化工基础课后习题答案-第二章

第二章流体流动与输送1、一个工程大气压是9.81⋅104Pa，一个工程大气压相当于多少毫米汞柱？相当于多少米水柱？相当于密度为850kg⋅m−3的液体多少米液柱？解：已知：〉Hg=13600kg⋅m−3〉−32HO=1000kg⋅m〉料=850kg⋅m−3求：hHg、hH2O、h料〉=9.81⋅104Pa因；P=〉Hg⋅g⋅hHg=〉⋅g⋅hH2O=〉料⋅g⋅h料PH2O⋅4所以：hHg=〉⋅g=9.8110⋅=0.735mHg=735mmHgHg136009.81⋅4h=P=9.8110=10.0mHOH2O〉⋅2H2Og10009.81⋅4h料=P=9.8110=11.8m液柱〉⋅g⋅料8509.812、一个物理大气压是760毫米汞柱，问其相当于多少Pa？相当于多少米水柱？解：因P=〉Hg⋅g⋅hHg=〉H2O⋅g⋅〉⋅hhH2O⋅所以：hH2O=-13HgHg〉=-13136000.760=10.33mH2OHO-1310002P=hHg⋅=13600⋅0.760⋅9.81=1.013⋅105Pa⋅〉Hgg3、在附图所示的气柜内盛有密度为0.80kg⋅m−3的气体，气柜与开口U形管压差计相连，指示液水银面的读数R为0.4m，开口支管水银面上灌有一段高度R′为0.01m的清水。左侧水银面与侧压口中心线垂直距离，试求测压口中心截面处的绝对压强。（当地大气压m强为−3，水银密度解：设大气因1.01Pm33PPmn武汉大学取水的密度〉H2O=1000kg⋅PA=Pa+R′〉H2Og+R〉Hgg−h〉气g（3）=1.0133⋅105+0.01⋅1000⋅9.81+0.4⋅13600⋅9.81−0.76⋅0.8⋅9.81=154788.5Pa≈1.55⋅105Pa由于〉气<〉Hg及〉气<〉H2O，且R′值很小，故在工程计算中往往略去式（3）中R′〉H2Og及h〉气g两项，即将式（3）简化为：PA=Pa+R〉Hgg=1.0133⋅105+0.4⋅13600⋅9.81=154696.4≈1.55⋅105Pa4、用U形管压力计测容器内的压力（如附图）。在图（1）的情况下，器内的绝压、表压各是多少毫米汞柱？图（2）的情况下，器内的绝压和真空度各是多少毫米汞柱？（1大气压=760毫米汞柱）解：（1）表压=200mmHg绝压=760+200=960mmHg（2）真空度=200mmHg绝压=760−200=560mmHg5、用高位槽向反应器加料、料液密度为900kg⋅m−3，加料管尺寸为⎫108mm⋅4mm，高位槽液面恒定，反应器内压强为4⋅104Pa（表压）。要求加料量为40m3⋅h−1，若料液在管内流动的能量损失为20.0J⋅kg−1，试求高位槽液面应比加料管出口高多少？解：取高位槽液面为1−1′截面，加料管出口为2−2′截面，并以2−2′截面为基准面，列柏努利方程Pu2Pu2Z1+11HeZ2++©-8122Hf〉g+2g+′=+〉g由题意：Z1=h，Z2=02g压强统一用表压计算，将各项数值代入柏努利方程中〉u92.武汉大学2900解得：h=6.67m即：高位槽液面应比加料管出口高6.67m6、水平通风管道某处的直径自0.50m渐缩至0.25m，为了粗略估计管道内空气的流量，在锥形摇管两端各引出一个测压口与U形管压差计相连，用水作指示液测得读数R为0.05m，若空气流过锥形管的阻力可忽略不计，求空气的体积流量。（空气的平均密度为1.21kg⋅m−3）解；通风管内空气温度不变，压强变化很小，只有0.05米水柱，可按不可压缩流体处理。以管道中心线作基准水平面，在截面1−1′与2−2′之间列柏努利方程，此时Z1=Z2，因两截面间无外功加入，故He=0，能量损失忽略不计，则©hf=0。u2Pu2P所以方程简化为：1+〉1=22+〉22整理得：22−12=P1−P2-136uu2〉P1−P2可由U形管压差计读数求取：P1−P2=〉0gR=1000⋅9.81⋅0.05=490.5−=⋅2−=2(P1P2)2490.5=所以：uu2810.74（1）2=10.5〉2=1.21u)u(4u-13（2）210.251将式（2）代入式（1）得：(4u1)2−u12=810.74u1=7.35m⋅s−1空气的体积流量为：qv=2=⋅2⋅=⋅−-10931du0.57.351.44ms41147、水喷射泵的进水管内径为20mm，水的流量为0.6m3⋅h−1，进水压强为0.3MPa（绝对压强），喷嘴的内径d2为3mm，当时大气压为1.013⋅105Pa，问喷嘴处理论上可产生多大的真空度？解：取喷射泵进水口为武汉大学2A3600⋅P1=3⋅105Pa-273.144⋅0.0032-2159Z1=Z2，又©hf=0.53m⋅s−1因水的密度〉=1000kg⋅m−3，得：22⋅2uu10000.53P2=P1+〉1−〉2=22300000+2−1000⋅23.592=21896.4Pa2喷嘴处真空度为：101300−21896.4=7.9⋅104Pa这是理论上的计算值，实际真空度比理论值低，因为有流体阻力存在。8、某流体在内径为0.05m的管内流动，流速为0.4m⋅s−1，已知流体的密度为1800kg⋅m−3，粘度为2.54⋅10−2Pa⋅s，试计算流体流过200米长直管的能量损失hf及压强降⊗P。〉⋅⋅du0.050.41800解：Re=⎧=⋅−2=14172.5410因Re<2⋅103，故为滞流64所以：⎣==ReLu6414172=0.0452000.42⋅−hf=⎣d2=0.045⋅0.05⋅2=14.4Jkg-1091其压强降为：⊗Pf=Phf=1800⋅14.4=25920Pa9、判断流速为1.00m⋅s−1的水在内径为2英寸管（0.05m）中的流动形态。已知：〉=1000kg⋅m−3，⎧=1.00⋅10−3Pa⋅s.〉⋅du=0.051000=⋅4解：Re=⎧⋅−3510110因Re>4000，所以为稳定湍流。10、某物料在直径为⎫45mm⋅2.5mm的钢管内流动，若物料的质量流量为6000kg⋅h−1，试判断物料在管中的流动形态。−3，粘度为3.60⋅103Pa⋅s）解：Rue武汉大学2gR(〉0−〉)水流经孔板的流速为：u0=C0〉⋅⋅−=0.6129.810.8(136001000)1000求水的平均流速：=8.58m⋅s−1⋅0.022u1=u0⋅A0=8.58⋅4=⋅−10.54msA1⋅40.082因此水的体积流量：qv=u0A0=8.58⋅⋅0.0224=0.0027m3⋅s−1=9.7m3⋅h−112、某车间用压缩空气送密度为1840kg⋅m−3的浓硫酸，每批压送量为0.8m3，要求20分钟内压送完毕，用内径⎫32mm的钢管压送，管子出口与酸槽液面间的垂直距离为20m，输送过程中能量损失为10J⋅kg−1，试求开始压送时压缩空气的表压强（Pa），（管路中没有外加功，管中出口与大气相通）。解：以酸槽液面1−1′作为基准面，在1−1′和2−2′两截面间列出能量衡算方程Pu2Pu211++©Z1+Z-952H2〉g+2g=2+〉g2gf已知：得：Pqu1v2=武汉大学v==0.833m⋅s1⋅24d20.7850.0320.8332P1=(20−0)⋅1840⋅9.81+⋅+⋅=3.8⋅105Pa2-13184018401013、某车间的开口贮槽内盛有密度为1200kg⋅m−3的溶液，今用泵3将溶液从贮槽1−1′输送至常压吸收塔的顶部，经喷头2喷到塔1内以吸收某种气体，如图所示。已知输送管路与喷头2连接处的表压强为2⋅104Pa，连接处高于贮槽液面16m，用⎫57mm⋅2.5mm的钢管输送，送液量为18m3⋅h−1，已测得溶液流经管路的能量损失为160J⋅kg−1（不包括流经喷头的能量损失），泵的效率为0.65，求泵的轴功率。（贮槽液面维持恒定）解：贮槽液面维持恒定，故本题属于定态流动取1−1′面（贮槽的液面）为基准面，在1−1′与2−2′面（管道与喷头连接处）间列柏努利方程，即：gZ1+1+1+=-13HegZ2+2+©h〉22+〉2f其中：Z1=0u1≈0P1=0（表压）Z2=16mu2=360018⋅(0.052)24=⋅−-10912.36msP2=2⋅104Pa（表压）©hf=160J⋅kg−142所以：He=9.81⋅16+210⋅+12002.362+160=336.4J⋅kg−1qm=18⋅1200=6kg⋅s−13600PeHeqm336.46P===3.11kW=⋅=3105.23W0.65取贮槽液面为截面1−1′，高位槽液面为截面2−2′，取经泵体中心且与地面平行的截面为水平基准面，在1−1′和2−2′截面之间列柏努利方程。P1u2Pu2++©Z1+〉g+21g+He=Z2+22Hf〉g2g因：u1=0u2=0P1=P2=1大气压所以：He=(Z2−Z1)+©Hf又已知：qv=12.0m3⋅h−1=所以流体在管中的流速为：11300m3⋅s−1u=qvd42=300⋅0.785(0.053)2=1.51m⋅s−1〉⋅⋅du0.0531.511250Re=⎧=⋅−8.3104=1.2⋅105因Re>4000所以流体在管道中呈湍流流动所以：f=0.023Re−0.2=0.023⋅(1.2⋅105)−0.2=0.00222查表2-3并计算得：Le1=10⋅35⋅0.053=18.55mLe2=2⋅9⋅0.053=0.954mLe3=1⋅100⋅0.053=5.3mLLe2©Hf=8f⋅+©⋅ud2g+++2=8⋅0.00222⋅2018.550.9545.30.053=1.745m-131.51⋅⋅29.81所以：H′e液=(Z2−Z1)+©Hf=14.0−2.0+1.745H′e水=H武汉大学-118815、在一个式标准阀，一个水表。设水的体积流量为位重量流体因阻力所造成的压降。解：已知〉=1000kg⋅m−3⎧=1⋅10−3Pa⋅s（1）先求出u、Re及f-1188个标准90弯头，2个全开，试比较管路上没有管件和有管件时单，粘度是1⋅10−3Pa⋅s）u=qv=⋅302⋅=1.06m⋅s−14d20.7850.13600Re=〉=⋅⋅-122du0.11.061000⎧⋅−1103=1.06⋅105f=0.023Re−0.2=0.0023（2）比较单位重量流体因阻力而损失的压头L2管路上没有管件时：Hf1=8f⋅d⋅u2g2=8⋅0.0023⋅600.1=0.63m1.06⋅⋅-1329.81管路上有管件时，从表2-3查得各管件的当量长度分别为：4个标准90弯头：Le1=4⋅35⋅0.1=14.0m22个全开式标准阀：Le=2⋅300⋅0.1=60.0m一个水表：Le3=1⋅350⋅0.1=35.0mLLe2Hf2=8f⋅+©⋅ud2g+++2=8⋅0.0023⋅=1.78m-136014.060.035.00.1-131.06⋅⋅-1329.81（3）比较因阻力而造成的压降−PP==管路上没有管件时：-811H20.63m〉gf1P−P管路上有管件时：12==H1.78m〉gf2解：取湖面为1−1′截面，蓄水池水面为2−2′截面，以湖面为基准面，列柏努利方程：Pu2Pu2++′++©Z1+-9511He