ms-1 在高位槽A液面与分支点O间列机械能衡算方程解得 zA=11.4m1-21 如附图所示，某化工厂用管路1和管路2串联，将容器A中的盐酸输送到容器B中。容器A、B液面上

23、方表压分别为0.5 MPa、0.1 MPa，管路1、2长均为50 m（以上管长包括所有局部阻力的当量长度在内），管道尺寸分别为57 mm 2.5 mm和38 mm 2.5 mm。两容器的液面高度差可忽略，摩擦系数都可取为0.038。已知盐酸的密度1150 kg/m3，黏度2 mPas。试求：（1）该串联管路的输送能力；（2）由于生产急需，管路的输送能力要求增加50%。现库存仅有9根38 mm 2.5 mm、长6 m的管子。于是有人提出在管路1上并联一长50 m的管线，另一些人提出应在管路2上并联一长50 m的管线。试比较这两种方案。方案一不可行；方案二可行 【解】(1)球Vs在液面A、B之间列

24、机械能衡算方程已知l1=l2，故解得 Vs=0.00283m3s-1或10.19m3h-1(2)两种方案的比较在定量计算之前，首先定性分析一下。要想增大管路系统的输送能力，应当在阻力较大的管线上并联一管路，才能明显的降低整个系统的流动阻力。本题管路2管径较小，显然阻力较大，应当在管路2上并联一管线，即采用方案二。下面具体计算。方案一：在管路1上并联一长50m的管线，令其为管路3(见附图二)。习题1-21附图二沿管路3、2在液面A与B之间列机械能衡算方程 (a)再根据并联管路特点，有f1=f3由于l1=l3，故 (b)又根据连续性方程，有 (c)联立求解式(a)、式(b)、式(c)得Vs1=0.

25、00219m3s-1Vs2=0.00289m3s-1Vs3=0.00070m3s-1输送能力=Vs2=0.00289m3s-1(或10.40m3h-1)输送能力增加百分率=50%可见此方案不可行。方案二：在管路2上并联一长50m的管线，设其为管路3(见附图三)。沿管路1、2在液面A与B间列机械能衡算方程习题1-21附图三Vs12+9.715Vs22=8.57810-5 (d)对并联管路，有 f2=f3即 由于d2=d3，故 Vs2= Vs3 (e)又据连续性方程，有 (f)联立求解式(d)、式(e)、式(f)可得Vs1=0.005m3s-1Vs3=Vs2=0.0025m3s-1输送能力= Vs

26、1=0.005m3s-1或18m3h-1输送能力增加的百分率=50%可见此方案可行。显然，定量计算结果与定性分析结果一致。1-22 为测定空气流量，将皮托管插入直径为1 m的空气管道中心，其压差大小用双液体微压计测定，指示液为氯苯（0=1106 kg/m3）和水（w=1000 kg/m3）。空气温度为40，压力为101 kPa（绝压），试求微差压差计读数为48 mm时的空气质量流量（kg/s）。ws：7.08 kg/s 【解】 查附录六得空气=1.128kgm-3，=1.9110-5Pasms-1查图1-43得u/vmax=0.85所以 u=0.859.4=7.99ms-1kgs-11-23

27、在38mm2.5mm的管路中装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4 mm，管中流动的是20的甲苯，采用角接取压法用U管压差计测量孔板两侧的压强差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得U管压差计的读数为600 mm，试计算管内甲苯的流量为若干kg/h。5.43103 kg/h 【解】已知孔径板及管径，则 设,由本教材查得由本教材附录查得20甲苯的密度为866，黏度为。甲苯在孔板处的流速为 甲苯的流量为 检验值，因管内流速为 则原假设正确。1-24 在160 mm5 mm的空气管道上安装一孔径为75 mm的标准孔板，孔板前空气压力为0.12 MPa（绝压），温度为25。问当U形液柱压差计

28、上指示的读数为145 mmH2O时，流经管道空气的质量流量为多少kg/h？ws：628 kg/h 【解】 kgm-3查附录六知=1.83510-5Pas由查图1-45水平段知C0=0.625 ms-1m3h-1kgh-1校验：孔口处由及Re1再查图1-45，知C0=0.625，与原取C0=0.625相符。又孔板的压差为145mmH2O。即1.42kPa，与孔板前空气压力120kPa相比甚小，可以作为不可压缩流体处理。1-25 用20水标定的某转子流量计，其转子为硬铅（f = 11000 kg/m3），现用此流量计测量20、101.3 kPa（绝压）下的空气流量，为此将转子换成形状相同、密度为f

29、 = 1150 kg/m3的塑料转子，设流量系数CR不变，问在同一刻度下，空气流量为水流量的多少倍？9.8倍 【解】 kgm-3对水 对空气 故第二章 流体输送机械2-1某水泵的吸入口与水池液面的垂直距离为3 m，吸入管直径为50 mm的水煤气管（=0.2 mm）。管下端装有一带滤水网的底阀，泵吸入口处装有一真空表。底阀至真空表间的直管长8 m，其间有一个90的标准弯头。操作是在20 进行。试估算：1）当泵的吸水量为20 m3/h时真空表的读数为多少？2）当泵的吸水量增加时，该真空表的读数是增加还是减小？真空表的读数为：5.2104 Pa；真空表的读数增加【解】（1）取水池液面为上游截面00，

30、真空表所在截面为下游截面11，并以水池液面为基准水平面，在两截面间列伯努利方程式，得因为 =5.2104 Pa（2）当泵的吸水量增加时，则u1增加，增加根据可知，该式右侧初z1保持不变外，其余两项均增加，因此可知当泵的吸水量增加时，该真空表的读数增加。2-2 在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26 m3/h时，泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152 kPa和24.7 kPa，轴功率为2.45 kW，转速为2900 r/min，若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4 m，泵的进出口管径相同，两测压口间管路流动阻力可忽略不计，试求该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。泵的效率：53

31、.1%【解】取20时水的密度 = 998.2 Kg/m3在泵出口和入口处列伯努利方程 u12/2g + P1/g + = u12/2g + P2/g + f+ Z 泵进出口管径相同， u1= u2不计两测压口见管路流动阻力 f = 0 P1/g + =P2/g + Z = (P2- P1)/g + Z = 0.4 + (152+24.7)103/998.29.8=18.46 m该泵的效率 = QHg/N = 2618.46998.29.8/(2.451033600) = 53.1%2-3 要将某减压精馏塔塔釜中的液体产品用离心泵输送至高位槽，釜中的真空度p0（真）=67 kPa（其中液体处于沸

32、腾状态，即其饱和蒸汽压等于釜中绝对压强pv=p0（绝）。泵位于地面上，Hg=3.5m，吸入管的阻力损失Hf,0-1=0.87 m。液体的密度 = 986 kg/m，已知该泵的必需汽蚀余量h=3.7m。试问该泵的安装位置是否适宜？该泵的安装位置不适宜【解】 因此，该泵的安装位置不适宜。2-4 拟用一台离心泵以15 m3/h的流量输送常温的清水，此流量下的允许吸上真空度Hs=5.6 m。已知吸入管的管内径为75 mm，吸入管段的压头损失为0.5 m。若泵的安装高度为4.0 m，该泵能否正常操作？设当地大气压为98.1 kPa。 该泵能正常工作【解】 所以该泵能正常工作。2-5 用例2-1附图所示的

33、管路系统测定离心泵的气蚀性能参数，则需在泵的吸入管路中安装调节阀门。适当调节泵的吸入和排出管路上两阀门的开度，可使吸入管的阻力增大而流量保持不变。若离心泵的排出管直径为50 mm，吸入管直径为100 mm，孔板流量计孔口直径为35 mm，测的流量压差计读数为0.85 mmHg，吸入口真空表读数为550 mmHg时离心泵恰好发生气蚀现象。试求该流量下泵的允许气蚀余量和吸上真空度。已知水温为20，当地大气压为760 mmHg。允许气蚀余量：2.69 m；允许吸上真空度：7.48 m【解】 确定流速：A0/A2= (d0/d2)2= (35/50)2= 0.49查20时水的有关物性常数 = 998.

34、2Kg/m3， = 100.510-5，PV= 2.3346 Kpa假设C0在常数区查图，得 C0= 0.694 则u0 = C0 2R (A-) g/ 1/2 = 10.07m/su2 = 0.49u0= 4.93 m/s核算: Re = d2u2/=2.46105 2105假设成立u1= u2(d2/ d1)2= 1.23 m/s允许气蚀余量h = (P1- P2)/g + u12/2gP1= Pa - P真空度= 28.02 Kpah = (28.02-2.3346)103/998.29.81= 2.69 m允许吸上高度Hg=(Pa- PV)/g - h-f 离心泵离槽面道路很短 可以看

35、作f= 0 Hg=(Pa- PV)/g -h=(101.4 2.3346)103/(998.29.81) 2.7=7.48 m2-6某离心水泵在转速为2900r/min下流量为50 m3/h时，对应的压头为32m，当泵的出口阀门全开时，管路特性方程为He = 20 + 0.4105 Qe2（Qe的单位为m3/s）为了适应泵的特性，将管路上泵的出口阀门关小而改变管路特性。试求：(1) 关小阀门后的管路特性方程；(2) 关小阀门造成的压头损失占泵提供压头的百分数。管路特性方程：；关小阀门损失占泵提供压头的百分数：13.4%【解】（1）关小阀门后的管路特性方程 管路特性方程的通式为 式中的K=z+p

36、/g不发生变化，关小阀门后，管路的流量与压头应与泵提供的流量和压头分别相等，而B值则不同，以B表示，则有解得 关小阀门后管路特性方程为（2） 关小阀门后的压头损失 关小阀门前管路要求的压头为 因关小阀门而多损失的压头为 则该损失的压头占泵提供压头的百分数为 2-7 某离心泵压头与流量的关系可表示为：H =18 - 0.6106Q2（H单位为m，Q单位为m3/s）若用该泵从常压贮水池将水抽到河道中，已知贮水池截面积为100 m2，池中水深7 m。输水前池内水面低于河道水平面2 m，假设输水河道水面保持不变，且与大气相通。管路系统的压头损失可表示为：Hf =0.410Q2（Hf单位为m，Q单位为m

37、3/s）。试求将贮水池内水全部抽出所需时间。所需时间：55.6 h【解】列出管路特性方程：e= K + HfK= Z +P/g贮水池和渠道均保持常压 P/g = 0K=Ze =Z + 0.4106Q2在输水之初Z = 2me =2 + 0.4106Q2联立 H=18-0.6106Q2，解出此时的流量 Q = 410-3m3/s将贮水槽的水全部抽出 Z = 9me= 9 + 0.4106Q2再次联立 H=18-0.6106Q2，解出此时的流量 Q= 310-3m3/s 流量 Q 随着水的不断抽出而不断变小 取 Q 的平均值 Q平均 =（Q + Q）/2 = 3.510-3m3/s把水抽完所需时间

38、= V/Q平均= 55.6 h2-8 用两台离心泵从水池向高位槽送水，单台泵的特性曲线方程为：H =25-1106Q2，管路特性曲线方程可近似表示为：He=10+1105Qe2，式中Q的单位为m3/s，H的单位为m。试问两泵如何组合才能使输液量最大？（输水过程为稳态流动）并联组合分析：两台泵有串联和并联两种组合方法串联时单台泵的送水量即为管路中的总量，泵的压头为单台泵的两倍；并联时泵的压头即为单台泵的压头，单台送水量为管路总送水量的一半。【解】若采用串联：则He= 2H10 + 1105Qe2= 2(25-1106Q2) Qe= 0.43610-2m2/s若采用并联：Q = Qe/225-11

39、06 Qe2= 10 + 1105(Qe/2)2 Qe= 0.38310-2m2/s总送水量 Qe= 2 Qe= 0.76510-2m2/s并联组合输送量大2-9某单级、单动往复压缩机，活塞直径为200 mm，每分钟往复300次，压缩机进口的气体温度为10、压强为100 kPa，排气压强为505 kPa，排气量为0.6 m3/min（按排气状态计）。设气缸的余隙系数为5%，绝热总效率为70%，气体绝热指数为1.4，计算活塞的冲程和轴功率。活塞的冲程：0.23 m；轴功率：9.73 kW【解】（1）活塞的冲程 气体经绝热压缩后出口温度为 输气量（即换算为进口气体状态）为第一冲程实际吸入气体体积为

40、压缩机的容积系数为压缩机中活塞扫过体积（V1-V3）可由式2-48求得，即= 活塞的冲程由下式计算 =即 （2）轴功率 应用式2-52计算压缩机的理论功率，即=6.55kW故压缩机功率为 第三章 非均相物系分离【3-1】某种圆柱形颗粒催化剂其直径为dp，高为h，试求等体积的当量直径de及球形度。解： 【3-2】第四章 传热习题答案4-1一炉壁由三层不同材料组成，第一层为耐火砖，导热系数为1.7 W/(m)，允许最高温度为1450，第二层为绝热砖，导热系数为0.35 W/(m)，允许最高温度为1100，第三层为铁板，导热系数为40.7W/(m)，其厚度为6mm，炉壁内表面温度为1350，外表面温

41、度为220。在稳定状态下通过炉壁的热通量为4652 W/m2，试问各层应该多厚时才能使壁的总厚度最小？ 解：当绝热材料达到最高允许温度时，总壁厚为最小 ，因第二层绝热砖已达到最高温度，故第一层耐火砖的厚度不可再小，所以现在所得总厚为其最小厚度：4-2一根直径为60mm3mm的铝铜合金钢管，导热系数为45 W/(m)。用30mm厚的软木包扎，其外又用30mm厚的保温灰包扎作为绝热层。现测得钢管内壁面温度为-110，绝热层外表面温度10。求每米管每小时散失的冷量。如将两层绝热材料位置互换，假设互换后管内壁温度及最外保温层表面温度不变，则传热量为多少？已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.

42、07W/（m)。解：两层互换位置后，热损失为4-3一炉壁面由225mm厚的耐火砖，120mm厚的绝热转及225mm厚的建筑转所组成。其内侧壁温1200K，外侧壁温为330K，如果其导热系数分别为1.4、0.2和0.7 W/(mK)，试求单位壁面上的热损失及接触面上的温度。解：单位面积上的热损失4-4在外径为140mm的蒸汽管道外包扎一层厚度为50mm的保温层，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为180。保温层材料的导热系数与温度t的关系为=0.1+0.0002t(t的单位为，的单位为W(m)。若要求每米管长热损失造成的蒸汽冷凝量控制在9.8610-5kg/(ms)，试求保温层外侧面温度。解：查附录有

43、180蒸汽的汽化热为2019.3kJ/kg，据蒸汽冷凝量有式中代入上式，解得4-5有直径为38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的导热系数=1.163 W/（m)。试计算水垢的热阻是黄铜热阻的多少倍？黄铜的导热系数=110 W/（m)。解：因为，所以可以用算术平均半径计算导热面积。管长用L表示时，黄铜管的热阻为水垢的热阻4-6冷却水在19mm2mm，长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。水温由288K升至298K。求管壁对水的对流传热系数。解：水的平均温度查附录得20的水的物理性质水被加热时，n=0.44-7空气以4m/s的流速通过75.5mm3.75mm的钢管，管长

44、5m。空气入口温度为32，出口温度为68。（1）试计算空气与管壁间的对流传热系数。（2）如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？（3）若空气从管壁间得到的热量为578 W，试计算钢管内壁平均温度。解：已知（1）计算空气的平均温度查附录得空气的物理性质空气被加热n=0.4（2）空气流速增加一倍（3）若空气从管壁得到的热量为578W，计算钢管内壁平均温度用式计算钢管内壁的平均温度tw。钢管内表面积钢管内的平均温度4-8已知影响壁面与流体间自然对流传热系数的因素有：壁面的高度L，壁面与流体间的温度差t，流体的物性，即流体的密度，比热容cp，黏度，导热系数，流体的体积膨胀系数和重力加

45、速度的乘积g。试应用量纲分析法求证其量纲与数群的关系为Nu=f(GrPr)证：令写成量纲等式对M：1=c+d+e对L：0=a+b+c+d-3e+2f对：-3=-2b-c-3d-2f对T：-1=-d-f根据定律N=n-m=7-4=36个未知数，4个方程，设b、f已知，则c=-2b+fe=2ba=3b-1代入原式整理得：即4-9有160的机油以0.3m/s的速度在内径为25mm的钢管内流动，管壁温度为150。取平均温度下的物性为：=132W/（m)，Pr=84，=4.51310-3Pas，=805.89 kg/m3，壁温下的黏度w=5.51810-3Pas，试求管长为2m和6m的对流传热系数各为多

46、少？ 解：（1）L=2m（2）L=6m4-10有一套管式换热器，内管为38mm2.5mm，外管为57mm3mm的钢管，内管的传热管长2m。质量流量为2530kg/h的甲苯在环隙间流动，进口温度为72，出口温度为38。试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。解：甲苯的温度T1=72，T2=38，平均Tm=55甲苯在55时的物性数据查附录有：甲苯的质量流量体积流量甲苯在环隙间的流速u的计算：套管的内管外径d1=0.038m，外管内径d2=0.051m流速甲苯对内管外表面的对流传热系数的计算：套管环隙的当量直径甲苯被冷却n=0.34-11温度为90的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30。蛇

47、管的直径为57mm 3.5mm，弯曲半径为0.6m，试求甲苯对蛇管壁的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为 由附录查得60时甲苯的物性为 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg)，=0.4103 Pas，=0.1205，则 （湍流） 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数，即 式中 弯管中的对流传热系数，； 直管中的对流传热系数，； di管内径，m； R管子的弯曲半径，m。 4-12常压下温度为120的甲烷以10m/s的平均速度在管壳式换热器的管间沿轴向流动。离开换热器时甲烷温度为30，换热器外壳内径为190m

48、m，管束由37根19mm2mm的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。（答：=62.4W(m2)解：甲烷的定性温度为 由附录查得75 C时甲烷的物性为 0.717kg/m3，Cp1.70J/(kg)，=1.03105 Pas，=0.0300，Pr=0.367，冷却时n=0.3流动截面积润湿周边长当量直径则 4-13质量流量为1650kg/h的硝酸，在管径为80mm2.5mm，长度为3m的水平管中流动。管外为300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到3.8104W的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。解：据已知，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为，取，估算壁温tw300kPa（绝对压力）时，水蒸气饱和温度ts=133.3，用式估算先假设tw=128，定性温度为膜温冷凝水膜的物性参数查附录有934kg/m3，=2.16104 Pas，=6.8610-1ts=133.3时水的汽化热r=2168103J/kg水蒸气在水平管外冷凝时：用式计算此值大于硝酸吸收的热量，说明假设tw偏小，重新用=11600 W(m2)估算。假设tw=129，膜温，与前面假设的膜温基本一致，故冷凝水膜的物性数据一致，只是不同则用=12200 W(m2)验算壁温，与