化工原理_第二版__上册课后习题答案[1]

14．本附图所示的贮槽内径D=2 m，槽底与内径d0为32 mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度h1为2 m（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∑hf=20 u2计算，式中的u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 （1） （2） （3） 将式（2），（3）代入式（1）得 即                                                      （4） 在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程 即      或写成  （5） 式（4）与式（5）联立，得 即      i.c.      θ=0，h=h1=2 m；θ=θ，h=1m    积分得  18．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      = / = =（ 式中    =2 ， =（ ）2 =4 因此    = =32 又由于  =（ =（ =（2× =（0.5）0.25=0.841 故      =32×0.84=26.9 习题19附图                                        19．用泵将2×104 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25.9×103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为 76 mm×4 mm的钢管，总长为35 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17 m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073 kg/m3，黏度为6.3 10-4 Pa s。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 （1） 式中    z1=0，z2=17 m，ub1≈0 p1=-25.9×103 Pa (表)，p2=0 (表)  将以上数据代入式（1），并整理得 =9.81×17+ + + =192.0+ 其中    =（ + + ） = =1.656×105      根据Re与e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为 闸阀（全开）：  0.43×2 m =0.86 m 标准弯头：      2.2×5 m =11 m 故      =(0.03× +0.5+4) =25.74J/kg 于是    泵的轴功率为 = = =1.73kW 习题20附图 20．如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100 mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15 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20 m。 （1）当闸阀关闭时，测得R=600 mm、h=1500 mm；当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数 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多少水（m3）？ （2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d≈15，摩擦系数仍可取0.025。） 解：（1）闸阀部分开启时水的流量 在贮槽水面1-1，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 （a） 式中    p1=0(表)  ub2=0，z2=0 z1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 （b） 式中    h=1.5 m,  R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得  将以上各值代入式（a），即 9.81×6.66= + +2.13 ub2  解得    水的流量为  （2）闸阀全开时测压点处的压力 在截面1-1，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 （c） 式中    z1=6.66 m，z3=0，ub1=0，p1=p3 = 将以上数据代入式（c），即  9.81×6.66= +4.81 ub2 解得        再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得 （d） 式中    z1=6.66 m，z2=0，ub1 0，ub2=3.51 m/s，p1=0（表压力） 将以上数值代入上式，则 解得    p2=3.30×104 Pa（表压） 21．10 ℃的水以500 l/min的流量流经一长为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。 解：由于是直径均一的水平圆管，故机械能衡算方程简化为 上式两端同除以加速度g，得 = /g=6 m（题给） 即      = =6×9.81 J/kg =58.56 J/kg                                  （a） 将ub代入式（a），并简化得    （b） λ与Re及e/d有关，采用试差法，设λ=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。 下面验算所设的λ值是否正确： 10 ℃水物性由附录查得 ρ=1000 kg/m3，μ=130.77×10-5 Pa 由e/d及Re，查得λ=0.021 故      习题22附图                                                                                      22．如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用 mm的钢管，管路总长为190 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15 m。设水温为12 ℃，试求管路的输水量（m3/h）。  解：在截面 和截面 之间列柏努利方程式，得 （1） 采用试差法， 代入式（1）得， 故假设正确， 管路的输水量 习题23附图 23．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11 。AB管段内径为38 m、长为58 m；BC支管的内径为32 mm、长为12.5 m；BD支管的内径为26 mm、长为14 m，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 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多少（m3/h）；（2）当所有阀门全开时，两支管的排水量各为多少（m3/h）？（BD支管的管壁绝对粗糙度，可取为0.15 mm，水的密度为1000 kg/m3，黏度为 。） 解：（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量 在高位槽水面1-1，与BC支管出口内侧截面C-C,间列机械能衡算方程，并以截面C-C,为基准平面得 式中    z1=11 m，zc=0，ub1≈0，p1=pc 故      =9.81×11=107.9J/kg                                        （a） （b） （c） （d） （e） 将式（e）代入式（b）得 （f） 将式（f）、（d）代入式（b）,得 ubC=ub,BC，并以∑hf值代入式（a），解得 ub,BC=2.45 m/s 故      VBC=3600× ×0.0322×2.45 m3/h=7.10 m3/h （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 （a） 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 将 值代入式（a）中，得 （b） 分支管路的主管与支管的流量关系为  VAB=VBC+VBD 上式经整理后得  （c） 在截面1-1，与C-C’间列机械能衡算方程，并以C-C’为基准水平面，得 （d） 上式中  z1=11 m，zC=0，ub1≈0，ub, C≈0 上式可简化为 前已算出  因此    在式（b）、（c）、（d）中，ub,AB、ub,BC、ub,BD即λ均为未知数，且λ又为ub,BD的函数，可采用试差法求解。设ub,BD=1.45 m/s，则 查摩擦系数图得λ=0.034。将λ与ub,BD代入式（b）得 解得    将ub,BC、ub,BD值代入式（c），解得 将ub,AB、ub,BC值代入式（d）左侧，即  计算结果与式（d）右侧数值基本相符（108.4≈107.9），故ub,BD可以接受，于是两支管的排水量分别为 24．在内径为300 mm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500 Pa，大气压力为98.66×103 Pa。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835 kg/m3和998 kg/m3 ，测得的读数为100 mm。试求空气的质量流量（kg/h）。 解： 查附录得，20 ℃，101.3 kPa时空气的密度为1.203 kg/m3，黏度为1.81×10-5 Pa ，则管中空气的密度为 查图1-28，得 25．在 mm的管路上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600 mm，试计算管中甲苯的流量为多少（kg/h）？ 解：已知孔板直径do=16.4 mm，管径d1=33 mm，则 设Re>Reo，由教材查图1-30得Co=0.626，查附录得20 ℃甲苯的密度为866 kg/m3，黏度为0.6×10-3 Pa·s。甲苯在孔板处的流速为 甲苯的流量为 检验Re值，管内流速为 原假定正确。 2．用离心泵（转速为2900 r/min）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为60 kPa和220 kPa，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80 mm，吸入管中流动阻力可表达为 （u1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20 ℃，98.1 kPa的条件下进行。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 将有关数据代入上式并整理，得 m/s 则      m3/h=57.61 m3/h (2) 泵的扬程 (3) 泵的效率 =68% 在指定转速下，泵的性能参数为：q=57.61 m3/h  H=29.04 m  P=6.7 kW  η=68% 4．用离心泵（转速为2900 r/min）将20 ℃的清水以60 m3/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为2.4 m和0.61 m。规定泵入口的真空度不能大于64 kPa。泵的必需气蚀余量为3.5 m。试求（1）泵的安装高度（当地大气压为100 kPa）；（2）若改送55 ℃的清水，泵的安装高度是否合适。 解：(1) 泵的安装高度 在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式（水池液面为基准面），得 即      m （2）输送55 ℃清水的允许安装高度 55 ℃清水的密度为985.7 kg/m3，饱和蒸汽压为15.733 kPa 则    = m=2.31m 原安装高度（3.51 m）需下降1.5 m才能不发生气蚀现象。 6．用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。塔底液面上的绝对压力为32.5 kPa(即输送温度下溶液的饱和蒸汽压)。已知：吸入管路压头损失为1.46 m，泵的必需气蚀余量为2.3 m，该泵安装在塔内液面下3.0 m处。试核算该泵能否正常操作。 解：泵的允许安装高度为 式中    则      泵的允许安装位置应在塔内液面下4.26m处，实际安装高度为–3.0m，故泵在操作时可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移1.5 m。