化工原理(第二版)上册课后习题答案

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1、大学课后习题解答之化工原理（上卜天津大学化工学院-柴诚敬主编09化工2 班制作 绪 论1,从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。(1)水的黏度“=0.00856 g/(cm-s)(2)密度p=138.6kgf s2/m4(3)某物质的比热容C尸0.24BTU/(lb，F)(4)传质系数 KG=34.2 kmol/(m2，h，atm)(5)表面张力 C H%,大气压力为101.3 kPa,试计算气柜满载时各组分的质量。解：气柜满载时各气体的总摩尔数pV(101.3+5.5)x1000.0 x6000,n-mol=246245.4molRT 8.314x313各组分的质量：%,=4

2、0%,x/%,=40%x 246245.4x2kg=197kg%,=20%M,xAfN,=20%x 246245.4x28kg=1378.97kgmco=32%,x H o =32%x 246245.4x 28kg=2206.36kgmCOi=7%x M g 2 =7%x 246245.4x 44kg=758.44kg加CH4=X CH4=l%x 246245.4x 16kg=39.4kg2.若将密度为830 kg/n?的油与密度为710 kg/n?的油各60 kg混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。解:mt-+m2-(60+60)kg=120kg匕=匕+匕m.m,=+=P Pi(

3、60=0.157m3Pm=+=y k g/n?=764.33 kg/m流体静力学3.已知甲地区的平均大气压力为85.3 k P a,乙地区的平均大气压力为101.33 k P a,在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？解：(1)设备内绝对压力绝压=大气压-真空度=(85.3 xlO3-2 0 x l03)Pa=65.3kPa(2)真空表读数真空度=大气压-绝压=(101.33x 6 -65.3X103)Pa=36.03kPa4.某储油罐中盛有密度为960 kg/n?的重油(如附图所示)，油面

4、最高时离罐底9.5 m,油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有 直 径 为 760 m ni的孔，其中心距罐底1000 mm,孔盖用14 m m 的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5X 106 p a,问至少需要几个螺钉(大气压力为101.3X1()3 Pa)?解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm处的流体压力为 =p +/7=1 0 1.3 x l t f+9 6 0 x 9.8 1 x(9.5-1.0)P a=1.8 1 3 x l 03P a(绝压)作用在孔盖上的总力为F=(p_p)A=Q.813X10-101.3X10,)XX0.762N=3.627X104N每个螺钉所受力

5、为7 TF=3 9.5 x l 0 x-i-0.0 1 42N =6.0 9 3 x l 0,N14因此=尸/4=3.6 2 7 X 1 0t/(6.0 9 3 x 1 05)N =5.9 5 =6 (个)习题4附图习题5附图5.如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。读数分别为4=5 0 0 m m,&=80 m m,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&=1 0 0 m m。试求/、8两点的表压力。解：（1）/点的压力PA=p g/?3 +P走 g A 2 =（1 0 0 0 x 9.8 1 x 0.1 +1 3 6 0 0

6、x 9.8 1 x 0.0 8）P a=1.1 6 5 x 1 04P a（表）（2）8点的压力外=4+。才期=（1.1 6 5 x 1 0 +1 3 6 0 0 x 9.8 l x O.5）P a=7.8 3 6 x 1 04P a（表）6.如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计，指示液为水银，读数火=1 0 0m m,/?=8 0 0 mm为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为1 0 1.3 k P a,试求管路中心处流体的压力。解：设管路中心处流体的压力为p根据流体静力学基本方程式，PA=PA，则 P+

7、P水gh+PmgR=PaP=PpKgh-PgR=(101.3 x 103-1000 x 9.8 x 0.8-13600 x 9.8 x 0.1)Pa=80.132kPa7.某工厂为了控制乙块发生炉内的压力不超过13.3 kPa(表压)，在炉外装一安全液封管(又称水封)装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度瓦解：0kg/?=13.3h=13.3/(p4.g)=13.3x1000/(1000 x9.8)m=1习题7 附图流体流动概述8.密度为1800 kg/n?的某液体经一内径为60 m m 的管道输送到某处，若其

8、平均流速为0.8 m/s,求该液体的体积流量(n?/h)、质量流量(k g/s)和质量通量 kgn?s)。解：儿=0.8 x x 0.0 62x3600m7s=8.14m7hjr3 4Ws=Zp=w jd 2 =0.8x 号 x 0.062 x 1000 kg/s=2.26 kg/sG-u p-0.8 x 1000 kg/(m2 s)=800kg/(m2-s)9.在实验室中，用内径为1.5 cm 的玻璃管路输送20 的70%醋酸。-知质量流量为lOkg/m in,试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。解：(1)用 S I单位计算查附录 70%醋酸在 20 C 时，p=

9、1069kg/m =2.50 x10-Pa-sd=1.5cm=0.015mub=10/(60 x 7t/4x 0.0152 x 1069)m/s=0.882 m/sRe=也 g=0.015x 0.882 x 1069/(2.5 x 107)=5657 故为湍流。(2)用物理单位计算/7=1069g/cm3,/z=0.025g/(cm-s)d=1.5cm,ub=88.2c m/sRe=1.5x 88.2 x 1.069/0.025=5657A10.有一装满水的储槽，直 径 1.2 m,高 3 m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4 c m,测得水流过小孔的平均流速o与槽内水面高度z 的关系

10、为：%=0.62yf2zg试 求 算(1)放 出 In?水所需的时间(设水的密度为1000 kg/m3)；(2)又若槽中装满煤油，其它条件不变，放 出I n?煤油所需时间有何变化（设煤油密度为8 0 0 k g/n?）?解：放 出I n?水后液面高度降至为，则=z 0-=（3 -0.8 8 4 6）m=2.1 1 5 m 0.7 8 5 X 1.22由质量守恒，得卬 _叫+。=0，W|=0 （无水补充）-d ew?=p44=0-6 2p 4&记 （4为小孔截面积）M =pAZ（A为储槽截面积）故有 0.6 23。J 2g z +=0即=-0.6 2 A上 式 积 分 得。=2 _ （W）（z7

11、_ z f）0.6 2四 4=-广 （31/2-2.1 1 51/2）s =l 26.4 s =2.1 m i n0.6 27 2x 9.8 1 1 0.0 4；1 1.如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m,水 从0 1 0 8 mmX4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按E/7（=5.5 V 2计算，其中为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试 计 算（1）A4截面处水的平均流速；（2）水的流量（n?/h）。解：（1）A4截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程，得2 P 2 p（1）式中 Z =l m,b i。

12、，“=0 （表压）Z2=1.5 m,p2=0（表压）,b 2=5.5 .代 入 式（1）得9.81x7=9.81x1.5+g；2+5.5；2人=3.0 m/s(2)水的流量(以n?/h计)匕=b 2Z =3.0 x?x(0.0 1 8-2x 0.0 0 4 y =0.0 23 5 5 m 7 s =8 4.7 8 m 7 h习 题 11附图习题12附图12.20 C的水以2.5 m/s的平均流速流经038 mmX2.5 mm的水平管，此管以锥形管与另一 053 mm义3 m m 的水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧/、8 处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经4、8 两截面间的

13、能量损失为1.5 J/k g,求两玻璃管的水面差(以mm计)，并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：在 48 两截面之间列机械能衡算方程gz1+；%+=gz:+；+乙+2总2 P 2 p式中 zi=Z2=0,wbl=3.0m/sWb2圉畸震)m/s=1.232m/sL Af=1.5 J/kgP-P1 uK=7+Z 4 =r 232 2一 空+1.5)J/kg=-0.866J/kg故 .L-1=0.866/9.81 m=0.0883m=88.3mmPS1 3.如本题附图所示，用泵2 将储罐1 中的有机混合液送至精储塔3 的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133x

14、l05P a 流体密度为800 k g/n A 精微塔进口处的塔内压力为 1.21xl()5pa,进料口高于储罐内的液面8 m,输送管道直径为。68 mm x 4 m m,进料量为20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为 70 J/k g,求泵的有效功率。解：在截面A/和 截 面 之 间 列 柏 努 利 方 程 式，得出+,+gZ|+%=+g+g Z 2+Z 仅p 2 p 2px=1.0133xl05Pa；p2=1.21xlO5Pa；Z2-Z,=8.0m；九=70 J/kgV V 20/3600/八u2=-=-m/s=1.966 m/sA-d1 把 x(0.068-2x0.004)24 4

15、习 题 13附图2 2z(1.2 1-1.0 1 3 3)xl 05 61.9 6 6,no on,(5)6=-5 6 4 5 x2 l-2 叫=4 6 7 6 s =1.3 h动量传递现象与管内流动阻力1 5.某不可压缩流体在矩形截面的管道中作维定态层流流动。设管道宽度为b,高度忆e=L -8-0-0-+-2-+9.8 x8.0 +7 0 JJ/k g=(2.4 6+1.9 3+7 8.4 +7 0)J/k g =1 7 5 J/k gM =2 0/3 6 0 0 x8 0 0 x1 7 3 W=7 6 8.9 W1 4.本题附图所示的贮槽内径。=2 m,槽底与内径4）为3 2 mm的钢管相

16、连，槽内无液体补充，其初始液面高度瓦为2m（以管子中心线为基准）。液体在管内流动时的全部能量损失可按 6尸2 0 J计算，式中的为液体在管内的平均流速（m/s）。试求当槽内液面下降1 m时所需的时间。解：由质量衡算方程，得“，r dA/(1)忆=0,匕=%：40(2)d M 7 C 7 田7=_D“P 60 4 60(2),(3)代 入 式(1)得d：u,p-D p =04 w 4 尸 d。Q、dh 八(3)将式（4）d；在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程乡+冬+且=/+生+旦+2用2 p 2 p2 2即 g，=及+Z 4 =+2 0 w：=2 0.5”；或 写 成 让 科9.8 1M

17、=0.6 9 2靠式（4）与 式（5）联立，得0692M（康嚼=。即.5645*血i.c.0=0,h=h =2 m；9=0f h=m积分得2为，且6）如 流道长度为乙 两端压力降为电，试根据力的衡算导出（1）剪 应 力 随高度y （自中心至任意一点的距离）变化的关系式；（2）通道截面上的速度分布方程；（3）平均流速与最大流速的关系。解：（1）由于b y o,可近似认为两板无限宽，故有1 z.x Az?7 =(-Ap-2)心)=ZbL L(2)将牛顿黏性定律代入(1)得duT-U.dydu Ap4-=ydy 上式积分得(1)=?+C（2）2姓边界条件为 尸0,=0,代 入 式（2）中，得 C=-

18、C=2y；2/L因 此 =组（/；）（3）（3）当尸见，W=2/max故有 max =一 _-y 02/JL再 将 式（3）写成 1-（3 （4）L 乂 根据b的定义，得口 必=；口 皿 1一（上）必=，2A JJa A JJa y0 J 316.不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流动，试 证 明（1）与主体流速”相应的速度点出现在离管壁0.2 9 3八处，其中八为管内半径；（2）剪应力沿径向为直线分布,且在管中心为零。(1)当 tl=Ub时，由 式（1 ）得解得 r=0.7070由管壁面算起的距离为y =4 r =4 0.7 07，；=0.2 9 3/(2)由丁 =一 包 对 式（1

19、）求导得drd _ 2、故 7 =组=生 沁 r2 r2在管中心处，r=0,故T=0。17.流体在圆管内作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达试计算管内平均流速与最大流速之比/“mx。令1-=y,则r =R(l-y)=M=+f 严 皿 2nR2(l-y)dy=2 侬/(严 一 产)dy =0.8 17 wmax18.某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2,问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时或 4=M/p=2a 2举=（冬 件）（与2一 4 2 bl式中 A =2 ,&=（位）2=4&wb

20、i 2因此 Z L=（4）（2）（4）2=3 2 4刀 4 4又由于0.316Re025A=4=（出 严=（必 如 严=（2 X _ L 严 5=（0.5）02 5=0,8 4 14 Rei d2Uh 2 4故=3 2 X 0.8 4=2 6.919.用泵将2 X 104 kg/h 的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持2 5.9 X I O?p a的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为0 7 6 m m X 4 m m的钢管，总长为3 5 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）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为1 7 m。若泵的效率为

21、0.7,求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1 0 7 3 k g/n?,黏度为6.3 x l O P a-S o 管壁绝对粗糙度可取为0.3 mm。）解：在反应器液面1-1,与管路出口内侧截面2-2,间列机械能衡算方程，以截面1-1.为基准水平面，得g 4+华+且+吠 隹+学+乙+地2 P 2 p式中 Z|=0,ZT=1 m,z/h i O习 题 1 9 附图(1)人22 x l 04“3 6 0 0 x 0.7 8 5 x 0.0 6 8 x 1 0 7 34m/s =1.4 3 m/sp i=-2 5.9 X 1 03P a(表)，夕 2=0 (表)将以上数据代入式(1),并整理得叱=g(z

22、)+乎+功.2 P=9.8 1 X 1 7+”J 2 5.9 x 1 0、+4=1 9 2.0+九2 1 0 7 3 4 乙 其中5=+空4+2?）竽&=皿=40.0 6 8 x 1,4 3 x 1 0 7 3 =l656x 1 q 50.6 3 x 1 O 3e/d=0.0044根据R e 与 e/d值，查得2=0.0 3,并山教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为闸 阀（全开）：0.4 3 X 2 m =0.8 6 m标准弯头：2.2 X 5 m=l 1 m故/7 f=(O.O 3 X3 5 +0.8 6 +1 1 +0 5+4)1 4 30.0 6 82J/k g=2 5.7 4 J/k

23、 g于是 匕=(1 9 2.0+2 5.7 4)J/k g =2 1 7.7 J/k g泵的轴功率为,2 1 7.7 x 2 x 1 0、，N=W w/n=-W=1.7 3 k Ws c 3 6 0 0 x 0.7流体输送管路的计算习题2 0 附图2 0.如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为1 0 0 mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端1 5 m 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 2 0 m。(1)当闸阀关闭时,测得R=6 0 0 m m、a=1 5 0 0 mm；

24、当闸阀部分开启时，测得R=4 0 0 m m、6=1 4 0 0 mm。摩擦系数2 可取为0.0 2 5,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多少水(n?)?(2)当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少P a(表压)。(闸阀全开时2 心1 5,摩擦系数仍可取0.0 2 5。)解：(1)闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面1-r 与测压点处截面2-2 间列机械能衡算方程，并通过截面2-2-的中心作基准水平面，得g z,+与+R=gz/4+必+Z*(a)2 p 2 p式中“=0(表)p2=pU ig R-pUMg R=(1 3 6 0 0 x 9.8 1 x 0.4 -1 0 0

25、 0 x 9.8 1 x l.4)P a =3 96 3 0 P a (表)Z，b2=。，Z2=0Z|可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知pHg(Z+h)=PHggR(b)式中 h=l.5 m,7?=0.6 m将已知数据代入式(b)得_ _(1 3 6 0 0 x 0.64 -1 0 0 0-1.5 m =6.6 6 m弓+=2.1 3 d=(0.0 2 5 x 1 +0.5)q =2.1 3”；将以上各值代入式(a),即9.8 1 X6.6 6=6+沙 吧 +2.1 3 见2 1 0 0 0解得=3.1 3 m/s水的流量为 匕=3 6 0 0：/%

26、=(3 6 0 0 x 0.7 8 5 x 0.1 2 x 3.1 3)m 7 s =1.4 3 m /s(2)闸阀全开时测压点处的压力在截面i-r 与管路出口内侧截面3-3.间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面,得2 P 2 p式中 z j=6.6 6 m,Z 3=0,孙尸0，pi=p3I%+或)4=10025(-+15)+0.5 径=4.81”；d 2|_ 0.1 J 2将以上数据代入式(c),即9.81X6.66=%./g=6m (题给)Pg即 工=处K =6 X 9.81 J/kg=58.56 J/kg-d 2(a)4陋空=0.0106犷6 0 x-(/24将“b代 入 式(a

27、),并简化得5=2.874x10 7 九(b)4 与 R e及 e/d有关，采用试差法，设 2=0.021代 入 式(b),求出力0.0904m。下面验算所设的A值是否正确：e/d=0.05x1()7/0.0904=0.000553ub=0.0106,0.09042 m/s=L3m/s10 水物性山附录查得片 1000 kg/n?,=i30.77Xl(y5Pa-sRe=c/wbp/0.0904x 1.3x1000Q/(l 30.77 xl0-5)=8.99x104由 e/d 及 R e,查得 2=0.0 2 1故 d=0.0 90 4 m =90.4 m m2 2.如本题附图所示，自水塔将水送

28、至车间，输送管路用例1 4 m m x 4 m m 的钢管，管路总长为1 90 m（包括管件与阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于出水口 1 5 m。设水温为1 2 C,试求管路的输水量解:在截面1 -1 和截面2 -2 之间列柏努利方程式,得2 2p 2 p 2习题2 2 附图/?,=1.0 1 3 3 x l 05P a；p2=1.0 1 3 3 x l 05P a；Z2-Z=1 5.0 m；产 0半=g(4 -Z?)-Z4=9.8 x 1 5-4 杉+y+”=2 94_ I 2 94 -%-(1 7 92.4 5 9+1.5)采用试差法，假设2 =2.5 7

29、 m/sJ).106X2.57X999.8=2 19C将 式(f)、(d)代 入 式(b),得=1 1.58：BC+5.8 6 嗑。=1 7.4 4 嗑 bc=b,B c，并以E每值代入式(a),解得 b,B C=2.4 5 m/s(a)(b)(c)(d)(e)(f)兀故 c=3 6 0 0 X -X 0.0 3 22 X 2.4 5 m3/h=7.1 0 m3/h4（2）当所有阀门全开时，两支管的排水量根据分支管路流动规律，有+争 自+功.庆.=%+春+黄 2%.两支管出口均在同一水平面上，下游截面列于两支管出口外侧，于是上式可简化为。以=仅 士 尹+品1 2 5=(0.0 3 x-+l0.

30、0 3 2皿=（急+D 竽=侬9.2，+0.5）嗑。将值代入式C）中，得6.3 6 ：8 c =(2 6 9.2 2+0.5)；8O（b）分支管路的主管与支管的流量关系为 力 8 b X 6 =d B cb.BC+BDUb、8。0.0 3 8 2%=0.0 3 22wb B C+0.0 2 6 S/bB D上式经整理后得=0.7 0 8 wb+0.4 6 9 b,8 o(c)在截面1 .与 C-C同列机械能衡算方程，并以G C 为基准水平面，得乡+鼻+包=-+争 立+Z 4 (d)2 P 2 p上式中 Z|=ll m,z c=0,z/bi O-W b.c O上式可简化为Z%=ZG+Z%.=1

31、0 7.9 J/kg刖已算出 X A-J O=2 3.1 5 z r Z仅=6.3 6 ；R因此 2 3.1 5 L+6.3 6 嗑 c =1 0 7.9在 式(b)、(c)(d)中,bX 8、b,8 C、b 网)即2 均为未知数，且 又为b,8 的函数，可采用试差法求解。设b,6 o=L 4 5 m/s,贝 IJR_e =C.bP/4 =-0-.-2-6 x1.4 5 x1 0 0 0 ._ _A A,0.1 5 八 3。xi0-3-=3 7 7 0 0 e/d=0.0 0 5 8查摩擦系数图得2=0.0 3 4。将丸与b,B D 代 入 式(b)得6.3 6 z/；=(2 6 9.2 x

32、0.0 3 4 +0.5)xl,4 52解得 wb.B c =l.7 9 m/s将b,8。、b 班 值 代 入 式（c）,解得b,A B =(0-7 0 8 X 1.7 9 +0.4 6 9 x 1.4 5)m/s=1.9 5 m/s将b e 外品值 代 入 式 左侧，即2 3.1 5 xl.9 52+6.3 6 x1.7 92=1 0 8.4计算结果与式(d)右侧数值基本相符(108.4 107.9),故 W.B D 可以接受，于是两支管的排水量分别为KBC=3 6 00 x ；x 0.03 22 x 1.7 9 m/h =5.18 m/hKBC=3 6 00 x；x 0.0262 x 1.

33、4 5 m3/h =2.7 7 m3/h2 4.在内径为3 00 m m 的管道中，用测速管测量管内空气的流量。测量点处的温度为20 ,真空度为5 00 P a,大气压力为9 8.6 6 X 1()3 P a。测速管插入管道的中心线处。测压装置为微差压差计，指示液是油和水，其密度分别为8 3 5 k g/n?和 9 9 8 k g/m3 ,测得的读数为100 m m。试求空气的质量流量(k g/h),解：AP=(/?A-pc)g7?=(9 9 8 -8 3 5)x 9.8 x 0.I P a =15 9.7 4 P a查附录得，20,101.3 k P a 时空气的密度为1.203 k g/n

34、?,黏度为1.8 1x l(y5 pa.s ,贝 l j 管中空气的密度为p =1.203 x 98北 3。5 k g/m，=1.16 6 k g/m3“max=J 型=J2x 15 9.7 4/1.16 6 m/s =16.5 5 m/sRe0.3 x 16.5 5 x 1.16 61.8 1X 105二 d%P=3.19 8 x 10$查 图 1-28,得=0.8 5maxu=0.8 5 曲=0.8 5 x 16.5 5 m/s =14.07 m/sW.=14.O 7 x O.7 8 5 x O.32x l.l 6 6 k g/h =11.15 9 k g/h P2 5.在0 3 8 m

35、m x 2.5 mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4 m m,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力差，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6 00 m m,试计算管中甲苯的流量为多少(k g/h)?解：已知孔板直径4=16.4 m m,管径4=3 3 m m,则4/4=(4/4)2=(0.016 4/0.03 3)2=0 24 7设ReRe。,由教材查图1-3 0得 C=0.6 26,查附录得20 甲苯的密度为8 6 6 k g/n?,黏度为0.6 X 10-3P a s,甲苯在孔板处的流速为。二Q产尸=0.6 26

36、产巫耍匹西m/s =8.24 m/sj r甲苯的流量为 匕=3 6 00。4/?=3 6 00 x8.24 x-x 0.01 6 42 k g/h =5 4 27 k g/h检 验 双 值，管内流速为bl16.4 3-I x 8.24 m/s =2.04 m/s八 ,0.03 3 x 2.04 x 8 6 6 小 oRe d,p U=-=9.7 2x 10 R ec,0.6x10-3 c原假定正确。非牛顿型流体的流动2 6.用泵将容器中的蜂蜜以6.28 X l(y3 m3/s流量送往高位槽中，管路长(包括局部阻力的当量长度)为20m,管径为。m,蜂蜜的流动特性服从幕律.。恃密度=125 0 k

37、 g/n?,求泵应提供的能量(J/k g),解：在截面1-1和截面2-2之间列柏努利方程式,得A+.+gz1 +=-+-+gZ2+/7rpx=1.013 3 x l 0sP a；p2=1.013 3 x l 05P a；Z j-Z,=6.0m；“产 0；2 0%=g(z?-4)+2%=9.8 x 6-%/+生=5 8.8 T里d 2/、26.28 x l”0.1；【4 J2=5 8.8-6 4 2A=64K3 +14 w n-2I-8 -1=6 4 x 0.05 x1 pdn3 x 0.5 +14 x 0.5 5 N Q0.5-2UU g0.5-l125 O X O.105=3.2x l 2.

38、50-50.8-15125 01 3 9 88 5=3.2X3.5 4X-x 0.3 5 4 =0.004 5125 0Wc=5 8.8-6 4/1=(5 8.8 -6 4 x 0.004 5)J/k g=5 8.5 I J/k g第 二 章 流体输送机械1.用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵之前 A、C两压力表的读数相等。启动离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为3 9 m 3/h,此时泵的压头为3 8 m。已知输油管内径为100 m m,摩擦系数为0.02；油品密度为8 10k g/m 试 求（1）管路特性方程；（2）输油管线的总长度（包括所有局部阻力当

39、量长度）。习 题 1 附图解：（1）管路特性方程甲、乙两地油罐液面分别取作1-1 与2-2,截面，以水平管轴线为基准面，在两截面之间列柏努利方程，得到H=K+Bq：由于启动离心泵之前PA=PC,于是K =AZ +包=0Pg则 H=Bq：又 乩=3 8 mB=3 8/（3 9）2 h2/m5=2.5X 10-2 h2/m5则 上=2.5x 10%；（央的单位为m 3/h）（2）输油管线总长度d 2 g m/s=1.3 8 m/s于是Au2 x 9.8 1x 0,1x 3 80.02 x 1.3 82m=l 9 6 0 m2.用离心泵（转速为2 9 00r/m in）进行性能参数测定实验。在某流量

40、下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为6 0 k P a 和 2 2 0 k P a,两测压口之间垂直距离为0.5 m,泵的轴功率为6.7 kW。泵吸入管和排出管内径均为8 0 m m,吸 入 管 中 流 动 阻 力 可 表 达 为=3.0；（i为吸入管内水的流速，m/s）。离心泵的安装高度为2.5 m,实验是在2 0,9 8.1 k P a的条件卜进行。试计算泵的流量、压头和效率。解：（1）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面），得到=g 4 +a+，+P L将有关数据代入匕式并整理，得3.5M.2=60X10-2.5X9.81=35.481000ux

41、=3.184 m/s贝 ij X 0.082 x 3.184 x 3600)m3/h=57.61 m3/h(2)泵的扬程H=H i+2 +0 =（3）泵的效率=(60+220)x1()3 0 51000 x9.81,m=29.04m出 叱=29.04X57.61X1000X9.81X1 Q()%=6 8%1000P3600 x1000 x6.7在指定转速下，泵的性能参数为：4=57.61 nr7h=29.04 m P=6.7 kW =68%3.对于习题2 的实验装置，若分别改变如下参数，试求新操作条件下泵的流量、压头和轴功率（假如泵的效率保持不变）。（1）改送密度为1220 kg/n?的 果

42、汁（其他性质与水相近）；（2）泵的转速降至2610 r/min。解：由习题 2 求得：4=57.61 n?/h 27=29.04 m 尸=6.7 kW（1）改送果汁改送果汁后，q,不变，P 随p 加大而增加，即（1220AP/=P =6.7x1.22kW=8.174kW11000J（2）降低泵的转速根据比例定律，降低转速后有关参数为q，=57.61义()m3/h=51.85 m3/h/T=29.04x(丝m=23.52md(X)()kw=2.66 k W1 0260 x 1 02x 0.8 1习题7|张 俵2qc/(m3/mi n)00.10.20.30.40.5He/m1 2.01 2.81

43、 5.21 9.224.832.0注意：在低流量时，g 曲线出现峰值。8.用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠，两液面维持恒差8.8 m,管内流动在阻力平方区，管路特性方程为乩=8.8 +5.2乂10 5 d（随的单位为m3/s）单台泵的特性方程为=2 8-4.2 x 1 0 5/（g 的单位为 n?/s）试求泵的流量、压头和有效功率。解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的小H,进而计算几。管路特性方程&=8.8+5.2 x 1 0，；泵的特性方程 =2 8 4.2 x 1 0 5/联立两方程，得到 =4.52 X 1 0?m3/s 4=1 9.42 m贝 I =1 9.42 x 4.5

44、2 x 1 0-3 x 1 0 0 0 x 9.81 W=8 6 1 W9.对于习题8的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题8相同）组合操作，试求可能的最大输水量。解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。（1）两台泵的并联8.8+5.2 x l 052=2 8-4.2X1 05（1）2解得：7oCm 115-36In55-22“一 Q _ 30000 X 4.174X103X(36-22)K-=-W/(m2-)=231W/(m2)3600 x40 x52.7求清洗后传热系数K由热量衡算%qo-t)=%cp,一 gwcwhc hh p.h F)=T、-（/：-/,）=11

45、5-（40-22）=37.9（115-40）-（37.9-22）OC=3 8 JO Cra,115-4037.9-22K=30000 x4.174x10*4。-22）刈E.。可=410.8 W/（m?.空）3600 x40 x38.1/清洗前两侧的总传热热阻y&=-5-=|-.!|m2-/W=1.9xlO 3 m2-/W乙 s K K（231 410.8；7.在一传热面积为25 m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28 000kg/h,其温度山25 升至38,平均比热容为4.17 kJ/（kg，C）。有机溶液的温度由110 降至65,平均比热容为1.72 kJ/（kg

46、，C）。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。解：Cpc=4.17 kJ/（k g-r）Q=%q.&F)=ovvvx 4 1 7X1 03 X(3 8_25)W=4.22X105W3600)求 M有机物 110 65水 38-25Nt7240t72-40 72In 一40=54.4我 _ 4.22x105-25x54.4W/(m2-)=310.3W/(m2)W.=-r K=4.22X1051.7 2X103X(110-6 5)kg/s=5.452 kg/s=1.963x10 kg/h8.在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶

47、剂。冷却水的流量为10 000 kg/h,其初始温度为30,平均比热容为4.174 kJ/（kg C）。有机溶剂的流量为14 000 kg/h,温度由180 降至120,平均比热容为1.72 kJ/（kg，C）。设换热器的总传热系数为500W/（m2-r）,试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。解:Q=WC pk（T,-7；）=14000 x 1,72x（180-120）kJ/h=1.4448x 106 kJ/h=401.3kW冷却水的出口温度为Q_(1,4448X106+t,-1 10000 x4.174+30 =64.61逆流时Arm_(180-6

48、4.61)-(120-30)in1 8 0-6 4 6 1120-3025 39=-=102.2In-:90Q 401.3X103-=-mK Z,500 x102.2m=7.854m2并流时(120-64.61)-(180-30)94.61，m=,120-64.61=,55.39Inin180-30 150Q 401.3x1()3 =-m-K tm 500 x94.97=8.452m29.在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。己知苯蒸汽的体积流量为1 600 m 3/h,常压下苯的沸点为80.1,气化热为394 kJ/kg。冷却水的入口温度为20,流量为35 000

49、k g/h,水的平均比热容为4.17 kJ/（kg，C）。总传热系数为450W/（m2，C）。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。解：苯蒸气的密度为PM 1X78,3 /3p=-=-7-；kg/m=2.692 kg/mRT 0.08206x（273+80.1）Wh=1600 x 2.692 kg/h=4307.2 kg/hQ=Why=4307.2x394kJ/h=1.697xlO6 kJ/h=4.71xlO5W=35000 x 4 1 7 x l(),_2o)=4.71xlO53600解出 4=3L 6 求k苯 80.1 80.1水 31年 20t 48.5 60.160.1-48.

50、5In6 048.5=54.1QS4.71X105 2-n r450 x54.1=19.3m210.在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30,出口温度为65 油在管程流动，进口温度为120 C。出口温度为75 C,试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油120-75水6 5 s30t5545二颂一冬In-5 5-4 5 55In45=49.8计算P及 夫p=b LIf6 5-3 0120-30=0.389120-756 5-3 0=1.286R亭查图5-11(a)得%=0.875A/m=0.875 x 49.8 =43.611.某生产过程中需用冷却水将油从10

51、5 冷却至70 已知油的流量为6 000k g/h,水的初温为22,流量为2 000 kg/h。现有一传热面积为10 n?的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：（1）两流体呈逆流流动；（2）两流体呈并流流动。设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300W/（m2，C）；油的平均比热容为1.9k J/(k g),水的平均比热容为4.17 k J/(k g，C)。热损失可忽略。解：本题采用-N 7 U 法计算(1)逆流时%一鬻及 W/S3166.7W/。翳 R7XU W/*2 3 1 6.7 W/OC需 3 3 2(N“全 韶”295查 图 得=0.622。=-4)=0.6

52、 22X 23 16.7 X(10 5-22)W =1.19 6X105WT,=T、一一畋2 J =L 10 5-3916W6.7 J=6 7.27 0 能满足要求(2)并流时CR=0.732(N TU L=L295查 图 得=0.5260 =O.526X23 16.7X(1O 5-22)W =1.O 11X1O5W1052_.1011xl0l =7 3.1604 0.02Re、P r及二值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算a。4水被加热，取=0.4,于是得=0.023 Re,s Pr04=0.023 x 0-6 1 7 6 x(3.73x 104)8 x5.4204

53、W/(m2 )=6345 W/(m2)d.0.021 4.温度为90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流过直径为。57m m x3.5m m,弯曲半径为 0.6 m 的蛇管换热器而被冷却至30,试求甲苯对蛇管的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为宣 皿=胆 双。C=6022由附录查得60 时甲苯的物性为p=830kg/m G=1840J/(kg C),0.4x10 Pa-s,2=0.1205 W/(m-),P r =5A=1840 x0.4xlQ-=6 J 1A0.1205则b=w1500冗 冗p-d-3600 x 830 x x 0.054 1 4m/s=0.256 m/s2Re=0.05x

54、0.256x8300.4x1 O-3=26539(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=a(l+1.77，)式中 优 一弯管中的对流传热系数，W/(m2.)；a 直管中的对流传热系数，W/(m2.)：d管内径，m；R-管子的弯曲半径，m。a =0.023 Re08 Pr04d,=0.023x|x26539.3o 8 x6.1104 W/(m2)=395.5 W/(m2)a =+1.77%=395.5 x(1+1.77 x 舞)W/(m2 )=35.6 W/(m2 )15.压力为101.3 kPa,温度为

55、20 的空气以60 m3/h 的流量流过直径为057mmx3.5mm，长度为3 m 的套管换热器管内而被加热至80,试求管壁对空气的对流传热系数。解：空气的定性温度为山附录五查得50 时空气的物性为p=1.093 kg/m3,Q=1005 J/(kg-),/=1.96xlO_5Pa-s,A=0.0283 W/(m ),PD.698则 wb=-=-m/s=8.50 m/sp d：3600 x x 0.0524 4小等=笞磊詈=23679.5(湍流)6Z =0.023 Re08 Pr044=0.023x 3 x(23679.3)08 xO.69804 W/(m2)=35.6 W/(m2)16.常

56、压 空 气 在 装 有 圆 缺 形 挡 板 的 列 管 换 热 器 壳 程 流 过。已知管子尺寸为038m m X3 m m,正方形排列，中心距为51 m m,挡板距离为1.45 m,换热器外壳内径为2.8m,空气流量为4xl0，m、/h,平均温度为140,试求空气的对流传热系数。解：由附录五查得140。(2 时空气的物性为p=0.854 kg/n?,1013 J/(kg-),/=2.37xl0 5Pa-s,2=0.0349 W/(m ),产，=0.694采用凯恩（K e m）法，即M/=0.3 6 R e p p/3 /或 二=0.3 6&（虫2）”叫4严4 4 4（5-6 3）（5-6 3

57、。）传热当量直径 可根据管子排列情况进行计算。管子为正方形排列，则4(予)式中一 相邻两管的中心距，m；。一管外径，m。代入，和4得4 p2 4 0.0 5 12-x O.O 3 821de=-=-m =0.0 4 9 mTtdo 7 i x 0.0 3 8式5-6 3及式5-6 3 a中的流速u可根据流体流过管间最大截面积A计算，即式中 z一两挡板间的距离，m；D一换热器的外壳内径，mo代入z、D、，和 得子卜.4 5 X 2,8 X(1-瑞卜”(W“=匕=4 X 1。4 m/s =1 0.7 4 m/sA 3 6 0 0 x 1.0 3上述式中的外对气体可取为l.O oa =0.3 6 4

58、（4吆 严p严（W 严4 ，=0.3 6 x%49 x(。4 9*1。.74X 0.854 x0 684v 3 w/(m2.)=5 0,8 W/(m2.)0.0 4 9 1 2.3 7 X 1 0-5 J M M 1 7.将长和宽均为0.4 m的垂直平板置于常压的饱和水蒸气中，板面温度为9 8 ,试计算平板与蒸汽之间的传热速率及蒸汽冷凝速率。解：水的定性温度为/=工+&=98+10。=99oC2 2由附录六查得9 9 时水的物性为2 =9 5 8.5 k g/m3,.=4 2 2 0 J/(k gC),/z=2 8.4 1 x l 0-5 P a-s,1=0.6 8 3 W/(m),P r=1

59、.7 6 2由附录八查得1 0 0 时饱和蒸气的物性为r-2 2 5 8 k J/k g,p、=0.5 9 7 k g/m对于此类问题，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜为层流，由式5-1 3 5得%1/47 I J9 5 8.5 x(9 5 8.5-O.5 9 7,)x 9.8 1 x 2 2 5 8 x l()3 x O.6 8 3,一|_ 2 8.4 1 x 1 0-5 x0.4 x(1 0 0-9 8)=1.4 6 8 x l 04 W/(m2)1/4W/(m2)核算冷凝液流型，山对流传热速率方程计算传热速率，即Q =a S(t-/w)=1.4 6 8 x 1 x 0.4 x

60、 0.4 x 2 x (1 0 0 -9 8)W =9 3 9 5 2 W冷凝液的质量流率为w =-=9 3 9 5 2丁 卜8人=4.16 x k g/sr 225 8 x l O5单位长度润湿周边上的凝液质量流率为=/=：k g/s=5.2x 10-2 k g/(m .s)则R er4_ 4 x 5.2x 10-2万一 0.3x 10-3=6 9 3,3 18 00故假定冷凝液膜为层流是正确的。1 8.常压水蒸气在一0 2 5 m m X 2.5 m m,长 为3 m,水平放置的钢管外冷凝。钢管外壁的温度为9 6 ,试计算水蒸气冷凝时的对流传热系数。若此钢管改为垂直放置，其对流传热系数又为

61、多少？由此说明工业上的冷凝器应如何放置？解：由附录查得，常压水蒸气的温度为100定 性 温 度=%上 虫=1 0-9 6 =9 8 2 2由附录查得在9 8 下，水的物性为：/?=9 6 0.7 8 k g/m3；/I =0.6 8 22 W/(m2)；r =226 1.08 k J/k g;n=29.03x I O-5P a s水平放置a =0.7 258 2g 2也 21/4=0.7 25226 1.08 x 103 X 9 6 0.7 8 2 x 9.8 1x 0.6 8 22,29.03 x 1 O-5 x 0.025 x 4=17 5 30 W/(m2)垂直放置W/(m2)1/4a=

62、lA3=1.13R2 g尤juLt2261.08x IO3 X960.782 x 9.81 xO.6822329.03x10-5x3x4=7427 W/(m2 )通过上述计算可知，工业上的冷凝器应水平放置。1 9.两平行的大平板，在空气中相距10 mm,一平板的黑度为0.1,温度为400 K：另一平板的黑度为0.0 5,温度为300 K。若将第一板加涂层，使其黑度为0.025,试计算由此引起的传热通量改变的百分数。假设两板间对流传热可以忽略。解：第一板加涂层前因是两平行的大平板，则0 =1;G-2 =一一=.+2=W/(m2 .K)=0.196 W/(m2 K，)；-1-1J 汽于是第一板加涂

63、层后CM=W/(m。.K)=0.096 W/(m2.K4)-1-1与工空气导热的热通量 104八 c u 4.174x1000 x54.94x10 5Pr=-A 64.78x1 O-2=3.54应用公式5-58a进行计算a =0.023 Re08 Pr044=0.0 2 3 x x 2 1 5 8 2-X3.5304 W/(m2-)=3627W/(m2 )K=i-r=-j-Q-河 W/(n?.)=772.4W/(m2.),一 +工 +R%，+23 +6x10-4 x 仝a0 d,a,d.5000 20 x3627 20(2)Q=K SMm=JVCpc(t2-tl)(a)(b)(b)式+(a)式

64、，得K2m/I1 2 T lt?IT t,InK=G F 乂/I T 2-J T -G-i,TT、In-7T-t2ln1 F 133.3-20in T：r In-K=:2 K=：次7724 W/(m2),T-t,133.3-20/v 7In L InT-t2 133.3-80=596.2 W/(m2-)K=-1 4-4d。d。1 25 n 25 +-+-+七乂一d a s,d.5000 20 x3627 s,20=596.2W/(m2)R：=1.2x10-3 m2,oC/w2 1.在一套管换热器中，用冷却水将4 500 kg/h的苯由80 冷却至35 C,；冷却水在025mmX2.5 mm的内

65、管中流动，其进、出口温度分别为17 和 47 C。已知水和苯的对流传热系数分别为850 W/(m2/C)和 1 700 W/(m2-),试求所需的管长和冷却水的消耗量。解：苯的定性温度%=上 口 =80-3 5 =57.5m,2 257.5。时苯的定压热容为1.824 kJ/(k g-r)水的定性温度m2手。C R C227。时水的定压热容为4.176 kJ/(k g-r)冷却水的消耗量。=叫(心)=%，出7)匕=匕c浊g-7 JCpc(G )4500 x1.824x(80-35)4.176x(47-17)kg/h=2948 kg/h管长Q=K Stm=Whcp-T1)K=-!-=W/(m2)=485.7w/(m2)_ I_ 5_ _ Iao dxa.1700 20 x8504m=m颔 一(：一 C=24.75C 80-47In35-17c叫 C浊 亿 一 乙)4500 xl.824xl03x(80-35)2.2S=-:-=-m=8.535mKAtm 3600 x485.7x24.752 2.某炼油厂拟采用管壳式换热器将柴油从176C冷却至65。柴油的流量为9800kg/h。冷却介质采用35的循环水。要求换热器的管程和壳程压降不大于30kPa,试选择适宜型号的管壳式换热器。解：略