化工原理(上)课后习题解柴诚敬

cm1mlb1BTUcm1mlb1BTU–5cm习题解答绪

论1.从本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单。（1）水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)（2）密度ρkgf·s/m（3）某物质的比热容=0.24BTU/(lb·℉)（4）传质系数Kkmol/(m·atm)（5）表面力σ=74（6）导热系数λ=1kcal/(mh·℃)解：本题为物理量的单位换算。（1）水的黏度基本物理量的换算关系为kg=1000g，1则

0.00856

g

8.56kg（2）密度基物理量的换算关系为kgf=9.81，1N=1·m/s

则

m

s1kgf

m（3）从附录二查出有关基本物量的换算关系为BTU=1.055kJ，lkg

F

59

则c

BTU1lb

1.005kJ

（4）传质系数基物理量的换算关系为，1则K34.2

kmol

kmol

（5）表面力基物理量的换关系为dyn=1×101m=100cm则

N

7.4N（6）导热系数基物理量的换算关系为kcal=4.1868×10，1s

m3600sft3m3600sft3则kcallJ

．乱拉环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用面经验公式计算，即HA

G

LL式中—板高度ft—相质量速度lb/(fth)；—径，ftZ—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度ftα—相对挥发度，量纲为一；—液相黏度cP—液相密度lb/ftA、、为数对25的拉西环，其数值分别为0.57与。试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为单。解面验公式是混合单位制体黏度为物理单位制其余诸物理量均为英制。经验公式单位换算的基本要点是出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系出理量“数字”的表达式，然后代入经验公式并整理，以便使式中各符号都变为所希望的单位。具体换算过程如下：（1）从附录查出或计算出经验式有关物理量新旧单位之间的关系为1lbft

1.356

kg

（见1）α量纲为一，不必换算lbft

1kg

3.2803ft1m

3

=16.01(2)将符号加上“′”以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。下面以为例：Hft

m则

m3.2803ftftftm

3.2803同理

G3.2803DZ

737.5GLL

1

t764.33kgt764.33kgLL

16.010.06246

L(3)以上关系式代原经验公式，得H0.57

737.5G

Z

1000LL

整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即HAG

LL第一章流流动流的要质．某气柜的容积为6，若气柜的表压为5.5，温度为40℃已知各组分气体的体积分数为：、、CO、CO、CH大气压力为101.3，试计算气柜满载时各组分的质量。解：气柜满载时各气体的总摩尔数t

313

mol各组分的质量：mm

nMt20%nt

40%2kg28kg1378.97kgmm

nttnMt

28kg7%39.4kg．若将密度为830kg/的与密度710kg/油的密度。设混合油为理想溶液。解：m120kgt

的油各60kg在一起，试求混合60830

120tkg

t流静学．已知甲地区的平均大气压力为kPa乙地区的平均大气压力为101.33，甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为。若改在乙地区操作，真空表的

读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？解）设备绝对压力绝压大气压-空85.3（2）真空表读数

65.3kPa真空度大压-压=101.3365.3

36.03kPa．某储油罐中盛有密为960kg/m的油（如附图所示面高时离罐底9.5，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760的孔，其中心距罐底1000，孔盖用14的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为，问至少需要几个螺钉（大气压力为Pa）？解：由流体静力学方程，距罐底处流体压为p101.31.813Pa（绝压）作用在孔盖上的总力为πp)＝101.34每个螺钉所受力为

Nπ4因此

N6.093

NF

5.95习题4附

习题附图本附图所示床反应器上装有两个压差计分别为=500指液为水银为止银蒸气向空间扩散右侧的管与大气连通的玻璃管灌入一段水，其高度R。试求、两的表压力。解）A点压力gRgR9.819.810.08A（2）B点压力

（表）习题附图

A101.3A101.3gR7.836（）．如本题附图所示，水在管道流动。为测量流体压力，在管道某截面处连管差计，指示液为水银，读数，h=800。防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为kPa试求管路中心处流体的压力。解：设管路中心处流体的压力为根据流体静力学基本方程式，

pA

A则

p+gh汞

ap10000.8136000.180.132kPa．某工厂为了控制乙炔发生炉的压力不超过kPa（表压外一安全液封又水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽水面下的深度h。解：

水

流流概

水

习题附8.密为的液体经一径为60的道输送到某其均流速为0.8m/s求该液体的体积流量/h量流量（kg/s和质量通[·s)]解：VuA

d0.844

3600ms

3.14d0.80.064

kgs2.26kgsGu

1000

m

．在实验室中，用径为的璃管路输送的醋酸。已知质量流量为。试分别用用SI和米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。解：（1）用SI单计算查附录70%醋酸在20时

1069kgm

，

2.50

10

u6040.015m0.882msRe

0.0152.5

5657为湍流。

33（2）用物理单位计算，0.0251.5cm，mRe

1.588.21.069．有一装满水的储槽，直径1.2，高3。由槽底部的小孔向外水。小孔的直径为4，得水流过小孔的平均流速u与水面高z的关系为：0.622试求算（）放出水所需的时间（设水的密度为1000若槽中装满煤油，其它条件不变，放出煤所需时间有何变化（设煤油密度为）解：放出水液面高度降至z，

10.785

由质量守恒，得w

M

，w

0

（无水补充）2

（为小孔截面积）

(A为槽截面积)故有

0.62

dz0d即

AA上式积分得

2A(0.622A

z

)210.04

2.11512

126.4s11如本题附图所示，高位槽的水位高于地面7，从108的管中流出，管路出口高于地面1.5。知水流经系统的能量损失可按∑h=5.5计算，其中u水在管f的平均流速m/s流动为稳态，试计算）-'处的平均速水的流量（m/h解：（1）-'处的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方,ppgzu

f

（1）式中=7m，，p（表压）z，p（表压代入式（）得19.81u2

u

df2df23.0m（2）水的流量（以/h计V3.0

4

s84.78m

h习题附图

习题附．20℃的水以2.5的平均流速流38的水平管，此管以锥形管与另一φ53的平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧、处插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经两截面间的能量损失为1.5J/kg，两玻璃管的水面差（以计在本题附中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：在A、两面间列机械能衡算方程ppgzuf式中z=，u

3.0su

0.003

ms1.232m∑=1.5J/kgfp

hkg故

p

0.8669.81m

0.0883m

．如本题附图所示，用泵储罐的有机混合液送至精馏塔3的部进行分离已知储罐液面维持恒定，其上方压力为10。体密度为kg/m

。精馏塔进口处的塔压力为，料高于储罐的液面，送管道直径φ，料为/h。料液流经全部管的能量损失为J/kg，求泵的效功率。

习题附图解：在截面A

和截面B-

之间列柏努利方程式，得

u2

f

p1.0133Pa；p；Z8.0m；u

h70kgfu

3.14d4

203600

s1.966ms

2

fkg2kg175Jkgw203600173W768.9W14本题附图所示的贮槽径，底与径d为的管相连，槽无液体补充，其初始液面高度为2（管子中心线为基准体在管流

习题14附动时的全部能量损失可按∑huf槽液面下降时需的时间。解：由质量衡算方程，得

计算，式中的u为液体在管的平均流速求当W

dd

（1）W，W

（2）dMdd4d将式（2入式（）得πhuD4

）即

dd

（4在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程u2f即

gh

uu2f

u20.5或写成

20.59.81

0.692h

（5）式（）与式（5）联立，得0.692h

)0.032d即

1212urri.c.积分得

θ，h=2m；θ，hs4676s1.3h动传现与流阻．某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动。设管道度，高度y，y，道长度为，两端压力降为，根据力的衡算导出）剪应τ随高度y（自中心至任意一点的距离变化的关系式通道截面上的速度分布方程平均流速与最大流速的关系。解）由于b>>y,近认为两板无限宽，故有

()（1bL（2）将牛顿黏性定律代入）得

dd

L上式积分得u

2

C

（2）边界条件为y=0u=0，代入式（2中，得=-

因此

(

y

)

（3）（3）当=，=故有u再将式（）写成

y)y

（4）根据的定义，得11y2uA)duAAy16不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流，试证与体流速u相的速度点出现在离管壁0.293r处其中r管半径剪应力沿径向为直线分布，且在ii管中心为零。解）

rrii

（1）当u=时，由式1得r1()r2i解得rri

du122du122由管壁面算起的距离为rrr0.293r）iiii由

r

对式（1求导得durdrri故

24rrr

r

）ii在管中心处r，故τ=0．流体在圆管作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达

r

试计算管平均流速与最大流速之比/。解：

π

2rdr

ru2rdrR令ry则r(1

R

2rdr

y

(1)dyu

y0.817u

18某体以一定的质量流量在水平直圆管作湍流流动管长与液体物性不变将管径减至原来的1/2，因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时

f

=f或

f

=

/=f

L

=（

u)()()

式中

，=（）=4dd因此

f2f1

=

(

=32

21又由于

0.316Re=（Re12

)

0

=（

ddu

)

1=)4

0

=（0.5）

故

hh

=32×0.84=26.9．用泵kg/h的液自反应器送至高位槽（见本题附图器面上方保持的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为的管，总长为35，线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为个标准弯头。反应器液面与管路出口的距离为。泵的效率为0.7，求泵的轴功率液密度为度6.3壁绝对粗糙度可取为0.3

-4解反器液面与路出口侧截面2-2间列机械能衡算方程，以截面为准水平面，得

习题19图gz式中

upup2fz=0，≈

（1）u4

wd

20.7850.0681073

s1.43Pa()p()将以上数据代入式（整理得pW(z)2f1.43=9.81×17++2

25.9

+

ff其中

h（f

LLed

+

）

Re

=

10730.63

d根据Re与/值查得λ=0.03并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为闸阀（全开=0.86m标准弯头：2.2×5m故

f

0.860.068

Jkg

=25.74J/kg于是

We

kg泵的轴功率为Nw/e

=

=1.73kW流输管的算

20如本题附图所示，贮槽水位维持不变。槽的底部与径为100钢质放水管相连路装有一个闸阀，距管路入口端处有以水为指示液的管差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20。（1）当闸阀关闭时，测得、h=1500；闸阀部分开启时，测得=400、=1400。摩擦系数

习题20附

可取为0.025，路入口处的局部阻力数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（）（2）当闸阀全开时，管差计测压处的压力为多少（压开时/d15摩擦系数仍可取0.025解）闸阀部分开启时水的流在贮槽水面1-1与压点处截面2-2间列机械能衡算方程通截面2-2的心作基准水平面，得uf

（a）式中

表)

10009.8139630Pa（，z可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时静不动，根据流体静力基本方程知

(gR

）式中h将已知数据代入式（）z

13600

h

L152.1320.1

将以上各值代入式（

u2

39630+u1000

解得u3.13ms水的流量为V

0.7850.1

3.131.43s（2）闸阀全开时测压点处的压在截面1-1与路出口侧截面3-3间机械能衡算方程，并通过管中心线作基平面，得pp2

f

（c）式中

zz，，phf,1

LLud2

=

350.5

u2

u将以上数据代入式（c

-5-5

u2

+4.81

解得u3.13ms再在截面与间列机械能衡算方程，基平面同前，得pu

f

（d）式中

zz，0=3.51m/sp=0（表压力）

1.50.50.1

3.51

Jkg26.2kg将以上数值代入上式，则3.51p9.816.66

26.2解得=3.30×10（压）．10的水以l/min的量流经一长为300的平管，管壁的绝对粗糙度为。6的头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。解：由于是直径均一的水平圆管，故机械能衡算方程简化为pf上式两端同除以加速度，得p

=

f

（题给）即

f

=

Lu

=6×9.81J/kg=58.56J/kg（a）u

V500ππdd4

0.01062

将代入式a简化得d

2.874（b）λ与与e/有，采用试差法，设λ=0.021代式（b出d=0.0904m。下面验算所设的λ值否正确：d0.050.0005530.010620.0904

msm10水物性由附录查得ρ

，

Redu0.090410000

由e/与，查得λ=0.021故d

ffff．如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用

的管，管路总长为190包括管件与阀门的当量长度但包进出口损失水面维持恒定，并高于出水口。水温为12℃，试求管路的输水量（/h解面

和截面2

之间列柏努利方程式，得

gZ

习题22图p1.0133Pa；l

l

（1）采用试差法，设m999.8则e=

2.19mm，106图代入式（）得，u2.57故假设正确，u2.57s管路的输水量VA2.57

3.14

0.004

3600m

81.61m

,,f2b,ABcDDf,,,f2b,ABcDDf,23本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从与两管排出高位槽液面与两支管出口间的距离均为11。AB管径为38m长为；支的径为、长为12.5m；支管的径为、为14m，各段管长均包括管件与阀门全开时的当量长度AB与管的摩擦系数

均可取为0.03。试计）当支的阀门关闭时支

习题23附管的最大排水量为多少/h所有阀门全开时，两支管的排水量各为多少/h？（支的管壁绝对粗糙度，可取为0.15mm水的密度为kg/m黏度为解）当支的阀门关闭时，支的最大排水量在高位槽水面1-1与BC支出口侧截面间机械能衡算方程以面C-C为准平面得

pu2式中z，，≈，=c故

f

（a）ff,

f,BC

（b）h

Luedu0.5)2

（c）hf,

(0.03

12.5)0.032

5.86u

（d

)

)u

u

（e）将式（e）代入式（）得f,AB

u

BC

u

BC

（f）将式（f入式b）,11.582fb,BC

u2

u2，以h值入式（得f=2.45m/s故V

×0.032/h（2）当所有阀门全开时，两支的排水量根据分支管路流动规律，有pgzD2

（a）两支管出口均在同一水平面上，下游截面列于两支管出口外侧，于是上式可简化为f,BC

f,BD

2b,BCcDV=V+Vf2b,BCcDV=V+VfBC

Lue)d212.5(0.036.36u

f,

14u0.0262

(269.2

0.5)

将

值代入式（a中，得2b,BC

(269.2

u2b,BD

（b）分支管路的主管与支管的流量关系为

ABb,

b,BC

BDb,BD0.038

0.032

b,BC

0.026

b,上式经整理后得u

0.708

0.469u

（c）在截面1-1与间列机械能衡算方程并以-为基准水平面，得pgzgz2

（d）上式中z，≈0，≈0b,上式可简化为ff,

f,

kg前已算出

23.15

6.36因此

u

6.36u

107.9在式（bu、u、即λ均为知数，且又为的数，b,b,b,b,可采用试差法求解。设=1.45m/s则b,du

0.15ed0.0058查摩擦系数图得=0.034将λ与代式（）得6.36u

0.034

解得

u

1.79s将、u值入式（c得b,b,u

b,AB

1.451.95将、u值入式（d）左侧，即b,b,23.151.956.361.79计算结果与式d右侧数值基本相符108.4≈107.9可以接受，于是两支管的排

-5-3-5-3水量分别为V

1.79

5.18

V0.026

m

．在径为的管道中，用测速管测量管空气的流量。测量点处的温为℃，真空度为500，气压力为。测速管插入管道的中心线处。测压装置为微差压差计，指示液是油和水，其密度分别为kg/m和998，测得的读数为100。试求空气的质量流量kg/h解：A

0.1Pa

查附录得，20℃，101.3kPa时气的密度为1.203，度为则管中空气的密度为

，1.203

0.5101.3

kg

1.166

2159.741.166ms16.55me

du

1.166

5查图1-28得u

uu

smsWuA

0.785

1.166hh25在

的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为，管中流动是20的甲苯，采用角接取压法管压差计测量孔板两侧的压力差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得压差计的读数为，试计算管中甲苯的流量为多少（kg/h）？解：已知孔板直径d=16.4mm，管径，则

设>，教材查图1-30得=0.626查附录得20甲苯的密度为，黏度为。苯孔板处的流速为uC

2gRA

29.81866

s甲苯的流量为VA36008.24

0.0164kg检验Re值管流速为

-3f3.14ll58.8nn0.5n0.5-3f3.14ll58.8nn0.5n0.5msu

0.033

9.72

原假定正确。非顿流的动．用泵将容器中的蜂蜜以/s流送往高位槽中，管路长（包括局部阻力的当量长度）为，管径为0.l，蜜的流动特性服从幂律

dy

，密度=1250kg，泵应提供的能量J/kg解：在截面

和截面

之间列柏努利方程式，得

gZ

习题26附p1.0133

Pa1.0133

Pa；6.0m；u

；uWf

u4258.8

K

u0.8n0.05440.51250

12.5

0.81.39883.20.35412501250W58.8640.0045kg第二章体输送机械．用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵前A、C两压力表的读数相等。启离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为39/h此时泵的压头为38。已知输油管径为100，擦系数为；油品密度为kg/m。试求（1）管路特性方程输油管线的总长度（包括所有局部阻力当量长度习题附

–2–2解）管路特性方程甲、乙两地油罐液面分别取作与2-2截，以水平管轴线为基准面，在两截面之间列柏努利方程，得到HK

由于启动离心泵之前p,

=0则

Bq

又

HeB/(39)

]/mh/m则

Hq

（的位为/h（2）输油管线总长度H

ludg

m/s=1.38于是

l

gdH220.02

m=1960．用离心泵（转速为r/min进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为kPa和，两测压口之间垂直距离为0.5，的轴功率为6.7吸管和排出管径均80入管中动阻力可表达为

u为吸入管水的流速，m/s心的安装高度为2.5实是在20℃，98.1kPa的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。解）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面gZ1

1

21

h

f,0将有关数据代入上式并整理，得3.5u21

60

3

2.59.8135.48m/s

则0.08(2)泵扬程

2

3600)/hHH

10009.81

0.5m29.04m(3)泵效率

29.0410001000在指定转速下，泵的性能参数为=57.61/h=29.04η．对于习题的实验装置，若分别改变如下数，试求新操作条件下泵的流量、压头和轴功率（假如泵的效率保持不变（1）改送密度为kg/m的果汁（其他性质与水相近（2）泵的转速降至r/min。解：由习题2求得：q=57.61/h=29.04（1）改送果汁改送果汁后qH不随加大而增加，即1.22kW=8.174kW(2)降泵的转速根据比例定律，降低转速后有关参数为

m

51.85

2610H29.042900

26102900

kW．用离心泵（转速为r/min）将20的清水以60/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为2.4和。定泵入口的真空度不能大于kPa泵的必需气蚀余量3.5（1的安装高（当地大气压为kPa（2）若改送℃的清水，泵的安装高度是否合适解：(1)泵的安装高度在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式（水池液面为基准面u2a1H1

H)f,0即

6439.81H3.51

0.61g（2）输送55℃水的允许安装高度℃水的密度为985.7kg/m，和蒸汽压为15.733kPa

985.79.81e985.79.81e则

H

p

v

)

f,0

=

15.733)0.5)2.4m=2.31m原安装高度）下降1.5能不发生气蚀现象。．对于习题的输送任务，若选用3B57型泵，其操作条件下（℃清水）的允许吸上真空度为5.3，确定离心泵的安装高度。解：为确保泵的安全运行，应以55℃水为基准确定安装高度。HH

u2g

2.4泵的安装高度为2.0。．用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。塔底液面上的绝对压力为32.5kPa(输送温度下溶液的饱和蒸汽)已：吸入管路压头损失1.46，泵的必需气蚀余量为2.3，泵安装在塔面下3.0处试核算该泵能否正常操作。解：泵的允许安装高度为H

v

NPSHH

f,0式中

ppa

则

H(2.31.46]m泵的允许安装位置应在塔液面下4.26m实际安装高度为故泵在操作时可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移1.5。．在指定转速下，用的清水对离心泵进行性能测试，测得q数如本题附表所示。习题附1(m/min)/m

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5在实验围，摩擦系数变化不大，管路特性方程为Hq

（q的位为/min）试确定此管路中的q(=81%)习题7附图解：该题是用作图法确定泵的工作点给验数据作出q曲线。

40

～同时计算出对应流量下管路所要求的在一坐标图中作～曲

30

M本题附图所示。两曲线的交点即在此管路中的工作点，由图读得q=0.455/min，=29.0，

m/H

2010

～000.10.20.3

0.40.5

/s–3–3/s–3–3-1/

Hq0.4551000102习题附表/min)00.10.20.3

习题7附图0.4

/0.5/m

注意：在低流量时，～曲出现峰值。．用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠，两液面维持恒差8.8，流动在阻力方区，管路特性方程为H8.85.2

（的单位为/s单台泵的特性方程为H28

5

2

（的位为/s试求泵的流量、压头和有效功率。解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的、，进而计算。管路特性方程

H

泵的特性方程

H28

联立两方程，得到

q

–3

=19.42则

P19.424.52W=861．对于习题的管路系统，若用两台规格相的离心泵（单台泵的特性方程与习题相同）组合操作，试求可能的最大输水量。解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。（1）两台泵的并联5(2解得：q/h(2)两泵的串联8.85.2

5

q

2

(28

5

q

2

)解得：q/s=21.2/h在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量21.2/h．采用一台三效单动往复泵，将敞口贮槽中密度为1200的稠液体送至表压为kPa的位槽中，两容器中液面维持恒差8，路系统总压头损为4。知泵的活塞直径为70，程为，往复次数为200，的容积效率和总效率分别为0.96和。试求泵的流量、压头和轴功率。解）往复泵的实际流量ASn0.960.07/min=0.499/minr(2)的扬程

-1m-1m21p11HH(8(3)的轴功率

1.626

4)m=149.6Hq149.6s102600.91

kW=16.08．用离心通风机将50℃、101.3kPa的空气通过径为，总长（包括所有局部阻力当量长度）的水平管道送至某表压为的备中。空气的输送量为1.5×/h摩擦系数取为0.0175库房中有一台离心通风机性能为速，风量/h风压为。核算该风机是否合用。解：将操作条件的风压和风量来换算库存风机是否合用。H)T

hf14Pa=106300Pa

m

293=1.147

Vp15000svππ236001063004

m/s则

1

4

105

2

Pa=10483H10483T

Pa=10967库存风机的风量=1.6×10/h风压均大于管路要求/h=10967风合用。．有一台单动往复压缩机，余隙系数为0.06，体的入口温度为2绝压缩指数为1.4，要求压缩比为，试求1单级压缩的容积系数和气体的出口温度级压缩的容积系数和第一级气体的出口温度往复压缩机的压缩极限。解）单级压缩的容积系数和体的出口温度0.7718T

kk

0.4（2）两级压缩的容积系数和第级气体出口温度改为两级压缩后，每级的压缩比为x2

12

1

则重复上面计算，得到

0p0p即

0.06T2931.4K=401K（3）压缩极限20.06解得

21

第五章

传热过程础1用平板法测定固体的导热系数，在平板侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为厚为0.02实验测得电流表读数为0.5，伏特表读数为，侧表面温度分别℃℃试求该材料的导热系数。解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即式中

tIV100WS0.02m

200tL将上述数据代入，可得

S

500.02

W

．某平壁燃烧炉由一厚的耐火砖和一层厚绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的表面温度为℃，外表面温度为℃试求导热的热通量与两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为

0.8t，缘砖的导热系数为0.30.0003，W/(m中的t可分别取为各层材料的平温度。解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即QttQ或b

（5-32）

（5-32）

式中

t

1.250.0003t0.30.00030.3代入λ、

)解之得t

15000.00015t)1.250.0003

则

Qb

1.543

1500

W

W．外径为钢管，其外依次包扎、B两层保温材料，保温材料的厚度为，热系数为0.1/(m·℃)层保温材料的厚度为100，热系数为1.0/(m·℃)，设A的层温度和的层温度分别为和40℃试求每米管长的热损；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：tLr1rlnln2r2r

401591159lnln159

WWmA、B两层互换位置后，热损失为tQL1rrlnln2r2r

2170401lnln1590.1100

WmWm．直径为

57mm3.5

的管用厚软包扎，其外又包扎厚保温灰作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为℃绝热层外表面温度为℃。软木和保温灰的导热系数分别为0.043

℃)0.07

℃)试求每米管长的冷损失量。解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则L

223.141rr0.02850.02850.040.1lnlnlnlnrr0.0430.02850.0285

mWm

．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管25mm×2.5的钢管，其导热系数为45W/(m·℃)冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600·℃)热空气在壳程流动，其对流传热系数2W/(m·℃)试求基于管外表面积的总传热系数

iiK

，以与各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。解：由K

1

1bd

dd查得钢的导热系数

ii45

C

d

2.5idm

25202

mm22.5mm

110.002552450.022526000.02

Wm

壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为11K

K

50.6100%97.3%52管程对流传热热阻占总热阻的百分数为d1

i

100%

dii

100%

50.60.02

2.4%管壁热阻占总热阻的百分数为

K

K

0.0025450.0225

0.3%在传热面积为40m的板式换热器中，水冷却某种溶液，两体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h其度由2℃高到6。溶温度由115降至5。若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至4℃试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：）两种情况下，冷热流体的物性可视为不变的平均比热容为kJ/(kg·℃)情况下，

分别相同）略壁面热阻和热损失。i

解：求清洗前总传热系数m11536ln5522Q4.174K360052.7

Wm

231Wm

求清洗后传热系数K由热量衡算CT)C(t)

W(T

(

T

t

Tt

1155511540223622m

11540

38.1K

4.17438.1

Wm

410.8W

清洗前两侧的总传热热阻

11KK410.8

m

．一传热面积为25m

的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由5升38℃平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。有机溶液的温度由110降至65均热容为1.72kJ/(kg·℃)流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。解：

kJ/(kg·℃)p,cC(t)

280003600

4.17

W求

m有机物

→水

←724040m72lnK

4.2254.4

W

W

c

Q

K

4.221.72

kg5.452kgs1.963单管壳式热器中冷某种有机溶剂水的流量为000kg/h，其初始温度为3，平均比热容4.174kJ/（kg·机剂的流量14000，温度由180℃降至120℃，平均比热容.72kJ/换器的总传热数为·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换器的热损失和污垢热阻可以忽略。解：

120h

h

401.3kW冷却水的出口温度为

100004.174100004.174t

W

1.4448逆流时m

ln

25.39ln

102.2S

QK500102.2

m

7.854m

并流时m

120180

55.39150

94.97S

逆

Q3K500m

8.452m

．在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯汽的体积流量为600/h，常压下苯的点为8℃气化热。冷却水的入口温度为2℃流量5000kg/h水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)总传热系数为450·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。解：苯蒸气的密度为

PMRT27380.1

m

3

kg

3kghkgh4307.2kJh6kJh4.71hC(t)

(解出

t31.6

求

m苯水

→20m

ln

Q4.71SK450m

m

．在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程流动，进口温度30℃出口温度为65℃。油在管程流动，进口温度为1℃。出口温度为5，试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油

→

水6

m

21ln21

4549.8ln计算与P

t0.389

Tt65

查图5-11（a得

43.6某产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃知油的流量为000kg/h水的初温为22℃，流量为000kg/h现有一传热面积为

的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：（1）两体呈逆流流动；（2）两体呈并流流动。设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300·℃)油的平均比热容为1.9kJ/(kg·℃)水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。损失可忽略。解：本题采用（1）逆流时

NTU法算W

W3166.7WWc

4.17

W2316.7WC

C2316.70.732C(NTU)

3002316.7查图得

0.622T

ff5WT

QW

3166.7

67.270

能满足要求（2）并流时C(NTU)

1.295查图得

0.526Q

5WT

73.170

不能满足要求在单程管壳式换热器中外热水被管冷水所冷却已换热器的传热面积为5总传热系数400

·℃)热水的初温为100℃流量000kg/h冷水的初温为2℃流量为0kg/h。试计算热水和冷水的出口温度与传热量。设水的平均比热容为4.18kJ/(kg·℃)热损失可忽略不计。解：Wc

50003600

4.18

10W

5806WWc

WC

CC11611(NTU)查图得

KA1.215805.6传热量

Q()5805.65

0.575解出

T

ttT

解出

t

13水以1.5m/s的速在长为3、径为试求水与管壁之间的对流传热系数。解水的定性温度为403022

2.5mm管由℃热至℃由附录六查得30

°C

时水的物性为

iiiiρ，=80.07×10W/(m则

e

du0.02i

（湍流）L60d0.02i、与值均在式5-59a的用围，故可采用式近计算。d水被加热，取n=0.4，于是得0.023

d

RePr0.023

mW

i．温度90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为

57mm

，曲半径为0.6的管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为tf

t2由附录查得60

时甲苯的物性为ρ＝830kg/m，＝1840J/(kg·℃)μ=0.4×10Pa·sλ=0.1205W

，r

c0.4则

wd830

ms0.256m

ui

0.050.4

（湍流）流体在弯管流动时由受离心的作用增大了流体的湍动程度使对流传热系数较直管的大，此时可用下式计算对流传热系数，即

iR

)式中

—弯管中的对流传热系数，

—直管中的对流传热系数，W(m2—径；i—子的弯曲半径，0.023

d

Pr

0.023

i0.12050.05

26539.3

mWm

i

1

0.050.6

W

Wm

为101.3kPa为℃空气以60/h的量流过直径为3.5mm

，

fifi长度为的管换热管而被加热至℃试求管壁对空气的对流传热系数。解：空气的定性温度为t2080t22由附录五查得空的物性为ρ，＝1005J/(kg·℃)，μPa·sλW/(m=0.698

，则

w60π3.1436000.054

se

di

1.093

（湍流）

d

i0.02830.05

W

W

16压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过管子尺寸为

，正方形排列，中心距为51，板距离为，换热器外径为4m/，均温度为140℃，试求空气的对流传系数。解：由附录五查得140空气的物性为

，气流量为ρ＝0.854kg/m

，＝1013J/(kg·℃)，=2.37×10

Pa·s，λ=0.0349

W

，=0.694采用凯恩（Kern）法，即NuRr

（5-63）或

wr)（5-63）传热当量直径

e

可根据管子排列情况进行计算。管子为正方形排列，则

4(t

)式中t相邻两管的中心距；—外径，代入t

和得

4

t

πdπd

4

ππ0.038

m

ftwftw式与5-63a中流速可据体流过管间最大截面积计，即zDt

)式中—两挡板间的距离；—热器的外壳径，代入z、、t得t

2.8

0.038

m

1.03m

V4uA

s10.74ms上述式中的对体可取为1.0。

()Pr()

w

10.742.37

0.684

m

50.8W

．将长宽均为0.4的直平板置于常压的饱和水蒸气中，板面温度为℃试计算平板与蒸汽之间的传热速率与蒸汽冷凝速率。解：水的定性温度为tt2由附录六查得99水的物性为ρ＝4220J/(kg·℃)=28.41×10Pa·s=0.6