序言 【 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，甲醇在空气中到达饱满状态。试求： (1)甲醇的饱满蒸气压 ；(2)空气中甲醇的组成，以摩尔分数 、质量分数 、浓度 、 质量浓度 标明。 解 (1)甲醇的饱满蒸气压 (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%，用真空蒸腾器浓缩，食盐结 晶别离后的浓缩液中含 50%、 2%、 48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸腾量；(2)别离的食盐量；(3)食盐别离后的浓缩 液量。在全进程中，溶液中的 量坚持必定。 解 电解液 1000kg 浓缩液中 1000×0.l=100kg =0.5（质量分数） 1000×0.l=100kg 1000×0.8=800kg =0.02（质量分数） =0.48（质量分数） 在全进程中，溶液中 浓缩液量为 量坚持必定，为 100kg 200kg 浓缩液中，水的含量为 200×0.48=96kg，故水的蒸腾量为 800-96=704kg 浓缩液中 的含量为 200×0.02=4kg，故别离的 量为 100-4=96kg 1 第一章 流体活动 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。试别离求 出 A、B 二容器中气体的肯定压力为若干帕，该处环境的大气压力等于规范大气压力。 解 规范大气压力为 101.325kPa 容器 A 的肯定压力 容器 B 的肯定压力 【1-2】某设备进、出口的表压别离为-12kPa 和 157kPa，当地大气压力为 101.3kPa。试 求此设备的进、出口的肯定压力及进、出的压力差各为多少帕。 解 进口肯定压力 出口肯定压力 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 2 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 混合气体的量为 ，摩尔体积为 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，倒刺进常温水槽中， 管中水柱较水槽液面高出 2m，当地大气压力为 101.2kPa。试求：(1)管子上端空间的肯定压 力；(2)管子上端空间的表压；(3)管子上端空间的线)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)管子上端空间的肯定压力 在水平面 处的压力平衡，有 (2)管子上端空间的表压 (3)管子上端空间的线)槽内为四氯化碳，管中液柱高度 习题 1-6 附图 常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为 3 【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 。试求试管底部的肯定压力为多少 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，距容器底的高度别离为 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 两个绷簧压力 表的读数。 解 容器上部空间的压力 液体密度 (1)压差计读数 R=? 在等压面 ，指示液密度 习题 1-8 附图 (2) 【1-9】如习题 1-9 附图所示的测压差设备，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 习题 1-9 附图 4 已知 ， 【1-10】常温的水在如习题 1-10 附图所示的管路中活动，为丈量 A、B 两截面间的压力 差，设备了两个串联的 U 形管压差计，指示液为汞。测压用的连接收中充溢水。两 U 形管 的连接收中，充溢空气。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 之间的联系式。 解 设测压前两 U 形压差计的水银液面，距输水管中心 线的间隔为 H。 在等压面 处 因 ，由上两式求得 习题 1-10 附图 因 故 【1-11】力了扫除煤气管中的少数积水，用如习题 1-11 附图所示水封设备，使水由煤气管路上的笔直管排出。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 习题 1-11 附图 【1-12】有密度为 的液体，在内径为 60mm 的管中运送到某处。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 5 (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 间的环隙有肯定压力为 ，进、出口均匀温度为 ，流量为 的气体活动。在 规范状态下 ，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，从一主管向两支管运送 20℃的水。要求主管中水的流 速约为 ，支管 1 与支管 2 中水的流量别离为 。试核算主管的内径，并从 无缝钢管规范表中挑选适宜的管径，最终核算出主管内的流速。 解 主管的流量 体积流量 ，流速 6 管径 挑选 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 附图所示的管路中活动。在截面 1 处的流速为 ， 管内径为 200mm，截面 2 处的管内径为 100mm。因为水的压力，截面 1 处产生 1m 高的水 柱。试核算在截面 1 与 2 之间所产生的水柱高度差 h 为多少（疏忽从 1 到 2 处的压头丢失）? 解 习题 1-15 附图 另一核算法 习题 1-16 附图 核算液柱高度时，用后一办法简洁。 【 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 。若疏忽压头丢失，试核算缩短截面 2 处的静压头。 解 水的体积流量 ， 7 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，疏忽能量丢失。 截面 2 处的静压头 水柱 负值标明该处表压为负值，处于线 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。而阀门敞开后，压力表读数降至 20.3kPa。设压力表之前管路中的压头丢失为 0.5m 水柱， 试求水的流量为多少 ? 解 出水阀全封闭时，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 习题 1-17 附图 阀门敞开后，压力表读数 （表压） 从水槽外表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】若用压力表测得运送水、油（密度为 ）、 98%硫 酸 (密 度 为 ) 的某段水持平直径管路的压力降均为 49kPa。试问三者的压头丢失的数值是否持平？各为多 少米液柱？ 8 解 从伯努利方程得知，等直径水平管的压头丢失 与压力降 的联系为 。 【1-19】如习题 1-19 附图所示，有一高位槽输水体系，管径为 。已知水 在管路中活动的机械能丢失为 (u 为管内流速)。试求水的流量为多少 。欲 使水的流量添加 20%，应将高位槽水面升高多少米？ 解 管径 ， 机械能丢失 (1) 以流出口截面处水平线-20】 如习题 1-20 附图所示，用离心泵运送水槽中的常 温 水 。泵 的 吸 入 管 为 ，管的下端坐落水面以下 2m， 并装有底阀与拦污网，该处的部分压头丢失为 。若截面 处的线kPa，由 截面至 为 。试 求 ：(1)吸 入 管 中 水 的 流 量 ， 截面的压头丢失 ；(2)吸 入 口 截面的表压。 解 管内径 ，水密度 截面 处的表压 ，水槽外表 （表压） 习题 1-20 附图 9 (1) 从 压头丢失 为基准面， 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？阐明黏度与 温度的联系。 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。 雷诺数与流体活动类型 【1-22】 25℃的水在内径为 50mm 的直管中活动，流速为 2m/s。试求雷诺数，并判别 其活动类型。 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 活动类型；(2)在相同的条件下，水改为运动黏度为 解 (1) 的 直 管 中 流 动 ，试 判 断 的油，试判别活动类型。 10 流速 雷诺数 (2) 雷诺数 【1-24】 20℃的水在 的直管内活动。试求：(1)管中水的流量由小变大， 当到达多少 时，能确保开端转为安稳湍流；(2)若管内改为运动黏度为 液体，为坚持层流活动，管中最大均匀流速应为多少？ 的某种 解 (1) 水，20℃， 体量流量 (2) 管内流体活动的冲突阻力丢失 【1-25】如习题 1-25 附图所示，用 U 形管液柱压差计丈量等直径管路从截面 A 到截面 B 的冲突丢失 。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 核算冲突丢失 的核算式。 解 则得 从截面 A 到截面 B 列伯努利方程，截面 A 为基准面， 液柱压差计 1-1 为等压面 习题 1-25 附图 由式 得 此式即为用 U 形管压差计丈量流体在两截面之间活动的冲突丢失的核算式。 【1-26】如习题 1-26 附图所示，有 的水平管与笔直管，其间有温度为 20 ℃的 水 流 动 ，流 速 为 。在截面 A 与截面 B 处各设备一个绷簧压力表，两截面的间隔为 11 6m，管壁的相对粗糙度 。试问这两个直 管上的两个绷簧压力表读数的差值是否相同？假定 不同，试阐明其原因。 假定用液柱压差计丈量压力差，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 查得冲突系数 这两个直管的冲突阻力丢失相同，为 习题 1-26 附图 (1) 绷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笔直管 在 A、B 两截面间列伯努利方程，以截面 A 为基准面， 上述核算成果标明，笔直管的 大于水平管的 从下向上活动时，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 。这是因为流体在笔直管中 12 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笔直管与前面相同，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，笔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 以别离用式 求得水平管及笔直管的 。 【1-27】有一运送水的等直径（内径为 d）笔直管路，在相距 H 高度的两截面间设备一 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。设管内水的活动处于粗糙 管彻底湍流区。 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 与两截面间流体活动的 冲突丢失 成正比，即 。 又知道，在粗糙管彻底湍流区为阻力平方区，即冲突丢失 与流体流速 的平方成正 比， 。 由上述剖析可知 因而 【1-28】水的温度为 10℃，流量为 ，在直径 、长为 100m 的直管 13 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 冲突丢失。 解 水在 10℃时的密度 ，黏度 滑管。 (1) 体积流量 流速 ，试核算其 ，光 雷诺数 冲突系数 冲突丢失 (2) 体积流量 因流量是本来的 3 倍，故流速 雷诺数 湍流 关于润滑管，冲突系数 用 Blasius 方程式核算 也能够从冲突系数 与雷诺数 Re 的相关图上润滑管曲线上查得， 。 冲突丢失 【1-29】试求下列换热器的管空隙空间的当量直径：(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。 解 (1)套管式换热器，内管外径 当量直径 (2) 列管式换热器，外壳内径 习题 1-29 附图 ，外管内径 ，换热管外径 当量直径 ，根数 根 14 【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，试求空气活动的冲突丢失，设 。 解 空气， 。 当量直径 ，流速 。管路截面的高 雷诺数 冲突丢失 【1-31】把内径为 20mm、长度为 2m 的塑料管（润滑管），弯成倒 U 形，作为虹吸管 运用。如习题 1-31 附图所示，当管内充溢液体，一端刺进液槽中，另一端就会使槽中的液 体主动流出。液体密度为 ，黏度为 。为坚持稳态活动，使槽内液面安稳。 要想使输液量为 解 已知 ，虹吸管出口端距槽内液面的间隔 需求多少米？ ，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 润滑管，查得 U 形管（回弯头） ，管进口忽然缩小 习题 1-31 附图 习题 1-32 附图 15 【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，试求两槽液面的笔直间隔 H。 解 在高位槽液面至低位槽液面之间列伯努利方程核算 H，以低位槽液面为基准面。 ， 液体密度 雷诺数 管长 弯头 ，阀门 ，高位槽的管进口 ，低位槽管出口 ，90° 【1-33】如习题 1-33 附图所示，用离心泵从河滨的吸水站将 20℃的河水送至水塔。水 塔进水口到河水水面的笔直高度为 34.5m。管路为 的钢管，管长 1800m，包含 悉数管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为 ，试求水从泵取得的外加机械能为 多少？钢管的相对粗糙度 。 解 水在 20℃时 ， 流量 流速 查得 湍流 习题 1-33 附图 冲突阻力丢失 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。 16 外加机械能 【1-34】如习题 1-34 附图所示，在水塔的输水管规划进程中，若输水管长度由开端方 案缩短 25%，水塔高度不变，试求水的流量将怎么改动？改动了百分之几？水在管中的流 动在阻力平方区，且输水管较长，能够疏忽部分冲突阻力丢失及动压头。 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，故管路的压头丢失不变。 管长缩短后的长度 与本来长度 的联系为 在流体阻力平方区，冲突系数安稳不变，有 习题 1-34 附图 故流速的比值为 流量的比值为 流量添加了 15.5% 【1-35】用 管路核算 的钢管运送流量为 的 原 油 ，管 长 为 ，油管最大 接受压力为 。已知 50℃时油的密度为 ，黏 度 为 。假定输油管水平 铺设，其部分冲突阻力丢失疏忽不计，试问为完结输油使命，半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 17 油管最大接受压力为 加压站数 需设置 2 级加压，每级管长为 50km，每级的 ，低于油管最大接受 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，运送 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（包含管件的当量长 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，得管路的冲突阻力丢失为 管内水的流速 不知道，冲突系数 不能求出。本题归于已知 、 ，求 的问题。 验算活动类型 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 运送到低位槽 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 ，试核算所需的管径。输水 管的长度及管件的当量长度共为 42m，管子为润滑管。 18 本题是核算润滑管的管径问题。尽管能够用试差法核算，但不便利。最好是用润滑 管的冲突系数核算式 （适用于 ）与 及 ，推导 一个 之间的核算式。 解 水在 水的流量 ，管长及管件当量长度 阀门封闭时，压力表可测得水槽离压力表测压点的间隔 。 两水槽液面的间隔 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 的冲突丢失 与 的联系式为 关于水力润滑管， 与 及 之间的核算式为 代入已知数 求得管内径为 验证 规模 湍流 契合 核算式中规则的 规模 【1-38】 如习题 1-38 附图所示，水槽中的水由管 C 与 D 放出， 两根管的出水口坐落同一水平面，阀门全开。各段管内径及管长（包 括管件的当量长度）别离为 习题 1-38 附图 19 AB BC BD d 试求阀门全开时，管 C 与管 D 的流量之比值，冲突系数均取 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 管的压头丢失 （b） BD 管的压头丢失 （c） 将式 ，得 因 ，故流量之比值 【1-39】有一并联管路，运送 20℃的水。若总管中水的流量为 ，两根并联管 的管径与管长别离为 。试求两根并联管中的流量各 为若干？管壁肯定粗糙度为 。 解 用试差法求解，设各支管的流体活动处于彻底湍流粗糙管的阻力平方区。 两根支管的相对粗糙度别离为 从教材的图 1-28 查得 总流量 支管 1 的流量 支管 2 的流量 20 下面核算 值 水在 20℃时， 故 由 由 以上核算成果正确。 ，从图上查得 ，从图上查得 ，与原假定相同。 ，与 原 假 设 的 挨近。故 流量的测定 【1-40】 在管径 的管路中心处设备皮托测速管，丈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，歪斜视点为 20 度。试核算空气的质量流量。 解 空气温度 ，肯定压力 ，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 的管路中运送，管路上设备角接取压的孔板流量计 21 丈量流量，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 联系曲线上查得，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 核算正确 联系曲线上查得， 。与前面查得 值相同， 。第二章 流体运送机械 离心泵特性 【2-1】某离心泵用 15℃的水进行功能试验，水的体积流量为 540m3/h，泵出口压力表 读数为 350kPa，泵进口线kPa。若压力表与真空表测压截面间的笔直间隔为 350mm，吸入管与压出管内径别离为 350mm 及 310 mm，试求泵的扬程。 解 水在 15℃时 ，流量 压力表 真空表 压力表与真空表测压点笔直间隔 管径 （表压） 22 流速 扬程 【2-2】本来用于运送水的离心泵现改为运送密度为 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，试阐明：(1) 泵的压头（扬程）有无改动；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无改动；(3)泵的轴功率 有无改动。 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)泵的有用功率，水的密度为 1000kg/m3; (2)若将泵的转速调理到 1250r/min 时，泵的 流量与扬程将变为多少？ 解 (1)已知 有用功率 (2) 转速 转速 流量 时流量 ，扬程 柱 扬程 柱 管路特性曲线、作业点、等功率方程 【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 且坚持安稳。已知运送管路为f 45mm×2.5mm，在泵出口阀门全开的状况下，整个输 送体系的总长为 20m（包含一切部分阻力的当量长度），设活动进入阻力平方区，冲突系数为 0.02。 23 在运送规模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）离心泵的作业点；（2）若在阀门开度及管路其他条件不变的情 况下，而改为运送密度为 1200 kg/m3 的碱液，则离心泵的作业点有何改动？ 解 （1）管路特性方程 其间 故管路特性方程 离心泵特性方程 两式联立 得作业点下的流量与压头 ， （2）当改送密度为 1200 kg/m3 的碱液时，泵特性方程不变，此刻管路特性方程 活动进入阻力平方区，且阀门开度不变，则 k 不变。因而管路特性方程变为 将该方程与泵特性方程联立 得新作业点下流量及压头 ， 【2-5】在一化工出产车间，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（包含部分阻力的当量长度在内）为 400m。 流体活动处于阻力平方区，冲突系数为 0.03。流体流经换热 器的部分阻力系数为 。 离心泵在转速 时的 特性曲线数据见 下表。 习题 2-5a 附图 24 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 ) 问求得的作业点流量调理到 ，应将转速调理到多少？（参看例 2-3）。 解 已知 (1) 管路特性方程 (2) 作业点的流量与扬程 管路特性曲线的 与 H 核算值如下 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 作业点流量 ，扬程 (3) 将 作业点 流量从 调理到 调理到多少？ 将 代入管路特性方程，求得 ，泵 的 转 速 应 由 等功率方程 系数 得等功率方程 等功率方程的核算值如下 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b 附图 时的转速为 转速改动小于 20%，功率根本不变。 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，试求泵作业点的流量与扬程。 解 习题 2-6 附图中点 A 为作业点 流量 ，扬程 水柱 习题 2-6 附图 习题 2-7 附图 【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，试求作业点的流 26 量与扬程。 解 习题 2-7 附图中点 A 为作业点， 流量 ，扬程 水柱 离心泵的设备高度 【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 ，当地环境大气的肯定压力为 98kPa。 试求：(1)水温 20℃时泵的设备高度，(2)水温 80℃时泵的设备高度。 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，饱满蒸气压 最大答应设备高度为 ，密度 运送 20℃水时，泵的设备高度 (2) 80℃的水，饱满蒸气压 最大答应设备高度为 ，密度 运送 80℃水时，泵的设备高度 【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，饱满蒸汽压为 72.12kPa。吸入管路的压头丢失为 1.5m，所选泵的 答应汽蚀余量为 3.0m。现拟将泵设备在液面以下 2.5m 处，问该泵能否正常操作？ 解 泵的最大答应设备高度 而实践设备高度 Hg 实 ，阐明此泵设备不妥，泵不能正常操作，会产生汽蚀现象。为 确保泵的正常操作，泵应至少设备在液面下方 3.5m 或更低。 【 2-10】 用 离 心 提出如下两种计划（见 两计划的管路长度（包 度）相同，离心泵的汽 这两种流程计划是否能 泵运送 80℃热水，今 习 题 2-10 附 图 ）。 若 括部分阻力的当量长 蚀余量 。试问 完结运送使命？为什 27 习题 2-10 附图 么？环境大气压力为 。 解 水在 80℃时饱满蒸气压 大气压力 最大答应设备高度为 ，密度 ，汽蚀余量 ， 第(2)计划的设备高度 第(1)计划的设备高度 若 ．则 ，大于 ，不能完结运送使命。 水柱时能够用。 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（包含 部分阻力的当量长度）为 45m。水温为 20℃，管壁相对粗糙度 。要求输水量为 。(1)试挑选恰当管径；(2)试挑选一台离心泵。 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 28 选公称直径 65mm 的低压流体运送用焊接钢管 管径为 ，内径 最终核算流速 此流速在表 1-4 中的 (2)选离心泵 扬程 规模内 查得 扬程 有用功率 设泵的功率 轴功率 选用离心泵 其流量规模为 ，扬程规模为 ，转速为 ，轴功率为 ，汽蚀余量 。 【2-12】有一台离心泵的额外流量为 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，从敞口贮槽向上运送到表压为 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（ 包含直管长度与一切管件的当量长度），冲突系数为 0.03。 解 流量 流速 压头 流量与压头都略小于额外值，该泵能够用。 液柱 往复泵 29 【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？又试验测得此泵在 26.5min 内 能使一直径为 3m 的圆形贮槽的水位上升 2.6m，试求泵的容积功率（即实践流量/理论流量）。 解 活塞行程 ，活塞直径 ，活塞截面积 活塞杆直径 活塞往复频率 理论流量 ，活塞杆截面积 实践流量 容积功率 气体运送机械 【2-14】有一台离心式通风机进行功能试验，测得的数据如下：空气温度为 20℃，风 机出口的表压为 230Pa，进口的线Pa，送风量为 。吸入管与排出管的内 径别离为 300mm 及 250mm，风机转速为 ，所需轴功率为 0.81kW。试求风机的全 风压、静风压及全风压功率。 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 ℃， 进口动压 出口动压 进口静压 全风压 静风压 已知轴功率 有用功率 下，空气密度 ，出口静压 30 全风压功率 【 2-15】 仓 库 里 有 一 台 离 心 式 通 风 机 ， 其 铭 牌 上 的 流 量 为 1.569kPa。现 想 用 它 输 送 密 度 为 的气体，气体流量为 ，全风压为 ，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 量 及全风压 。 及全风压 1.3kPa 换算为标定条件下的风 被运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 机能够运用。 【2-16】有温度为 25℃、流量为 的空气，从 紧缩到 （均为肯定 压力），绝热指数为 1.4，试求空气绝热紧缩后的温度，并求等温紧缩和绝热紧缩所需理论 功率，假定为理想气体。 解 （1） (2) 等温紧缩 流量 功率 (3) 绝热紧缩 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℃的热空气中下降，求其 沉降速度。 31 解 150℃时，空气密度 颗粒密度 ，直径 假定为过渡区，沉降速度为 ，黏度 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，假定沉降处于斯托克斯规律区。 解 在斯托克斯区，沉降速度核算式为 由此式得（下标 w 标明水，a 标明空气） 查得 20℃时水与空气的密度及黏度别离为 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，其间用隔板分为 20 层，间隔为 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 400 0k g/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 超越多少 m/s? (3)此降尘室每小时能处理多少 m3 的气体？ 解 已知 (1) 沉降速度核算 假定为层流区 32 验算 (2) 气体的最大流速 。 沉降高度 ，降尘室长度 为层流 (3) 气体的最大处理量 气体的处理量 也能够用教材式(3-18)核算 【3-4】有一重力沉降室，长 4m，宽 2m，高 2.5m，内部用隔板分红 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 用此降尘室别离 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 假定为层流区，求得沉降速度为 验算 炉气流量为 为层流区 本题也能够用教材式(3-18)核算，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)所示的旋风别离器除 尘。尘粒的密度为 2000kg/m3。若旋风别离器的直径为 0.65m，进口气速为 21m/s，试求： (1)气体处理量（规范状态）为多少 m3/s；(2)气体经过旋风别离器的压力丢失；(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 33 (1) 气体处理量 旋风别离器直径 ，进口气速 200℃、101.33kPa 的空气流量为 0℃、101.33kPa 时空气流量为 (2) 压力丢失 阻力系数 压力丢失 (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，湿滤渣与其间固体的质量比为 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，每个滤框的两边有用过滤面积为 0.85m2，试求 1 小时过滤所得滤液量为多少 m3。 已知过滤常数 34 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 过滤时刻 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 84 100 300 500 1×10-4 3×10-4 5×10-4 1×10-2 3×10-2 5×10-2 8.4×102 如习题 3-8 附图所示 直线 7×10-4 7×10-2 20.7×102 已知 滤液黏度 由习题 3-6 得 故比阻为 湿渣 滤液 【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 35 20 个滤框，滤框厚度为 60mm，每个滤框的两边有用过滤面积为 满滤渣所需求的时刻。固体颗粒密度为 。 。试求滤框内悉数充 在习题 3-6 中已给出湿滤渣质量与其间固体质量的比值为 2.5kg 湿渣／kg 干渣，并核算 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刻 的核算式为 需求求出 过滤面积 滤液体积 V 的核算： 20 个滤框中的湿滤渣体积为 从滤渣体积 核算滤液体积 湿渣 滤液 滤液 过滤面积 过滤时刻 【3-10】用板框压滤机过滤某悬浮液，恒压过滤 l0min，得滤液 疏忽不计，试求：(1)过滤 1h 后的滤液量；(2)过滤 1h 后的过滤速率 。若过滤介质阻力 。 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 ， 36 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，为了削减热丢失，在加热器的平壁外外表，包一层热导率为 0.16W/ (m·℃)、厚度为 300mm 的绝热资料。已测得绝热层外外表温度为 30℃，另测得距加热器平 壁外外表 250mm 处的温度为 75℃，如习题 4-1 附图所示。试求加热器平壁外外表温度。 解 核算加热器平壁外外表温度 ， 习题 4-1 附图 【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·℃)。若外外表温度为 28℃，表里表温度为 3℃，试核算单 位外表积的冷量丢失。 解 已知 ， 则单位外表积的冷量丢失为 【4-3】用平板法测定资料的热导率，平板状资料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水 冷却，一起在板的两边均用热电偶丈量其外表温度。若所测固体的外表积为 0.02m2，资料 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，两边温度别离为 280 ℃和 100℃，试核算该资料的热导率。 解 依据已知做图 热传导的热量 37 习题 4-3 附图 【 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℃，一般砖的耐热温度为 130℃。 (1) 依据砖的耐热温度确认砖与砖触摸面的温度，然后核算绝热砖层厚度。若每块绝热 砖厚度为 230mm，试确认绝热砖层的厚度。 (2) 若一般砖层厚度为 240mm，试核算一般砖层外外表温度。 解 (1)确认绝热层的厚度 温度散布如习题 4-4 附图所示。经过耐火砖层的热传 导核算暖流密度 q。 绝热砖层厚度 的核算 习题 4-4 附图 每块绝热砖的厚度为 ，取两块绝热砖的厚度为 。 (2) 核算一般砖层的外侧壁温 先核算绝热砖层与一般砖层触摸面处的温度 小于 130℃，契合要求。 经过一般砖层的热传导，核算一般砖层的外侧壁温 。 【4-5】有直径为 的黄铜冷却管，假定管内生成厚度为 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 =11 0W/ (m · ℃) ]。 38 解因 ，因算术均匀半径核算导热面积。管长用 L 标明。黄铜管的热阻为 水垢的热阻为 习题 4-5 附图 倍 【4-6】某工厂用 的无缝钢管运送水蒸气。为了削减沿途的热丢失，在管 外包两层绝热资料，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℃，保温层外外表温度为 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，其外表包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度 的改动联系为 。水蒸气管路外外表温度为 150℃，期望保温 层外外表温度不超越 50℃，且每米管路的热量丢失不超越 。试 确 定 所 需 保 温 层 厚 度 。 解 保温层厚度以 b 标明 已知 39 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 25℃。 求 管 壁 对 水 的 对 流 传 热 系 数 。 解 水的均匀温度 的流速经过。水温由 15℃升至 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 对流传热系数的核算，水被加热，Pr 的指数 湍流 =4367 W/(m2·℃) 【 4- 9】空 气 以 的流速经过 的钢管，管长 。空气进口温度为 32 ℃，出口温度为 68℃。(1)试核算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速添加一倍， 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 的均匀温度为多少。 解 已知 (1)对流传热系数 核算 空气的均匀温度 查得空气在 时的物性数据 ， ，空气被加热，Pr 的指数 40 雷诺数 湍流 对流传热系数 (2)空气流速添加一倍，对流传热系数 为 (3)若空气从管壁得到的热量为 ，核算钢管内壁均匀温度 用式 核算钢管内壁的均匀温度 。 已知空气进出口均匀温度 在第(1)项中已核算出对流传热系数 钢管表里表积为 钢管内壁均匀温度 【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 沿管长方向活动，空气出口温度为 30℃。列管式换热器的外壳内径为 190mm，其间装有 37 根的 钢管，钢管长度为 2m。试求钢管外外表临空气的对流传热系数 。 解 已知空气压力 ，温度 ， 空气的均匀温度 查得空气在 20℃的物性数据为：密度 ，比热容 ， 热导率 的指数 空气活动的截面积 湿润周边 ，黏度 ，普朗特数 ，空气被加热，Pr 当量直径 已知空气的流速 41 雷诺数 对流传热系数 湍流 【 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 的甲苯在环隙中活动，进口温度为 72℃，出口温度 为 38℃。试求甲苯对内管外外表的对流传热系数。 解 甲苯的温度 ，均匀温度 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 核算 套管的内管外径 ，外管内径 ， 流速 甲苯对内管外外表的对流传热系数 核算 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 ，试求甲苯对钢管表里表的 42 对流传热系数。 解 甲苯的温度 均匀温度 甲 苯 在 50℃时 的 物 性 数 据 为 ： 密 度 ，比热容 甲苯在 3 根并联蛇管中的流速 核算 体积流量 ，蛇管内径 ， 流速 ，黏度 雷诺数 普朗特数 弯管效应校对系数 对流传热系数 核算 甲苯被冷却 湍流 ，热导率 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（肯定压力）的饱满水蒸气冷凝，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 在核算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数 时，需求知道管外外表温度 。 怎么假定 ? 水蒸气冷凝的 值一般为 按题意，饱满水蒸气冷凝传给硝酸的热量为 取 ，预算壁温度 300kPa（ 绝 对 压 力 ） 时 ， 水 蒸 气 的 饱 和 温 度 。 用式 预算壁温度 先假定 ℃ 43 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 值核算 用式 核算 Q 值 此 Q 值大于硝酸吸收的热量，阐明假定的 偏小。 重新用 预算 。 假定 膜温 与前面核算的膜温根本相同，故冷凝水膜的物性数据也相同，仅仅 核算式中的 不同。 值核算 用 验算壁温 与前面假定的相同。 【 4- 14】水 在 大 容 器 内 沸 腾 ，如 果 绝 对 压 力 保 持 在 试核算加热面上的暖流密度 。 ，加热面温度坚持 130℃， 44 解 水欢腾的对流传热系数 核算 加热面上的暖流密度 两流体间传热进程的核算 【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)肯定压力为 250kPa 的饱满水蒸气，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 均匀温度 比热容 放热量 (3) 水溶液 比热容 吸热量 (4) 空气加热均匀温度 比热容 吸热量 (5) 饱满水蒸气 ，饱满温度 ，比汽化热 ， 冷凝水从 降至 ℃， 平 均 温 度 45 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。若将冷却水的流量添加到 ，试求冷却水的出口温度。 解 硝基苯流量 ，均匀温度 比热容 硝基苯的放热量 (1) 冷却水用量核算 均匀温度 比热容 ，密度 (2) 用水量 时，求 ？ 用水量增大，水出口温度 应下降。先假定水的比热容及密度不变。从上面的核算式可 知 成反比，故 假定 水的均匀温度 查得水的比热容 核算 ，密度 与假定相符。 【4-17】在一换热器中，用水使苯从 80℃冷却到 50℃，水从 15℃升到 35℃。试别离计 算并流操作及逆流操作时的均匀温度差。 46 解 (1)并流操作 苯 水 (2) 逆流操作 苯 水 【4-18】 在 1 壳程 2 管程列管式换热器顶用水冷却油，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℃。试核算两种流体的传热 均匀温度差。 解 归于折流 查得温差校对系数 【4-19】用肯定压力为 300kPa 的饱满水蒸气将体积流量为 100℃。 苯 胺 在 平 均 温 度 下 的 密 度 为 ，比热容为 的苯胺从 80℃加热到 。试核算：(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 苯胺吸收的热量为 ，苯胺体积流量 ， 水蒸气用量 (2) 核算传热面积 A 已知 ，水蒸气的 水蒸气 133.3℃ 133.3℃ 。 47 苯胺 【 4-20】 有 一 套 管 式 换 热 器 ， 内 管 为 的钢管，内管中有质量流量为 的 热 水 ， 从 90℃冷 却 到 60℃。 环 隙 中 冷 却 水 从 20℃升 到 50℃。 总 传 热 系 数 。试求：(1)冷却水用量；(2)并流活动时的均匀温度差及所需传热面积； (3)逆流活动时的均匀温度差及所需传热面积。 解 (1)冷却水用量 核算 热水均匀温度 冷水均匀温度 热量衡算 (2) 并流 热水 冷水 传热面积 (3) 逆流 热水 传热面积 【4-21】 有 1 壳程 2 管程列管式换热器，用 293K 的冷水 30t/h 使流量为 20t/h 的乙二 醇从 353K 冷却到 313K，设总传热系数为 ，试核算所需传热面积。 解 48 乙二醇的均匀温度 ， 比热容 乙二醇放出热量 习题 4-21 附图 从水的物理性质数据表上可知，水在 ，核算冷水出口温度 。 规模内，比热容 。假定 冷水的均匀温度 挨近 30℃，所假定的 能够。 逆流均匀温度差 核算 折流的均匀温度差 核算 传 热 面 积 【4-22】 有一外径为 l00mm 的水蒸气管，水蒸气温度 为 160℃。为了削减热量丢失，在管外包覆厚度各为 25mm 的 A、B 两层绝热资料保温层，A 与 B 的热导率别离为 49 与 。试核算哪一种资料放在内层好。周围空气温度为 20℃，保温层外外表 对 周 围 空 气 的 对 流（包 括 热 辐 射 ）传 热 系 数 。保 温 层 内 表 面 温 度 在 两 种 情 况 下都等于水蒸气温度。 解 (1) A 在内层，B 在外层。以保温层外外表积为基准的总传热系数为 习题 4-22 附图 热量丢失 单位长度的热丢失为 (2) B 在内层，A 在外层，总传热系数为 核算成果标明，热导率小的绝热资料放在内层，热丢失小。 【 4- 23】测 定 套 管 式 换 热 器 的 总 传 热 系 数 。数 据 如 下 ：甲 苯 在 内 管 中 流 动 ，质 量 流 量 为 5000kg/h，进口温度为 80℃，出口温度为 50℃。水在环隙活动，进口温度为 15℃，出口温 度为 30℃。水与甲苯逆流活动，传热面积为 。问所测得的总传热系数为多大？ 解 甲苯 ， , 热负荷 50 【4-24】在一套管换热器中，内管中流体的对流传热系数 ，内管外侧 流体的对流传热系数 。已知两种流体均在湍流条件下进行换热。试答复下 列两个问题：(1)假定内管中流体流速添加一倍；(2)假定内管外侧流体流速添加两倍。其他 条件不变，试问总传热系数添加多少？以百分数标明。管壁热阻及尘垢热阻可不计。 解 已知 (1) 内管中流体流速添加一倍， 添加 37% (2) 添加 27. 6% 增大 小者，对增大 K 有利。 【4-25】 有一套管式换热器，内管为 ，外管为 。内管中有 流量为 的苯被加热，进口温度为 50℃，出口温度为 80℃。套管的环隙中有肯定压 力为 200kPa 的饱满水蒸气冷凝放热，冷凝的对流传热系数为 。已知内管的内 外表尘垢热阻为 ，管 壁 热 阻 及 管 外 侧 污 垢 热 阻 均 不 计 。试 计 算 ：( 1)加 热 水 蒸 气 用 量 ；(2)管 壁 对 苯 的 对 流 传 热 系 数 ；( 3)完 成 上 述 处 理 量 所 需 套 管 的 有 效 长 度 ；( 4)由 于 某 种原因，加热水蒸气的肯定压力降至 140kPa。这时，苯出口温度有何改动？应为多少度（设 苯 的 对 流 传 热 系 数 值 不 变 ， 平 均 温 度 差 可 用 算 术 平 均 值 计 算 ）。 解苯 均匀温度 ， 热负荷 (1) 水蒸气用量 51 (2) 苯的对流传热系数 苯被加热 (3)管长 以管表里表积 A1 为基准 湍流 (4) 水蒸气肯定压力 时，苯的出口温度 。 时， 【 4-26】 在 一套 管 换 热 器中 ， 用 绝 对压 力 为 200kPa 的饱 和 水 蒸 气使 流 量 为 的氯 化苯从 30℃加热 到 70℃， 氯化 苯在 内管中 活动 。因 某种 原因 ，氯 化苯 的流 量减小 到 ，但进、出口温度欲坚持不变。为此，想把水蒸气压力下降一些，试问水蒸气的 肯定压力应降到多少（两种状况下，管内氯化苯均为湍流活动，而且其对流传热系数比水 蒸气冷凝的对流传热系数小许多。因而，水蒸气冷凝的热阻及管壁热阻均可疏忽不计）？ 解 水蒸气肯定压力 52 氯化苯的流量 热负荷 成正比， 氯化苯的对流传热系数 氯化苯的流量减小到 的联系为 ， 总传热系数 水蒸气温度 压力 【4-27】欲将体积流量为 （规范状况 ）的常压空 气，用肯定压力为 200kPa 的饱满水蒸气加热，空气从 10℃加热到 90℃。现有一列管式换热 器，其规范如下：钢管直径 ，管长 1.6m，管数 271 根。如用此换热器，使空 气在管内活动，水蒸气在管外冷凝，试验算此换热器面积是否够用？水蒸气冷凝时的对流 传热系数可取为 。 解 空气的均匀温度 空气的物性参数 ， 空气流量 热负荷 水蒸气 均匀温度差 53 空气流速 湍流 已有换热器的传热面积为 【4-28】有一钢制套管式换热器，质量流量为 够用 的苯在内管中，从 80℃冷却到 50℃。冷却水在环隙中从 15℃升到 35℃。已知苯对管壁的对流传热系数为 ， 管壁对水的对流传热系数为 。核算总传热系数时，疏忽管壁热阻，按平壁计 算。试答复下列问题：(1)核算冷却水消耗量；(2)核算并流活动时所需传热面积；(3)如改动 为逆流活动，其他条件相同，所需传热面积将有何改动？ 解 总传热系数 K 的核算 已知 苯 热负荷 (1) 冷却水消耗量 54 (2) 并流的传热面积 A (3) 逆流时的传热面积 A 逆流与并流比较，因为逆流的温度差较大，所以传热面积小了一些。 【4-29】 在一传热面积为 20m2 的列管式换热器中，壳程用 110℃的饱满水蒸汽冷凝以加热 管程中的某溶液。溶液的处理量为 2.5 ? 104kg/h，比热容为 4kJ/(kg ×K)。换热器初始运用时可将溶 液由 20℃加热至 80℃。（1）该换热器运用一段时刻后，因为溶液结垢，其出口温度只能到达 75 ℃，试求尘垢热阻值；（2）若要使溶液出口温度仍坚持在 80℃，在不改动设备的条件下可采纳何 种办法？做定量核算。 解：原工况条件下的对数均匀温差： ℃ 此操作条件下的总传热系数： W/ (m2×K) （1）运用一年后，溶液出口温度下降至75℃，此刻的对数均匀温差为 ℃ 总传热系数 W/(m2×K) 尘垢热阻 m2×K/W （2）在不改动设备的条件下，可经过进步加热蒸汽的温度使溶液出口温度依然坚持在80℃。 此刻传热温差为 ℃ 55 即 由此解得 ℃ 【 4- 30】有 一 单 管 程 的 列 管 式 换 热 器 ，其 规 格 如 下 ：管 径 为 ，管长为 3m， 管数为 37 根。今拟选用此换热器冷凝并冷却 的饱满蒸气，自饱满温度 46℃冷却到 10℃ 。 在管外冷凝，其流量为 ，比汽化热为 。冷却水在管内，进口温度为 5℃， 出 口 温 度 为 32℃。 逆 流 流 动 。 已 知 的 冷 凝 和 冷 却 时 的 总 传 热 系 数 分 别 为 和 （ 以 内 表 面 积 为 基 准 ）。 试 问 此 换 热 器 是 否 合 适 ？ 解 质量流量 ， 冷凝段 ， 的比汽化热 冷凝段热负荷 冷却段 冷却段热负荷 冷却水 习题 4-30 附图 冷却水用量 水在两段之间的温度 ，用冷却段热负荷 核算。 冷凝段均匀温度差为 冷却段均匀温度差为 冷凝段传热面积为 56 冷却段传热面积为 总传热面积 现有换热器的传热面积按传热管表里表积核算 传热面积够用。 【4-31】在一套管式换热器中，用 120℃的饱满水蒸气在环隙中冷凝放热，使内管中湍 流活动的流量为 的苯从 20℃加热到 80℃。当流量添加到 时只能从 20℃加 热到 76℃。试核算换热器的传热面积和流量为 时的总传热系数 K。[核算时，水蒸 气冷凝的 值取用 。可疏忽管壁热阻及尘垢热阻，并可当平壁处理。两种状况 下苯的比热容以为相同]。 解 苯的流量 水蒸气 T=120℃ 时 T=120℃ 苯 ? 苯的流量 时 水蒸气 T=120℃ T=120℃ 苯 ? 传热速率方程 苯的流速与流量的联系 苯的对流传热系数 与流速 的联系 总传热系数 与传热管表里两边的对流传热系数 与 的联系为 57 解得 故 由 用均匀温度 求传热面积 ，查得苯的比热容 也能够由 求传热面积 热辐射 【4-32】外径为 50mm、长为 10m 的氧化钢管敷设在截面为 200mm×200mm 的红砖砌 的通道内，钢管外外表温度为 250℃，通道壁面温度为 20℃。试核算辐射热丢失。 解 钢管被红砖通道围住，角系数 辐射传热面积 红砖通道的外表积 宽长 查得氧化钢材外表的黑度 ，红砖的黑度 。 总辐射系数 58 辐射热丢失为 【4-33】 冷藏瓶由真空玻璃夹层构成，夹层中双壁外表上镀银，镀银壁面黑度 。 外壁表里表温度为 35℃，内壁外外表温度为 0℃。试核算因为辐射传热每单位面积容器壁 的散热量。 解 内壁外外表温度 ，外壁表里表温度 ，两外表镀银 ，两表 面积 。, 总辐射系数 每单位面积的辐射散热量 q 为负值，标明热量从外壁向内壁传递。 【4-34】 水蒸气管路横穿室内，其保温层外径为 70mm，外外表温度为 55℃，室温为 25℃，墙面温度为 20℃。试核算每米管路的辐射散热丢失及对流散热丢失。保温层外外表 黑度 。 解 (1) 辐射散热丢失 管路被大房间围住，角系数 ，辐射传热面积为管路外表积 总辐射系数 辐射传热速率核算式为 每米管路的辐射散热丢失为 59 (2) 对流散热丢失 按大空间天然对流传热核算管路外外表温度 55℃与室温 25℃的均匀温度 每米管路的对流散热丢失为 核算成果标明辐射散热丢失大于对流散热丢失。 第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和 CO2 的混合气体中，CO2 的体积分数为 20%，求其摩尔分数 y 和摩尔比 Y 各 为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数， 摩尔分数 摩尔比 【5-2】 20℃的 l00g 水中溶解 lgNH3, NH3 在溶液中的组成用摩尔分数 x、浓度 c 及摩尔比 X 标明时，各为多少？ 解 摩尔分数 浓度 c 的核算 20℃，溶液的密度用水的密度 溶液中 NH3 的量为 溶液的体积 溶液中 NH3 的浓度 或 替代。 60 NH3 与水的摩尔比的核算 或 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH3 的体积分数为 10%，吸收率为 90%，求脱离吸收器时 NH3 的组成，以摩尔比 Y 和摩尔分数 y 标明。 吸收率的界说为 解 质料气中 NH3 的摩尔分数 摩尔比 吸收器出口混合气中 NH3 的摩尔比为 摩尔分数 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解 ，查得 20℃时溶液上方 的平衡分压为 798Pa。此稀溶液的 气 液 相 平 衡 关 系 服 从 亨 利 定 律 ， 试 求 亨 利 系 数 E(单 位 为 )、 溶 解 度 系 数 H[单 位 为 ]和相平衡常数 m。总压为 。 解 液相中 的摩尔分数 气相中 的平衡分压 亨利系数 液相中 的浓度 溶解度系数 液相中 的摩尔分数 气相的平衡摩尔分数 相平衡常数 或 【5-5】空气中氧的体积分数为 21%，试求总压为 或许溶解多少克氧？已知 10℃时氧在水中的溶解度表达式为 中的平衡分压，单位为 为溶液中氧的摩尔分数。 ，温度为 10℃时， 水中最大 ，式中 为氧在气相 61 解 总压 空气中 的压力分数 空气中 的分压 亨利系数 (1) 使用亨利规律 核算 与气相分压 相平衡的液相组成为 溶液 此为 水溶液中最大或许溶解 因为溶液很稀，其间溶质很少 水溶液≈ 水=18 kg 水 10℃，水的密度 故 水溶液≈ 水 即 水中最大或许溶解 氧 故 水中最大或许溶解的氧量为 (2) 使用亨利规律 核算 水中最大或许溶解的氧量为 溶液 【5-6】含 NH3 体积分数 1.5%的空气-NH3 混合气，在 20℃下用水吸收其间的 NH3 总压为 203kPa。NH3 在水中的溶解度遵守亨利规律。在操作温度下的亨利系数 。试求氨水溶液 的最大浓度， 溶液。 解 气相中 的摩尔分数 总压 ，气相中 的分压 (1) 使用亨利规律 核算 62 与气相分压 相平衡的液相中 NH3 的摩尔分数为 水溶液的总浓度 水溶液中 的最大浓度 (2) 使用亨利规律 核算 溶液 溶液 【5-7】温度为 20℃，总压为 时，CO2 水溶液的相平衡常数为 m=1660。若总压为 时，相平衡常数 m 为多少？温度为 20℃时的亨利系数 E 为多少 ? 解 相平衡常数 m 与总压 p 成反比， 时 亨利系数 【5-8】用清水吸收混合气中的 NH3，进入吸收塔的混合气中，含 NH3 体积分数为 6%，吸收 后混合气中含 NH3 的体积分数为 0.4%，出口溶液的摩尔比为 水。此物系的平 衡联系为 。气液逆流活动，试求塔顶、塔底的气相传质推进力各为多少？ 解 已知 ，则 已知 ，则 已知 ，则 已知 ，则 塔顶气相推进力 塔底气相推进力 【5-9】CO2 分压力为 50kPa 的混合气体，别离与 CO2 浓度为 度为 的水溶液触摸。物系温度均为 25℃，气液相平衡联系 的水溶液和 CO2 浓 。试求 上述两种状况下两相的推进力（别离以气相分压力差和液相浓度差标明），并阐明 CO2 在两种状况 下归于吸收仍是解吸。 63 解 温度 ，水的密度为 混合气中 CO2 的分压为 水溶液的总浓度 水溶液 (1) 以气相分压差标明的吸收推进力 ①液相中 CO2 的浓度 水溶液 液相中 CO2 的摩尔分数 与液相平衡的气相平衡分压为 气相分压差标明的推进力 ② 液相中 CO2 的浓度 液相中 CO2 的摩尔分数 与液相平衡的气相平衡分压为 水溶液 （吸收） 气相分压差标明的推进力 (2) 以液相浓度差标明的吸收推进力 与气相 平衡的液相组成为 （解吸） 平衡的液相浓度 ①液相中 CO2 的浓度 液相浓度差标明的推进力为 ②液相中 CO2 的浓度 液相浓度差标明的推进力为 水溶液 （吸收） 水溶液 （解吸） 吸收进程的速率 【5-10】如习题 5-10 附图所示，在一细金属管中的水坚持 25℃，在 管的上口有很多干空气(温度 25℃，总压 101.325kPa)流过，管中的水汽化 64 习题 5-10 附图 后在管中的空气中分散，分散间隔为 l00mm。试核算在安稳状态下的汽化速率， 。 解 25℃时水的饱满蒸气压为 从 教 材 表 5-2 中 查 得 ， 25℃， 。 分散间隔 ，总压 水外表处的水汽分压 空气分压 条 件 下 ， H2O 在 空 气 中 的 分 子 扩 散 系 数 管上口处有很多干空气流过，水汽分压 空气分压 空气分压的对数均匀值为 水的汽化速率 【5-11】 用教材图 5-10（例 5-4 附图）所示的设备，在温度为 48℃、总压力为 条 件下，测定 CCl4 蒸气在空气中的分子分散系数。48℃时，CCl4 的饱满蒸气压为 37.6kPa，液体密 度为 。笔直管中液面到上端管口的间隔，试验开端为 2cm，终了为 3cm，CCl4 的蒸腾 时刻为 。试求 48℃时，CCl4 蒸气在空气中的分子分散系数。 解 核算 48℃时 CCl4 蒸气在空气中的分子分散系数，核算式为 已知 CCl4 液体密度 48℃时 CCl4 的饱满蒸气压 总压 开端 ，终了 CCl4 的蒸腾时刻 CCl4 的摩尔质量 摩尔气体常数 65 已知数据代入核算式，得分散系数 【5-12】用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质 A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质 A 的 分压为 5kPa，液相中溶质 A 的摩尔分数为 0.015。气膜传质系数 ，液膜 传质系数 。气液平衡联系可用亨利规律标明，相平衡常数 。总压 为 。 试求：(1)气相总传质系数 面上溶质 A 的传质速率 。 解 (1)气相总传质系数 ，并剖析吸收进程是气膜操控仍是液膜操控；(2)试求吸收塔该截 气膜阻力 气膜阻力与总阻力的比值为 (2)传质速率 ，液膜阻为 。 ，为气膜操控。 【 5-13】 根 据 及 变换成 解 式中 ，试将传质速率方程 的办法。 有何联系。 式中 吸收塔的核算 【5-14】从矿石焙烧炉送出的气体含体积分数为 9%的 ，其他视为惰性气体。冷却后送入 吸收塔，用水吸收其间所含 的 95%。吸收塔的操作温度为 30℃，压力为 ，每小时处理 的炉气量为 时的体积流量），所用液-气比为最小值的 1.2 倍。求每小时的用水 66 量和出塔时水溶液组成。平衡联系数据为 液相中 溶解度 气相中 平衡分压 解 ①最小液一-比 7.5 5.0 2.5 1.5 1.0 0.5 0.2 0.1 91.7 60.3 28.8 16.7 10.5 4.8 1.57 0.63 的核算 吸收剂为水， ，总压 质料气中 分压 从平衡数据内插，得液相平衡溶解度 换算为摩尔比 最小液-气比 ②用水量核算 已知炉气流量 规范状态下理想气体的摩尔体积为 炉气的摩尔流量为 惰性气体流量 吸收用水量 ③出塔水溶液的组成 【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压 、温度 20℃条件下吸收混合气体中的 CO2，将 其组成从 2%降至 0.1%（摩尔分数）。20℃时 CO2 水溶液的亨利系数 。吸收剂用量为最 小用量的 1.2 倍。试求：(1)液-气比 L/G 及溶液出口组成 。(2)试求总压改为 时的 L/G 及 。 解 (1)总压 67 (2) 总压 时的 从 上述 核算 成果 可知 ，总压 从 0.1MPa 增大 到 1MPa，溶液 出口 组成 从 添加到 。 【5-16】用火油从苯蒸气与空气的混合物中收回苯，要求收回 99%。入塔的混合气中含苯 2% （摩尔分数）；入塔的火油中含苯 0.02%（摩尔分数）。溶剂用量为最小用量的 1.5 倍，操作温度为 50℃，压力为 100kPa，相平衡联系为 ，气相总传质系数 。入塔 混合气单位塔截面上的摩尔流量为 。试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元 数用对数均匀推进力法及吸收因数法的核算式核算。 解 (1)气相总传质单元高度 核算 入塔混合气的流量 惰性气体流量 (2) 气相总传质单元数 核算 ，收回率 ①吸收因数法核算 68 ② 对数均匀推进力法核算 (3)填料层高度 Z 核算 【5-17】混合气含 CO2 体积分数为 10%，其他为空气。在 30℃、2MPa 下用水吸收，使 CO2 的体积分数降到 0.5%，水溶液出口组成 （摩尔比）。混合气体处理量为 （按 规范状态， ），塔径为 1.5m。亨利系数 ，液相体积总传质系数 。试求每小时用水量及填料塔的填料层高度。 解 (1)用水量核算 ， ， 69 混合气流量 惰性气体流量 用水量 (2) 填料层高度 Z 核算 水溶液的总浓度 体积传质系数 液相总传质单元高度 ①对数均匀推进力法核算 气液相平衡常数 液相总传质单元数 ②吸收因数法核算 70 填料层高度 【5-18】气体混合物中溶质的组成 （摩尔比），要在吸收塔顶用吸收剂收回。气液相 平衡联系为 。 (1)试求下列 3 种状况下的液相出口组成 与气相总传质单元数 (使用教材中图 5-23)，并 迸行比较，用推进力剖析 的改动。3 种状况的溶质收回率均为 99%。 ①入塔液体为纯吸收剂，液-气比 ； ②入塔液体为纯吸收剂，液-气比 ； ③入塔液体中含溶质的组成 （摩尔比），液-气比 。 (2)入塔液体为纯吸收剂，最小液-气比 ，溶质的收回率最大可达多少？ 解 (1)求 收回率 ，相平衡常数 m=1 ① 查图 5-23，得 ② 查图 5-23，得 ③ 查图 5-23，得 核算成果比较： ②与①比较， 相同， 减小时，操作线斜率减小，向平衡线接近，推进力减小。为到达 必定的溶质收回率要求（即到达必定的 要求）， 需求增大，一起 也增大了。 ③与②比较， 相同，使 增大，即操作线斜率相同，操作线向平衡线平行接近，使推进 力减小， 增大，一起 也增大了。 (2) 当液体出口组成 与气体进口组成达平衡时，溶质的收回率为最大，即 71 由物料衡算得 收回率 溶质的收回率最大可达 80%。 【5-19】某厂有一填料塔，直径 880mm，填料层高 6m，所用填料为 50mm 瓷拉西环，乱堆。 每小时处理 混合气（体积按 计），其间含丙酮摩尔分数为 5%。用清水作吸 收剂。塔顶送出的废气含丙酮摩尔分数为 0.263%。塔底送出来的溶液，lkg 含丙酮 61.2g。依据上 述测试数据核算气相体积总传质系数 。操作条件下的平衡联系为 。 上述状况下，每小时可收回多少千克丙酮？若把填料层加高 3m，能够多收回多少
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