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化工原理习题答案

绪 论

【0-1】 1m 3水中溶解0.05kmol CO 2,试求溶液中CO 2的摩尔分数,水的密度为

100kg/m 3。

解 水33kg/m kmol/m 1000

100018

=

CO 2的摩尔分数 (4)

005

89910100000518

-=

=?+

x

【0-2】在压力为101325Pa 、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A p ;(2)空气中甲醇的组成,以摩尔分数A y 、质量分数ωA 、浓度A c 、质量浓度ρA 表示。

解 (1)甲醇的饱和蒸气压A

p

.lg ..157499

7197362523886

=-

+A

p

.169=A

p

kPa

(2) 空气中甲醇的组成

摩尔分数 (169)

0167

101325

==A y

质量分数 ...(.)016732

0181

0167321016729

ω?==?+-?A 浓度 3..kmol/m .A A p c RT -=

==??316968210 8314298

质量浓度 ../A A A c M kg m ρ-=??=33

68210320218 =

【0-3】1000kg 的电解液中含NaOH 质量分数10%、NaCl 的质量分数10%、2H O 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NaOH 50%、NaCl 2%、2H O 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NaOH 量保持一定。

解 电解液1000kg 浓缩液中

NaOH 1000×0.l=100kg NaOH ω=0.5(质量分数) NaOH 1000×0.l=100kg NaCl ω=0.02(质量分数)

2H O 1000×0.8=800kg 2H O ω=0.48(质量分数)

在全过程中,溶液中NaOH 量保持一定,为100kg

缩液

为/.10005200=kg

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 NaCl 的含量为200×0.02=4kg ,故分离的 NaCl 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.?41210Pa 。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标准大气压力。

解 标准大气压力为101.325kPa

容器A 的绝对压力 ..p kPa ==A 101325+60161325

容器B 的绝对压力 ..B p kPa

=-=1013251289325

【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 ..进101312893 =-=p kPa

出口绝对压力 ..出101 31572583 =+=p kPa

进、出口的压力差

..p kPa p kPa ?=--=+=?=-=157(12)15712169 或 258 389 3169

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/kg kmol 100,正辛烷的摩尔质量为/kg kmol 114。

将摩尔分数换算为质量分数

正庚烷的质量分数 (104100)

0369

0410006114

ω?=

=?+?

正辛烷的质量分数 ..2103690631

ω=-=

从附录四查得20℃下正庚烷的密度/kg m ρ=31684,正辛烷的密度为/kg m ρ=3

2703

混合液的密度 /..3

169603690631

684703

ρ=

=+m kg m

【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/3879kg m ,甲苯的密度为/3867kg m 。

混合液密度 ../3

87904

8670.68718 ρ=?+?=m k g m

【1-5】有一气柜,满装时可装36000m 混合气体,已知混合气体各组分的体积分数为

2

2

2

4

H N CO

CO CH .04 0.2 0.32 0.07 0.01

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kmol 。

解 ...T K p kPa =+==+=27340313,101 35 5106 8 (绝对压力)

混合气体的摩尔质量

....../2042802280324400716001186 =?+?+?+?+?=m M kg kmol

(1)混合气体在操作条件下的密度为

.../.m m pM kg m RT ρ?=

==?31068186

0763 *******

(2)混合气体36000=V m ,摩尔体积为./.m

m

M m kmol ρ=

3

1860763

混合气体的量为 ..m m

V n kmol M ρ?=

==60000763

246 186

流体静力学

【1-6】如习题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?

化工原理习题答案

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绝

p 在水平面11'-处的压力平衡,有

.绝绝大气压力

1012001000981281580 (绝对压力)

ρ+==-??=p gh p Pa

(2)管子上端空间的表压 表

p

表绝 -大气压力=8158010120019620 =-=-p p Pa

(3)管子上端空间的真空度真

p

()真表=-=-1962019620 p p Pa -=

习题1-6附图

(4)槽内为四氯化碳,管中液柱高度'h

'ccl

h

h ρρ=

4

水 常温下四氯化碳的密度,从附录四查得为/ccl kg m ρ=4

3

1594

'.h m ?=

=10002

125 1594

【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/313550kg m ,当地大气压力为101kPa 。试求试管底部的绝对压力为多少Pa 。

解 水的密度/3

水=998ρkg m

()....331011001213550005998981117410=?+?+??=?p Pa

【1-8】如习题1-8附图所示,容器内贮有密度为/31250kg m 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/31400kg m );(2)A 、B 两个弹簧压力表的读数。

化工原理习题答案

解 容器上部空间的压力.29 4(表压)

=p kPa

液体密度 /31250ρ=kg m ,指示液密度/3

01400ρ=kg m

(1)压差计读数R=? 在等压面''11

11上-=p p

()()()()().'...p p h R g p p h g R g p h R g p h g R g Rg ρρρρρρρρ=+-++=+-++++++=+++-=11000 321 32212222 0

()0因g 0,故0ρρ-≠=R

(2) ().....A p p g Pa

ρ=+-=?+??=?333212941022125098156410

().....333222941012125098144110ρ=+-=?+??=?B p p g Pa

习题1-8附图

【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150=R mm ,试求A 、B 两点的压力差。

化工原理习题答案

解 等压面''11

11,-=p p

1水ρ=-A p p H g

()'.1汞水05g ρρ=-+++B p p H R g R

由以上三式,得

().汞水05ρρ-=-+A B p p R g R g

已知./3汞015,13600ρ==R m kg m ,

().....01513600981050151000981-=??-+??A B p p

..31364101364 =?=Pa kPa

【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?p 与液柱压力汁的读数12、R R 之间的关系式。

化工原理习题答案

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'22-处

11

221汞水气22ρρρ+????

=++-+ ? ?????A R R R p p H g R g g '222汞水2ρρ?

?=+-+ ??

?B R p p H g R g

因'22=p p ,由上两式求得

()水气12汞g 2ρρρ+?

?-=+- ???

A B p p R R

因气水

ρρ<<

故 ()

水12汞-2ρρ?

?

-=+ ??

?

A B p p R R g

化工原理习题答案

【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10kPa (表压),试计算水封管插入液面下的深度h 最小应为若干米。

习题1-9附图

习题1-10附图

解 ..31010

102

1000981

ρ?===?p h m g

流量与流速

【1-12】有密度为/31800kg m 的液体,在内径为60mm 的管中输送到某处。若其流速为

/0.8m s ,试求该液体的体积流量()3

/m h 、质量流量()/kg s 与质量流速()/2?????

kg m s 。

解 (1) 体积流量 ./.223330.060.822610814 /44

π

π

-=

=

??=?=V q d u m s m h

(2) 质量流量 ../m V q q kg s ρ-==??=3226101800407

(3) 质量流速 ./().22

407

=

==1440 0064

m q kg m s A ωπ??

【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器,其内管为.mm .mm 335325φ?,外管为

mm .mm 6035φ?。内管中有密度为/31150kg m 、流量为/5000kg h 的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为0.5MPa ,进、出口平均温度为0℃,流量为/160kg h 的气体流动。在标准状态下(0℃,101.325)kPa ,

气体的密度为./312kg m 。试求气体和盐水的流速。

解 液体 /3

1150 ρ=k g m

内管内径 ...d mm m

=-?==内3353252270027

液体质量流量 /5000=m q kg h ,体积流量 3

5000/1150

=V q m h

流速 /./.液22

50001150211 36000027

4

4

V

q u m s

d

π

π

=

=

=?

?

气体质量流量 /m q kg h

=160

密度 .../6

3

气051012592101325

ρ?=?=kg m

体积流量 .3

160/592

=V q m h

流速 ()

/../..u m s

π

=

=?

-气2

2

160592

567 36000053

00335

4

化工原理习题答案

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.10/m s ,支管1与支管2中水的流量分别为//20与10t h t h 。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 .//33

水: 20℃,99821000 t kg m kg m ρ==≈

主管的流量 //3122010303010=+=+==?m m m q q q t h kg h

体积流量 /3

33010

301000

ρ?===m

V q q m h ,流速 .10/=u m s

管径

.d m mm

==0103103

化工原理习题答案

化工原理习题答案

选择1084mm mm φ?无缝钢管,内径为100=d mm ,

主管内水的流速 //./(.)m q u m s

d π

π

=

=

=?2

2

3600

303600

106 014

4

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./05m s ,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 ./105=u m s

.,.d m d m ==1202 01

.()/2

212120522??

==?= ???

d u u m s d

221

12222

ρρ+=+p u p u ..222212

21205187522

ρ

---===p p u u

..121875187510001875ρ?=-==?=p p p Pa

..187501911911000981

ρ?=

===?p h m mm g

另一计算法

22

1122

22ρρ+=+

p u p u g g g g

...2

222

1221205019122981

ρ---====?p p u u h m g g

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./25L s 。已知管内径15=d cm , .225=d cm ,液柱高度11=h m 。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 ././33252510 -==?V q L s m s ,

截面1处的流速 ../.3

122

1

25101274005

4

4

π

π

-?=

=

=?V

q u m s

d

截面2处的流速 .../.2

2

1212005127451

0025????

==?= ? ?????

d u u m s d

在截面1与2之间列伯努利方程,忽略能量损失。

22

1122

22ρρ+=+p u p u g g g g

..11100511002522

ρ=+=+=+p d h g ()

()

(2)

2

2127451100252981

2981

++

=+

??h 截面2处的静压头 .20218=-h m 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.5735mm mm φ?。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/3m h ?

化工原理习题答案

习题1-15附图

习题1-16

化工原理习题答案

附图

习题1-17附图

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

...p h m g ρ?===?3

3304103110981

阀门开启后,压力表读数 .2203=p kPa (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2

u

2

22

1++2ρ=∑f p u Z H g g

.,.13105水柱==∑=f Z h m H m

(23)

232031031052981

10981?=++??u

./.2323005==u m s d m

水的流量

..././22333200532363410228 4

4

V q d u m s m h π

π

-=

=

??=?=

【1-18】若用压力表测得输送水、油(密度为/3880kg m )、98%硫酸(密度为/31830kg m )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f H 与压力降?p 的关系为ρ?=

f p

H g

..f p H m g ρ??==?3

水水4910=499 水柱1000981

..f p H m g ρ??==?3

油油4910=568 油柱880981

..f p

H m g ρ??==?3

硫酸硫酸4910=273 硫酸柱1830981

【1-19】如习题1-19附图所示,有一高位槽输水系统,管径为.mm mm φ?5735。已知水在管路中流动的机械能损失为2

452

∑=?f u h (u 为管内流速)。试求水的流量为多少/3m h 。欲

使水的流量增加20%,应将高位槽水面升高多少米?

化工原理习题答案

解 管径.005=d m ,

机械能损失2

452

∑=?

f u h

(1) 以流出口截面处水平线为基准面,

,,,1212500?

Z m Z u u ==== 22

22

14522

=+?u u Z g

化工原理习题答案

化工原理习题答案

./u m s 2146 水的流量 ().../.V q d u m s m

h π

π

-=

=

??=?=2

2

3

3

3200514628710103 /4

4

(2) ()'..10212=+=V V V q q q '..../221212146175 ==?=u u m s

'(')2

1223=Z g u (.)'..Z m ?==2

123175781 981

高位槽应升高 ..m

-=7185218

化工原理习题答案

【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.mm mm φ?3225,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2

82u g

?。若截面'

22-处的真空度为39.2kPa ,由'11-截面至'-22截面的压头损失为

2

122?u g

。试求:(1)吸入管中水的流量,/3m h ;(2)吸入口'11-截面的表压。

解 管内径...00320002520027=-?=d mm ,水密度/31000ρ=kg m

截面'-22处的表压.2392=-p kPa ,水槽表面10=p (表压)

(1) 从'''---00至22, 00为基准面,

,,,?1202030====Z Z m u u

压头损失 222

222118+=822222?

?∑=??+ ?

??f u u u H g g g

22

0022

1222ρρ++=+++∑f p u p u Z Z H g g g g

(22)

3223921010381000981298122981

-??

?=++++ ?

?????u u ./2143=u m s

水的流量 ()..223

236000.0271433600295

/44

π

π

=

?=??

?=V q d u m h

(2) 从'',,1211至2205

--==Z Z

.......()

p p u Z g g g

p p Pa kPa ρρ=++-?=++?

???=?=2

122

232

1311223921011435100098110009812298110410104表压

习题1-20附图

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?说明黏度与温度的关系。

解 20℃ 60℃

水 .3100510-??Pa s .3046910-??Pa s

空气 .618110 -??Pa s .620110-??Pa s

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.30893710μ-=??Pa s ,密度/3997ρ=kg m ,管内径.005=d m ,流速

/2=u m s

.Re ..53

0052997

112104000 为湍流0893710

du ρ

μ

-??=

=

=?>? 【1-23】 (1)温度为20℃、流量为/4L s 的水,在.mm mm φ?5735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./244cm s 的油,试判断流动类型。

解 (1) .,/.,./V d m q m s Pa s kg m μρ--==?=??=3333

005 410,1005109982

流速 ./(.)V

q u m s

d π

π

-?=

=

=?3

2

2

4102038 0054

4

雷诺数 ...Re ..53

00520389982

101104000为湍流100510

ρ

μ

-??=

=

=?>?du

(2) ././v cm s m s -==?242444410

雷诺数 ..Re .4

00520382322000为层流4410-?=

==

【1-24】 20℃的水在mm mm φ?2196的直管内流动。试求:(1)管中水的流量由小变大,当达到多少/m s 3时,能保证开始转为稳定湍流;(2)若管内改为运动黏度为./cm s 2014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℃,./.,.339982,1005100207ρμ-==??=kg m Pa s d m

..Re ./.3

02079982

4000 001945100510du u u m s ρ

μ

-??=

=

=?

体量流量 ()../2

2430207001945 6.54104

4

V q d u m s

π

π

-=

=

??=?

(2) ././24201401410υ-==?cm s m s

Re du

υ

=

..4

0207

200001410-=

?u ./0135=u m s

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∑f h 。若流体密度为ρ,指示液密度为0ρ,压差计读数为R 。试推导出用读数R 计算摩擦损失∑f h 的计算式。

化工原理习题答案

解 从截面A 到截面B 列伯努利方程,截面A 为基准面,则得

() A

B

f

A B f

p p Hg h p p p Hpg h ρρ

ρ

=+

+∑?=-=+∑ 1

液柱压差计1-1为等压面

() A B p R g p H g R g

ρρρ+=++0 2

()0ρρρ?=-=-+A B p p p R g H g

由式()()1与式2得 ()0ρρρ

-∑=

f R g

h

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。

化工原理习题答案

【1-26】如习题1-26附图所示,有.5735mm mm φ?的水平管与垂直管,其中有温度为20℃的水流动,流速为/3m s 。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/.d ε=0004。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/313600kg m 。

解 已知管内径.005=d m ,水的温度t=20℃

密度./39982ρ=kg m ,黏度.3

100410

μ-=??Pa s ,流速/3=u m s

雷诺数..Re ..53

00539982

14910100410

ρ

μ

-??=

=

=??du 湍流

习题1-25附图

习题1-26附图

管壁相对粗糙度

.0004

ε

=d

查得摩擦系数 .00293

λ=

这两个直管的摩擦阻力损失相同,为

./.f l u h J kg d λ==??=22

630.0293158 20052

(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

A

A

B B A B f p u p u gZ gZ h ρρ++=+++22

22

因,==A B A B Z Z u u ,故得

...9982158157701577ρ-==?==A B f p p h Pa kPa

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,

,,A B A B Z Z L m u u ====06

A

B

B f p p gZ h ρ

ρ

+

+=

.....998298169982158745307453 A B B f p p gZ h Pa kPa ρρ-=+=??+?==

上述计算结果表明,垂直管的-A B p p 大于水平管的-A B p p 。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

() A B f

p p h a ρ-=

另从U 形管压差计等压面处力的平衡,求得

汞ρρ+=+A B p R g p R g

()()

A B p p R b g ρρ-=-汞

由式()a 与式()b ,求得

....().(.)

f h R m mm

g ρρρ?=

===-?-汞9982158

01276 汞柱1276 汞柱981136009982

②垂直管与前面相同,由伯努利方程得

()

A B f

p p gL h c ρρ-=+ 另从U 形管压差计等压面处力的平衡,求得

汞ρρρ+=++A B p R g p L g R g

()

()

A B p p L g R d g ρρρ--=

-汞

由式()()与式c d ,求得

()

汞ρρρ=

-f

h R g

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()() 及式b d 求得水平管及垂直管的()-A B p p 。

【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u 时,测得压差计中水银指示液读数为R 。当流速由

u 增大到'u 时,试求压差计中水银指示液读数'R 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f h 成正比,即f R h ∝。

又知道,在粗糙管完全湍流区为阻力平方区,即摩擦损失f h 与流体流速u 的平方成正比,f h u ∝2。

由上述分析可知 R u ∝2 因此 ''''2

2

2

2

=

=R u u R R R u u

【1-28】水的温度为10℃,流量为330/L h ,在直径.mm mm φ?5735、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990/L h ,试计算其摩擦损失。

解 水在10℃时的密度.39997/ρ=kg m ,黏度.,.,Pa s d m l m

μ-=??==3130610 005 100,光滑管。

(1) 体积流量 /.V q L h m h ==3

330033/

流速 ../.V

q u m s

d

π

π

=

==?

?

?2

2

03300467 36003600005

4

4

雷诺数 . Re .3

0.050.04679997

1787层流

130610ρ

μ

-??=

=

=?du

摩擦系数 Re 6464

0.03581787

λ=

==

摩擦损失 (.)/.f l u h J kg

d λ==??22

100004670.0358=0.0781 20052

(2) 体积流量 /.3990099 /==V q L h m h

因流量是原来的3倍,故流速../u m s =?=004673014

雷诺数Re 178735360=?=湍流

对于光滑管,摩擦系数λ用Blasius 方程式计算

.....Re ()025025

031640316400375360λ=

== 也可以从摩擦系数λ与雷诺数Re 的关联图上光滑管曲线上查得,.0037λ=。

摩擦损失 (.)

/.22100014=0.037=0.725 20052

f l u h J kg

d λ=??

【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mm mm φ?2199,内管为mm mm φ?1144;(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mm mm φ?252的管子174根。

化工原理习题答案

习题1-29附图

解 (1)套管式换热器,内管外径.10114=d m ,外管内径.20201=d m

当量直径 ...21020101140087=-=-=e d d d m

(2) 列管式换热器,外壳内径.205=d m ,换热管外径.10025=d m ,根数174=n 根

当量直径 ()

(.)(.)

.()..2222

21210517400254400291051740025

π

π--?=?==++?e d nd d m

d nd

【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

0.0005ε=e

d 。

解 空气,./.3635℃,1147,188510 ρμ-===??t kg m Pa s ,流速/12=u m s 。管路截面的高..a m b m ==03,宽 02。

当量直径 (2203020240302)

??=

==++e ab d m a b

化工原理习题答案

习题1-31附图 习题1-32附图

雷诺数 ..Re ..5

6

024121147

17510湍流

188510

ρ

μ

-??=

=

=??e d u

.,,00005 查得=0.0192 120e

l m d ελ==

摩擦损失 ./.22120120019269120242

f e l u h J kg

d λ==??=

【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/31000kg m ,黏度为1?mPa s 。为保持稳态流动,使槽内液面恒定。要想使输液量为./m h 317,虹吸管出口端距槽内液面的距离h 需要多少米?

解 已知,,/330.02210,=1d m l m kg m mPa s ρμ===?,

体积流量./317=V q m h

流速 ././.2

2

173600

1504002

4

4

V

q u m s

d π

π

=

=

=?

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

22

22u l u

h g d g λξ??=++ ?

??

∑ ..Re .4

3

00215041000

30110湍流110

ρ

μ

-??=

=

=??du

光滑管,查得.00235λ=,管入口突然缩小.ξ=05

U 形管(回弯头).15

ξ=

(2)

21504

100235051506170022981h m ??=+?++= ????

【1-32】如习题1-32附图所示,有黏度为.17?mPa s 、密度为/3765kg m 的液体,从高位槽经直径为mm mm φ?1144的钢管流入表压为0.16MPa 的密闭低位槽中。液体在钢管中的流速为m/1s ,钢管的相对粗糙度/0.002ε=d ,管路上的阀门当量长度50=e l d 。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。

,.p p Pa u u ==?==61212(0表压)01610,两槽流速 0,

,,/,.120管内流速1管径0106====Z H Z u m s d m

液体密度/.33765,黏度1710ρμ-==??kg m Pa s 雷诺数.Re ..4

3

0106176547710湍流

1710

ρ

μ

-??=

=

=??du

/..0002,查得00267ελ==d 管长30160190=+=l m ,阀门50=e

l d

,高位槽的管入口0.

5ξ=,低位槽管出口=1ξ,90°弯头.075

ξ=

2

22λξρ+??=++ ?

??∑e l l p u

H g d g

........62016101901002675005107523976598101062981?????=+?++++?= ?????????

m

【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1144mm mm φ?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/m h 330,试求水从泵获得的外加机械能为多少?钢管的相对粗糙度

.0002ε

=d

解 水在20℃时./39982ρ=kg m ,.3100410Pa s

化工原理习题答案

μ-=??

.,0106 1800e d m l l m =+=

流量 /330=V q m h

流速 / ./(.)22

303600

09448010644

V

q u m s d ππ===?

...Re ..43

0106094489982

99610100410

ρ

μ

-??=

=

=??du 湍流

查得.00252λ=

摩擦阻力损失 ../.22

18000944800252191201062

e f l l u h J kg

d λ+==??=∑

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。

习题1-33附图

外加机械能 .../22

209448345981191530 22

f u W Z

g

h J kg

=++∑=?++=

【1-34】如习题1-34附图所示,在水塔的输水管设计过程中,若输水管长度由最初方案缩短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

化工原理习题答案

2

2λ=∑=?

f l u H H d g

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'l 与原来长度l 的关系为 '0.75=l l

在流体阻力平方区,摩擦系数恒定不变,有

'''(')'.(')22

222207522λλλλλλ=∑=∑==f f H H l u l u d g d g l u l u d g d g

故流速的比值为

化工原理习题答案

'.1155==u u 流量的比值为

'.1155=V

V

q q 流量增加了15.5%

管路计算

【1-35】用1689m m m m φ?的钢管输送流量为/60000kg h 的原油,管长为100km ,油管最大承受压力为.MPa 157。已知50℃时油的密度为/3890kg m ,黏度为181?mPa s 。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 .,,/m d m l km q kg h

===015 100 60000

习题1-34附图

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