化工原理例题.doc

|第一章 流体流动例 1.高位槽内的水面高于地面 8m，水从 108×4mm 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 f = 6.5 u2 计算，其中 u 为水在管道的流速。试计算： AA ' 截面处水的流速； 水的流量，以 m3/h 计。解：设水在水管中的流速为 u ，在如图所示的 11, ，22 ,处列柏努力方程Z1+ 0 + 1/= Z2+ 22 + 2/ + f （Z 1 - Z2）g = u 2/2 + 6.5u2 代入数据(8-2)×9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s换算成体积流量qV = uA= 2.9 ×/4 × 0.12 × 3600= 82 m3/h 例 2.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为 1100kgm3，循环量为 36m3。管路的直径相同，盐水由 A 流经两个换热器而至 B 的能量损失为 98.1Jkg，由 B 流至 A 的能量损失为 49Jkg，试求：（1）若泵的效率为 70%时，泵的抽功率为若干 kw？（2）若A 处的压强表读数为 245.2×103Pa 时，B 处的压强表读数为若干 Pa？AB7m»·ÈÆ÷解：（1）由 A 到 B 截面处作柏努利方程0+uA2/2+PA/=ZBg+uB2/2+PB/+9.815 ! p; CX9 X7 + ?管径相同得 uA=uB （P A-PB）/=Z Bg+9.81* e1 W: a7 e% u, k9 Y1 o- H“ x由 B 到 A 段，在截面处作柏努力方程 B ZBg+uB2/2+PB/+W=0+uA2+PA/+49W=（P A-PB）/- Z Bg+49=98.1+49=147.1J/kg 3 L Q（2）由第一个方程得（P A-PB）/=Z Bg+9.81 得 7 a6 W, “ R# w+ E p例 3.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76×2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为 24.66×10³Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按 f,1=2u²，h f,2=10u2 计算，由于管径不变，故式中 u 为吸入或排出管的流速/s 。排水管与喷头连接处的压强为98.07×10³Pa（表压） 。试求泵的有效功率。解：总能量损失hf=h f,1+hf，2在截面与真空表处取截面作方程： z0g+u02/2+P0/=z1g+u2/2+P1/+hf，1（ P0-P1）/= z1g+u2/2 +hf，1 u=2m/s q m= qv=7.9kg/s 在真空表与排水管-喷头连接处取截面 z1g+u2/2+P1/+W=z2g+u2/2+P2/+hf，2W e= z2g+u2/2+P2/+hf，2 -（ z1g+u2/2+P1/）=12.5×9.81+（98.07+24.66）/998.2×10³+10×2²=285.97J/kg Pe= qm×W =285.97×7.9=2.26kw例 4. 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 60×3.5mm，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为| f，AB = f，CD =u2， f，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？解：对上下两槽取截面列柏努力方程0+0+P1/=Zg+0+P2/+ fP 1= Zg+0+P2 + f=10×9.81×1100+1100（2u 2+1.18u2）=107.91×10³+3498u²在压强管的 B，C 处去取截面，由流体静力学方程得PB+g（x+R 1）=P c +g（h BC+x）+ 水银 R1gPB+1100×9.81×（0.045+x）=P c +1100×9.81×（5+x ）+13.6×10³×9.81×0.045PB-PC=5.95×104Pa在 B，C 处取截面列柏努力方程0+uB²/2+PB/=Zg+uc2/2+PC/+ f，BC 管径不变，u b=u cPB-PC=（Zg+ f，BC ）=1100×（1.18u 2+5×9.81）=5.95×10 4Pau=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/= Zg+0+0+ f，BC + f，CDPB=（7×9.81+1.18u 2+u2-0.5u2）×1100=8.35×10 4PaPB-gh= 水银 R2g8.35×104-1100×9.81×0.2=13.6×10³×9.81×R2R2=609.7mm|例 5. 从设备送出的废气中有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。气体流量为 3600m³/h，其物理性质与 50的空气基本相同。如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的 U 管压差计，起读数为 30mm。输气管与放空管的内径均为 250mm，管长与管件，阀门的当量长度之和为50m，放空机与鼓风机进口的垂直距离为 20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.96×10³Pa。管壁的绝对粗糙度可取 0.15mm，大气压强为 101.33×10³。求鼓风机的有效功率。解：查表得该气体的有关物性常数 =1.093 , =1.96×10-5Pa·s气体流速 u = 3600/(3600×4/×0.252) = 20.38 m/s质量流量 qm = 20.38×4/×0.252×1.093=1.093 Kg/s流体流动的雷偌准数 Re = du/= 2.84×105 为湍流型所有当量长度之和 总 =+e=50m 取 0.15 时 /d = 0.15/250= 0.0006 查表得 =0.0189所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失即: = 0.5×u 2/2 + 1×u2/2 + (0.0189×50/0.25)· u2/2 =1100.66J/kg 在 1-12-2 两截面处列伯努利方程u2/2 + P1/+ W = Zg + u2/2 + P2/ + W = Zg + (P2- P1)/+而 1-12-2 两截面处的压强差 P2- P1 = P2- 水 gh = 1.96×103 - 103×9.81×31×103 |= 1665.7 PaW = 2820.83 W/Kg 泵的有效功率 pe = We×qm = 3083.2W = 3.08 KW 例 6.如本题附图所示， ，贮水槽水位维持不变。槽底与内径为 100mm 的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端 15m 处安有以水银为指示液的 U 管差压计，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长度为 20m。（1）.当闸阀关闭时，测得 R=600mm，h=1500mm ；当闸阀部分开启时，测的R=400mm，h=1400mm。摩擦系数可取 0.025，管路入口处的局部阻力系数为 0.5。问每小时从管中水流出若干立方米。（2）.当闸阀全开时，U 管压差计测压处的静压强为若干（Pa，表压） 。闸阀全开时le/d15，摩擦系数仍取 0.025。解: 根据流体静力学基本方程 , 设槽面到管道的高度为 x 水 g(h+x)= 水银 gR103×(1.5+x) = 13.6×103×0.6x = 6.6m部分开启时截面处的压强 P1 = 水银 gR - 水 gh = 39.63×103Pa在槽面处和 1-1 截面处列伯努利方程Zg + 0 + 0 = 0 + u2/2 + P1/ + 而= (+ e)/d +· u 2/2 = 2.125 u2|6.6×9.81 = u2/2 + 39.63 + 2.125 u2u = 3.09/s体积流量 qm = uA= 3.09×/4×(0.1)2×3600 = 87.41m3/h 闸阀全开时 取 2-2,3-3 截面列伯努利方程Zg = u2/2 + 0.5u2/2 + 0.025×(15 +l/d)u2/2u = 3.47m/s取 1-13-3 截面列伯努利方程P1'/ = u2/2 + 0.025×(15+'/d)u2/2P 1' = 3.7×104Pa例 7.用效率为 80%的齿轮泵将粘稠的液体从敞口槽送至密闭容器中，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表读数为 30×103Pa。用旁路调节流量，起流程如本题附图所示，主管流量为14m3/h，管径为 66×3mm，管长为 80m（包括所有局部阻力的当量长度） 。旁路的流量为5m3/h，管径为 32×2.5mm，管长为 20m（包括除阀门外的管件局部阻力的当量长度）两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点 o 之间的能量损失。被输送液体的粘度为50mPas，密度为 1100kg/m3，试计算：（1）泵的轴功率（2）旁路阀门的阻力系数。$ n6 f, P$ + e l解：泵的轴功率分别把主管和旁管的体积流量换算成流速% ?+ u5 p* C& - . h& z主路流速 u = qV/A = 14/3600×(/4)×(60)2×10-6# J8 J“ O, x' V9 = 1.38 m/s 旁路流速 u 1 = qV1/A = 5/3600×(/4)×(27)2×10-6= 2.43 m/s先计算主管流体的雷偌准数 7 D1 j- 0 A3 & K4 m|Re = du/= 1821.6 < 2000 属于滞流摩擦阻力系数可以按下式计算 8 L“ N% P- a3 O! w# m! P, r= 64/ Re = 0.03513在槽面和容器液面处列伯努利方程W= Z2g + P2/+ f ( , L, Y/ g: G/ f' _, w= 5×9.81 + 30×103/1100 + 0.03513×1.382×80/(60×10-3)4 k+ i% 6 8 C1 F4 t=120.93 J/Kg. a2 0 f( w) L1 u主管质量流量 q m= uA= 1.38×(/4)×(60)2×1100= 5.81Kg/s泵的轴功率 pe/= W×q m/ = 877.58 W=0.877KW旁路阀门的阻力系数( b5 a“ N6 K+ - p+ j旁管也为滞流 其摩擦阻力系数 1 = 64/ Re1 = 0.04434: l4 I 6 H! N5 O) H6 u3 有效功 W = 0+ u12/2 + 0 + f旁路阀门的阻力系数 = (W -u12/2 -?u12/2?20/d1)- 2/u12= 7.11例 8.|第四章 传热例 9.在 200kPa、20下，流量为 60m3/h 的空气进入套管换热器的内管，并被加热到 80，内管的直径为 57×3.5mm，长度为 3m。试求管壁对空气的对流传热系数。解：定性温度=（20+80 ）/2=50。50下空气性质=2.83×10-2W/（m.）；=1.96×10-5Pa.s；Pr=0.698空气在进口处的速度：空气在进口处的密度空气的质量流速 )/(2.0379.482smkguw516.1.0dReCmWPRdrei02 4.08.04.08./3.6)69()513(.|例 10.在一室温为 20的大房间中，安有直径为 0.1m、水平部分长度为 10m、垂直部分高度为 1.0m 之蒸汽管道，若管道外壁平均温度为 120，试求该管道因自然对流的散热量。解：大空间自然对流的 可由式 计算，即：，该温度下空气的有关物性由附录查得：， ，（1）水平管道的散热量 Q1其中所以由表查得： ，所以|（2）垂直管道的散热量由表查得： ，所以蒸汽管道总散热量为：例 11.换热器由长度为 1.5m，外径为 89mm，正三角形错列圆钢管组成。常压下空气在管外垂直流过，最大流速 8m/s ，进口温度 10 C，出口温度 50 C , 管束有 20 排，每排 20根管子，管中心距为 110mm，管内有饱和蒸汽冷凝。求管壁对空气的平均对流传热系数。