化工原理第四版课后习题答案(王志魁编)简版

绪 论 【0-1】 1m3水中溶解0.05kmol CO2，试求溶液中CO2的摩尔分数，水的密度为100kg/m3。 解 水 CO2的摩尔分数 【0-2】在压力为101325 、温度为25℃条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。试求：(1)甲醇的饱和蒸气压 ；(2)空气中甲醇的组成，以摩尔分数 、质量分数 、浓度 、质量浓度 表示。 解 (1)甲醇的饱和蒸气压 (2) 空气中甲醇的组成 摩尔分数 质量分数 浓度 质量浓度 【0-3】1000kg的电解液中含 质量分数10%、 的质量分数10%、 的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含 50%、 2%、 48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的 量保持一定。 解 电解液1000kg 浓缩液中 1000×0.l=100kg =0.5（质量分数） 　1000×0.l=100kg =0.02（质量分数） 1000×0.8=800kg =0.48（质量分数） 在全过程中，溶液中 量保持一定，为100kg 浓缩液量为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 200kg浓缩液中，水的含量为200×0.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=704kg 浓缩液中 的含量为200×0.02=4kg，故分离的 量为100-4=96kg 第一章 流体流动 流体的压力 【1-1】容器A中的气体表压为60kPa，容器B中的气体真空度为 Pa。试分别求出A、B二容器中气体的绝对压力为若干帕，该处环境的大气压力等于大气压力。 解 标准大气压力为101.325kPa 容器A的绝对压力 容器B的绝对压力 【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa，当地大气压力为101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。 解 进口绝对压力 出口绝对压力 进、出口的压力差 流体的密度 【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为0.4，试求该混合液在20℃下的密度。 解 正庚烷的摩尔质量为 ，正辛烷的摩尔质量为 。 将摩尔分数换算为质量分数 正庚烷的质量分数 正辛烷的质量分数 从附录四查得20℃下正庚烷的密度 ，正辛烷的密度为 混合液的密度 【1-4】温度20℃，苯与甲苯按4:6的体积比进行混合，求其混合液的密度。 解 20℃时，苯的密度为 ，甲苯的密度为 。 混合液密度 【1-5】有一气柜，满装时可装 混合气体，已知混合气体各组分的体积分数为 操作压力的表压为5.5kPa，温度为40℃。试求：(1)混合气体在操作条件下的密度；(2)混合气体的量为多少 。 解 混合气体的摩尔质量 (1)混合气体在操作条件下的密度为 (2)混合气体 ，摩尔体积为 混合气体的量为 流体静力学 【1-6】如习1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中，管中水柱较水槽液面高出2m，当地大气压力为101.2kPa。试求：(1)管子上端空间的绝对压力；(2)管子上端空间的表压；(3)管子上端空间的真空度；(4)若将水换成四氯化碳，管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？ 解 管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱。 (1)管子上端空间的绝对压力 在水平面 处的压力平衡，有 (2)管子上端空间的表压 (3)管子上端空间的真空度 (4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度 常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为 【1-7】在20℃条件下，在试管内先装入12cm高的水银，再在其上面装入5cm高的水。水银的密度为 ，当地大气压力为 。试求试管底部的绝对压力为多少Pa。 解 水的密度 【1-8】如习题1-8附图所示，容器内贮有密度为 的液体，液面高度为3.2m。容器侧壁上有两根测压管线，距容器底的高度分别为2m及1m，容器上部空间的压力（表压）为29.4kPa。试求：(1)压差计读数（指示液密度为 ）；(2)A、B两个弹簧压力表的读数。 解 容器上部空间的压力 液体密度 ，指示液密度 (1)压差计读数R=? 在等压面 (2) 【1-9】如习题1-9附图所示的测压差装置，其U形压差计的指示液为水银，其他管中皆为水。若指示液读数为 ，试求A、B两点的压力差。 解 等压面 由以上三式，得 已知 ， 【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动，为测量A、B两截面间的压力差，安装了两个串联的U形管压差计，指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两U形管的连接管中，充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度，试推导A、B两点的压力差 与液柱压力汁的读数 之间的关系式。 解 设测压前两U形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H。 在等压面 处 因 ，由上两式求得 因 故 【1-11】力了排除煤气管中的少量积水，用如习题1-11附图所示水封设备，使水由煤气管路上的垂直管排出。已知煤气压力为 （表压），试计算水封管插入液面下的深度h最小应为若干米。 解 流量与流速 【1-12】有密度为 的液体，在内径为60mm的管中输送到某处。若其流速为 ，试求该液体的体积流量 、质量流量 与质量流速 。 解 (1) 体积流量 (2) 质量流量 (3) 质量流速 【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器，其内管为 ，外管为 。内管中有密度为 、流量为 的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为 ，进、出口平均温度为 ，流量为 的气体流动。在标准状态下 ，气体的密度为 。试求气体和盐水的流速。 解 液体 内管内径 液体质量流量 ，体积流量 流速 气体质量流量 密度 体积流量 流速 习题1-13附图 习题1-14附图 【1-14】如习题1-14附图所示，从一主管向两支管输送20℃的水。要求主管中水的流速约为 ，支管1与支管2中水的流量分别为 。试计算主管的内径，并从无缝钢管规格表中选择合适的管径，最后计算出主管内的流速。 解 主管的流量 体积流量 ，流速 管径 选择 无缝钢管，内径为 ， 主管内水的流速 连续性方程与伯努利方程 【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为 ，管内径为200mm，截面2处的管内径为100mm。由于水的压力，截面1处产生1m高的水柱。试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h为多少（忽略从1到2处的压头损失）? 解 另一计算法 计算液柱高度时，用后一方法简便。 【1-16】在习题1-16附图所示的水平管路中，水的流量为 。已知管内径 , ，液柱高度 。若忽略压头损失，试计算收缩截面2处的静压头。 解 水的体积流量 ， 截面1处的流速 截面2处的流速 在截面1与2之间列伯努利方程，忽略能量损失。 截面2处的静压头 水柱 负值表示该处表压为负值，处于真空状态。 【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽，下面的出水管直径为 。当出水阀全关闭时，压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱，试求水的流量为多少 ? 解 出水阀全关闭时，压力表读数30. 4kPa（表压）能反映出水槽的水面距出水管的高度h 阀门开启后，压力表读数 （表压） 从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速 水的流量 【1-18】若用压力表测得输送水、油（密度为 ）、98%硫酸(密度为 )的某段水平等直径管路的压力降均为49kPa。试问三者的压头损失的数值是否相等？各为多少米液柱？ 解 从伯努利方程得知，等直径水平管的压头损失 与压力降 的关系为 。 【1-19】如习题1-19附图所示，有一高位槽输水系统，管径为 。已知水在管路中流动的机械能损失为 (u为管内流速)。试求水的流量为多少 。欲使水的流量增加20%，应将高位槽水面升高多少米？ 解 管径 ， 机械能损失 (1) 以流出口截面处水平线为基准面， 水的流量 (2) 高位槽应升高 【1-20】 如习题1-20附图所示，用离心泵输送水槽中的常温水。泵的吸入管为 ，管的下端位于水面以下2m，并装有底阀与拦污网，该处的局部压头损失为 。若截面 处的真空度为39.2kPa，由 截面至 截面的压头损失为 。试求：(1)吸入管中水的流量， ；(2)吸入口 截面的表压。 解 管内径 ，水密度 截面 处的表压 ，水槽表面 （表压） (1) 从 为基准面， 压头损失 水的流量 (2) 从 流体的黏度 【1-21】当温度为20℃及60℃时，从附录查得水与空气的黏度各为多少？黏度与温度的关系。 解 20℃ 60℃ 水 空气 水温度升高，黏度减小；空气温度升高，黏度增大。 雷诺数与流体流动类型 【1-22】 25℃的水在内径为50mm的直管中流动，流速为2m/s。试求雷诺数，并判断其流动类型。 解 25℃，水的黏度 ，密度 ，管内径 ，流速 【1-23】 (1)温度为20℃、流量为 的水，在 的直管中流动，试判断流动类型；(2)在相同的条件下，水改为运动黏度为 的油，试判断流动类型。 解 (1) 流速 雷诺数 (2) 雷诺数 【1-24】 20℃的水在 的直管内流动。试求：(1)管中水的流量由小变大，当达到多少 时，能保证开始转为稳定湍流；(2)若管内改为运动黏度为 的某种液体，为保持层流流动，管中最大平均流速应为多少？ 解 (1) 水，20℃， 体量流量 (2) 管内流体流动的摩擦阻力损失 【1-25】如习题1-25附图所示，用U形管液柱压差计测量等直径管路从截面A到截面B的摩擦损失 。若流体密度为 ，指示液密度为 ，压差计读数为R。试推导出用读数R计算摩擦损失 的计算式。 解 从截面A到截面B列伯努利方程，截面A为基准面，则得 液柱压差计1-1为等压面 由式 得 此式即为用U形管压差计测量流体在两截面之间流动的摩擦损失的计算式。 【1-26】如习题1-26附图所示，有 的水平管与垂直管，其中有温度为20℃的水流动，流速为 。在截面A与截面B处各安装一个弹簧压力表，两截面的距离为6m，管壁的相对粗糙度 。试问这两个直管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同？如果不同，试说明其原因。 如果用液柱压差计测量压力差，则两个直管的液柱压力计的读数R是否相同？指示液为汞，其密度为 。 解 已知管内径 ，水的温度t=20℃ 密度 ，黏度 ，流速 雷诺数 湍流 管壁相对粗糙度 查得摩擦系数 这两个直管的摩擦阻力损失相同，为 (1) 弹簧压力表读数之差值 ①水平管 在A、B两截面列伯努利方程 因 ，故得 ②垂直管 在A、B两截面间列伯努利方程，以截面A为基准面， 上述计算结果表明，垂直管的 大于水平管的 。这是因为流体在垂直管中从下向上流动时，位能增大而静压能减小。 (2)U形管液柱压差计的读数R ①水平管与前面相同，由伯努利方程得 另从U形管压差计等压面处力的平衡，求得 由式 与式 ，求得 ②垂直管与前面相同，由伯努利方程得 另从U形管压差计等压面处力的平衡，求得 由式 ，求得 从上述推导可知，垂直管与水平管的液柱压差计的读数R相同。有了读数R值，就可以分别用式 求得水平管及垂直管的 。 【1-27】有一输送水的等直径（内径为d）垂直管路，在相距H高度的两截面间安装一U形管液柱压差计。当管内水的流速为 时，测得压差计中水银指示液读数为R。当流速由 增大到 时，试求压差计中水银指示液读数 是R的多少倍。设管内水的流动处于粗糙管完全湍流区。 解 从习题2-25与习题2-28可知，U形管液柱压差计的读数R与两截面间流体流动的摩擦损失 成正比，即 。 又知道，在粗糙管完全湍流区为阻力平方区，即摩擦损失 与流体流速 的平方成正比， 。 由上述分析可知 因此 【1-28】水的温度为10℃，流量为 ，在直径 、长为100m的直管中流动。此管为光滑管。(1)试计算此管路的摩擦损失；(2)若流量增加到 ，试计算其摩擦损失。 解 水在10℃时的密度 ，黏度 ，光滑管。 (1) 体积流量 流速 雷诺数 摩擦系数 摩擦损失 (2) 体积流量 因流量是原来的3倍，故流速 雷诺数 湍流 对于光滑管，摩擦系数 用Blasius 方程式计算 也可以从摩擦系数 与雷诺数Re的关联图上光滑管曲线上查得， 。 摩擦损失 【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径：(1)如习题1-29附图(a)所示，套管式换热器外管为 ，内管为 ；(2)如习题1-29附图(b)所示，列管式换热器外壳内径为500mm，列管为 的管子174根。 习题1-29附图 解 (1)套管式换热器，内管外径 ，外管内径 当量直径 (2) 列管式换热器，外壳内径 ，换热管外径 ，根数 根 当量直径 【1-30】常压下35℃的空气，以12m/s的流速流经120m长的水平管。管路截面为长方形，高300mm，宽200mm，试求空气流动的摩擦损失，设 。 解 空气， ，流速 。管路截面的高 。 当量直径 雷诺数 摩擦损失 【1-31】把内径为20mm、长度为2m的塑料管（光滑管），弯成倒U形，作为虹吸管使用。如习题1-31附图所示，当管内充满液体，一端插入液槽中，另一端就会使槽中的液体自动流出。液体密度为 ，黏度为 。为保持稳态流动，使槽内液面恒定。要想使输液量为 ，虹吸管出口端距槽内液面的距离 需要多少米？ 解 已知 ，体积流量 流速 从液槽的液面至虹吸管出口截面之间列伯努利方程式，以虹吸管出口截面为基准面 光滑管，查得 ，管入口突然缩小 U形管（回弯头） 【1-32】如习题1-32附图所示，有黏度为 、密度为 的液体，从高位槽经直径为 的钢管流入表压为 的密闭低位槽中。液体在钢管中的流速为 ，钢管的相对粗糙度 ，管路上的阀门当量长度 。两液槽的液面保持不变，试求两槽液面的垂直距离H。 解 在高位槽液面至低位槽液面之间列伯努利方程计算H，以低位槽液面为基准面。 ， 液体密度 雷诺数 管长 ，阀门 ，高位槽的管入口 ，低位槽管出口 ，90°弯头 【1-33】如习题1-33附图所示，用离心泵从河边的吸水站将20℃的河水送至水塔。水塔进水口到河水水面的垂直高度为34.5m。管路为 的钢管，管长1800m，包括全部管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为 ，试求水从泵获得的外加机械能为多少？钢管的相对粗糙度 。 解 水在20℃时 ， 流量 流速 湍流 查得 摩擦阻力损失 以河水水面为基准面，从河水水面至水塔处的水管出口之间列伯努利方程。 外加机械能 【1-34】如习题1-34附图所示，在水塔的输水管过程中，若输水管长度由最初缩短25%，水塔高度不变，试求水的流量将如何变化？变化了百分之几？水在管中的流动在阻力平方区，且输水管较长，可以忽略局部摩擦阻力损失及动压头。 解 在水塔高度H不变的条件下，输水管长度缩短，输水管中的水流量应增大。 从水塔水面至输水管出口之间列伯努利方程，求得 因水塔高度H不变，故管路的压头损失不变。 管长缩短后的长度 与原来长度 的关系为 在流体阻力平方区，摩擦系数恒定不变，有 故流速的比值为 流量的比值为 流量增加了15.5% 管路计算 【1-35】用 的钢管输送流量为 的原油，管长为 ，油管最大承受压力为 。已知50℃时油的密度为 ，黏度为 。假设输油管水平铺设，其局部摩擦阻力损失忽略不计，试问为完成输油任务，中途需设置几个加压站？ 解 因为是等直径的水平管路，其流体的压力降为 油管最大承受压力为 加压站数 需设置2级加压，每级管长为50km，每级的 ，低于油管最大承受压力。 【1-36】如习题1-36附图所示，温度为20℃的水，从水塔用 钢管，输送到车间的低位槽中，低位槽与水塔的液面差为12m，管路长度为150m（包括管件的当量长度）。试求管路的输水量为多少 ，钢管的相对粗糙度 。 解 水， 由伯努利方程，得管路的摩擦阻力损失为 管内水的流速 未知，摩擦系数 不能求出。本题属于已知 、 ，求 的问题。 验算流动类型 体积流量 习题1-36附图 习题1-37附图 【1-37】如习题1-37附图所示，温度为20℃的水，从高位槽A输送到低位槽B，两水槽的液位保持恒定。当阀门关闭时水不流动，阀前与阀后的压力表读数分别为80kPa与30kPa。当管路上的阀门在一定的开度下，水的流量为 ，试计算所需的管径。输水管的长度及管件的当量长度共为42m，管子为光滑管。 本题是计算光滑管的管径问题。虽然可以用试差法计算，但不方便。最好是用光滑管的摩擦系数计算式 （适用于 ）与 及 ，推导一个 之间的计算式。 解 水在 水的流量 ，管长及管件当量长度 阀门关闭时，压力表可测得水槽离压力表测压点的距离 。 两水槽液面的距离 以低位槽的液面为基准面，从高位槽A的液面到低位槽B之间列伯努利方程，得管路的摩擦损失 与 的关系式为 对于水力光滑管， 与 及 之间的计算式为 代入已知数 求得管内径为 验证 范围 湍流 符合 计算式中规定的 范围 【1-38】 如习题1-38附图所示，水槽中的水由管C与D放出，两根管的出水口位于同一水平面，阀门全开。各段管内径及管长（包括管件的当量长度）分别为 AB BC BD d 试求阀门全开时，管C与管D的流量之比值，摩擦系数均取0.03。 解 从水槽的水面至出水口之间列伯努利方程，以出水口的水平面为基准面，得 （a） BC管的压头损失 （b） BD管的压头损失 （c） 将式 ，得 因 ，故流量之比值 【1-39】有一并联管路，输送20℃的水。若总管中水的流量为 ，两根并联管的管径与管长分别为 。试求两根并联管中的流量各为若干？管壁绝对粗糙度为 。 解 用试差法求解，设各支管的流体流动处于完全湍流粗糙管的阻力平方区。 两根支管的相对粗糙度分别为 从教材的图1-28查得 总流量 支管1的流量 支管2的流量 下面核算 值 水在20℃时， 故 由 ，从图上查得 ，与原假设相同。 由 ，从图上查得 ，与原假设的 接近。故以上计算结果正确。 流量的测定 【1-40】 在管径 的管路中心处安装皮托测速管，测量管路中流过的空气流量。空气温度为21℃，压力为 （绝对压力）。用斜管压差计测量，指示液为水，读数为200mm，倾斜角度为20度。试计算空气的质量流量。 解 空气温度 ，绝对压力 ，空气的密度为 水的密度 空气的黏度 查得 空气质量流量 【1-41】 20℃的水在 的管路中输送，管路上安装角接取压的孔板流量计测量流量，孔板的孔径为50mm。U形管压差计指示液为汞，读数R=200mm。试求水在管路中的质量流量。 解 水在20℃时 孔板孔径 从 关系曲线上查得，在 的水平段的 值， U形管差压计的读数 ，汞密度 孔板前后的压力差 水的质量流量 流速 由 关系曲线上查得， 。与前面查得 值相同，计算正确。 第二章 流体输送机械 离心泵特性 【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m3/h，泵出口压力表读数为350kPa，泵入口真空表读数为30kPa。若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm，吸入管与压出管内径分别为350mm及310 mm，试求泵的扬程。 解 水在15℃时 ，流量 压力表 真空表 （表压） 压力表与真空表测压点垂直距离 管径 流速 扬程 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。 解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 (3)液体密度 增大，则轴功率 将增大。 【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min时，水的流量为18m3/h，扬程为20m(H2O)。试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min时，泵的流量与扬程将变为多少？ 解 (1)已知 有效功率 (2) 转速 时流量 ，扬程 柱 转速 流量 扬程 柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程 【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为98.1kPa，两槽液位相差4m且维持恒定。已知输送管路为(45mm×2.5mm，在泵出口阀门全开的情况下，整个输送系统的总长为20m（包括所有局部阻力的当量长度），设流动进入阻力平方区，摩擦系数为0.02。在输送范围内该离心泵的特性方程为 （ 的单位为m3/s，H的单位为m）。水的密度可取为1000kg/m3。试求：（1）离心泵的工作点；（2）若在阀门开度及管路其他条件不变的情况下，而改为输送密度为1200 kg/m3的碱液，则离心泵的工作点有何变化？ 解 （1）管路特性方程 其中 故管路特性方程 离心泵特性方程 两式联立 得工作点下的流量与压头 ， （2）当改送密度为1200 kg/m3的碱液时，泵特性方程不变，此时管路特性方程 流动进入阻力平方区，且阀门开度不变，则k不变。因此管路特性方程变为 将该方程与泵特性方程联立 得新工作点下流量及压头 ， 【2-5】在一化工生产车间，要求用离心泵将冷却水由贮水池经换热器送到另一敞口高位槽，如习题2-5附图所示。 已知高位槽液面比贮水池液面高出10m，管内径为75mm，管路总长（包括局部阻力的当量长度在内）为400m。流体流动处于阻力平方区，摩擦系数为0.03。流体流经换热器的局部阻力系数为 。 离心泵在转速 时的 特性曲线数据见下表。 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 26 25.5 24.5 23 21 18.5 15.5 12 8.5 试求：(1)管路特性方程；(2)工作点的流量与扬程；(3)若采用改变转速的方法，使第(2)问求得的工作点流量调节到 ，应将转速调节到多少？（参看例2-3）。 解 已知 (1) 管路特性方程 (2) 工作点的流量与扬程 管路特性曲线的 与H计算值如下 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 10 10.5 12 14.5 18 22.6 28 34.6 42.1 工作点流量 ，扬程 (3) 将工作点流量从 调节到 ，泵的转速应由 调节到多少？ 将 代入管路特性方程，求得 等效率方程 系数 得等效率方程 等效率方程的计算值如下 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.0045 0 1.31 5.24 11.8 21 26.5 从 的泵特性曲线与等效率曲线的交点D，得到 流量为 时的转速为 转速变化小于20%，效率基本不变。 离心泵的并联及串联 【2-6】若习题2-5第2问改为两台泵并联操作，管路特性曲线不变，试求泵工作点的流量与扬程。 解 习题2-6附图中点A为工作点 流量 ，扬程 水柱 【2-7】若习题2-4第2问改为两台泵串联操作，管路特性曲线不变，试求工作点的流量与扬程。 解 习题2-7附图中点A为工作点， 流量 ，扬程 水柱 离心泵的安装高度 【2-8】用型号为 的离心泵，将敞口水槽中的水送出，吸入管路的压头损失为 ，当地环境大气的绝对压力为98kPa。 试求：(1)水温20℃时泵的安装高度，(2)水温80℃时泵的安装高度。 解 已知环境大气压力 （绝压） 吸入管 ，查得泵的汽蚀余量 (1) 20℃的水，饱和蒸气压 ，密度 最大允许安装高度为 输送20℃水时，泵的安装高度 (2) 80℃的水，饱和蒸气压 ，密度 最大允许安装高度为 输送80℃水时，泵的安装高度 【2-9】 用离心泵将密闭容器中的有机液体送出，容器内液面上方的绝压为85kPa。在操作温度下液体的密度为850kg/m3，饱和蒸汽压为72.12kPa。吸入管路的压头损失为1.5m，所选泵的允许汽蚀余量为3.0m。现拟将泵安装在液面以下2.5m处，问该泵能否正常操作？ 解 泵的最大允许安装高度 而实际安装高度Hg实 ，说明此泵安装不当，泵不能正常操作，会发生汽蚀现象。为保证泵的正常操作，泵应至少安装在液面下方3.5m或更低。 【2-10】 用离心泵输送80℃热水，今提出如下两种方案（见习题2-10附图）。若两方案的管路长度（包括局部阻力的当量长度）相同，离心泵的汽蚀余量 。试问这两种流程方案是否能完成输送任务？为什么？环境大气压力为 。 解 水在80℃时饱和蒸气压 ，密度 ，汽蚀余量 ，大气压力 最大允许安装高度为 第(2)方案的安装高度 ，大于 ，不能完成输送任务。 第(1)方案的安装高度 若 ．则 水柱时可以用。 离心泵的选用 【2-11】用离心泵从江中取水送入贮水池内，池中水面高出江面20m，管路长度（包括局部阻力的当量长度）为45m。水温为20℃，管壁相对粗糙度 。要求输水量为 。(1)试选择适当管径；(2)试选择一台离心泵。 解 20℃水的 最大流量 (1)管径d 从教材表1-3中选管路中水的流速 选公称直径65mm的低压流体输送用焊接钢管 管径为 ，内径 最后计算流速 此流速在表1-4中的 范围内 (2)选离心泵 扬程 查得 扬程 有效功率 设泵的效率 轴功率 选用离心泵 其流量范围为 ，扬程范围为 ，转速为 ，轴功率为 ，汽蚀余量 。 【2-12】有一台离心泵的额定流量为16.8m3/h，扬程为18m。试问此泵是否能将密度为1060kg/m3，流量为250L/min的液体，从敞口贮槽向上输送到表压为30kPa的设备中？敞口贮槽与高位设备的液位垂直距离为8.5m。管路的管径为 ，管长为124m（包括直管长度与所有管件的当量长度），摩擦系数为0.03。 解 流量 流速 压头 液柱 流量与压头都略小于额定值，该泵可以用。 往复泵 【2-13】有一台双动往复泵，其活塞的行程为300mm，活塞直径为180mm，活塞杆直径为50mm。若活塞每分钟往复55次，其理论流量为若干？又实验测得此泵在26.5min内能使一直径为3m的圆形贮槽的水位上升2.6m，试求泵的容积效率（即实际流量/理论流量）。 解 活塞行程 ，活塞直径 ，活塞截面积 活塞杆直径 ，活塞杆截面积 活塞往复频率 理论流量 实际流量 容积效率 气体输送机械 【2-14】有一台离心式通风机进行性能实验，测得的数据如下：空气温度为20℃，风机出口的表压为230Pa，入口的真空度为150Pa，送风量为 。吸入管与排出管的内径分别为300mm及250mm，风机转速为 ，所需轴功率为0.81kW。试求风机的全风压、静风压及全风压效率。 解 已知风量 ，吸入管内径 ，排出管内径 吸入管风速 排出管风速 ℃， 下，空气密度 进口动压 出口动压 进口静压 ，出口静压 全风压 静风压 已知轴功率 有效功率 全风压效率 【2-15】仓库里有一台离心式通风机，其铭牌上的流量为 ，全风压为1.569kPa。现想用它输送密度为 的气体，气体流量为 ，全风压为1.3kPa。试问该风机是否能用？ 解 通风机铭牌上的风量与全风压是在标定条件(20℃，101.325kPa)下用空气测定的，标定条件下空气的密度为 。 现在把气体在操作条件下的流量 及全风压1.3kPa换算为标定条件下的风量 及全风压 。 被输送气在标定条件下的风量及全风压都稍低于通风机铭牌上的风量及全风压，该风机可以使用。 【2-16】有温度为25℃、流量为 的空气，从 压缩到 （均为绝对压力），绝热指数为1.4，试求空气绝热压缩后的温度，并求等温压缩和绝热压缩所需理论功率，假设为理想气体。 解 （1） (2) 等温压缩 流量 功率 (3) 绝热压缩 功率 第三章 沉降与过滤 沉 降 【3-1】 密度为1030kg/m3、直径为 的球形颗粒在150℃的热空气中降落，求其沉降速度。 解 150℃时，空气密度 ，黏度 颗粒密度 ，直径 假设为过渡区，沉降速度为 验算 为过渡区 【3-2】密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。试求在这两种介质中沉降的颗粒直径的比值，假设沉降处于斯托克斯定律区。 解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为 由此式得（下标w表示水，a表示空气） 查得20℃时水与空气的密度及黏度分别为 已知玻璃球的密度为 ，代入上式得 【3-3】降尘室的长度为10m，宽为5m，其中用隔板分为20层，间距为100mm，气体中悬浮的最小颗粒直径为 ，气体密度为 ，黏度为 ，颗粒密度为4000kg/m3。试求：(1)最小颗粒的沉降速度；(2)若需要最小颗粒沉降，气体的最大流速不能超过多少m/s? (3)此降尘室每小时能处理多少m3的气体？ 解 已知 (1) 沉降速度计算 假设为层流区 验算 为层流 (2) 气体的最大流速 。 沉降高度 ，降尘室长度 (3) 气体的最大处理量 气体的处理量 也可以用教材式(3-18)计算 【3-4】有一重力沉降室，长4m，宽2m，高2.5m，内部用隔板分成25层。炉气进入除尘室时的密度为 ，黏度为 。炉气所含尘粒的密度为 。现要用此降尘室分离 以上的颗粒，试求可处理的炉气流量。 解 已知炉气的密度 ，黏度 尘粒的密度 ，临界尘粒直径 假设为层流区，求得沉降速度为 验算 为层流区 炉气流量为 本题也可以用教材式(3-18)计算，式中的WL改为WLN。 【3-5】温度为200℃、压力为 的含尘空气，用图3-9 (a)所示的旋风分离器除尘。尘粒的密度为2000kg/m3。若旋风分离器的直径为0.65m，进口气速为21m/s，试求：(1)气体处理量（标准状态）为多少m3/s；(2)气体通过旋风分离器的压力损失；(3)尘粒的临界直径。 解 空气温度200℃，压力101.33kPa， 从空气物理性质表中查得 密度 ，黏度 (1) 气体处理量 旋风分离器直径 ，进口气速 200℃、101.33kPa的空气流量为 0℃、101.33kPa时空气流量为 (2) 压力损失 阻力系数 压力损失 (3) 尘粒的临界直径 。 已知尘粒密度 过 滤 【3-6】悬浮液中固体颗粒浓度（质量分数）为0.025kg固体/kg悬浮液，滤液密度为1120kg/m3，湿滤渣与其中固体的质量比为2.5kg湿滤渣/kg干渣，试求与1m3滤液相对应的湿滤渣体积 ，单位为m3湿滤渣/m3滤液。固体颗粒密度为2900kg/m3。 解 已知 固体/kg悬浮液 湿渣/kg干渣，滤液密度 干渣 滤液 湿渣 滤液 【3-7】用板框压滤机过滤某悬浮液，共有20个滤框，每个滤框的两侧有效过滤面积为0.85m2，试求1小时过滤所得滤液量为多少m3。 已知过滤常数 解 滤液 【3-8】将习题3-6的悬浮液用板框压滤机在过滤面积为 、过滤压力为53.3kPa条件下进行过滤，所测数据为 过滤时间 8.4 38 84 145 滤液量 100 300 500 700 试求过滤常数 与 及滤饼的比阻 。已知滤液的黏度为 。 解 已知过滤面积 8.4 38 84 145 100 300 500 700 1×10-4 3×10-4 5×10-4 7×10-4 1×10-2 3×10-2 5×10-2 7×10-2 8.4×102 12.7×102 16.8×102 20.7×102 如习题3-8附图所示 直线的斜率 ，截距 已知 滤液黏度 由习题3-6得 湿渣 滤液 故比阻为 【3-9】对习题3-6及习题3-8中的悬浮液用板框压滤机在相同压力下进行过滤，共有20个滤框，滤框厚度为60mm，每个滤框的两侧有效过滤面积为 。试求滤框内全部充满滤渣所需要的时间。固体颗粒密度为 。 在习题3-6中已给出湿滤渣质量与其中固体质量的比值为2.5kg湿渣／kg干渣，并计算出每立方米滤液相对应的湿渣体积，即 湿渣 滤液。 在习题3-8中已求出恒压过滤的过滤常数 ， 解 求恒压过滤的过滤时间 的计算式为 需要求出 过滤面积 滤液体积V的计算： 20个滤框中的湿滤渣体积为 湿渣 从滤渣体积 计算滤液体积 滤液 滤液 过滤面积 过滤时间 【3-10】用板框压滤机过滤某悬浮液，恒压过滤l0min，得滤液 。若过滤介质阻力忽略不计，试求：(1)过滤1h后的滤液量；(2)过滤1h后的过滤速率 。 解 恒压过滤，已知 ，代入教材式(3-40)， 求得 (1) 过滤1h后的滤液量 (2) 过滤1h后的过滤速率 从教材式(3-39) ，得 【3-11】若转筒真空过滤机的浸液率 ，转速为 ，每小时得滤液量为 ，试求所需过滤面积。已知过滤常数 解 由题 过滤面积 第四章 传 热 热传导 【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为0.16W/(m·℃)、厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。 解 计算加热器平壁外表面温度 ， 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率λ=0.043 W/(m·℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。 解 已知 ， 则单位表面积的冷量损失为 【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2，材料的厚度为0.02m。现测得电流表的读数为2.8A，伏特计的读数为140V，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。 解 根据已知做图 热传导的热量 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m·℃)，厚度 ；绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m·℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m·℃)。 耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。 (1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm，试确定绝热砖层的厚度。 (2) 若普通砖层厚度为240mm，试计算普通砖层外表面温度。 解 (1)确定绝热层的厚度 温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度q。 绝热砖层厚度 的计算 每块绝热砖的厚度为 ，取两块绝热砖的厚度为 。 (2) 计算普通砖层的外侧壁温 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度 小于130℃，符合要求。 通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温 。 【4-5】有直径为 的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率λ=1.163W/(m·℃)。试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍[黄铜的热导率λ=110W/(m·℃)]。 解 因 ，因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管的热阻为 水垢的热阻为 倍 【4-6】某工厂用 的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为 ；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率为 。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。管路长50m。试求该管路的散热量。 解 【4-7】水蒸气管路外径为108mm，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度 的变化关系为 。水蒸气管路外表面温度为150℃，希望保温层外表面温度不超过50℃，且每米管路的热量损失不超过 。试确定所需保温层厚度。 解 保温层厚度以b表示 已知 解得保温层厚度为 保温层厚度应不小于13.3mm 对流传热 【4-8】冷却水在 ，长为2m的钢管中以 的流速通过。水温由15℃升至25℃。求管壁对水的对流传热系数。 解 水的平均温度 查得20℃时水的密度 ，黏度 ，热导率λ=59.9×10-2 W/(m·℃)，普朗特数 。 雷诺数 湍流 对流传热系数的计算，水被加热，Pr的指数 =4367 W/(m2·℃) 【4-9】空气以 的流速通过 的钢管，管长 。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)若空气从管壁得到的热量为 ，钢管内壁的平均温度为多少。 解 已知 (1)对流传热系数 计算 空气的平均温度 查得空气在 时的物性数据 ， ，空气被加热，Pr的指数 雷诺数 　湍流 对流传热系数 　 (2)空气流速增加一倍，对流传热系数 为 (3)若空气从管壁得到的热量为 ，计算钢管内壁平均温度 用式 计算钢管内壁的平均温度 。 已知空气进出口平均温度 在第(1)项中已计算出对流传热系数 钢管内表面积为 钢管内壁平均温度 【4-10】温度为10℃、压力为101.3kPa的空气，以 的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动，空气出口温度为30℃。列管式换热器的外壳内径为190mm，其中装有37根的 钢管，钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气的对流传热系数 。 解 已知空气压力 ，温度 ， 空气的平均温度 查得空气在20℃的物性数据为：密度 ，比热容 ，热导率 ，黏度 ，普朗特数 ，空气被加热，Pr的指数 空气流动的截面积 湿润周边 当量直径 　　　 已知空气的流速 雷诺数 湍流 对流传热系数 【4-11】有一套管式换热器，内管为 ，外管为 的钢管，内管的传热管长为2m。质量流量为 的甲苯在环隙中流动，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 ，平均温度 甲苯在55℃的物性数据有：密度 ，比热容 ，热导率λ=0.128W/(m·℃)，黏度 甲苯的质量流量 体积流量 甲苯在环隙中的流速 计算 套管的内管外径 ，外管内径 ， 流速 甲苯对内管外表面的对流传热系数 计算 套管环隙的当量直径　　 　湍流 甲苯被冷却 【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由70℃冷却到30℃，蛇管由 的钢管3根并联而成，蛇管的圈径为0.6m。若甲苯的体积流量为 ，试求甲苯对钢管内表面的对流传热系数。 解 甲苯的温度 平均温度 甲苯在50℃时的物性数据为：密度 ，黏度 ，热导率 ，比热容 甲苯在3根并联蛇管中的流速 计算 体积流量 ，蛇管内径 ， 流速 　　　　 雷诺数 　 湍流 普朗特数　　 弯管效应校正系数 对流传热系数 计算 甲苯被冷却 　　　　　　 W/(m2·℃) 【4-13】质量流量为1650kg/h的硝酸，在管径为 、长为3m的水平管中流过。管外为300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到 的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。 解 在计算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数 时，需要知道管外表面温度 。 如何假设 ? 水蒸气冷凝的 值一般为 按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为 取 ，估算壁温度 300kPa（绝对压力）时，水蒸气的饱和温度 。 用式 估算壁温度 先假设 ℃ 定性温度为膜温 冷凝水膜的物性参数 ℃时水的比汽化热　 水蒸气在水平管外冷凝的 值计算 用式 计算Q值 此Q值大于硝酸吸收的热量，说明假设的 偏小。 重新用 估算 。 假设 膜温 　　　　　　　　 与前面计算的膜温基本一样，故冷凝水膜的物性数据也一样，只是 计算式中的 不同。 值计算 　　　　　　　 用 验算壁温 与前面假设的相同。 【4-14】水在大容器内沸腾，如果绝对压力保持在 ，加热面温度保持130℃，试计算加热面上的热流密度 。 解 水沸腾的对流传热系数 计算 加热面上的热流密度 两流体间传热过程的计算 【4-15】载热体的流量为 ，试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。(1) 100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；(2)苯胺由383K降温至283K；(3)比热容为 的 水溶液从290K加热到370K； (4)常压下20℃的空气加热到 ；(5)绝对压力为250kPa的饱和水蒸气，冷凝冷却成40℃的水。 解 (1) 水蒸气冷凝 比汽化热 放热量 (2) 苯胺　　平均温度 比热容 　　　　　 放热量 (3) 水溶液 比热容 吸热量 (4) 空气加热平均温度 比热容 吸热量 (5) 饱和水蒸气 ，饱和温度 ，比汽化热 ， 冷凝水从 降至 ℃，平均温度 比热容 放热量 【4-16】用冷却水使流量为 的硝基苯从355K冷却到300K，冷却水由15℃升到35℃，试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到 ，试求冷却水的出口温度。 解 硝基苯流量 ，平均温度 比热容 硝基苯的放热量 (1) 冷却水用量计算 平均温度 比热容 ，密度 (2) 用水量 时，求 ？ 用水量增大，水出口温度 应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可知 成反比，故 假设 水的平均温度 查得水的比热容 ，密度 计算 与假设相符。 【4-17】在一换热器中，用水使苯从80℃冷却到50℃，水从15℃升到35℃。试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。 解 (1)并流操作 苯 水 (2) 逆流操作 苯 水 　　 【4-18】　在1壳程2管程列管式换热器中用水冷却油，冷却水走管内，进口温度为 ，出口温度为50℃。油进口温度为120℃，出口温度为60℃。试计算两种流体的传热平均温度差。 解　属于折流 查得温差校正系数 【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为 的苯胺从80℃加热到100℃。苯胺在平均温度下的密度为 ，比热容为 。试计算：(1)水蒸气用量 ；(2)当总传热系数为 时所需传热面积。 解 (1)水的比汽化热 ，苯胺体积流量 ， 苯胺吸收的热量为 水蒸气用量 (