化工原理-修订版-上下册课后答案

上册流体流动习题解答1.某设备上真空表的读数为13.3×103Pa，试计算设备内的绝对压强与表压强。已知该地区大气压强为98.7×103Pa。解：真空度＝大气压－绝压表压＝－真空度＝-13.32.在本题附图所示的贮油罐中盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为32.23×106Pa，问至少需要几个螺钉?pp解：设通过圆孔中心的水平液面生的静压强为p，则p罐内液体作用于孔盖上的平均压强(表压)作用在孔盖外侧的是大气压，故孔盖内外所受的压强差为作用在孔盖上的净压力为每个螺钉能承受的最大力为：螺钉的个数为个所需的螺钉数量最少为8个CD3.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=400mm，R2=50mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=50mm。试求A、BCD解：U管压差计连接管中是气体。若以分别表示气体、水与水银的密度，因为，故由气柱高度所产生的压强差可以忽略。由此可以认为，。由静力学基本方程式知(表压)压缩空气4.本题附图为远距离制量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H=1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg/m3。试求当压差计读数R=68m时，相界面与油层的吹气管出口距离h。压缩空气解：如图，设水层吹气管出口处为a，煤油层吹气管出口处为b，且煤油层吹气管到液气界面的高度为H1。则pH1pH1(表压)(表压)U管压差计中，(忽略吹气管内的气柱压力)分别代入与的表达式，整理可得：根据计算结果可知从压差指示剂的读数可以确定相界面的位置。并可通过控制分相槽底部排水阀的开关情况，使油水两相界面仍维持在两管之间。2345.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。大气压强=99.3×103Pa。试求锅炉上方水蒸气的压强p。(分别以Pa和kgf/cm2来计量)234解：如图所示标记等压面2，3，4，大气压记为(1)(2)(3)(4)将以上四式相加并代入已知量6.根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强p。压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920kg/m3及998kg/m3，U管中油、水交界面高度差R=300mm。两扩大室的内径D均为60mm，U管内径d为6mm。当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。解：可以知道当微差压差计的读数时，两扩大室液面相齐。那么当压力不同时，扩大室液面差与的关系可用下式计算：当时，根据静力学基本方程：(表压)7.列管换热器的管束由121根的铜管组成。空气以9m/s速度在列管内流动。空气在管内的平均温度为50℃、压强为196×103Pa(表压)，当地大气压为98.7×103Pa。试求：(1)空气的质量流量；(2)操作条件下空气的体积流量；(3)将(2)的计算结果换算为标准状况下空气的体积流量。解：(1)(2)(3)8.高位槽内的水面高于地面8m，水从的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按计算(不包括出口阻力损失)，其中u为水在管内的流速m/s。试计算：(l)截面处水的流速；(2)水的流量，以m3/h计。解：(1)取高位槽水面为上游截面，管路出口内侧为下游截面，如图所示，那么(基准水平面为地面)(表压)，处的流速与管路出口处的流速相同，(管径不变，密度相同)在截面和间列柏努利方程方程，得，其中代入数据解得(2)9.20℃的水以2.5m/s的流速流经的水平管，此管以锥形管与另一的水平管相连。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A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg，求两玻璃管的水面差(以m计)，并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：取两点处所在的与管路垂直的平面分别为上游和下游截面和，如图所示，并取管路中心线所在的水平面为基准面，那么，在截面和间列柏努利方程：查表得到，那么，所以A点的压力大于B点的压力，即B管水柱比A管高88.510.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，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，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.06×103Pa；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。排水管与喷头连接处的压强为98.07×103Pa(表压)。试求泵的有效功率。解：取水槽中水面所在的平面为截面，并定为基准水平面。泵入口真空表连接处垂直于管子的截面为。水洗塔出口处为截面，如图所示，那么有(表压)(表压)(表压)在截面和间列柏努利方程，得代入以上数值解得再在截面和间列柏努利方程，得将以上数值代入，其中，解得11.本题附图所示的贮槽内径D为2m，槽底与内径d0为32mm的钢管相连，槽内无液体补充，其液面高度h1为2m(以管子中心线为基准)。液体在本题管内流动时的全部能量损失可按计算，式中u为液体在管内的流速。试求当槽内液面下降1m时所需的时间。解：根据物料衡算，在时间内，槽内由于液面下降而减少的液体量均由管路出口流出，于是有(1)取管中心线所在的水平面位能基准面，在瞬时截面与管路出口截面间列柏努利方程，得其中，(表压)解得(2)将(2)式代入(1)式，并在下列边界条件下积分12.本题附图所示为冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：(1)若泵的效率为70%时，泵的轴功率为若干kW?(2)若A处的压强表读数为103Pa时，B处的压强表读数为若干?解：对循环系统，在管路中任取一截面同时作上游和下游截面，列柏努利方程，可以证明泵的功率完全用于克服流动阻力损失。质量流量(2)在两压力表所处的截面A、B之间列柏努利方程，以通过截面A中心的水平面作为位能基准面。其中，，，，kPa，将以上数据代入前式，解得(表压)13.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，两槽的液面维持恒定。管路直径均为，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为，。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管压差计读R2数为多少?解：求解本题的关键为流体在管中的流速(1)在B、C间列柏努利方程，得(1)代入(1)式，同时已知解得在低位槽液面与高位槽液面之间列柏努利方程，并以低位槽为位能基准面，得其中(表压)代入上式可得(表压)(2)若求关键在于，通过可列出一个含的静力学基本方程(2)为此在低位槽液面与截面B之间列柏努利方程，以低位槽为位能基准面，得其中，，，，，(表压)(表压)代入(2)式：14.在实验室中，用玻璃管输送20℃的70%醋酸。管内径为1.5cm，流量为10kg/min。用SI和物理单位各算一次雷诺数，并指出流型。解：(1)用SI制计算从本教材附录中查得70%醋酸在20℃时的物理性质：，，流动类型为湍流。(2)用物理单位计算，，，15.在本题附图所示的实验装置中，于异径水平管段两截面间连一倒置U管压差计，以测量两截面之间的压强差。当水的流量为10800kg/h时，U管压差汁读数R为100mm。粗、细管的直径分别为与。计算：(1)1kg水流经两截面间的能量损失；(2)与该能量损失相当的压强降为若干?解：(1)取接入管路的U型管管线所在的平面与管截面垂直的平为面和，并取管路中心线所在的平面为基准面，那么在截面和间列Bernouli方程：于是对U型管压计：对水在水平管中的流动：对粗管：；对细管：于是(2)16.密度为850kg/m3、黏度为8×10-3Pa·s的液体在内径为14mm的铜管内流动，溶液的流速为1m/s。试计算：(1)雷诺准数，并指出属于何种流型；(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147×103Pa，液体流经多长的管子，其压强才下降到127.5×103Pa?解：(1)流动类型属层流(2)对层流流动的流体，其瞬时速度和半径之间的关系如下：而平均速度于是当局部速度等于平均速度时，有，即当时，管路中的瞬时速度和平均速度相同。所以定义上游截面，下游截面为，对直径相同的水平管路根据哈根~泊谡叶公式，即则液体流经的管长为17.流体通过圆管端流流动时，管截面的速度分布可按下面经验公式来表示：，式中y为某点与壁面的距离，即y=R-r。试求其平均速度u与最大速度umax的比值。解：在距离管中心处取一厚为的流体薄层，并定义此处流体的速度为，则流体通过此环隙的体积流量那么(1)令那么当时，;当时，有(2)代入(1)式，于是18.一定量的液体在圆形直管内作层流流动。若管长及液体物性不变，而管径减至原有的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍?解：流量不变，当时，根据哈根~泊谩叶公式，有当，时19.内截面为1000mm×1200mm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101.33×103Pa。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)?解：这是B.E对压缩流体的应用(20空气)可应用柏努利方程400时，烟道气的密度在烟囱的进出口之间列柏努利方程，以烟囱底端为上游截面，以烟囱顶端为下游截面，并以截面作位能基准面，有其中，(表压)，(表压)，，，，代入上式解得20．每小时将2×104kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽(见本题附图)。反应器液面上方保持26.7×103Pa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50m，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)、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为15m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。解：在反应器液面与管路出口内侧截面间列柏努利方程，以截面为基准水平面，得其中(表压)(表压)其中，对直管阻力那么由和在图1－27可查得对局部阻力二个全开的闸阀五个标准弯头进口阻力系数0.5孔板的局部阻力系数4该流体的质量流量21.从设备送出的废气中含有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。气体流量为3600m3/h(在操作条件下)，其物理性质与50℃的空气基本相同。如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U管压差计，其读数为30mm。输气管与放空管的内径均为250mm，管长与管件、阅门的当量长度之和为50m(不包括进、出塔及管出口阻力)，放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.96×103Pa。管壁的绝对粗糙度可取为0.15mm，大气压强为101.33×103Pa。求鼓风机的有效功率。解：这是有外加功的可压缩流体，首先验证以过测压口中心的截面和放空管内侧截面为衡算截面。(表压)以鼓风机进口压差计连接处为截面，放空管出口内侧为截面，过截面的中心线作基准水平面，在两截面间列柏努利方程，其中，(表压)(表压)在和间压强变化很小，温度认为恒定且管径相同，可近似有，但为提高计算结果的精确度，计算流体速度时以平均压强计。(表压)(洗涤器中压力有变化，导致气体体积变化，由于等温，以做变换)(一般来讲，局部阻力损失包括了进出口的情况，但常用的局部阻力计算为当量长度法，而进出口则多采用阻力系数法)题给条件下，空气的密度为，黏度为(见本教材附表六：干空气的物理性质)，查摩擦系数图，代入前式有效功率22.如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。(1)当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm，当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。摩擦系数λ可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出水若干立方米?(2)当闸阅全开时，U管压差计测压处的静压强为若干(Pa，表压)?闸阀全开时，摩擦系数仍可取0.025。解：在该题所示的附图内，标出几个需列方程的平面。为贮水槽所在的平面，和为U管压计和管路出口的截面，并取水平管中心线所在的水平面为基准面(1)闸阀关闭时(H为贮槽水面的高度)代入数据，解得当阀门开启之后(表压)在贮槽液面与间列柏努利方程，得(1)其中(表压)(表压)(2)将(2)代入(1)式，整理可得到：解得水的流量在(1)中，由于贮槽中水位不变，时稳态流动，故水平管中水的流速不变，只需求。为此需用柏努利方程，但在哪两个面之间应用？没有相关量且阀门开度不知道，阻力系数难以计算。在贮槽与压差计之间用柏努利方程。在(2)中：欲求，仍应使用柏努利方程，此时闸阀全开，，对水平管，，故.可求出，然后代入到的式中可知，为求应在与间列柏努利方程(2)当闸阀全开时，在与间列柏努利方程，得(3)其中(表压)(4)把(4)代入(3)，整理得，解得再在和间列柏努利方程，得其中，，(表压)，于是(表压)23.10℃的水以500L/min的流量流过一根长为300m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05mm。有6m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。解：这是关于试差法的应用。10的水，在管路两端端列柏努利方程，以管子中心线所在的水平面为基准面，得由范宁公式(1)(1)在该题中，假设不是最好的选择，因为管径不知道，不好由反查，且假设后由于不知道，也不能求和。(2)假设管径为待求量，但若假设，由于实际生产中管子的规格多样，范围太广，不易得到准确范围。(3)可假设根据本教材表，选择合适的流速代入计算。自来水的流速为1~1.5m/s。取水的流速为1.3。根据给出的也可判断，所计算的阻力损失和管子的粗糙度有关，必定为湍流。且流体黏度比较大，必须使在较大值时保证水是湍流的。此时由(1)式计算的，查摩擦系数图，，两者之间一致，假设合理。管子的直径为90.4mm。24.某油品的密度为800kg/m3、黏度为41cP，由附图中所示的A槽送至B槽，A槽的液面比B槽的液面高1.5m。输送管径为、长50m(包括阀门的当量长度)，进、出口损失可忽略。试求：(1)油的流量(m3/h)；(2)若调节阀门的开度，使油的流量减少20%，此时阀门的当量长度增加多少(m)?解：题给条件下，油品的密度，黏度(1)在A、B两槽间列柏努利方程，并以B槽液面为基准面，得其中，(表压)，，将以上数据代入柏努利方程，即此情况下，应假设，求出之后，计算，由于并未给出粗糙度的值，且流体黏度很大，可先试验层流的磨擦系数关系式。假设流体处在层流区，有解得假设合理(2)流量减少之后此时流体仍处在层流区，阀门开度减小流速下降，直管阻力损失减小，但由于阀门关小之后，局部阻力损失过大。所以总阻力损失没变。25.在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管路并联组合。每条支管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m(包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度)，管内径为200mm。通过填料层的能量损失可分别折算为与，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λ=0.02。管路的气体总流量为0.3m3/s。试求：(1)当两阀全开时，两塔的通气量；(2)附图中AB的能量损失。解：(1)并联管路中，各支路的阻力损失相等，那么直径200mm管路上的全开闸阀，所以(1)(2)由(1)、(2)解得(2)取任一支路进行能量损失计算皆可26.用离心泵将20℃水经总管分别送至A、B容器内，总管流量为89m3/h，总管直径为。泵出口压强表读数为1.93×105Pa，容器B内水面上方表压为lkgf/cm2。总管的流动阻力可忽略，各设备间的相对位置如本题附图所示。试求：(1)两支管的压头损失，；(2)离心泵的有效压头He。解：(1)在总贮槽液面和主管路压力表之后，记为截面，列柏努利方程，并以通过截面2主管路中心线的水平面作为位能基准面，得其中，(表压)代入之后得到：(2)在截面2和容器A的液面之间列柏努利方程，得其中(表压)(表压)由于主管路的阻力可以忽略，同样可列出截面2到容器B的液面的柏努利方程，解得27.用效率为80%的齿轮泵将黏稠的液体从敞口槽送至密闭容器内，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表的读数为30×103Pa。用旁路调节流量，其流程如本题附图所示。主管流量为14m3/h，管径为，管长为80m(包括所有局部阻力的当量长度)。旁路的流量为5m3/h，管径为，管长为20m(包括除了阀门外的所有局部阻力的当量长度)。两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点O之间的能量损失。被输送液体的黏度为密度为1100kg/m3。试计算：(1)泵的轴功率；(2)旁路阀门的阻力系数。解：(1)流体在总管中的速度，总管阻力损失：在敞口槽和密闭容器之间列柏努利方程，得(2)旁路的流速，旁路是一循环管路，循环系统中，28.本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC与BD两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离均为11m。AB管段内径为38mm、长为58m；BC支管的内径为32m、长为12.5m；BD支管的内径为26mm、长为14m。各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。AB与BC管段的摩擦系数λ均可取为0.03。试计算：(1)当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为若干(m3/h)?(2)当所有阀门全开时，两支管的排水量各为若干(m3/h)?BD支管的管壁绝对粗糙度可取为0.15mm，水的密度为1000kg/m3，黏度为0.001P。解：(1)在高位槽液面和BC支管出口内侧截面间列柏努利方程，并以截面为位能基准面，得(1)其中(表压)将以上数值代入方程(1)，整理得(2)根据连续性方程，解得代入(2)式，解得，(2)根据分支管路的流动规律，有(3)由于出口管BC、BD在同一水平面上，取两支管出口外侧为下游截面，则两截面上和均相等。(3)式可简化为，记为方程(4)。但由于BC和BD是不连续的，不一定成立，和的关系也不能确定，需要试差计算。由于为已知，应假设，这样可确定和的比例。，查摩擦系数图，得，将和代入方程(4)，得(5)在高位槽液面和截面间列柏努利方程，并以截面作位能基准面，得(6)其中，(表压)将以上数据代入方程(6)，整理得(7)(8)(9)由连续性方程，可得(10)其中，，，代入方程(10)中，整理可得(11)把代入方程(11)，得到把、代入方程(11)得到校验：，查得，与前面的假设不相符，需重新计算。以代入计算，得，代入方程(11)得到校验：，查得，与相符。29.在的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4mm，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测的压强差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得U管压差汁的读数为600mm，试计算管中甲苯的流量为若干(kg/h)?解：时甲苯的密度，查本教材的图1-33，假设验证的值原假设的合理。流体输送机械习题1.在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m3/h时，泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7kPa，轴功率为2.45kW，转速为2900r/min。若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4m，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。试计算该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。解：在真空表和压强表测压口处所在的截面和间列柏努利方程，得其中：(表压)则泵的有效压头为：泵的效率该效率下泵的性能为：2.用某离心泵以40m3/h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的。已知水在进入喷头之前需要维持49kPa的表压强，喷头入口较贮水池水面高8m。吸入管路和排出管路中压头损失分别为lm和5m，管路中的动压头可以忽略不计。试选用合适的离心泵，并确定泵的安装高度。当地大气压按101.33kPa计。解：在贮槽液面与喷头进口截面之间列柏努利方程，得其中：根据，，输送流体为水，在型水泵系列特性曲线上做出相应点，该点位于型泵弧线下方，故可选用(参见教材113页），其转速为，由教材附录24(1)查得该泵的性能，，，，，必需气蚀余量由附录七查得时，泵的允许安装高度3.常压贮槽内盛有石油产品，其密度为760kg/m3，黏度小于20cSt，在贮存条件下饱和蒸气压为80kPa，现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m3/h的流量送往表压强为177kPa的设备内。贮槽液面恒定，设备的油品入口比贮槽液面高5m，吸入管路和排出管路的全部压头损失分别为1m和4m。试核算该泵是否合用。若油泵位于贮槽液面以下1.2m处，问此泵能否正常操作?当地大气压按101.33kPa计。解：要核算此泵是否合用，应根据题给条件计算在输送任务下管路所需压头的值，然后与泵能提供的压头数值比较。由本教材的附录24(2)查得65Y-60B泵的性能如下：，，，，，在贮槽液面与输送管出口外侧截面间列柏努利方程，并以截面为位能基准面，得其中，将以上数值代入前述方程，得完成流体输送任务所需的压头为所需流量，符合要求。由已知条件确定此泵是否合用应核算泵的安装高度，验证能否避免气蚀。由柏努利方程，完成任务所需的压头：泵的安装高度低于安装高度，故此泵能正常使用。4.欲用例2-2附图所示的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，可使吸入管阻力增大而管内流量保持不变。若离心泵的吸入管直径为100mm，排出管直径为50mm，孔板流量计孔口直径为35mm，测得流量计压差计读数为0.85mHg，吸入口真空表读数为550mmHg时，离心泵恰发生气蚀现象，试求该流量下泵的气蚀余量和允许吸上真空度。已知水温为20℃，当地大气压为760mmHg。解：查得时，由，由教材(上册)第一章图1-33，得可知，通过孔板流量计孔口的流速为：由于各段体积流量相等。则出口管路中流体的速度为，校核雷诺数，故是常数。水在进口管路中的流速气蚀余量允许吸上真空度，5.用3B33A型离心泵从敞口水槽中将70℃清水输送到它处，槽内液面恒定。输水量为35～45m3/h，在最大流量下吸入管路的压头损失为1m，液体在吸入管路的动压头可忽略。试求离心泵的允许安装高度。当地大气压98.1kPa。在输水量范围下泵的允许吸上真空度为6.4m和5.0m。解：由附录查得操作条件下清水的饱和蒸汽压，将已知的换算后代入便可求出。由附录可知时，由此可知泵的允许装高度为6.用离心泵从敞口贮槽向密闭高位槽输送清水，两槽液面恒定。输水量为40m3/h。两槽液面间垂直距离为12m，管径为，管长(包括所有局部阻力的当量长度)为100m，密闭高位槽内表压强为9.81×104Pa，流动在阻力平方区，摩擦系数为0.015，试求：(1)管路特性方程；(2)泵的压头。解：(1）以贮槽液面为，并作为位能基准面，以高位槽液面为，在和之间列柏努利方程，得其中：代入上述数据可得管路摩擦阻力损失(以为单位）(2）将代入以为单位的计算式7.用水对某离心泵做实验，得到下列各实验数据：Q/(L/min）0100200300400500H/m37.2383734.531.828.5泵输送液体的管路管径为76mm×4mm、长为355m(包括局部阻力的当量长度)，吸入和排出空间为常压设备，两者液面间垂直距离为4.8m，摩擦系数可取为0.03。试求该泵在运转时的流量。若排出空间为密闭容器，其内压强为129.5kPa(表压)，再求此时泵的流量。被输送液体的性质与水的相似。解：(1)在贮水池液面和输水管出口内侧列柏努利方程，得其中：(以为单位）由此可得到管路特性方程：(1）泵的性能参数见表1。由表1的数据绘制如下的管路特性曲线，两曲线的焦点即为泵的工作点，此时即(2）在贮水池液面和管路出口液面上方之间列柏努利方程，得其中：，，，重复(1)绘制管路特性曲线的步骤，数如由表(1)最后一行所示。此管路特性曲线与泵特性曲线交点即为新的工作点。表(1）离心泵的性能参数Q01002003004005000.001.673.3356.678.3337.8383734.531.828.54.86.511.5620.0431.9347.111819.724.7633.2445.1360.31习题7附图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；管路特性曲线方程可近似表示为，两式中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大?(输水过程为定态流动)解：两泵并联时，流量加倍，压头不变，故并联泵的特性曲线方程为并令并，可求得并联泵的流量，即，解得两台泵串联时，流量不变，压头加倍，故串联泵的特性曲线方程为串同理，，解得结果表明，并联泵的流量高于串联泵的流量。9.现采用一台三效单动往复泵，将敞口贮罐中密度为1250kg/m3的液体输送到表压强为1.28×106Pa的塔内，贮罐液面比塔入口低10m，管路系统的总压头损失为2m。已知泵的活塞直径为70mm，冲程为225mm，往复次数为200min-1，泵的总效率和容积效率分别为0.9和0.95。试求泵的实际流量、压头和轴功率。解：(1)三效单动往复泵的实际流量其中，为泵的容积效率，其值为0.95，，所以，(2)在贮罐液面及输送管路出口外侧截面间列伯努利方程，并以贮罐液面为位能基准面，得其中，(表压)(表压)所以管路所需的压头应为泵所提供，所以泵的压头为116.4m。(3)往复泵的轴功率计算与离心泵相同，则10.已知空气的最大输送量为14500kg/h，在最大风量下输送系统所需的风压为1.28×106Pa(以风机进口状态计)。由于工艺条件的要求，风机进口与温度为40℃、真空度为196Pa的设备连接。试选择合适的离心通风机。当地大气压强为93.3kPa。解：由题知，由附录25知可采用4－72－11No.8C型离心通风机，性能如下：，，，，11.15℃的空气直接由大气进入风机，再通过内径为800mm的水平管道送到炉底，炉底的表压为10.8kPa。空气输送量为20000m3/h(进口状态汁)，管长为100m(包括局部阻力的当量长度)，管壁绝对粗糙度可取为0.3m。现库存一台离心通风机，其性能如下表所示。核算此风机是否合用?当地大气压为101.33kPa。转速/(r/min)风压/Pa风量/(m3/h)14501265021800解：离心机的风速为：查得时，，则又查图知，其阻力损失压降全风压风量(符合）由上面分析，此风机合用。12.某单级双缸双动空气压缩机，活塞直径为300mm，冲程为200mm，每分钟往复480次。压缩机的吸气压强为9.807×104Pa，排气压强为34.32×104Pa。试计算该压缩机的排气量和轴功率。假设汽缸的余隙系数为8%，排气系数为容积系数的85%，绝热总效率为0.7。空气的绝热指数为1.4。解：往复压缩机的排气量，其中：，，，将此数据代入上式可得到：所需的轴功率其中：13．用三级压缩把20℃的空气从98.07×103Pa压缩到62.8×103Pa，设中间冷却器能把送到后一级的空气冷却到20℃，各级压缩比相等。试求：(1)在各级的活塞冲程及往复次数相同情况下，各级汽缸直径的比;(2)三级压缩所消耗的理论功(按绝热过程考虑，空气的绝热指数为1.4，并以lkg计)。解：(1）每级的压缩比可由下式计算则有，，即所以(2)其中：，，，代入上式得第三章机械分离和固体流态化1.取颗粒试样500g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。习题1附表筛号筛孔尺寸/mm截留量/g筛号筛孔尺寸/mm截留量/E101.6510660.20860.0141.16820.01000.14730.0200.83340.01500.10415.0280.58980.02000.07410.0350.41713.02700.0535.0480.29511.0共计500解：颗粒平均直径的计算由(1/mm)由此可知，颗粒群的平均直径为da=0.345mm.2.密度为2650kg/m3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。解：时，对应牛顿公式，K的下限为69.1，斯脱克斯区K的上限为2.62那么，斯脱克斯区：3.在底面积为40m2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。气体的处理量为3600m3/h，固体的密度，操作条件下气体的密度，黏度为2×10-5P。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。解：同P151.例3-3在降尘室中能被完全分离除去的最小颗粒的沉降速度ut，则假设沉降在滞流区，用斯托克斯公式求算最小颗粒直径。核算沉降流型：假设合理。求得的最小粒径有效。4.用一多层降尘室除去炉气中的矿尘。矿尘最小粒径为8，密度为4000kg/m3。除尘室长4.1m、宽1.8m、高4.2m，气体温度为427℃，黏度为3.4×10-5P，密度为0.5kg/m3。若每小时的炉气量为2160标准m3，试确定降尘室内隔板的间距及层数。解：由气体的状态方程有则气体的流量为假设沉降发生在滞流区，用斯托克斯公式求最小粒径。核算沉降流型：假设合理。求得的最小粒径有效。由以上的计算可知。粒径为8的颗粒沉降必定发生在滞流区。用斯托克斯公式求沉降速度层数取为51层。板间距核算气体在多层降尘室中的流型。当量直径(对降尘室)气体在降尘室中的流动为层流流动。设计合理。5.已知含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m3,气体流量为1000m3/h、黏度为3.6×10-5P、密度为0.674kg/m3，采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。若分离器圆筒直径为0.4m，试估算其临界粒径、分割粒径及压强降。解：对标准型旋风分离器，已知D=0.4m，B=D/4=0.1m，h=D/2=0.2m。气体流速为临界粒径压强降所以，临界粒径，分割粒径，压强降6.某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m3，气体流量为5000标准m3/h，每小时捕集下来的灰尘量为21.5kg。出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中。习题6附表1粒径范围/0～55～1010～2020～3030～4040～50>50在出口灰尘中的质量分数/%16252920721在搜集的灰尘中所占的质量分数/%4.41126.62018.711.33解：(1)除尘总效率出口气体中尘粒的质量流量为进口气体中尘粒的质量流量为所以，即86%(2)粒级效率曲线根据附表的数据求得粒级效率值如本题附表所示习题6附表1粒径范围0~55~1010~2020~3030~4040~50>50平均粒径2.57.51525354550(%，质量)16252920721(%，质量)4.41126.62018.711.380.560.8751.0150.700.2450.070.0350.9462.3655.7204.34.022.431.720.630.730.8500.860.9430.9720.98根据的数据绘制粒级效率曲线如附图所示习题6附图习题6附图7.在实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验，滤叶内部真空度为500mmHg。过滤5min得滤液1L,又过滤5min得滤液0.6L。若再过滤5min,可再得滤液多少?解：由过滤基本方程：，代入数据有：解得：当时，解得，8.以小型板框压滤机对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验,测得数据列于本题附表中。已知过滤面积为0.093m2，试求：(1)过滤压强差为103.0kPa时的过滤常数K、qe及；(2)滤饼的压缩性指数s；(3)若滤布阻力不变，试写出此滤浆在过滤压强差为196.2kPa时的过滤方程式。习题8附表过滤压强差kPa过滤时间滤液体积Vsm3103.0502.27×lO-36609.1O×10-3343.417.12.27×10-32339.1O×l0-3解：(1)下，，同理可以求出343.4kPa下的过滤常数(2)由得(3)常数，所以，以103kPa下的数值为基准，得到于是得到1962.kPa下的过滤方程式为9.在实验室中用一个每边长0.162m的小型滤框对CaCO3颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验。料浆温度为19℃，其中CaCO3固体的质量分数为0.0723。测得每1m3滤饼烘干后的质量为l062kg。在过滤压强差为275800Pa时所得的数据列于本题附表中。习题9附表过滤时间1.84.27.511.215.420.526.733.441.048.857.767.277.388.7滤液体积V/L0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.8试求过滤介质的当量滤液体积Ve，滤饼的比阻r，滤饼的空隙率及滤饼颗粒的比表面积。已知CaCO3颗粒的密度为2930kg/m3，其形状可视为圆球。解：由恒压过滤方程式可得，也可写作对题给的数数据进行处理，以对V作图，据图可求得有关参数000.21.81.89.00.44.22.412.00.67.53.316.50.811.23.718.51.015.44.221.01.220.55.125.51.426.76.231.01.633.46.733.51.841.07.638.02.048.87.839.02.257.78.944.52.467.29.547.52.677.310.150.52.888.711.457习题9附图习题9附图5.9s/LV/L斜率=18.25s/L2由图得知：直线斜率直线的截距即，则，，设滤饼与滤液的体积比是，并以1m3滤液为基准做固相的物料衡算，得解则滤饼的比阻为10.用一台BMS5O/810-25型板框压滤机过滤某悬浮液，悬浮液中固相质量分数为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水。每1m3滤饼中含500kg水,其余全为固相。已知操作条件下的过滤常数K=2.72×10-5m2/s，qe=3.45×10-3m3/m2。滤框尺寸为810mm×810mm×25mm，共38个框。试求：(1)过滤至滤框内全部充满滤渣所需的时间及所得的滤液体积；(2)过滤完毕用0.8m3清水洗涤滤饼，求洗涤时间。洗水温度及表压与滤浆的相同。解:(1)：过滤面积为:滤框总容积:设1则滤饼中对应的滤液量当滤框全部充满时,其滤液体积过滤终了时.单位面积上的滤液量则该体系的恒压过滤方程为:(2):洗涤时间:11.用叶滤机处理某种悬浮液,先以等速过滤20min，得滤液2m3。随即保持当时的压强差再过滤40min,问共得滤液多少(m3)?若该叶滤机每次卸渣、重装等全部辅助操作共需20min，求滤液日产量。滤布阻力可以忽略。解：在恒速阶段.在恒压过程.生产能力:12.在3×105Pa的压强差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=5×10-5m2/s、qe=0.0lm3/m2，又测得滤饼体积与滤液体积之比=0.08。现拟用有38个框的BMY50/810-25型板框压滤机处理此料浆，过滤推动力及所用滤布也与实验用的相同。试求：(1)过滤至框内全部充满滤渣所需的时间；(2)过滤完毕，以相当于滤液量1/10的清水进行洗涤，求洗涤时间；(3)若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需15min，求每台过滤机的生产能力(以每小时平均可得多少(m3)滤饼计)。解:板框过滤机的总容积为其对应的滤液体积为:过滤终了时的滤液量:恒压过滤方程:其中：由13.某悬浮液中固相质量分数为9.3%，固相密度为3000kg/m3，液相为水。在一小型压滤机中测得此悬浮液的物料特性常数k=1.1×104m2(s·atm)，滤饼的空隙率为40%。现采用一台GB-1.75型转筒真空过滤机进行生产(此过滤机的转鼓直径为1.75m，长度为0.98m,过滤面积为5m2，浸没角度为120º)，转速为0.5r/min，操作真空度为80.0kPa。已知滤饼不可压缩，过滤介质阻力可以忽略。试求此过滤机的生产能力及滤饼厚度。解：滤饼不可压缩，s=0，不计过滤介质阻力，。过滤常数：14.用板框过滤机在恒压差下过滤某种悬浮液，滤框边长为0.65m，己测得操作条件下的有关参数为：K=6×10-5m3/h、qe=0.0lm3/m2、=0.1m3/m3滤液。滤饼不要求洗涤，其他辅助时间为20min，要求过滤机的生产能力为9m3/h，试计算：(1)至少需要几个滤框?(2)框的厚度L。15.已知苯酐生产的催化剂用量为37400kg，床径为3.34m，进入设备的气速为0.4m/s，气体密度为1.19kg/m3。采用侧缝锥帽型分布板，求分布板的开孔率。16.平均粒径为0.3mm的氯化钾球形颗粒在单层圆筒形流化床干燥器中进行流化干燥。固相密度=1980kg/m3。取流化速度为颗粒带出速度的78%，试求适宜的流化速度和流化数。干燥介质可按60℃的常压空气查取物性参数。解：假设沉降在沉流区。第四章传热习题解答1.平壁炉的炉壁由三种材料组成,其厚度和导热系数列于本题附表中。习题1附表序号材料厚度b导热系数mmW/(m·℃)1(内层)耐火砖2001.072绝缘砖1000.143钢645若耐火砖层内表面的温度t1为1150℃,铜板外表面温度归为30℃,又测得通过炉壁的热损失为300m·W/m2,试计算导热的热通量。若计算结果与实测的热损失不符,试分析原因和计算附加热阻。解：单位长度的热通量实测结果为300W/m2，说明存在附加热阻，可能原因是空穴或层与层之间的表面接触不良等原因。设附加热阻为R，则有32．燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖,外层为230mm厚的绝缘砖。若炉的内表面温度t1为1400℃,外表面温度t3为100℃。试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两层砖接触良好,已知耐火砖的导热系数为,绝缘砖的导热系数为。两式中可分别取为各层材料的平均温度,单位为℃,A单位为W/()。解：设两砖之间的界面温度为，由，得热通量3．直径为,钢管用30mm厚的软木包扎,其外又用100mm厚的保温灰包扎,以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为-110℃,绝热层外表面温度10℃。已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和1.07W/(m·℃),试求每米管长的冷量损失量。解：每半管长的热损失，可由通过两层圆筒壁的传热速率方程求出：负号表示由外界向体系传递的热量，即为冷量损失。4．蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层,设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将二层材料互换位置,假定其他条件不变,试问每米管长的热损失将改变多少?说明在本题情况下,哪一种材料包扎在内层较为适合?解：设外层的平均直径为内层平均直径为则且由导热效率方程知：两层材料位置互换后：所以：即：两层保温材料互换位置后，单位管长的热损失增加。说明在本题情况下，导热系数小的材料放在内层较为合适。5在外径为140mm的蒸汽管道外包扎一层厚度为5Omm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的关系为λ=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9.86×10-5kg/(m·s),试求保温层外侧面温度解：由附录查的，的饱和蒸汽的汽化热单位管长的热损失保温层外侧温度可由下式求得：其中由保温层内外侧平均温度下求得，由于未知，可用试差法求解。由于题给条件说明保温材料的与呈线性关系，也可用代数法求解：则6.在管壳式换热器中用冷水冷却油。水在直径为的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为349OW/(),管外油侧对流传热系数为258W/()。换热器在使用一段时间后,管壁两侧均有污垢形成,水侧污垢热阻为0.00026,油侧污垢热阻为0.000176。管壁导热系数λ为45W/(m·℃)。试求:(1)基于管外表面积的总传热系数;(2)产生污垢后热阻增加的百分数。解：（1）总传热系数（2）产生污垢后热阻增加的百分数为：7：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℃,假设油和水的流量、进口温度及物性均不变,若原换热器的管长为1m。试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。设换热器的热损失可忽略。解：平均温度差为由热量恒算可得：当油的出口温度降到80时，由热量恒算：解得：由传热速率方程分别可得：原换热器：新换热器：8．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：以上标表示并流的情况。由传热速率方程和热量衡算：两式相除：（1）而所以：解得：即：（2）由（1）式得：（3）由（2）、（3）式得：所以：9．.在下列各种管壳式换热器中,某种溶液在管内流动并由20℃加热到50℃。加热介质在壳方流动,其进、出口温度分别为100℃和60℃,试求下面各种情况下的平均温度差。(1)壳方和管方均为单程的换热器。设两流体呈逆流流动。(2)壳方和管方分别为单程和四程的换热器。(3)壳方和管方分别为二程和四程的换热器。解：（1）由对数平均温度差知道：（2）查温度差校正系数图得：（3）由R、P值查流程温差校正系数图得：所以：10.在逆流换热器中,用初温为20℃的水将1.25kg/s的液体(比热容为1.9kJ/(kg·℃)、密度为kg/m3),由80℃冷却到30℃。换热器的列管直径为,水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW/(m2·℃)和1.7OkW/(m2·℃),污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50℃,试求换热器的传热面积。解：由传热速率方程。其中所以：11在一管壳式换热器中,用冷水将常压下纯苯蒸气冷凝成饱和液体。苯蒸气的体积流量为1650m3/h,常压下苯的沸点为80.1℃,汽化热为394kJ/kg。冷却水的进口温度为20℃,流量为36000kg/h,水的平均比热容为4.18kJ/(kg·℃)。若总传热系数K0为450W/(m2·℃),试求换热器传热面积S0。假设换热器的热损失可忽略。解：换热器的传热面积其中：冷水出口温度可由热量衡算求得。即：则：12．在一传热面积为50m2的单程管亮式换热器中,用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h,温度由20℃升至38℃。溶液的温度由110℃降至60℃。若换热器清洗后,在两流体的流量和进口温度不变的情况下,冷水出口温度增到45℃。试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。假设:(l)两种'情况下,流体物性可视为不变,水的平均比热容可取为4.17kJ/(kg·℃)；(2)可按平壁处理,两种工况下和分别相同；(3)忽略管壁热阻和热损失解：先求清洗前的总传热系数K.所以:再求清洗后总传热系数,由热量衡算求溶液的出口温度.若传热面两侧的总污垢热阻为则有:由此得:13.在一单程管亮式换热器中,用饱和蒸汽加热原料池。温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝(排出时为饱和液体),原料油在管程流动,并由20℃加热到106℃。管壳式换热器尺寸为:列管直径19mm×2mm、管长4mm,共有25根管子。若换热器的传热量为125kW,蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃),油侧污垢热阻可取为0.0005/W,管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略,试求管内油侧对流传热系数。又若油的流速增加一倍,此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍,试求油的出口温度。假设油的物性不变。解:(1)管内油侧解得:(2).油的出口温度.新条件下的物理量用“”表示，由热量衡算得：由总传热速率方程得：联立（1）、（2）解得：。14．90℃的正丁醇在逆流换热器中被冷却到50℃。换热器的传热面积为6m2,总传热系数为230W/(m2·℃)。若正丁醇的流量为193Okg/h,冷却介质为18℃的水,试求：(1)冷却水的出口温度;(2)冷却水的消耗量,以m2/h表示。解：（1）：冷却水的出口温度由总传热速率方程，其中：（2）.冷却水消耗量忽略热损失,由换热器的热量衡算.15..在一逆流套管换热器中,冷、热流体进行热交换。两流体的进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃,T1=100℃、T2=70℃。当冷流体的流量增加一倍时,试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同,换热器热损失可忽略。解:原工况下,由热量衡算得:由传热速率方程得:将(1)代入(2)得:新工况下:由(3)、（4）得:由热量衡算:联立(5)、（6）得:两种情况下的传热量之比:本题也可以用法，计算如下：原工况下：查图得：新工况下：，（冷流体仍为最小值流体）。查图得：即：，解得：两种方法计算结果相近，误差是由读图引起的。法简便，宜用于估算，但误差稍大。16．试用量纲分析方法推导壁面和流体间自然对流传热系数a的准数方程式。已知α为下列变量的函数,即解：令：每一变量（组）的量纲用及Q表示，即：因上式中两边量纲相等，则有：以和表示其他度量：所以：或17．在套管换热器中,一定流量的水在内管流动,温度从25℃升高到75℃,并测得内管水侧的对流传热系数为2000W/()。若相同体积流量的油品通过该换热器的内管而被加热,试求此时内管内油侧对流传热系数。假设两种情况下流体呈漏流流动。已知定性温度下流体物性如下: ρ,kg/m3 μ, cp,kJ/(kg·℃)λ,W/()水10000.54×10-34.170.65油品8105.1×10-32.010.15解：两种情况下，均可用下式计算，即：因为，不变。两种情况下，的比值为：由本题可看出流体物性对的影响。18．一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内呈湍流流动。绝压为180kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20%,而空气的进、出口温度不变。试问应采取什么措施才能完成任务。作出定量计算。假设管壁和污垢热阻均可忽略。解：由题义知：设提高流量后的情况用“”表示，则由附录查得时，水蒸气的饱和温度为空气流量增加，若仍在原换热器中进行操作，则必须提高蒸汽温度（压力）才能完成任务.两种情况下,换热器的传热量分别为和由传热速率方程:原流量时.流量增加后,则:得:即:解得:由附录查得,温度为的饱和蒸汽压力为.即:将饱和蒸汽的压力提高到即可完成任务.19.98%的硫酸以0.7m/s的速度在套管换热器的环隙内流动,硫酸的平均温度为70℃,内管外壁的平均温度为61.5℃。换热器的内管直径为,外管直径为,试估算对流传热的热通量。解:定性温度下，的物性常数如下：套管环隙的当量直径为：先按湍流计算：20．温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30℃。蛇管的直径为7mm×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：定性温度=下甲苯的物性数据如下：先按直管计算：蛇管对流传热系数为21．.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190mm,管束由37根19mm×2mm的钢管组成,试求甲烧对管壁的对流传热系数。解：定性温度甲烷物性如下：换热空间的当量直径：22．室内水平放置表面温度相同、长度相等的两根圆管,管内通有饱和水蒸气。两管均被空气的自然对流所冷却,假设两管间无相互影响。已知一管直径为另一管的5倍,且两管的GrPr值在104～106之间,试求两管热损失的比值.解：这是大容器的自然对流问题：设小管直径为。大管直径为。由：即：由：得：即：23．.流量为720kg/h的常压饱和水蒸气在直立的管壳式换热器的列管外冷凝。换热器内列管直径为仍25mmx2.5m,长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算换热器的管数(设管内侧传热可满足要求)。换热器热损失可忽略。解：由附录查得，常压饱和蒸汽冷凝温度为，汽化热定性温度：先按层流计算，固：即：核算流型：24．实验测定管壳式换热器的总传热系数时,水在换热器的列管内作揣流流动,管外为饱和水蒸气冷凝。列管由直径为25mm×2.5m的钢管组成。当水的流速为1m/s时,测得基于管外表面积的总传热系数K0为2115W/();若其他条件不变,而水的速度变为1.5m/s时,测得K0为2660W/()。试求蒸汽冷凝传热系数。假设污垢热阻可忽略。解：设水的流速为和时和分别用和表示，由总传热系数计算式知：即：又：联立解得：代入式得：所以,蒸汽冷凝传热系数为：25．两平行的大平板放置在空气中,相距为5mm。一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05,温度为300K。若将第一板加涂层,使其黑度变为0.025,试计算由此引起的传热量变化的百分率。假设两极间对流传热可以忽略。解：两板间导热通量为：辐射传热的热通量为：总热通量：当一板黑度变为时，辐射热通量变为所以：总传热量减小：而辐射传热减小量为：26．在管道中心装有热电偶以测量管内空气的温度。由于气体真实温度t1与管壁温度tw不相同,故测温元件与管壁间的辐射传热引起测量误差。试推导出计算测温误差(t1-t1*)的关系式。式中tf为测量值。并说明降低测温误差的方法。假设热电偶的黑度为,空气与热电偶间的对流传热系数为。解：热电偶的绝对温度管壁的绝对温度热电偶和管壁之间的辐射传热为：因为：故，则：热气体和热电偶接点的对流传热为：稳态下，两者热通量相等即：所以：减小误差的办法：（1）：增大，为此应将热电偶置于管路中心，并增大空气流速；（2）：减小辐射传热，应减小热电偶黑度，将管壁保温以提高壁温；（3）：在热电偶处加遮热管。27．.在管壳式换热器中,用120℃的饱和蒸汽将存放在常压贮槽中的温度为20℃、比热容为2.09kJ/()、质量为2×104kg的重油进行加热。采用输油能力为6000kg/h的油泵,将油从贮槽送往换热器,经加热后再返回贮槽中,油循环流动。若要求经4h后油温升高至80℃,试计算换热器的传热面积。设加热过程中K0可取为350W/(),且在任何瞬间槽内温度总是均匀一致的。解：设任何瞬间离开换热器的温度总随进口温度（即槽内温度）而变，此时，热量衡算和总传热速率方程可写为：其中为槽内油的质量，为泵的输油能力设加热介质温度为，则：将代入，得：分离变量积分得：28．欲用循环水将流量为60m2/h的粗苯液体从80℃冷却到35℃,循环水的初温为30℃,试设计适宜的管壳式换热器。解：因粗笨有腐蚀性，故取苯在管内流动，并取水的出口温度为1．试算并初选规格：（1）：定性温度及流体物性苯：水：流体物性：苯57.58790.411.8420.137水33.59950.7454.1860.622(2).计算传热量(3).计算平均温差,先按逆流计算:查图得:可用单壳程所以:(4).初选换热器型号:选所以因为:,选用固定管板式换热器由附录查得换热器规格如下:8002006管数444程数6管子尺寸管子排列(正三角形排列)2:计算压强降:(1).管程压强降.苯为易燃液体湍流取:查第一章图得其中:则:(2).管程压强降:其中:则:管子为正三角形排列.取:取折流板间距则:水的流量为:管程和壳程压降均小于,可视为合适.3.核算总传热系数(1)管程(2).壳程正三角形排列:流通面积:(3).污垢热阻取(4).总传热系数所选换热器合适.第五章蒸发1.在单效中央循环管蒸发器内,将10%(质量分数,下同)NaOH水溶液浓缩到25%,分离室内绝对压强为15kPa,试求因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高及相应的沸点。解:压力下.饱和蒸汽的温度为.汽化热为(1).由附录查得的数值求算由于溶液在加热管内不断循环,管内溶液始终接近完成液组成,故以的组成计算沸点升高,常压下,水溶液的沸点为,故操作条件下的沸点升高值为操作条件下的沸点(2).用杜林直线求算根据及组成,由教材图5-12查得操作条件下溶液沸点为(3).利用经验公式计算由于2.上题的NaOH水溶液在蒸发器加热管内的液层高度为1.6m,操作条件下溶液的密度约为l230kg/m3。试求因液柱静压强引起的沸点升高及溶液的沸点。解:液层中部压强为与对应的蒸汽温度为,故沸点3.前两题的溶液在传热面积为铀矿的蒸发器内,用绝对压强为120KPa的饱和蒸汽加热。原料液于40℃时进入蒸发器,测得总传热系数为1300W/(m2·℃),热损失为总传热量的20%,冷凝水在蒸汽温度下排除,试求: (1)加热蒸汽消耗量; (2)每小时能处理原料液的质量。解:当时,查得:当时,查得:当时,查得:当时,查得:(1).加热蒸汽消耗量其中:(2).原料液的质量流量：水溶液蒸发时的稀释热不可忽略及将已知量代入上式即：由以上二式，解得：4．在单效蒸发器中,每小时将10000kg的NaNO3水溶液从5%浓缩到25%。原料液温度为40℃。分离室的真空度为60kPa,加热蒸汽表压为30kPa。蒸发器的总传热系数为2000W/(m2·℃),热损失很小可以略去不计。试求蒸发器的传热面积及加热蒸汽消超量。设液柱静压强引起的温度差损失可以忽略。当地大气压强为101.33kpa。解：当加热蒸汽为时查得：当二次蒸汽时查得：（1）.加热面积由附录查得的水溶液的正常沸点为,故:蒸发水溶液时,可以认为无稀热效应,所以:因为,故:(2).蒸汽消耗量:5.临时需要将850kg/h的某种水溶液从15%连续浓缩到35%。现有一传热面积为10m2的小型蒸发器可供使用。原料液在沸点下加入蒸发器,估计在操作条件下溶液的各种温度差损失为18℃。蒸发室的真空度为8OkPa。假设蒸发器的总传热系数为1000W/(m2·℃),热损失可以忽略,试求加热蒸汽压强。当地大气压为100kPa。忽略溶液的稀释热效应。〔答:=143.3KPa〕解:二次蒸汽压强时,查得:沸点如果忽略溶液的稀释热效应,且沸点进料则:将已知量代入上式得:此时的蒸汽压力为6.在双效并流蒸发设备中,每小时蒸发1000kg的10%某种水溶液。第一效完成液的组成为15%,第二效的为30%。两效中溶液的沸点分别为108℃和95℃。试求溶液自第一效进入第二效时因温度降低而自蒸发的水量及自蒸发量占第二效中总蒸发量的百分数。解:本题流程如附图所示自动蒸发水分量为:其中:时, 第一章蒸馏的习题解答1．.已知含苯0.5(摩尔分数)的苯—甲苯混合液,若外压为99KPa,试求该搭液的泡点温度。苯和甲苯的饱和蒸气压数据见例14附表。解：本题需用试差法确定溶液的饱和温度。先假设一温度，查苯和甲苯的饱和蒸汽压和则，若所求的x与题给的x值相等,则证明假设正确。设假设温度恰为泡点温度,否则需修正。本题外压为，据常压下苯~甲苯混合液的t-x-y图设该溶液的泡点温度，则查教材附录可知故溶液的泡点温度为922..正戊烷(C5H12)和正己烷（C6H14）的饱和蒸气压数据列于本题附表,试求p=13.3KPa下该溶液的平衡数据。假设该溶液为理想溶液。习题2附表温度/KC5H12223.l233.0244.0251.0260.1275.1291.7309.3C6H14248.2259.1276.9279.0289.0304.8322.8341.9饱和蒸气压1.32.65.38.013.326.653.2101.3解：由以下二式求的数据。记求解本题时应确定温度范围以查取和.由本题附表可知平衡温度在260.6K和289K之间，选取以上两温度间的若干温度，求。计算过程从略，结果如下表所示：t/K260.6265270275280285289/13.317.321.926.534.542.548.9/2.833.54.265.08.5311.213.3x10.9250.8450.7690.4770.2140y10.710.5130.3860.1840.66703.利用习题2的数据,计算:(1)平均相对挥发度；(2)在平均相对挥发度下的x-y数据,并与习题2的结果相比较。解： 的计算结果处于本题附表的第二列平衡方程为温度/K习题2的结果用计算的结果260.64.71.01.01.02654.950.710.9180.9182705.40.5130.8450.8282755.300.3860.7090.7392804.040.1840.4770.5042853.790.0670.2140.2452893.68000计算结果表明：由于随略有变化，故用平均相对挥发度求得的与习题2的结果稍有差异。4．在常压下将某原料液组成为0.6(易挥发组分的摩尔分数)的两组分洛液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏,若汽化率为1/3,试求两种情况下的釜液和馏出液组成。假设在操作范围内气液平衡关系可表示为 y=0.46x+0.549解：（1）简单蒸馏 釜液由下式求得，即 ln 解得（即汽化液为1/3时的釜液组成）馏出液的平均组成由一批操作的物料衡算求得（2）平衡蒸馏由题意知，q=2/3 (1)而（2）联立（1），（2）解得说明：相同汽化率下，简单蒸馏得到的高与平衡蒸馏的。这是由于平衡蒸馏实现了蒸馏过程的连续化造成了物料混合，从而影响了分离效果。5．.在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。已知原料液流量为4000kg/h,组成为0.3(二硫化碳的质量分数,下同)。若要求釜液组成不大于0.05,馏出液回收率为88%。试求馏出液的流量和组成,分别以摩尔流量和摩尔分数表示。解：由全塔物料衡算得(以上标“”表示质量流量）由于所以W’=平均分子差6．.在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4与水0.6(均为摩尔分数)的溶液,试求以下各种进料状况下的q值。(1)进料温度为40℃；(2)泡点进料；(3)饱和蒸气进料。 常压下甲醇一水熔液的平衡数据列于本题附表中。习题6附表温度t液相中甲醇气相中甲醇温度t液相中甲醇气相中甲醇℃的摩尔分数的摩尔分数℃的摩尔分数的摩尔分数l∞O.O0.075.30.400.72996.4Oω0.13473.l0.50O.77993.50.040.23471.2O.060.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.10O.41866.00.900.95884.40.15O.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.0O.300.665解：（1）进料温度40由甲醇~水溶液的平衡数据知道原料液的泡点温度为75，由附录查得甲醇和水的汽化热分别为1055和2320KJ/kg故原料液的汽化热为进料温度为40，泡点温度为75，故平均温度为由附录查得57。7时，甲醇和水的比热分别为2.68KJ/(kg故混合液的平均比热为则进料热状况（2）泡尖进料q=1(3)饱和蒸汽进料q=07..对习题6中的溶液,若原料液流量为100kmol/h,馏出液组成为0.95,釜液组成为0.04(以上均为易挥发组分的摩尔分数),回流比为2.5。试求产品的流量、精馏段的下降液体流量和提馏段的上升蒸气流量。假设塔内气、液相均为恒摩尔流动。解：由全塔物料衡算知F=D+WF解得 三种进料情况下，上述各值相等V’=V+(q-1)F,进料为40时，q=1.