化工原理复习.doc

(1) 静力学方程(2) U形压差计(3) 流体的速度u、体积流量qv、质量流量qm、及质量流速G(4) 牛顿粘性定律(5) 连续性方程(6) 机械能守恒式均质不可压缩流体等温稳态流动的柏努利方程如下： (8) 雷诺数(9) 阻力损失(10) 摩擦系数(10) 局部阻力o=1（管出口），zi=0.5（管入口）(11) 非圆管阻力计算(12) 圆管内层流速度分布(13) 并联管路(14) 串联管路(16) 毕托管（测速管）(17) 孔板流量计（恒截面，变压差）(18) 转子流量计（恒压差，变截面）(19) 管路特性(20) 泵的有效功率(21) 泵效率(22) 比例定律(23) 离心泵最大允许安装高度1、【例题】离心泵工作点的变化与流量调节。如图1所示：用离心泵将20的水从水池送入高压高位槽。泵的进、出口处分别装有真空表及压力表。在一定转速下测得离心泵的流量qV、扬程、泵出口压力p表、泵入口真空度p真以及泵的轴功率Pa。现改变以下各条件之一而其它条件不变，问上述离心泵各参数将如何变化？（1） 出口阀门开度增大；（2） 液体密度改为1500 kg/m3；（3） 泵叶轮直径减小5%；（4） 转速提高5%。图1（1）出口阀门开度增大，则管路阻力变小，管路特性曲线变平缓；但其起点不变；泵的特性不会发生变化。因此，出口阀门开度增大将使工作点向右下方移动(图1-11中由D到E)，结果是流量qV增大、扬程He下降、轴功率Pa上升。图1-1以低位槽液面为上游截面（1-1）、以压力表所在处为下游截面（4-4），写B.E： （1）当出口阀门开大时，上式右端各变量中，He下降、u4上升；其余量都不变。因此，压力表读数下降。以低位槽液面为上游截面（1-1）、以真空表所在处为下游截面（3-3），写柏努利方程： （2）当出口阀门开大时，上式右端各变量中，u3上升、上升，其余量不变。因此，真空表读数上升。（2）高位槽为密闭容器，故管路特性曲线在H轴上截距中的为正。当被输送液体密度增大时，A下降，管路特性曲线向下平移，如图1-12所示。工作点由A点移到B点。结果是流量qV增大、扬程He下降、轴功率Pa上升(泵的HqV曲线不随被输送液体密度的变化而变化)。图1-2 当流量增加时，管内流速和能量损失都增大，由式（2）可知，真空表读数增大。以压力表所在处（4-4）为上游截面，以管路出口处（2-2）为下游截面，写柏努利方程： （3）其中。由式（3）可以看出，流量增加时，管路能量损失增大，在流体密度上升的情况下，压力表读数是增加的。（3）叶轮直径减小5%时泵的特性曲线变化情况如图所示，特性曲线由1变为3，工作点由C变为D，结果是流量qV减小、扬程He下降、轴功率Pa下降。（用切割定律可得到相同的结论） 流量减小时，管路能量损失减小，由式（2）可知，真空表读数下降。流量减小时，管路能量损失减小，由式（3）可以看出，压力表读数要减小。（4）转速提高5%时泵的特性曲线变化如图1-13所示，特性曲线由1变为2，工作点由C变为E，结果是流量qV增加、扬程He上升、轴功率Pa上升。图1-3由式（3）可知，压力表读数增加；由式（2）可知，真空表读数增加。点评：离心泵的工作状态与其工作点对应，而工作点由泵的特性和管路的特性共同决定。改变这两种特性都可以使工作点发生变化，对应的流量、压力、轴功率、压力表和真空表都会发生变化。工程上，离心泵所在管路的流量调节也正是基于这一原理而实现的。2、 采用如图2所示装置来测定90弯头的局部阻力系数，已知道AB段的直管总长为1 m，管径573.5 mm，摩擦系数l为0.03，水箱水位恒定。测得AB两截面测压管的水柱高差h=0.45m，管内水的流量为0.0023 m3/s。求弯头的局部阻力系数z。图2解：在A、B两截面间列能量衡算式 式中 zB = 0 uA = uB = u 则 = 0.459.81 = 4.415 J/kg J/kg解得 3、如图3所示贮水槽水位保持恒定，槽底放水管内径100 mm，距管子入口15 m处接一U型水银压差计，其左壁上方充满水，右壁通大气，测压点距管子出水口20 m。其间装一闸阀控制流量。(1) 当阀关闭时，测得R=620 mm，h=1510 mm；当阀部分开启，测得R= 420 mm，h=1410mm，设摩擦系数l=0.02，管入口阻力系数为0.5，求水的流量。(2) 当阀全开时（全开时闸阀，l=0.018），U型管压差计读数是多少？图3解：(1)阀关闭时，流体静止，设液面高出管中心H m (H+h)rg = rHgRg (2) 阀部分开启，流体流动，在液面与测压点间列能量衡算式式中 u10 p1=0（表压） z2=0 z1=6.92m p2 + rgh/ = RrHgg p2 = rHgg R - rgh/ = (136000.42-10001.41) 9.81= 42203 Pa(表压)则 qV = u2A = 3.38 0.12 =0.0265m3s-1(3) 阀全开时，在液面与管出口内侧之间列能量衡算式 式中 u10 p1 = p3 = 0（表压）Z3 = 0 Z1 = 6.92m 在测压口与出口内侧间列能量衡算式 式中 u2 = u3 z2 = z3 p3 = 0(表压)p2 = 32.531000 = 32530 Pa(表压)p2 + rgh/ = R/rHgg h/ = 1.51-(0.62- R/)/232530 + 10009.811.51-(0.62- R/)/2=R/136009.81 R/ = 0.345 m4如本题附图4所示，在管路系统中装有离心泵。吸入管路为894.5 mm,压出管路为684 mm,吸入管直管长度为6 m,压出管直管长度为13 m,两段管路的摩擦系数均为=0.03，吸入管路中装有90标准弯头1个(=0.75)，压出管路装有阀门1个(=6.4)，90标准弯头2个，管路两端水面高度差为10 m，泵进口高于水面2 m,管内流量为0.012 m3/s。试求：(1)泵的扬程；(2)泵进口处断面的压力为多少？(3)如果高位槽中的水沿同样管路流回，不计泵内阻力，是否可流过同样的流量？图4解：(1) 泵的扬程在1-1和2-2截面间列柏努利方程由于1、2截面很大，u1=0, u2=0; p1=p2, 所以(2) 由液面1-1至进口处3-3列柏努利方程(3) 当水从高位槽沿原路返回时，在高位槽液面2-2与水面1-1之间列柏努利方程解得 qV = 9.8510-3 m3/s 0.012 m3/s所以 当水从高位槽沿原路返回时，其流量比原来小。5如图5所示，用离心泵将池中常温水送至一敞口高位槽中。泵的特性曲线方程为（H的单位为m，qV的单位为m3/h），管出口距池中水面高度为13m，直管长90m，管路上有若干个90弯头（总当量长度为5.3m），1个全开的闸阀（当量长度为0.6m），1个底阀（当量长度为28.3），管子采用f1144mm的钢管，估计摩擦因数为0.03。（1） 闸阀全开时，管路中实际流量为多少m3/h？（2） 为使流量达到60 m3/h，现采用调节闸阀开度方法，如何调节才行？此时，闸阀的阻力系数、泵的有效功率为多少？图5解(1) 水池液面1-1与管出口截面2-2间的管路特性方程为： 式中， ，（）。代入上式得： （1） 将代入式1得： （2）而泵的特性曲线方程为： （3）泵工作,联立求解式2、3得： (2) 为使流量由变为60 m3/h，需关小闸阀。闸阀关小后，泵特性曲线方程（式3）不变，由此可以求出新的工作点。将代入式3得：就是闸阀关小后新的工作点的横、纵坐标。qV、H也应满足阀门关小后的管路特性方程，该方程仍可用式1表示。将，代入式1： 解之得：泵的有效功率为：1、气体在一水平等径管中作等温稳定流动上游截面为1 ,下游截面为2, 则管路中两截面处的质量流量qm1 qm2 ,雷诺数Re1 Re2 ,密度1 2 。（）2、水在一段圆形直管内作层流流动，若其它条件不变，现流量及管径均减小为原来的二分之一，则此时因流动阻力产生的压力损失为原来的_倍。3、有人希望使管壁光滑些，于是在管道内壁上涂上一层石蜡，倘若输送任务不变，且流体呈层流流动，流动的阻力将会如何变化？4、某液体在内径为d1的水平管路中稳定流动，其平均流速为u1，当它以相同的体积流量通过某内径为d2(d2=d1/2)的管子时，流速将变为原来的_倍；流动为层流时，管子两端压力降Pf 为原来的_倍；湍流时(完全湍流区)Pf 为原来的_倍。5、流体流过两个并联管段1和2，两管内均呈滞流，两管的管长、管内径及体积流量分别是l1、l2、d1、d2、qv1、qv2。若l1=2l2，d1=2d2则qv2/ qv1=_。1 湍流流动的特点是_，故其瞬时速度等于_与_之和。 2雷诺准数的物理意义是_。3当地大气压为755mmHg，现测得一容器内的绝对压力为350mmHg，则其真空度为_mmHg。4以单位体积计的不可压缩流体的机械能衡算方程形式为_。5实际流体在管道内流动时产生阻力的主要原因是_。6如图所示，水由敞口恒液位的高位槽流向压力恒定的反应器，当管道上的阀门开度减小后，管路总阻力损失（包括所有局部阻力损失）将_。(1)不变(2)变大(3)变小(4)不确定7如图所示的并联管路，其阻力关系是_。 （A）(hf)A1B(hf)A2B （B）(hf)AB=(hf)A1B+(hf)A2B （C）(hf)AB=(hf)A1B=(hf)A2B （D）(hf)AB(hf)A1B=(hf)A2B8孔板流量计和转子流量计的最主要区别在于：前者是恒_、变_，而后者是恒_、变_。9如图所示，水从槽底部沿内径为100mm的水平管子流出，阀门前、后的管长见图。槽中水位恒定。今测得阀门全闭时，压力表读数p=59.3kPa。现将阀门全开，试求此时管内流量。已知阀门（全开）的阻力系数为6.4，管内摩擦因数l=0.018。1答：脉动，时均速度，脉动速度2答：惯性力和黏性力之比。3答：405 mmHg4答：5答：黏性6答：（1）7答：（C）8答：截面、压头，压头、截面9答：槽面水位高度在槽面与管子出口间列机械能衡算式，得： 解得： 1、棉花保温性能好，主要是因为_。（A）棉纤维素导热系数小； （B）棉花中含有相当数量的油脂；（C）棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到极为严重的阻碍；（D）棉花白色，因而黑度小。2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为；（A） 传导和对流 （B） 传导和辐射（C） 传导、对流和辐射，但对流和辐射是主要的。3、一定流量的液体在一f252.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数a1000w/m2.。如流量与物性都不变，改用一f192mm的直管，则其a值将变为_w/m2.。（A） 1059 （B）1496（C） 1585 （D）16784、有一列管换热器，由38根f252.5无缝钢管组成，某有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，水流速0.5m/s，相应的Re104及对流传热膜系数为a，当水流量减为一半时，对流传热膜系数改变为a_。（A） a=（1/2）a （B） a（1/2）a（C） a（1/2）a （D） 不一定5、蒸汽冷凝时的热阻_。（A） 决定于汽膜厚度 （B） 决定于液膜厚度（C） 决定于汽膜和液膜厚度 （D） 主要决定于液膜厚度，但汽膜厚度也有影响6、沸腾传热的的过热度增大，其传热系数_。（A） 增大 （B） 减小（C） 只在某范围变大 （D） 沸腾传热系数与过热度无关7、在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，冷却水应走_。（A） 管程 （B） 壳程（C） 易于清洗侧 （D） 抗压性大的一侧8、红砖的黑度为0.93，若温度为300，则红砖的发射能力为_W/m2。（A） 6112.3 （B） 5684 （C） 916.8（D） 1000 9、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度_耐火砖的黑度。（A） 大于 （B） 等于（C） 不能确定是否大于 （D） 小于10、某平壁炉的炉壁由耐火砖、绝热砖和钢板组成，其导热系数和厚度数据如下：耐火砖：1=1.05，b1=200；绝热砖：2=0.151，b2=100；钢 板：3=45，b3=6。耐火砖内侧温度t1=1150，钢板的外侧温度t0=30。试求：（）单位面积的热损失；（）绝热砖和钢板的界面温度。 假设各层间接触良好.(1) W2（） 11、有一列管式换热器, 装有f252.5mm钢管300 根, 管长为2m。 要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20加热到85, 选用108 饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。若水蒸汽的冷凝传热系数为1104W/m2.K，管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计, 而且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/kgK =2.8510-2W/m.K =1.9810-5Pas Pr=0.7试求：（1）求换热器的总传热系数(以管子外表面为基准);（2）通过计算说明该换器能否满足需要？（1） (以外表面积为基准)(以外表面积为基准)（2） (管子外表面)故该换器能满足需要12、欲在内管为18010mm的套管换热器中，每小时将3500kg的热水从100冷却到60，冷却水进口温度为40,出口温度为50，传热系数K为2000w/(m2.)。冷热水比热均为4200J/（kg）求：（1）并流时，所需管长；（2）逆流时，所需管长。解：(1)WCCPC(t2-t1)=WhCPh(T1-T2)WC= WhCPh(T1-T2)/ CPC(t2-t1)=3500(100-60)/(50-40)=1.4105kg/h （4分）(2)并流时：10060 4050 t1=60 t2=10tm=(t1-t2)/lnt1/t2=27.9WhCPh(T1-T2)=K0S0tm= K0d0ltml= WhCPh(T1-T2)/ K0d0tm=3500420040/(360020003.140.1827.9)=5.2m （4分）(3)逆流时：100605040t1=50 t2=20tm=(t1-t2)/lnt1/t2=32.7WhCPh(T1-T2)=K0S0tm= K0d0ltml= WhCPh(T1-T2)/ K0d0tm=3500420040/(360020003.140.1832.7)=4.4m （4分）13、 在一传热面积为50m2的单程列管换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h，温度由20升到38，溶液的温度由110降到60。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水出口温度增到45。试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。假设：（1）两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热可取为4.187kJ/kg；（2）可按平壁处理，两种工况下i和0分别相同，（3）忽略管壁热阻和热损失解：清洗前的总传热系数K：110603820t1=72 t2=40tm=(t1-t2)/lnt1/t2=（72-40）/(ln72/40)=54.4K=Q/Stm=330004.187103（38-20）/(36005054.4)=254W/m2 （3分）清洗后的总传热系数K1由热量衡算求溶液出口温度，T2= T1- (WCCPC/ WhCPh)/( t2- t1)=110-(110-60)/(38-20)*(45-20)=40.6 （3分）tm=(t1-t2)/lnt1/t2=（110-45）-(40.6-20)/(ln（110-45）/(40.6-20)=38.6K1=Q/Stm=330004.187103（45-20）/(36005038.6)=497W/m2 （3分）传热面两侧总污垢热阻分别为：1/K=1/0+1/i+RS1/K1=1/0+1/i两式相减得：RS=1.92510-3 m2/W （3分）14、 在一逆流换热器中，用初温20的水将1.25kg/s的液体（比热为1.9 kJ/（kg）、密度为850kg/m3）,由80冷却到30。换热器列管直径为25mm2.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85 kW/(m2.)和1.70 kW/(m2.)，管壁和污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50，试求换热器的传热面积。由传热速率方程：S0=Q/ K0tm其中Q= WhCPh(T1-T2)=1.251.9（80-30）=119Kw5分 tm=(t1-t2)/lnt1/t2=（80-50）-（30-20）/ln30/10=18.2.3分K0=485W/m2.5分所以S0=1191000/（48518.2）=13.48 m22分15、在一单程列管式换热器内用110的饱和蒸汽将某溶液加热,换热器由38根252.5mm的管子组成,长2m,壳程为水蒸汽冷凝,其传热膜系数1=10000 W/(m2K)，管程走溶液,流量为0.03m3/s,进口温度t1=20,密度900kg/m3,比热3.9kJ/(kg)，管壁和污垢热阻可以忽略,管内溶液侧的传热膜系数2=2500 W/(m2K)，管内为湍流，求：（1）以外表面为基准的总传热系数Ko ；（2）溶液的出口温度t2 ；（3）若检修中发现有8根管子已损坏,将坏管堵塞后继续使用,流量不变。此时换热器的总传热系数和溶液出口温度将变多少？（1）以外表面积计（3分）(2) （3分） （4分）(3)将8根管子坏管堵塞后,管程流量不变，速度增大为原来是38/30=1.2667倍，（3分）仍为湍流，管程2=25001.26670.8= 3020.4 W/(m2K) （1分）1、（C）2、（C）3、（D）4、（D） 5、（B）6、（C）7、（A）8、（B） 9、（D）