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
ζo=1（管出口），zζi=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H~qV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φ57×3.5 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
= 0.45×9.81 = 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 u1≈0 p1=0（表压） z2=0 z1=6.92m
p2 + rgh/ = RrHgg
p2 = rHgg R - rgh/ = (13600×0.42-1000×1.41) ×9.81= 42203 Pa(表压)
则

qV = u2×A = 3.38 ××0.12 =0.0265m3·s-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 u1≈0 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/)/2
32530 + 10009.81[1.51-(0.62- R/)/2]=R/136009.81
R/ = 0.345 m
4如本题附图4所示，在管路系统中装有离心泵。吸入管路为φ89×4.5 mm,压出管路为φ68×4 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λ=0.03，吸入管路中装有90℃标准弯头1个(ζ=0.75)，压出管路装有阀门1个(ζ=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 = 9.85×10-3 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f114´4mm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ρ1 ρ2 。（< ，= ，>）
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）(åhf)A1B>(åhf)A2B
（B）(åhf)AB=(åhf)A1B+(åhf)A2B
（C）(åhf)AB=(åhf)A1B=(åhf)A2B
（D）(åhf)AB>(åhf)A1B=(åhf)A2B
8．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 mmHg
4．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f25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数a＝1000w/m2.℃。如流量与物性都不变，改用一f19×2mm的直管，则其a
值将变为_______w/m2.℃。
（A） 1059 （B）1496
（C） 1585 （D）1678
4、有一列管换热器，由38根f25×2.5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Re>104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λ和厚度ｂ数据如下：
耐火砖：λ1=1.05ｗ／ｍ·℃，b1=200ｍｍ；
绝热砖：λ2=0.151ｗ／ｍ·℃，b2=100ｍｍ；
钢 板：λ3=45ｗ／ｍ·℃，b3=6ｍｍ。
耐火砖内侧温度t1=1150℃，钢板的外侧温度t0=30℃。试求：
（１）单位面积的热损失ｑ；
（２）绝热砖和钢板的界面温度。 假设各层间接触良好.
(1) W／ｍ2·℃
（２）

11、有一列管式换热器, 装有f25×2.5mm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1×104W/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/kg×K λ=2.85×10-2W/m.K μ=1.98×10-5Pa×s 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Φ180×10mm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)=1.4×105kg/h （4分）
(2)并流时：100———60
40———50
Δt1=60 Δt2=10
Δtm=(Δt1-Δt2)/lnΔt1/Δt2=27.9℃
WhCPh(T1-T2)=K0S0Δtm= K0πd0lΔtm
l= WhCPh(T1-T2)/ K0πd0Δtm=3500×4200×40/(3600×2000×3.14×0.18×27.9)=5.2m （4分）
(3)逆流时：100———60
50———40
Δt1=50 Δt2=20
Δtm=(Δt1-Δt2)/lnΔt1/Δt2=32.7℃
WhCPh(T1-T2)=K0S0Δtm= K0πd0lΔtm
l= WhCPh(T1-T2)/ K0πd0Δtm=3500×4200×40/(3600×2000×3.14×0.18×32.7)=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αi和α0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：
110———60
38————20
Δt1=72 Δt2=40
Δtm=(Δt1-Δt2)/lnΔt1/Δt2=（72-40）/(ln72/40)=54.4℃
K=Q/SΔtm=33000×4.187×103×（38-20）/(3600×50×54.4)=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）
Δtm’=(Δt1-Δt2)/lnΔt1/Δt2=[（110-45）-(40.6-20)]/(ln（110-45）/(40.6-20))=38.6℃
K1=Q/SΔtm=33000×4.187×103×（45-20）/(3600×50×38.6)=497W/m2℃ （3分）
传热面两侧总污垢热阻分别为：
1/K=1/α0+1/αi+RS
1/K1=1/α0+1/αi
两式相减得：RS=1.925×10-3 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Φ25mm×2.5mm，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/ K0Δtm
其中Q= WhCPh(T1-T2)=1.25×1.9（80-30）=119Kw………………………………5分
Δtm=(Δt1-Δt2)/lnΔt1/Δt2=（（80-50）-（30-20））/ln30/10=18.2℃……………..3分

K0=485W/m2℃………………………………………………………………………..5分
所以S0=119×1000/（485×18.2）=13.48 m2………………………………………………2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φ25×2.5mm的管子组成,长2m,壳程为水蒸汽冷凝,其传热膜系数α1=10000 W/(m2·K)，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α2=2500 W/(m2·K)，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α2=2500×1.26670.8= 3020.4 W/(m2·K)
（1分）

1、（C）2、（C）3、（D）4、（D） 5、（B）6、（C）7、（A）8、（B） 9、（D）