化工原理(上)課后習(xí)題解柴誠敬

cm1mlb1BTUcm1mlb1BTU–5cm習(xí)題解答緒

論1.從本單位換算入手，將下列物理量的單位換算為SI單。（1）水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)（2）密度ρkgf?s/m（3）某物質(zhì)的比熱容=0.24BTU/(lb·℉)（4）傳質(zhì)系數(shù)Kkmol/(m?atm)（5）表面力σ=74（6）導(dǎo)熱系數(shù)λ=1kcal/(mh?℃)解：本題為物理量的單位換算。（1）水的黏度基本物理量的換算關(guān)系為kg=1000g，1則

0.00856

g

8.56kg（2）密度基物理量的換算關(guān)系為kgf=9.81，1N=1?m/s

則

m

s1kgf

m（3）從附錄二查出有關(guān)基本物量的換算關(guān)系為BTU=1.055kJ，lkg

F

59

則c

BTU1lb

1.005kJ

（4）傳質(zhì)系數(shù)基物理量的換算關(guān)系為，1則K34.2

kmol

kmol

（5）表面力基物理量的換關(guān)系為dyn=1×101m=100cm則

N

7.4N（6）導(dǎo)熱系數(shù)基物理量的換算關(guān)系為kcal=4.1868×10，1s

m3600sft3m3600sft3則kcallJ

．亂拉環(huán)的填料塔用于精餾操作時，等板高度可用面經(jīng)驗公式計算，即HA

G

LL式中—板高度ft—相質(zhì)量速度lb/(fth)；—徑，ftZ—每段（即兩層液體分布板之間）填料層高度ftα—相對揮發(fā)度，量綱為一；—液相黏度cP—液相密度lb/ftA、、為數(shù)對25的拉西環(huán)，其數(shù)值分別為0.57與。試將上面經(jīng)驗公式中各物理量的單位均換算為單。解面驗公式是混合單位制體黏度為物理單位制其余諸物理量均為英制。經(jīng)驗公式單位換算的基本要點是出式中每個物理量新舊單位之間的換算關(guān)系出理量“數(shù)字”的表達(dá)式，然后代入經(jīng)驗公式并整理，以便使式中各符號都變?yōu)樗Ｍ膯挝?。具體換算過程如下：（1）從附錄查出或計算出經(jīng)驗式有關(guān)物理量新舊單位之間的關(guān)系為1lbft

1.356

kg

（見1）α量綱為一，不必?fù)Q算lbft

1kg

3.2803ft1m

3

=16.01(2)將符號加上“′”以代表新單位的符號，導(dǎo)出原符號的“數(shù)字”表達(dá)式。下面以為例：Hft

m則

m3.2803ftftftm

3.2803同理

G3.2803DZ

737.5GLL

1

t764.33kgt764.33kgLL

16.010.06246

L(3)以上關(guān)系式代原經(jīng)驗公式，得H0.57

737.5G

Z

1000LL

整理上式并略去符號的上標(biāo)，便得到換算后的經(jīng)驗公式，即HAG

LL第一章流流動流的要質(zhì)．某氣柜的容積為6，若氣柜的表壓為5.5，溫度為40℃已知各組分氣體的體積分?jǐn)?shù)為：、、CO、CO、CH大氣壓力為101.3，試計算氣柜滿載時各組分的質(zhì)量。解：氣柜滿載時各氣體的總摩爾數(shù)t

313

mol各組分的質(zhì)量：mm

nMt20%nt

40%2kg28kg1378.97kgmm

nttnMt

28kg7%39.4kg．若將密度為830kg/的與密度710kg/油的密度。設(shè)混合油為理想溶液。解：m120kgt

的油各60kg在一起，試求混合60830

120tkg

t流靜學(xué)．已知甲地區(qū)的平均大氣壓力為kPa乙地區(qū)的平均大氣壓力為101.33，甲地區(qū)的某真空設(shè)備上裝有一個真空表，其讀數(shù)為。若改在乙地區(qū)操作，真空表的

讀數(shù)為多少才能維持該設(shè)備的的絕對壓力與甲地區(qū)操作時相同？解）設(shè)備絕對壓力絕壓大氣壓-空85.3（2）真空表讀數(shù)

65.3kPa真空度大壓-壓=101.3365.3

36.03kPa．某儲油罐中盛有密為960kg/m的油（如附圖所示面高時離罐底9.5，油面上方與大氣相通。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760的孔，其中心距罐底1000，孔蓋用14的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作壓力為，問至少需要幾個螺釘（大氣壓力為Pa）？解：由流體靜力學(xué)方程，距罐底處流體壓為p101.31.813Pa（絕壓）作用在孔蓋上的總力為πp)＝101.34每個螺釘所受力為

Nπ4因此

N6.093

NF

5.95習(xí)題4附

習(xí)題附圖本附圖所示床反應(yīng)器上裝有兩個壓差計分別為=500指液為水銀為止銀蒸氣向空間擴(kuò)散右側(cè)的管與大氣連通的玻璃管灌入一段水，其高度R。試求、兩的表壓力。解）A點壓力gRgR9.819.810.08A（2）B點壓力

（表）習(xí)題附圖

A101.3A101.3gR7.836（）．如本題附圖所示，水在管道流動。為測量流體壓力，在管道某截面處連管差計，指示液為水銀，讀數(shù)，h=800。防止水銀擴(kuò)散至空氣中，在水銀面上方充入少量水，其高度可以忽略不計。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮毫閗Pa試求管路中心處流體的壓力。解：設(shè)管路中心處流體的壓力為根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式，

pA

A則

p+gh汞

ap10000.8136000.180.132kPa．某工廠為了控制乙炔發(fā)生爐的壓力不超過kPa（表壓外一安全液封又水封）裝置，如本題附圖所示。液封的作用是，當(dāng)爐壓力超過規(guī)定值時，氣體便從液封管排出。試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽水面下的深度h。解：

水

流流概

水

習(xí)題附8.密為的液體經(jīng)一徑為60的道輸送到某其均流速為0.8m/s求該液體的體積流量/h量流量（kg/s和質(zhì)量通[·s)]解：VuA

d0.844

3600ms

3.14d0.80.064

kgs2.26kgsGu

1000

m

．在實驗室中，用徑為的璃管路輸送的醋酸。已知質(zhì)量流量為。試分別用用SI和米克秒單位計算該流動的雷諾數(shù)，并指出流動型態(tài)。解：（1）用SI單計算查附錄70%醋酸在20時

1069kgm

，

2.50

10

u6040.015m0.882msRe

0.0152.5

5657為湍流。

33（2）用物理單位計算，0.0251.5cm，mRe

1.588.21.069．有一裝滿水的儲槽，直徑1.2，高3。由槽底部的小孔向外水。小孔的直徑為4，得水流過小孔的平均流速u與水面高z的關(guān)系為：0.622試求算（）放出水所需的時間（設(shè)水的密度為1000若槽中裝滿煤油，其它條件不變，放出煤所需時間有何變化（設(shè)煤油密度為）解：放出水液面高度降至z，

10.785

由質(zhì)量守恒，得w

M

，w

0

（無水補(bǔ)充）2

（為小孔截面積）

(A為槽截面積)故有

0.62

dz0d即

AA上式積分得

2A(0.622A

z

)210.04

2.11512

126.4s11如本題附圖所示，高位槽的水位高于地面7，從108的管中流出，管路出口高于地面1.5。知水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按∑h=5.5計算，其中u水在管f的平均流速m/s流動為穩(wěn)態(tài)，試計算）-'處的平均速水的流量（m/h解：（1）-'處的平均流速在高位槽水面與管路出口截面之間列機(jī)械能衡算方,ppgzu

f

（1）式中=7m，，p（表壓）z，p（表壓代入式（）得19.81u2

u

df2df23.0m（2）水的流量（以/h計V3.0

4

s84.78m

h習(xí)題附圖

習(xí)題附．20℃的水以2.5的平均流速流38的水平管，此管以錐形管與另一φ53的平管相連。如本題附圖所示，在錐形管兩側(cè)、處插入一垂直玻璃管以觀察兩截面的壓力。若水流經(jīng)兩截面間的能量損失為1.5J/kg，兩玻璃管的水面差（以計在本題附中畫出兩玻璃管中水面的相對位置。解：在A、兩面間列機(jī)械能衡算方程ppgzuf式中z=，u

3.0su

0.003

ms1.232m∑=1.5J/kgfp

hkg故

p

0.8669.81m

0.0883m

．如本題附圖所示，用泵儲罐的有機(jī)混合液送至精餾塔3的部進(jìn)行分離已知儲罐液面維持恒定，其上方壓力為10。體密度為kg/m

。精餾塔進(jìn)口處的塔壓力為，料高于儲罐的液面，送管道直徑φ，料為/h。料液流經(jīng)全部管的能量損失為J/kg，求泵的效功率。

習(xí)題附圖解：在截面A

和截面B-

之間列柏努利方程式，得

u2

f

p1.0133Pa；p；Z8.0m；u

h70kgfu

3.14d4

203600

s1.966ms

2

fkg2kg175Jkgw203600173W768.9W14本題附圖所示的貯槽徑，底與徑d為的管相連，槽無液體補(bǔ)充，其初始液面高度為2（管子中心線為基準(zhǔn)體在管流

習(xí)題14附動時的全部能量損失可按∑huf槽液面下降時需的時間。解：由質(zhì)量衡算方程，得

計算，式中的u為液體在管的平均流速求當(dāng)W

dd

（1）W，W

（2）dMdd4d將式（2入式（）得πhuD4

）即

dd

（4在貯槽液面與管出口截面之間列機(jī)械能衡算方程u2f即

gh

uu2f

u20.5或?qū)懗?/p>

20.59.81

0.692h

（5）式（）與式（5）聯(lián)立，得0.692h

)0.032d即

1212urri.c.積分得

θ，h=2m；θ，hs4676s1.3h動傳現(xiàn)與流阻．某不可壓縮流體在矩形截面的管道中作一維定態(tài)層流流動。設(shè)管道度，高度y，y，道長度為，兩端壓力降為，根據(jù)力的衡算導(dǎo)出）剪應(yīng)τ隨高度y（自中心至任意一點的距離變化的關(guān)系式通道截面上的速度分布方程平均流速與最大流速的關(guān)系。解）由于b>>y,近認(rèn)為兩板無限寬，故有

()（1bL（2）將牛頓黏性定律代入）得

dd

L上式積分得u

2

C

（2）邊界條件為y=0u=0，代入式（2中，得=-

因此

(

y

)

（3）（3）當(dāng)=，=故有u再將式（）寫成

y)y

（4）根據(jù)的定義，得11y2uA)duAAy16不可壓縮流體在水平圓管中作一維定態(tài)軸向?qū)恿髁?，試證與體流速u相的速度點出現(xiàn)在離管壁0.293r處其中r管半徑剪應(yīng)力沿徑向為直線分布，且在ii管中心為零。解）

rrii

（1）當(dāng)u=時，由式1得r1()r2i解得rri

du122du122由管壁面算起的距離為rrr0.293r）iiii由

r

對式（1求導(dǎo)得durdrri故

24rrr

r

）ii在管中心處r，故τ=0．流體在圓管作定態(tài)湍流時的速度分布可用如下的經(jīng)驗式表達(dá)

r

試計算管平均流速與最大流速之比/。解：

π

2rdr

ru2rdrR令ry則r(1

R

2rdr

y

(1)dyu

y0.817u

18某體以一定的質(zhì)量流量在水平直圓管作湍流流動管長與液體物性不變將管徑減至原來的1/2，因流動阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍？解：流體在水平光滑直圓管中作湍流流動時

f

=f或

f

=

/=f

L

=（

u)()()

式中

，=（）=4dd因此

f2f1

=

(

=32

21又由于

0.316Re=（Re12

)

0

=（

ddu

)

1=)4

0

=（0.5）

故

hh

=32×0.84=26.9．用泵kg/h的液自反應(yīng)器送至高位槽（見本題附圖器面上方保持的真空度，高位槽液面上方為大氣壓。管道為的管，總長為35，線上有兩個全開的閘閥、一個孔板流量計（局部阻力系數(shù)為個標(biāo)準(zhǔn)彎頭。反應(yīng)器液面與管路出口的距離為。泵的效率為0.7，求泵的軸功率液密度為度6.3壁絕對粗糙度可取為0.3

-4解反器液面與路出口側(cè)截面2-2間列機(jī)械能衡算方程，以截面為準(zhǔn)水平面，得

習(xí)題19圖gz式中

upup2fz=0，≈

（1）u4

wd

20.7850.0681073

s1.43Pa()p()將以上數(shù)據(jù)代入式（整理得pW(z)2f1.43=9.81×17++2

25.9

+

ff其中

h（f

LLed

+

）

Re

=

10730.63

d根據(jù)Re與/值查得λ=0.03并由教材可查得各管件、閥門的當(dāng)量長度分別為閘閥（全開=0.86m標(biāo)準(zhǔn)彎頭：2.2×5m故

f

0.860.068

Jkg

=25.74J/kg于是

We

kg泵的軸功率為Nw/e

=

=1.73kW流輸管的算

20如本題附圖所示，貯槽水位維持不變。槽的底部與徑為100鋼質(zhì)放水管相連路裝有一個閘閥，距管路入口端處有以水為指示液的管差計，其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓差計連接管充滿了水，測壓點與管路出口端之間的直管長度為20。（1）當(dāng)閘閥關(guān)閉時，測得、h=1500；閘閥部分開啟時，測得=400、=1400。摩擦系數(shù)

習(xí)題20附

可取為0.025，路入口處的局部阻力數(shù)取為0.5。問每小時從管中流出多少水（）（2）當(dāng)閘閥全開時，管差計測壓處的壓力為多少（壓開時/d15摩擦系數(shù)仍可取0.025解）閘閥部分開啟時水的流在貯槽水面1-1與壓點處截面2-2間列機(jī)械能衡算方程通截面2-2的心作基準(zhǔn)水平面，得uf

（a）式中

表)

10009.8139630Pa（，z可通過閘閥全關(guān)時的數(shù)據(jù)求取。當(dāng)閘閥全關(guān)時靜不動，根據(jù)流體靜力基本方程知

(gR

）式中h將已知數(shù)據(jù)代入式（）z

13600

h

L152.1320.1

將以上各值代入式（

u2

39630+u1000

解得u3.13ms水的流量為V

0.7850.1

3.131.43s（2）閘閥全開時測壓點處的壓在截面1-1與路出口側(cè)截面3-3間機(jī)械能衡算方程，并通過管中心線作基平面，得pp2

f

（c）式中

zz，，phf,1

LLud2

=

350.5

u2

u將以上數(shù)據(jù)代入式（c

-5-5

u2

+4.81

解得u3.13ms再在截面與間列機(jī)械能衡算方程，基平面同前，得pu

f

（d）式中

zz，0=3.51m/sp=0（表壓力）

1.50.50.1

3.51

Jkg26.2kg將以上數(shù)值代入上式，則3.51p9.816.66

26.2解得=3.30×10（壓）．10的水以l/min的量流經(jīng)一長為300的平管，管壁的絕對粗糙度為。6的頭可供克服流動的摩擦阻力，試求管徑的最小尺寸。解：由于是直徑均一的水平圓管，故機(jī)械能衡算方程簡化為pf上式兩端同除以加速度，得p

=

f

（題給）即

f

=

Lu

=6×9.81J/kg=58.56J/kg（a）u

V500ππdd4

0.01062

將代入式a簡化得d

2.874（b）λ與與e/有，采用試差法，設(shè)λ=0.021代式（b出d=0.0904m。下面驗算所設(shè)的λ值否正確：d0.050.0005530.010620.0904

msm10水物性由附錄查得ρ

，

Redu0.090410000

由e/與，查得λ=0.021故d

ffff．如本題附圖所示，自水塔將水送至車間，輸送管路用

的管，管路總長為190包括管件與閥門的當(dāng)量長度但包進(jìn)出口損失水面維持恒定，并高于出水口。水溫為12℃，試求管路的輸水量（/h解面

和截面2

之間列柏努利方程式，得

gZ

習(xí)題22圖p1.0133Pa；l

l

（1）采用試差法，設(shè)m999.8則e=

2.19mm，106圖代入式（）得，u2.57故假設(shè)正確，u2.57s管路的輸水量VA2.57

3.14

0.004

3600m

81.61m

,,f2b,ABcDDf,,,f2b,ABcDDf,23本題附圖所示為一輸水系統(tǒng)，高位槽的水面維持恒定，水分別從與兩管排出高位槽液面與兩支管出口間的距離均為11。AB管徑為38m長為；支的徑為、長為12.5m；支管的徑為、為14m，各段管長均包括管件與閥門全開時的當(dāng)量長度AB與管的摩擦系數(shù)

均可取為0.03。試計）當(dāng)支的閥門關(guān)閉時支

習(xí)題23附管的最大排水量為多少/h所有閥門全開時，兩支管的排水量各為多少/h？（支的管壁絕對粗糙度，可取為0.15mm水的密度為kg/m黏度為解）當(dāng)支的閥門關(guān)閉時，支的最大排水量在高位槽水面1-1與BC支出口側(cè)截面間機(jī)械能衡算方程以面C-C為準(zhǔn)平面得

pu2式中z，，≈，=c故

f

（a）ff,

f,BC

（b）h

Luedu0.5)2

（c）hf,

(0.03

12.5)0.032

5.86u

（d

)

)u

u

（e）將式（e）代入式（）得f,AB

u

BC

u

BC

（f）將式（f入式b）,11.582fb,BC

u2

u2，以h值入式（得f=2.45m/s故V

×0.032/h（2）當(dāng)所有閥門全開時，兩支的排水量根據(jù)分支管路流動規(guī)律，有pgzD2

（a）兩支管出口均在同一水平面上，下游截面列于兩支管出口外側(cè)，于是上式可簡化為f,BC

f,BD

2b,BCcDV=V+Vf2b,BCcDV=V+VfBC

Lue)d212.5(0.036.36u

f,

14u0.0262

(269.2

0.5)

將

值代入式（a中，得2b,BC

(269.2

u2b,BD

（b）分支管路的主管與支管的流量關(guān)系為

ABb,

b,BC

BDb,BD0.038

0.032

b,BC

0.026

b,上式經(jīng)整理后得u

0.708

0.469u

（c）在截面1-1與間列機(jī)械能衡算方程并以-為基準(zhǔn)水平面，得pgzgz2

（d）上式中z，≈0，≈0b,上式可簡化為ff,

f,

kg前已算出

23.15

6.36因此

u

6.36u

107.9在式（bu、u、即λ均為知數(shù)，且又為的數(shù)，b,b,b,b,可采用試差法求解。設(shè)=1.45m/s則b,du

0.15ed0.0058查摩擦系數(shù)圖得=0.034將λ與代式（）得6.36u

0.034

解得

u

1.79s將、u值入式（c得b,b,u

b,AB

1.451.95將、u值入式（d）左側(cè)，即b,b,23.151.956.361.79計算結(jié)果與式d右側(cè)數(shù)值基本相符108.4≈107.9可以接受，于是兩支管的排

-5-3-5-3水量分別為V

1.79

5.18

V0.026

m

．在徑為的管道中，用測速管測量管空氣的流量。測量點處的溫為℃，真空度為500，氣壓力為。測速管插入管道的中心線處。測壓裝置為微差壓差計，指示液是油和水，其密度分別為kg/m和998，測得的讀數(shù)為100。試求空氣的質(zhì)量流量kg/h解：A

0.1Pa

查附錄得，20℃，101.3kPa時氣的密度為1.203，度為則管中空氣的密度為

，1.203

0.5101.3

kg

1.166

2159.741.166ms16.55me

du

1.166

5查圖1-28得u

uu

smsWuA

0.785

1.166hh25在

的管路上裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，孔板的孔徑為，管中流動是20的甲苯，采用角接取壓法管壓差計測量孔板兩側(cè)的壓力差，以水銀為指示液，測壓連接管中充滿甲苯?，F(xiàn)測得壓差計的讀數(shù)為，試計算管中甲苯的流量為多少（kg/h）？解：已知孔板直徑d=16.4mm，管徑，則

設(shè)>，教材查圖1-30得=0.626查附錄得20甲苯的密度為，黏度為。苯孔板處的流速為uC

2gRA

29.81866

s甲苯的流量為VA36008.24

0.0164kg檢驗Re值管流速為

-3f3.14ll58.8nn0.5n0.5-3f3.14ll58.8nn0.5n0.5msu

0.033

9.72

原假定正確。非頓流的動．用泵將容器中的蜂蜜以/s流送往高位槽中，管路長（包括局部阻力的當(dāng)量長度）為，管徑為0.l，蜜的流動特性服從冪律

dy

，密度=1250kg，泵應(yīng)提供的能量J/kg解：在截面

和截面

之間列柏努利方程式，得

gZ

習(xí)題26附p1.0133

Pa1.0133

Pa；6.0m；u

；uWf

u4258.8

K

u0.8n0.05440.51250

12.5

0.81.39883.20.35412501250W58.8640.0045kg第二章體輸送機(jī)械．用離心油泵將甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情況如本題附圖所示。啟動泵前A、C兩壓力表的讀數(shù)相等。啟離心泵并將出口閥調(diào)至某開度時，輸油量為39/h此時泵的壓頭為38。已知輸油管徑為100，擦系數(shù)為；油品密度為kg/m。試求（1）管路特性方程輸油管線的總長度（包括所有局部阻力當(dāng)量長度習(xí)題附

–2–2解）管路特性方程甲、乙兩地油罐液面分別取作與2-2截，以水平管軸線為基準(zhǔn)面，在兩截面之間列柏努利方程，得到HK

由于啟動離心泵之前p,

=0則

Bq

又

HeB/(39)

]/mh/m則

Hq

（的位為/h（2）輸油管線總長度H

ludg

m/s=1.38于是

l

gdH220.02

m=1960．用離心泵（轉(zhuǎn)速為r/min進(jìn)行性能參數(shù)測定實驗。在某流量下泵入口真空表和出口壓力表的讀數(shù)分別為kPa和，兩測壓口之間垂直距離為0.5，的軸功率為6.7吸管和排出管徑均80入管中動阻力可表達(dá)為

u為吸入管水的流速，m/s心的安裝高度為2.5實是在20℃，98.1kPa的條件下進(jìn)行。試計算泵的流量、壓頭和效率。解）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之間列柏努利方程式（池中水面為基準(zhǔn)面gZ1

1

21

h

f,0將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式并整理，得3.5u21

60

3

2.59.8135.48m/s

則0.08(2)泵揚(yáng)程

2

3600)/hHH

10009.81

0.5m29.04m(3)泵效率

29.0410001000在指定轉(zhuǎn)速下，泵的性能參數(shù)為=57.61/h=29.04η．對于習(xí)題的實驗裝置，若分別改變?nèi)缦聰?shù)，試求新操作條件下泵的流量、壓頭和軸功率（假如泵的效率保持不變（1）改送密度為kg/m的果汁（其他性質(zhì)與水相近（2）泵的轉(zhuǎn)速降至r/min。解：由習(xí)題2求得：q=57.61/h=29.04（1）改送果汁改送果汁后qH不隨加大而增加，即1.22kW=8.174kW(2)降泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)比例定律，降低轉(zhuǎn)速后有關(guān)參數(shù)為

m

51.85

2610H29.042900

26102900

kW．用離心泵（轉(zhuǎn)速為r/min）將20的清水以60/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的壓頭損失和動壓頭分別為2.4和。定泵入口的真空度不能大于kPa泵的必需氣蝕余量3.5（1的安裝高（當(dāng)?shù)卮髿鈮簽閗Pa（2）若改送℃的清水，泵的安裝高度是否合適解：(1)泵的安裝高度在水池液面和泵入口截面之間列柏努利方程式（水池液面為基準(zhǔn)面u2a1H1

H)f,0即

6439.81H3.51

0.61g（2）輸送55℃水的允許安裝高度℃水的密度為985.7kg/m，和蒸汽壓為15.733kPa

985.79.81e985.79.81e則

H

p

v

)

f,0

=

15.733)0.5)2.4m=2.31m原安裝高度）下降1.5能不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。．對于習(xí)題的輸送任務(wù)，若選用3B57型泵，其操作條件下（℃清水）的允許吸上真空度為5.3，確定離心泵的安裝高度。解：為確保泵的安全運行，應(yīng)以55℃水為基準(zhǔn)確定安裝高度。HH

u2g

2.4泵的安裝高度為2.0。．用離心泵將真空精餾塔的釜殘液送至常壓貯罐。塔底液面上的絕對壓力為32.5kPa(輸送溫度下溶液的飽和蒸汽)已：吸入管路壓頭損失1.46，泵的必需氣蝕余量為2.3，泵安裝在塔面下3.0處試核算該泵能否正常操作。解：泵的允許安裝高度為H

v

NPSHH

f,0式中

ppa

則

H(2.31.46]m泵的允許安裝位置應(yīng)在塔液面下4.26m實際安裝高度為故泵在操作時可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。為安全運行，離心泵應(yīng)再下移1.5。．在指定轉(zhuǎn)速下，用的清水對離心泵進(jìn)行性能測試，測得q數(shù)如本題附表所示。習(xí)題附1(m/min)/m

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5在實驗圍，摩擦系數(shù)變化不大，管路特性方程為Hq

（q的位為/min）試確定此管路中的q(=81%)習(xí)題7附圖解：該題是用作圖法確定泵的工作點給驗數(shù)據(jù)作出q曲線。

40

～同時計算出對應(yīng)流量下管路所要求的在一坐標(biāo)圖中作～曲

30

M本題附圖所示。兩曲線的交點即在此管路中的工作點，由圖讀得q=0.455/min，=29.0，

m/H

2010

～000.10.20.3

0.40.5

/s–3–3/s–3–3-1/

Hq0.4551000102習(xí)題附表/min)00.10.20.3

習(xí)題7附圖0.4

/0.5/m

注意：在低流量時，～曲出現(xiàn)峰值。．用離心泵將水庫中的清水送至灌溉渠，兩液面維持恒差8.8，流動在阻力方區(qū)，管路特性方程為H8.85.2

（的單位為/s單臺泵的特性方程為H28

5

2

（的位為/s試求泵的流量、壓頭和有效功率。解：聯(lián)立管路和泵的特性方程便可求泵的工作點對應(yīng)的、，進(jìn)而計算。管路特性方程

H

泵的特性方程

H28

聯(lián)立兩方程，得到

q

–3

=19.42則

P19.424.52W=861．對于習(xí)題的管路系統(tǒng)，若用兩臺規(guī)格相的離心泵（單臺泵的特性方程與習(xí)題相同）組合操作，試求可能的最大輸水量。解：本題旨在比較離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)的效果。（1）兩臺泵的并聯(lián)5(2解得：q/h(2)兩泵的串聯(lián)8.85.2

5

q

2

(28

5

q

2

)解得：q/s=21.2/h在本題條件下，兩臺泵串聯(lián)可獲得較大的輸水量21.2/h．采用一臺三效單動往復(fù)泵，將敞口貯槽中密度為1200的稠液體送至表壓為kPa的位槽中，兩容器中液面維持恒差8，路系統(tǒng)總壓頭損為4。知泵的活塞直徑為70，程為，往復(fù)次數(shù)為200，的容積效率和總效率分別為0.96和。試求泵的流量、壓頭和軸功率。解）往復(fù)泵的實際流量ASn0.960.07/min=0.499/minr(2)的揚(yáng)程

-1m-1m21p11HH(8(3)的軸功率

1.626

4)m=149.6Hq149.6s102600.91

kW=16.08．用離心通風(fēng)機(jī)將50℃、101.3kPa的空氣通過徑為，總長（包括所有局部阻力當(dāng)量長度）的水平管道送至某表壓為的備中?？諝獾妮斔土繛?.5×/h摩擦系數(shù)取為0.0175庫房中有一臺離心通風(fēng)機(jī)性能為速，風(fēng)量/h風(fēng)壓為。核算該風(fēng)機(jī)是否合用。解：將操作條件的風(fēng)壓和風(fēng)量來換算庫存風(fēng)機(jī)是否合用。H)T

hf14Pa=106300Pa

m

293=1.147

Vp15000svππ236001063004

m/s則

1

4

105

2

Pa=10483H10483T

Pa=10967庫存風(fēng)機(jī)的風(fēng)量=1.6×10/h風(fēng)壓均大于管路要求/h=10967風(fēng)合用。．有一臺單動往復(fù)壓縮機(jī)，余隙系數(shù)為0.06，體的入口溫度為2絕壓縮指數(shù)為1.4，要求壓縮比為，試求1單級壓縮的容積系數(shù)和氣體的出口溫度級壓縮的容積系數(shù)和第一級氣體的出口溫度往復(fù)壓縮機(jī)的壓縮極限。解）單級壓縮的容積系數(shù)和體的出口溫度0.7718T

kk

0.4（2）兩級壓縮的容積系數(shù)和第級氣體出口溫度改為兩級壓縮后，每級的壓縮比為x2

12

1

則重復(fù)上面計算，得到

0p0p即

0.06T2931.4K=401K（3）壓縮極限20.06解得

21

第五章

傳熱過程礎(chǔ)1用平板法測定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時在板兩側(cè)用熱電偶測量其表面溫度，若所測固體的表面積為厚為0.02實驗測得電流表讀數(shù)為0.5，伏特表讀數(shù)為，側(cè)表面溫度分別℃℃試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱（導(dǎo)熱）速率相等，即式中

tIV100WS0.02m

200tL將上述數(shù)據(jù)代入，可得

S

500.02

W

．某平壁燃燒爐由一厚的耐火磚和一層厚絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測得爐的表面溫度為℃，外表面溫度為℃試求導(dǎo)熱的熱通量與兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為

0.8t，緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.30.0003，W/(m中的t可分別取為各層材料的平溫度。解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即QttQ或b

（5-32）

（5-32）

式中

t

1.250.0003t0.30.00030.3代入λ、

)解之得t

15000.00015t)1.250.0003

則

Qb

1.543

1500

W

W．外徑為鋼管，其外依次包扎、B兩層保溫材料，保溫材料的厚度為，熱系數(shù)為0.1/(m·℃)層保溫材料的厚度為100，熱系數(shù)為1.0/(m·℃)，設(shè)A的層溫度和的層溫度分別為和40℃試求每米管長的熱損；若將兩層材料互換并假設(shè)溫度不變，每米管長的熱損失又為多少？解：tLr1rlnln2r2r

401591159lnln159

WWmA、B兩層互換位置后，熱損失為tQL1rrlnln2r2r

2170401lnln1590.1100

WmWm．直徑為

57mm3.5

的管用厚軟包扎，其外又包扎厚保溫灰作為絕熱層?，F(xiàn)測得鋼管外壁面溫度為℃絕熱層外表面溫度為℃。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043

℃)0.07

℃)試求每米管長的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，則L

223.141rr0.02850.02850.040.1lnlnlnlnrr0.0430.02850.0285

mWm

．在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管25mm×2.5的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·℃)冷卻水在管程流動，其對流傳熱系數(shù)為2600·℃)熱空氣在殼程流動，其對流傳熱系數(shù)2W/(m·℃)試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)

iiK

，以與各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由K

1

1bd

dd查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)

ii45

C

d

2.5idm

25202

mm22.5mm

110.002552450.022526000.02

Wm

殼程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為11K

K

50.6100%97.3%52管程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為d1

i

100%

dii

100%

50.60.02

2.4%管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為

K

K

0.0025450.0225

0.3%在傳熱面積為40m的板式換熱器中，水冷卻某種溶液，兩體呈逆流流動。冷卻水的流量為30000kg/h其度由2℃高到6。溶溫度由115降至5。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至4℃試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：）兩種情況下，冷熱流體的物性可視為不變的平均比熱容為kJ/(kg·℃)情況下，

分別相同）略壁面熱阻和熱損失。i

解：求清洗前總傳熱系數(shù)m11536ln5522Q4.174K360052.7

Wm

231Wm

求清洗后傳熱系數(shù)K由熱量衡算CT)C(t)

W(T

(

T

t

Tt

1155511540223622m

11540

38.1K

4.17438.1

Wm

410.8W

清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻

11KK410.8

m

．一傳熱面積為25m

的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶液。冷卻水的流量為28000kg/h，其溫度由5升38℃平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。有機(jī)溶液的溫度由110降至65均熱容為1.72kJ/(kg·℃)流體在換熱器中呈逆流流動。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計算該有機(jī)溶液的處理量。解：

kJ/(kg·℃)p,cC(t)

280003600

4.17

W求

m有機(jī)物

→水

←724040m72lnK

4.2254.4

W

W

c

Q

K

4.221.72

kg5.452kgs1.963單管殼式熱器中冷某種有機(jī)溶劑水的流量為000kg/h，其初始溫度為3，平均比熱容4.174kJ/（kg·機(jī)劑的流量14000，溫度由180℃降至120℃，平均比熱容.72kJ/換器的總傳熱數(shù)為·℃)，試分別計算逆流和并流時換熱器所需的傳熱面積，設(shè)換器的熱損失和污垢熱阻可以忽略。解：

120h

h

401.3kW冷卻水的出口溫度為

100004.174100004.174t

W

1.4448逆流時m

ln

25.39ln

102.2S

QK500102.2

m

7.854m

并流時m

120180

55.39150

94.97S

逆

Q3K500m

8.452m

．在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知苯汽的體積流量為600/h，常壓下苯的點為8℃氣化熱。冷卻水的入口溫度為2℃流量5000kg/h水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)總傳熱系數(shù)為450·℃)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計算所需的傳熱面積。解：苯蒸氣的密度為

PMRT27380.1

m

3

kg

3kghkgh4307.2kJh6kJh4.71hC(t)

(解出

t31.6

求

m苯水

→20m

ln

Q4.71SK450m

m

．在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程流動，進(jìn)口溫度30℃出口溫度為65℃。油在管程流動，進(jìn)口溫度為1℃。出口溫度為5，試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時平均溫度差油

→

水6

m

21ln21

4549.8ln計算與P

t0.389

Tt65

查圖5-11（a得

43.6某產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從105℃冷卻至70℃知油的流量為000kg/h水的初溫為22℃，流量為000kg/h現(xiàn)有一傳熱面積為

的套管式換熱器，問在下列兩種流動型式下，換熱器能否滿足要求：（1）兩體呈逆流流動；（2）兩體呈并流流動。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為300·℃)油的平均比熱容為1.9kJ/(kg·℃)水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。損失可忽略。解：本題采用（1）逆流時

NTU法算W

W3166.7WWc

4.17

W2316.7WC

C2316.70.732C(NTU)

3002316.7查圖得

0.622T

ff5WT

QW

3166.7

67.270

能滿足要求（2）并流時C(NTU)

1.295查圖得

0.526Q

5WT

73.170

不能滿足要求在單程管殼式換熱器中外熱水被管冷水所冷卻已換熱器的傳熱面積為5總傳熱系數(shù)400

·℃)熱水的初溫為100℃流量000kg/h冷水的初溫為2℃流量為0kg/h。試計算熱水和冷水的出口溫度與傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為4.18kJ/(kg·℃)熱損失可忽略不計。解：Wc

50003600

4.18

10W

5806WWc

WC

CC11611(NTU)查圖得

KA1.215805.6傳熱量

Q()5805.65

0.575解出

T

ttT

解出

t

13水以1.5m/s的速在長為3、徑為試求水與管壁之間的對流傳熱系數(shù)。解水的定性溫度為403022

2.5mm管由℃熱至℃由附錄六查得30

°C

時水的物性為

iiiiρ，=80.07×10W/(m則

e

du0.02i

（湍流）L60d0.02i、與值均在式5-59a的用圍，故可采用式近計算。d水被加熱，取n=0.4，于是得0.023

d

RePr0.023

mW

i．溫度90℃的甲苯以1500kg/h的流量流過直徑為

57mm

，曲半徑為0.6的管換熱器而被冷卻至30℃，試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為tf

t2由附錄查得60

時甲苯的物性為ρ＝830kg/m，＝1840J/(kg·℃)μ=0.4×10Pa·sλ=0.1205W

，r

c0.4則

wd830

ms0.256m

ui

0.050.4

（湍流）流體在彎管流動時由受離心的作用增大了流體的湍動程度使對流傳熱系數(shù)較直管的大，此時可用下式計算對流傳熱系數(shù)，即

iR

)式中

—彎管中的對流傳熱系數(shù)，

—直管中的對流傳熱系數(shù)，W(m2—徑；i—子的彎曲半徑，0.023

d

Pr

0.023

i0.12050.05

26539.3

mWm

i

1

0.050.6

W

Wm

為101.3kPa為℃空氣以60/h的量流過直徑為3.5mm

，

fifi長度為的管換熱管而被加熱至℃試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為t2080t22由附錄五查得空的物性為ρ，＝1005J/(kg·℃)，μPa·sλW/(m=0.698

，則

w60π3.1436000.054

se

di

1.093

（湍流）

d

i0.02830.05

W

W

16壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過管子尺寸為

，正方形排列，中心距為51，板距離為，換熱器外徑為4m/，均溫度為140℃，試求空氣的對流傳系數(shù)。解：由附錄五查得140空氣的物性為

，氣流量為ρ＝0.854kg/m

，＝1013J/(kg·℃)，=2.37×10

Pa·s，λ=0.0349

W

，=0.694采用凱恩（Kern）法，即NuRr

（5-63）或

wr)（5-63）傳熱當(dāng)量直徑

e

可根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計算。管子為正方形排列，則

4(t

)式中t相鄰兩管的中心距；—外徑，代入t

和得

4

t

πdπd

4

ππ0.038

m

ftwftw式與5-63a中流速可據(jù)體流過管間最大截面積計，即zDt

)式中—兩擋板間的距離；—熱器的外殼徑，代入z、、t得t

2.8

0.038

m

1.03m

V4uA

s10.74ms上述式中的對體可取為1.0。

()Pr()

w

10.742.37

0.684

m

50.8W

．將長寬均為0.4的直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為℃試計算平板與蒸汽之間的傳熱速率與蒸汽冷凝速率。解：水的定性溫度為tt2由附錄六查得99水的物性為ρ＝4220J/(kg·℃)=28.41×10Pa·s=0.6