1、1 第一章 流体流动习题解答 1 1 已知甲城市的大气压为 760mmHg，乙城市的大气压为 750mmHg。某反应器在甲地操作时要求其真空表读数为 600mmHg，若把该反应器放在乙地操作时，要维持与甲地操作相同的绝对压，真空表的读数应为多少，分别用 mmHg 和 Pa 表示。 590mmHg, 7.86104Pa 解： P（甲绝对） =760-600=160mmHg 750-160=590mmHg=7.86104Pa 1 2 用水银压强计如图测量容器内水面上方压力 P0，测压点位于水面以下 0.2m 处，测 压点与 U 形管内 水银界面的垂直距离为 0.3m，水银压强计的读数 R 300m
2、m，试求 （ 1）容器内压强 P0 为多少？ （ 2）若容器内表压增加一倍，压差计的读数 R 为多少？ 习题 1 2 附图 (1) 3.51104Nm 2 (表压 )； (2)0.554m 解： 1. 根据静压强分布规律 PA P0 g H PB ， gR 因等高面就是等压面，故 PA PB P0 ， gR gH 136009.810.3 10009.81(0.2+0.3)=3.51104N/ (表压 ) 2. 设 P0加倍后，压差计的读数增为 R， R R，容器内水面与水银分界面的垂直距离相应增为 H， H 2R 。同理， 0 2Rp g R g H g R g R g H g 0 0 0p
3、 g g p p 0 . 2 5 4 mg g 1 0 0 0 9 . 8 1g g 1 3 6 0 0 9 . 8 1 2RHR ， ， ， 4， ， （ ） 3 . 5 1 1 0 220 .3 0 .2 5 4 0 .5 5 4 mR R R， 2 1 3 单杯式水银压强计如图的液杯直径 D 100mm，细管直径 d 8mm。用此压强计测量容器内水面上方的压强 p0，测压点位于水面以下 h 0.5m 处，试求 （ 1）当压强计读数为 R 300mm，杯内水银界面测压点 A 与细管的垂直距离 a 0.4m，容器内压强 p0 等于多少？ （ 2）表压 p0 增加一倍并忽略杯内界面高度的变化，
4、读数 R 为多少？ （ 3）表压 p0 增加一倍并考虑杯内界面位置的变化，读数 R 为多少？ 习题 1 3 附图 (1) 3.12104Nm 2（表压）； (2)0.534m； (3) 0.536m 解： 1. 因 A、 B 两点位于同一平面， pA=pB， P0 ， gR g（ h a） 13600 9.81 0.3 1000 9.81（ 0.5 0.4） 3.12 104N/（表压） 2. 表压加倍后，设压强计读数为 R， 。若忽略杯内水银界面的变化，则 , 042 3.1 2 10 100 0 9.8 1 0.5 0.40.534136 00 9.8 1p g h aRgm ，（ ）（
5、）3. 与（ 1）相比，表压加倍后杯内水银面下降了 1h ，管内水银面上升 2h ，压强计读数的增加量为 12R h h 2122dhhD 由以上两式可得 3 1 221RhDd根据等高面即等压面的原理 01p g h a h g R R ， ，（ ） （ ） 20 22 dRp g R g h a g R g Dd ， ， ，（ ）00 222ppRdggDd ， 42223.1 2 10 0.2340.008136 00 9.8 1 100 0 9.8 10.1 0.0 08 0 . 3 0 . 2 3 4 0 . 5 3 4R R R ， 此结果表明，使用单杯压强计，因 h1+ （ 12
6、2 =） 第一种热阻大，所以热损失少。 2 钟理 伍钦化工原理课后习题答案 0818209 整理 5. 外径为 50mm 的管子，其外包扎有一层厚度为 40mm，热传导系数为 0.13 W.m-1. -1的绝热材料。管子外表面的平均温度 t1 为 800。现拟在绝热材料外再包 扎一层热传导系数为 0.09 W.m-1. -1 的氧化镁绝热层，使该层的外表面温度 t3 为 87，设管子的外表面温度仍为 800。外界环境温度 t为 20。试求氧化绝热层的厚度。假设各层间接触良好。 解： t1=800 t2=? t3=87 ta=20 r1=25mm r2=65mm r3=r2+x=65+x mm
7、1=0.13 w/m2.k 2=0.09 w/m2.k hT=9.4+0.052（ 87-20） =12.88w/m2.K q=.12211ln)(2rrttL)2087(ln)(223322.=.LdhrrttLT d=0.05+0.08+210-3 x =0.13+210-3 x 解得： x=18mm 6试用量纲分析法推导壁面和流体间强制对流传热系数 h 的准数关联式。已知 h 为下列变量的函数： ),(luCfhp =，式中、 Cp、分别为流体的热传导系数、比定压热容、密度、粘度、 u 为流体流速， l 为传热设备定型尺寸。 解： 设 （ 1） gfecdpbLuCQh = 由量纲式 =
8、TMh3 =TML3 = LU = .LM =KLCp.22 =3LM LL= 代入（ 1） 两边的量纲相同，可以解得： yxafNuPrRePr)(Re, = ， a x，为常数，由试验确定。 y 7苯流过一套管换热器的环隙，自 20升至 80，该换热器的内管规格为 19 2.5mm，外管规格为 38 3mm。苯的流量为 1800kg.h-1。试求苯对内管壁的对流表面传热系数。 解 t=(80+20)/2=60 由附表得苯在 60的物性： 830= kg/m3 Pa.S 31032.0. = 2=PCkJ/kg.k 136.0= w/m2. 环隙当量直径 1319320=.=.=iedddm
9、m 环隙中苯的流速 5.4830013.04360018002= = Awum/s 45101052.1Re =27 du 318.0PrRe023.0=Nu 3 钟理 伍钦化工原理课后习题答案 0818209 整理 7.4136.01032.0102Pr33= =. pC 8.535=Nu 5605013.0136.08.535.= =deNuhw/m2. 8 2atm， 20下， 60m3.h-1 的空气在套管换热器的管内被加热到 80，内管直径为57 3.5mm，长度为 3m，试求管壁对空气的对流表面传热系数。 解： 5028020=+=t 在此温度下空气的物性参数： 19.232308
10、205.0292= =RTPM kg/m3 017.1=pCkJ/kg.k 210826.2.=w/m.k Pa.S 51096.1.=698.0Pr= 5.805.043600602=AVum/s =.51096.105.019.25.8Redu4.7104104 3.08.0PrRe023.0=Nu 112698.0)107.4(023.03.08.04= 3.6305.010826.21122=.dNuhi w/m2. 9温度为 90的甲苯以 1500 kg.h-1 的流量通过蛇管而被冷却至 30。蛇管的直径为57 3.5mm，弯曲半径为 0.6m，试求甲苯对蛇管的对流表面传热系数。 解
11、： 6023090=+=t 在此温度下甲苯的物性参数： 38.0=10-3 Pa.S 1.8 kJ/kg.k =pC126.0=w/m.k 830=kg/m3 =.321038.005.005.0436001500Redu2.79104104 43.5126.01038.0108.1Pr33=.uCp 直管 hi=318.0Pr0Re023.0id 0.023 05.0126.0 (2.79 104)0.8 3143.5 =365w/m2.k 4 钟理 伍钦化工原理课后习题答案 0818209 整理 蛇管 hi hi 直管 4.395)6.005.01(365)5.31(=+ = +ciddw
12、/m2.k cd 弯曲半径 管 半径 id 10有一双管程列管换热器，由 96 根 25 2.5mm 的钢管组成。苯在管内流动，由 20被加热到 80，苯的流量为 9.5 kg.s-1，壳程中通入水蒸气进行加热。试求 （ 1） 壁对苯的对流表面传热系数 （ 2） 苯的流率增加一倍，其它条件不变，此时的对流表面传热系数。 （ 3） 管径降为原来 1/2，其它条件与（ 1）相同，此时对流表面传热系数又为多少？ 解： 28020+=t=50 在此温度下甲苯的物性参数： 9.1=pCkJ/kg.k=0.3710-3Pa.S 840=kg/m3138.0=w/m.k 75.0= =AWm/s =.310
13、37.002.084075.0Reud3.4104104 09.5138.01037.0109.1Pr33=.uCp 3.08.0PrRe023.0=Nu158= （ 1） 1091=dNuhi w/m2.k （ 2）流率增加一倍 12WW=12uu=2 因此 )(121uuhhii=0.8=20.8=1.74 1898109174.11=ihw/m2.k (3)半径减半 12uu=)(212112ddAAAWAW= 2 2 12dd=124uu= )(121uuhhii=0.8)(21dd0.2=3.48 379948.310911=ihw/m2.k 5 28 钟理 伍钦化工原理课后习题答案
14、 0818209 整理 11. 12饱和温度为 100的水蒸气在长为 2.5m，外径为 38mm 的竖直圆管外冷凝。管外壁温度为 92。试求每小时蒸气冷凝量。又若将管子水平放置每小时蒸气冷凝量又为多少。 解： 962100922=+=+=wsttt 定性温度下的物性： 01.68=10-2 w/m.k 960= kg/m3 68.29=10-5 Pa.S 08.2268=kJ/kg L=2.5m 冷凝传热膜系数 4132)(943.0wsttLgh.= 代入以上数据得 =h5413.6 w/m2.k wrthAq=.=)92100(5.2038.06.5413 =2268.08103 w =w
15、5.710-3kg/s=20.5kg/h 当管子水平放置，管外径 do=0.038m 传热膜系数 410943.0725.0= dLhh=2.19 h =2.19 5413.6=11853.6w/m2.k wrtAhq= = 31008.2268)92100(5.2038.06.11853 . = w=1.25 10-2kg/s=45kg/h 13.在下列的各种列管换热器中，每小时将 29400kg 的某种溶液从 20加热到 50。溶液在列管内流动。加热介质的进口温度为 100，出口温度为 60，试求下面情况下的平均温度差。 (1)壳方和管方流体均为单程的换热器，假设两流体呈逆流流动。 (2)
16、壳方和管方流体分别为单程和四程的换热器。 (3)壳方和管方流体分别为二程和四程的换热器。 解： (1) kg/h 29400=W201=t . .502=t 601=T 1002=T 401= t 502= t 4525040=+= mt (24512= tt) 或者 44.8 mt 6 钟理 伍钦化工原理课后习题答案 0818209 整理 （ 2）由 44.8 mt375.0201002050=P 33.1205060100=R 由图 4-40（ a） 94.0= t mt， =1.428.4494.0= = mtt （ 3）同理由图 4-40（ b） 97.0= t mt， =5.438.
17、4497.0= = mtt 14.一列管换热器，管外用 2.0 105Pa 的饱和水蒸气加热空气，使空气温度从 20加热到80，流量为 2000kg.h-1，现因生产任务变化，如空气流量增加 50，进、出口温度仍维持不变，问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务？ 解： 28020+=t=50 空气在 50下的物性参数： 093.1=kg/m3 698.0Pr=017.1=pCkJ/kg.k 028.0=w/m.k 水蒸气在 5Pa 的饱和温度 102 =P2.120=sT )(1211ttCwqp.=11mtAh (1) )(1222ttCwqp.=12mtAh (2) 设为强制湍流，在
18、新的空气流量下饱和蒸汽温度为： Ts1 29 由（ 1）和（ 2）式得： 5.1121212= =tmthhwwm0.812mmtt =1.5 8012020120ln20801.= mt 8020ln2080112.= TsTstm 解得： =125 使蒸气饱和温度提高到 125即可。 1ST 15、在一套管式换热器，内管为 180 10mm 的钢管，用水冷却原油，采用逆流操作，水 在内管中流动，冷却水的进口温度为 15，出口温度为 55，原油在环隙中流动，流量为 500 kg.h-1，其平均比定压热容为 3.35kJ.kg-1. -1，要求从 90冷却至 40，已知水侧的对流表面传热系数为
19、 1000W.m-2. -1，油侧的对流表面传热系数为 299 W.m-2. -1，（管壁热阻及垢阻忽略不计）。试求： （ 1） 所需冷却水用量（水的比热取 4.18 kJ.kg-1. -1，忽略热损失）； （ 2） 总传热系数； （ 3） 套管换热器的有效传热长度； （ 4） 若冷却水进口温度变为 20，问此时会出 现什么情况？ 解（ 1） )()(21221211TTCwttCwqpp.=.= 4.18（ 55-15） =500 3.35（ 90-40） 1w =500kg/h 1w 7 钟理 伍钦化工原理课后习题答案 0818209 整理 (2) Ko=22429911600001801
20、11000=+=+hdhdiw/m2.k (3) 151=t . .552=t 401=T 902=T 251= t 352= t mtAKq =00 7.292535ln2535=.= mt )1555(18.43600500. 103=224 0.18 L29.7 L=6.17m (4) 201=t a 若维持水的流量及其它的条件不变，则水的出口温度 602018.4500)4090(35.35002=+ . =t 水的出口温度过高导致结垢。 b 若水的出口温度不变，则必须增加水的流率 由 572)2050(18.4)4090(35.35002=. . =wkg/h 此时换热器的管长也变化
21、即需要换一个热交换器。 16.在并流的换热器中，用水冷却油。水的进，出口温度分别为 15和 40，油的进，出口温 度分别为 150和 100。现因生产任务要求油的出口温度降至 80，设油和水的流量，进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为 1m，试求将此换热器的管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可以忽略。 解： 在原冷却器中 对油 )100150(11.=pCwq （ 1） 对水 )1540(22.=pCwq （ 2） 并流时 135151501=.= t 60401002=.= t 30 5.9260135ln60135=.= mt =mtAKq=00)100150(11.pCw
22、 8 钟理 伍钦化工原理课后习 题答案 0818209 整理 在新的冷却塔中 对油 )80150(111.=pCwq （ 3） 对水 )15(2221.=tCwqp （ 4） 解上述方程得： =50 2t 10101mtAKq=)80150(11.pCw 135151501=.= t 3050802=.= t 8.6950135ln30135=.= mt 5.928.691001508015011LLqq= 1L=1.85L=1.85m 下册第一章蒸馏 1. 苯酚 (C6H5OH)(A)和对甲酚 (C6H4(CH3)OH)(B)的饱和蒸气压数据为 温度 T 苯酚蒸气压 0Ap kPa 对甲酚蒸
23、气压 0Bp kPa 温度 t 苯酚蒸气压 0Ap kPa 对甲酚蒸气压 0Bp kPa 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 10.0 10.4 10.8 11.19 11.58 7.70 7.94 8.2 8.5 8.76 117.8 118.6 119.4 120.0 11.99 12.43 12.85 13.26 9.06 9.39 9.70 10.0 试按总压 P=75mmHg(绝压 )计算该物系的“ t-x-y”数据 , 此物系为理想体系。 解： 总压 P=75mmHg=10kp。 由拉乌尔定律得出 0Ap xA 0Bp xB=P 所以 xA=000BABpp pp ； yA= ppA0 00 0BABpp pp 。 因此所求得的 t-x-y 数据如下： t, x y 113.7 1 1 114.6 0.837 0.871 115.4 0.692 0.748 117.0 0.440 0.509 117.8 0.321 0.385 118.6 0.201 0.249 119.4 0.095 0.122 120.0 0 0.
