化工原理课后习题答案文档格式.docx
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截面之间
P1=P2+ρ水银gR
∵P1=P4，P2=P3
且P3=ρ煤油gΔh，P4=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）
联立这几个方程得到
ρ水银gR=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）-ρ煤油gΔh即
ρ水银gR=ρ水gH+ρ煤油gh-ρ水gh带入数据
1.0³
×
10³
1-13.6×
0.068=h（1.0×
-0.82×
）
ｈ=0.418ｍ
6.根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强ｐ。
压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920㎏／ｍ3,998㎏／ｍ3,Ｕ管中油﹑水交接面高度差R=300ｍｍ，两扩大室的内径D均为60ｍｍ，Ｕ管内径ｄ为6ｍｍ。
当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。
此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解
由静力学基本原则，选取1－1‘为等压面，
对于Ｕ管左边ｐ表+ρ油g（h1+R）=Ｐ1
对于Ｕ管右边Ｐ2=ρ水gR+ρ油gh2
ｐ表=ρ水gR+ρ油gh2-ρ油g（h1+R）
=ρ水gR-ρ油gR+ρ油g（h2-h1）
当ｐ表=0时，扩大室液面平齐即π（D/2）2（h2-h1）=π（d/2）2R
h2-h1=3mm
ｐ表=2.57×
102Pa
8.高位槽内的水面高于地面8m，水从φ108×
4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。
在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按∑ｈf=6.5u2计算，其中u为水在管道的流速。
试计算：
⑴A—A'
截面处水的流速；
⑵水的流量，以m3/h计。
此题涉及的是流体动力学，有关流体动力学主要是能量恒算问题，一般运用的是柏努力方程式。
运用柏努力方程式解题的关键是找准截面和基准面，对于本题来说，合适的截面是高位槽1—1,和出管口2—2,,如图所示，选取地面为基准面。
设水在水管中的流速为u，在如图所示的1—1,，2—2,处列柏努力方程
Z1ｇ+0+Ｐ1/ρ=Z2ｇ+ｕ2／2+Ｐ2/ρ+∑ｈf
（Z1-Z2）g=u2/2+6.5u2代入数据
（8-2）×
9.81=7u2,u=2.9m/s
换算成体积流量
VS=uA=2.9×
π/4×
0.12×
3600
=82m3/h
10.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。
管路的直径均为Ф76×
2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×
Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按∑ｈf,1=2u²
，∑hf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速ｍ/s。
排水管与喷头连接处的压强为98.07×
Pa（表压）。
试求泵的有效功率。
此题考察的是运用柏努力方程求算管路系统所要求的有效功率把整个系统分成两部分来处理，从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口段的排出管，在两段分别列柏努力方程。
总能量损失∑hf=∑hf+，1∑hf，2
u1=u2=u=2u2+10u²
=12u²
在截面与真空表处取截面作方程：
z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+∑hf，1
（P0-P1）/ρ=z1g+u2/2+∑hf，1∴u=2m/s
∴ws=uAρ=7.9kg/s
在真空表与排水管-喷头连接处取截面z1g+u2/2+P1/ρ+We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2
∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2—（z1g+u2/2+P1/ρ）
=12.5×
9.81+（98.07+24.66）/998.2×
+10×
2²
=285.97J/kg
Ne=Wews=285.97×
7.9=2.26kw
13.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。
管路直径均为ф60×
3.5mm，其他尺寸见本题附图。
各管段的能量损失为∑ｈf，AB=∑ｈf，CD=u2，∑ｈf，BC=1.18u2。
两压差计中的指示液均为水银。
试求当R1=45mm，h=200mm时：
（1）压缩空气的压强P1为若干？
（2）U管差压计读数R2为多少？
对上下两槽取截面列柏努力方程
0+0+P1/ρ=Zg+0+P2/ρ+∑ｈf
∴P1=Zgρ+0+P2+ρ∑ｈf
=10×
1100+1100（2u2+1.18u2）
=107.91×
+3498u²
在压强管的B，C处去取截面，由流体静力学方程得
PB+ρg（x+R1）=Pc+ρg（hBC+x）+ρ水银R1g
PB+1100×
（0.045+x）=Pc+1100×
（5+x）+13.6×
0.045
PB-PC=5.95×
104Pa
在B，C处取截面列柏努力方程
0+uB²
/2+PB/ρ=Zg+uc2/2+PC/ρ+∑ｈf，BC
∵管径不变，∴ub=uc
PB-PC=ρ（Zg+∑ｈf，BC）=1100×
（1.18u2+5×
9.81）=5.95×
u=4.27m/s
压缩槽内表压P1=1.23×
105Pa
（2）在B，D处取截面作柏努力方程
0+u2/2+PB/ρ=Zg+0+0+∑ｈf，BC+∑ｈf，CD
PB=（7×
9.81+1.18u2+u2-0.5u2）×
1100=8.35×
PB-ρgh=ρ水银R2g
8.35×
104-1100×
0.2=13.6×
R2
R2=609.7mm
20.每小时将2×
kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。
反应器液面上方保持26.7×
Pa的真空读，高位槽液面上方为大气压强。
管道为的钢管，总长为50m，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），5个标准弯头。
反应器内液面与管路出口的距离为15m。
若泵效率为0.7，求泵的轴功率。
流体的质量流速ωs=2×
104/3600=5.56kg/s
流速u=ωs/（Aρ）=1.43m/s
雷偌准数Re=duρ/μ=165199>
4000
查本书附图1-29得5个标准弯头的当量长度:
5×
2.1=10.5m
2个全开阀的当量长度:
2×
0.45=0.9m
∴局部阻力当量长度∑ιe=10.5+0.9=11.4m
假定1/λ1/2=2lg（d/ε）+1.14=2lg（68/0.3）+1.14
∴λ=0.029
检验d/（ε×
Re×
λ1/2）=0.008>
0.005
∴符合假定即λ=0.029
∴全流程阻力损失∑ｈ=λ×
（ι+∑ιe）/d×
u2/2+ζ×
u2/2
=[0.029×
（50+11.4）/（68×
103）+4]×
1.432/2
=30.863J/Kg
在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得
P1/ρ+We=Zg+P2/ρ+∑ｈ
We=Zg+（P1-P2）/ρ+∑ｈ
=15×
9.81+26.7×
103/1073+30.863
=202.9J/Kg
有效功率Ne=We×
ωs=202.9×
5.56=1.128×
103
轴功率N=Ne/η=1.128×
103/0.7=1.61×
103W
=1.61KW
23.10℃的水以500L/min的流量流过一根长为300m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05。
有6m的压头可供克服流动阻力，试求管径的最小尺寸。
解:
查表得10℃时的水的密度ρ=999.7Kg/m3µ
=130.77×
10-5Pa·
s
u=Vs/A=10.85×
10-3/d2
∵∑ｈf=6×
9.81=58.86J/Kg
∑ｈf=（λ·
ι/d）u2/2=λ·
150u2/d
假设为滞流λ=64/Re=64μ/duρ
∵Hfg≥∑ｈf
∴d≤1.5×
10-3
检验得Re=7051.22>
2000
∴不符合假设∴为湍流
假设Re=9.7×
104即duρ/μ=9.7×
104
∴d=8.34×
10-2m
则ε/d=0.0006查表得λ=0.021
要使∑ｈf≤Hfg成立则
λ·
150u2/d≤58.86
d≥1.82×
第二章流体输送机械
3．常压贮槽内盛有石油产品，其密度为760kg/m³
，粘度小于20cSt，在贮槽条件下饱和蒸汽压为80kPa，现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m³
流量送往表压强为177kPa的设备内。
贮槽液面恒定，设备的油品入口比贮槽液面高5m，吸入管路和排出管路的全部压头损失为1m和4m。
试核算该泵是否合用。
若油泵位于贮槽液面以下1.2m处，问此泵能否正常操作？
当地大气压按101.33kPa计.
查附录二十三65Y-60B型泵的特性参数如下
流量Q=19.8m3/s,气蚀余量△h=2.6m
扬程H=38m
允许吸上高度Hg=（P0-PV）/ρg-△h-Ηf,0-1
=-0.74m>
-1.2
扬升高度Z=H-Ηf,0-2=38–4=34m
如图在1-1,2-2截面之间列方程
u12/2g+P1/ρg+Η=u22/2g+P2/ρg+Ηf,1-2+△Z
其中u12/2g=u22/2g=0
管路所需要的压头:
Ηe=（P2–P1）/ρg+△Z+Ηf,1-2
=33.74m<
Z=34m
游品流量Qm=15m3/s<
Q=19.8m3/s
离心泵的流量,扬升高度均大雨管路要求,且安装高度有也低于最大允许吸上高度
因此,能正常工作
5.水对某离心泵做实验，得到下列各实验数据：
Q，L/min
0100200300400500
H，m
37.2383734.531.828.5
送液体的管路系统：
管径为ф76×
4mm，长为355m（包括局部阻力的当量长度），吸入和排出空间为密闭容器，其内压强为129.5kPa（表压），再求此时泵的流量。
被输送液体的性质与水相近。
⑴根据管路所需要压头Ηe与液体流量Qe的关系:
Ηe=K+BQe2
而K=△Z+△P/ρg且吸入排出空间为常压设备,△P=0
∴K=△Z=4.8
B=λ•（ι+Σιe）/d·
1/2g（60×
103A）2
=（0.03×
355/0.068）/2×
9.81（0.0682×
π×
60×
103/4）2
=1.683×
10-4
∴管道特性方程为:
Ηe=4.8+1.683×
10-4Qe2
由下列数据绘出管道特性曲线Ηe--Qe
Qe,L/min
0
100
200
300
400
500
Ηe,m
4.8
6.48
11.53
19.95
31.73
46.88
绘出离心泵的特性曲线H--Q于同一坐标系中,如图所示:
两曲线的交点即为该泵在运转时的流量
∴泵的流量为400L/min
⑵若排出空间为密闭容器,
则K=△Z+△P/ρg
=4.8+129.5×
103/998.2×
9.81
=1.802
∵而B的值保持不变
∴管路的特性方程为Ηe=18.02+1.683×
重新绘出管路的特性曲线和泵的特性曲线
18.02
19.70
24.75
33.17
44.95
60.10
可以得到泵的流量为310L/min
6.用离心泵从敞口贮槽向密闭高位槽输送清水，输水量40m3/h。
两槽液面恒定。
两槽液面间的垂直距离为12m，管径为
，管长（包括所有局部阻力的当量长度）为100m，密闭高位槽内表压强为9.81×
104Pa，流动在阻力平方区，管路的摩檫系数
为0.015。
已知水的密度
，试求：
1、管路特性方程；
2、泵的压头；
3、若所用泵的效率η＝0.7，则泵的轴功率为多少千瓦。
1、管路特性曲线方程
由题意：
，
即：
（Qe的单位为m3/s）
或：
（Qe的单位为m3/h）（6分）
2、泵的压头可由管路特性曲线方程求得：
（2分）
3、泵的轴功率
泵的有效功率：
泵的轴功率
（4分）
7.某型号的离心泵，其压头与流量的关系可表示为H=18-0.6×
106Q2（H单位为m，Q单位为m³
/s）若用该泵从常压贮水池将水抽到渠道中，已知贮水池截面积为100m²
，池中水深7m。
输水之初池内水面低于渠道水平面2m，假设输水渠道水面保持不变，且与大气相通。
管路系统的压头损失为Hf=0.4×
10Q2（Hf单位为m，Q单位为m³
/s）。
试求将贮水池内水全部抽出所需时间。
列出管路特性方程Ηe=K+Hf
K=△Z+△P/ρg
∵贮水池和渠道均保持常压∴△P/ρg=0
∴K=△Z
∴Ηe=△Z+0.4×
106Q2
在输水之初△Z=2m
∴Ηe=2+0.4×
联立H=18-0.6×
106Q2，解出此时的流量Q=4×
10-3m3/s
将贮水槽的水全部抽出△Z=9m
∴Ηe=9+0.4×
106Q'
2
再次联立H=18-0.6×
106Q2，解出此时的流量Q'
=3×
∵流量Q随着水的不断抽出而不断变小
∴取Q的平均值Q平均=（Q+Q'
）/2=3.5×
把水抽完所需时间
τ=V/Q平均=55.6h
8.用两台离心泵从水池向高位槽送水，单台泵的特性曲线方程为H=25—1×
106Q²
管路特性曲线方程可近似表示为H=10+1×
两式中Q的单位为m³
/s，H的单位为m。
试问两泵如何组合才能使输液量最大？
（输水过程为定态流动）
两台泵有串联和并联两种组合方法串联时单台泵的送水量即为管路中的总量，泵的压头为单台泵的两倍；
并联时泵的压头即为单台泵的压头，单台送水量为管路总送水量的一半
①串联He=2H
10+1×
105Qe2=2×
（25-1×
106Q2）
∴Qe=0.436×
10-2m2/s
②并联Q=Qe/2
25-1×
106×
Qe2=10+1×
105（Qe/2）2
∴Qe=0.383×
总送水量Qe'
=2Qe=0.765×
∴并联组合输送量大
第四章传热
1.平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度导热系数列于本题附表中：
若耐火砖层内表面的温度t1为1150℃，钢板外表面温度t4为30℃，又测得通过炉臂的热损失为300W/m2，试计算导热的热通量。
若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因和计算附加热阻。
序号材料厚度，mm导热系数，w/（m·
℃）
1（内层）耐火砖2001.07
2绝缘砖1000.14
3钢645
提取表中所给出的数据
耐火砖：
b1=0.2m，λ1=1.07w/（m·
绝缘层：
b2=0.1m，λ2=0.14w/（m•℃）
钢：
b3=0.006m，λ3=45w/（m•℃）
根据多层平壁热传导速率公式
Q=（t1-tn）/Σ（bi/Sλi）和q=Q/S
得q=（t1-tn）/Σ（bi/λi）=1242w/m3
这与实际册得的热损失q'
=300w/m有一定的差距，因此有可能存在一部分附加
热阻，设此附加热阻为R'
q'
=（t1-tn）/[Σ（bi/Sλi）+R'
]=300
R'
=2.83m•℃/W
4.蒸汽管外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。
其导热系数也为内层的两倍，若将两层材料互换位置，假定其他条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？
说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适？
根据题意，若令内层导热系数为λ，则外层导热系数为2λ
∵绝热层厚度相同，均为b，假设蒸汽管道半径为r，
则两绝热层外半径分别为r1=r+b，r2=r+2b
第一层保温层对数平均半径rm1=（r1-r）/ln（r1/r）
第一层保温层对数平均半径rm2=（r2–r1）/ln（r2/r1）
∵rm2=2rm1
∴b/r=1.618，rm1=1.0396
两绝热层的对数平均面积（按1m管长计）
Sm1=2πrm1L=2×
1.039b×
1=6.525b
Sm2=2πrm2L=2×
2×
1=13.05b
Q=（t1-tn）/Σ（bi/Smiλi）
=（t1-t3）/{[b/（λ1Sm1）+b/（λ2Sm2）
=5.22λ1（t1-t3）
将两绝缘层互换后，
Q，=（t1-tn）/Σ（bi/Smiλi）
=（t1-t3）/{[b/（λ2Sm1）+b/（λ1Sm2）
=4.35λ1（t1-t3）
∴Q/Q*=1.2
∴导热系数大的应该包扎在内层。
6.在列管式换热器中用冷水冷却油。
水在直径为ф192mm的列管内流动。
已知管内水侧对流传热系数为3490W/（m2•℃），管外油侧对流传热系数为258W/（m2•℃）。
换热器用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.00026m2•℃/W，油侧污垢热阻0.000176m2•℃/W。
管壁导热系数λ为45W/（m•℃），试求：
（1）基于管外表面的总传热系数；
（2）产生污垢后热阻增加的百分比。
（1）1/K0=d0/αidi+1/α0+Rsid0/di+Rs0+bd0/λdm
=19/（3490×
15）+0.00026×
19/15+0.000176+（0.002×
19）/（45×
16.9）+1/258
∴K0=208m2•℃/W
（2）产生污垢后增加的总热阻：
d0/αidi+Rs0=19/（3490×
15）+0.000176=0.00050533
产生污垢前的总热阻：
d0/αidi+1/α0+bd0/λdm=19/（3490×
15）+（0.002×
=0.0043
∴增加的百分比为：
0.00050533/0.00429=11.8%
8.重油和原由在单程套换热器中呈并流流动，粮站油的初温分别为243℃和128℃；
终温分别为167℃和157℃。
若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及他们的终温。
假设在两种流动情况下，流体的无性和总传热系数均不变，换热器的热损失可以忽略。
由题意得：
并流时：
热流体（重油）：
T1=243℃→T2=167℃
冷流体（原油）：
t1=128℃→t2=157℃
∴Q=WhCph（T1-T2）=76WhCph
=WcCpc（t2-t1）=29WcCpc
=K0S0Δtm
Δtm=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=43
改为逆流后：
T1=243℃→T2，=？
t2，=？
←t1=128℃
同理：
Q，=WhCph（T1-T2，）=（243-T2，）WhCph
=WcCpc（t2，-t1）=（t2，-128）WcCpc
=K0S0，Δtm，
∴29/（t2，-128）=76/（243-T2，）∴T2，=578.45-2.62t2，--------
（1）
Δtm，=[（243-t2，）-（T2，-128）]/ln[（243-t2，）/（T2，-128）]-------
（2）
又Q/Q*=Δtm/Δtm，=29/（t2，-128）---------（3）
由
（1）
（2）（3）解得t2，=161.41℃T2，=155.443℃Δtm，=49.5℃
10.在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg/s的液体（比热容为1.9kJ/kg•℃，密度为850kg/m），由80℃冷却到30℃。
换热器的列管直径为ф252.5mm，水走管方。
水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85W/（m2•℃）和1.70W/（m2•℃）。
污垢热阻忽略。
若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。
解：
热流体：
T1=80℃→T2=30℃
冷流体：
t2=50℃←t1=20℃
Δt1=30℃Δt2=10℃
∴Δtm=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=18.205℃
Q=WhCph（T1-T2）=1.9×
1.25×
50=118.75W
又Q=K0S0Δtm，其
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