1、1六、计算题 1、某牛顿型流体在圆、直、等径管内流动，在管截面上的速度分布可表达为：v=20y-200y2，式中：y 截面上任一点至管壁的径向距离，m； v该点的点流速，m/s。试求：管半径中点处的流速；管壁处的剪应力。该流体的黏度为 0.05 Pas 。 5分 (1)已知 v=20y200y 2，则 04dvy令 ，解得 y=0.05m，即管半径 R=0.05m 当 =0.05/2=0.025m， 0dy 2yV =20y200y 2=200.025200(0.025) 2=0.375 m/s 3 分(2) =20(m/s)/m 则 w= =0.0520=1.0N/m2 2 分0yvd 0y
2、dv2、水在水平管内流动，截面 1 处管内径 d1 为 0.2m，截面 2 处管内径 d2 为 0.1m。现测得水在某流量下截面 1、2 处产生的水柱高度差 为 0.20m，若忽略水由 1 至 2 处的阻力损失，试求水的流量 m3/h。 10 分 4 分212uPuPZgZgzi、p i 均按管中心线取值，因 z1=z2，u 2=4u1得 2 2145h= =0.20 u 1=0.511m/s 4 分21215pg332210.0.657.84mvdus。 5 分 2令高于喷嘴出口 5m 处水流截面为 22 截面12 截面间：p 1=p2 d 2=1.2d1， u1d12= u2d22 u2=
3、 3 分4由 即 u1=13.76 m/s 2 分21zg22119.85.u4、某厂如图所示的输液系统将某种料液由敞口高位槽 A 输送至一敞口搅拌反应槽 B 中, 输液管规格为 382.5mm,已知料液在管中的流速为 u m/s,系统的 hf=20.6u2/2 J/kg。因扩大生产，须再建一套同样的系统,所用输液管直径不变，而要求的输液量须增加 30%,问新系统所设的高位槽的液面需要比原系统增高多少? 10 分 u 10u2 p1=p2 于是 gZ1=gZ2+hf g(Z1-Z2)=hf =20.6 4 分2uu= =2.39m/s 2 分0.50.5129.86.6gzZ1=Z2+20.6
4、 =15.14m 2 分22.13.598ug增高为：Z 1-Z1=15.14-11=4.14m 2 分35、用泵自贮油池向高位槽输送矿物油，流量为 38.4T/h。池及槽皆敞口。高位槽中液面比池中液面高 20m,管路总长 (包括局部阻力)430m，进出口阻力不计。管径为 1084mm，油的黏度为 3430cP，密度为 960kg/m3, 泵的效率为 50%，求泵的实际功率。 10 分 2 分328.410.4596mus层流 =1.62 2 分.39.64edR64eR列两截面柏方 820.81ewzghff0,upA224351.6697luJfdkg4 分957.0.8ew2 分31.4
5、156eseNWKW6、用离心泵经 573.5mm 的钢管,将敞口贮槽内的有机溶液(密度为 800kg/m3, 黏度为20cP)输送到反应器中。设贮槽内的液面离反应器内的液面高度保持 16m，见附图。已知钢管总长度(包括局部阻力当量长度 )为 25m，反应器内的压力恒定为 4kgf/cm2(表压)，有机溶液输送量为 6m3/h，泵的效率为 60%，试确定泵的轴功率。 10 分 层流 2 分30.58.491682eduR641982 分264ms列两截面柏方 2 分2ePWZghf250.uf4 分349.87164.8916. 654.39e Jkg35.0.1.eseNKW2 分47、40
6、水由高位槽经异径收缩管向下流动，40水的密度为 992kg/m3，饱和蒸汽压pv=7.38kPa，当地大气压为 97kPa。现拟 d0 取 135mm，试问：当不计阻力损失，水在流经收缩管时会不会汽化？ 10 分 6管子出口流速 u= = =14.0 m/s 2 分2gh19.814.0(0.15) 2 =u0(0.135) 2 u 0=17.28m/s 2 分由水槽液面至收缩管处排伯努利方程： 3097178Pp 0=17.0103Pa 4 分p 0pv，故收缩管处不会发生水汽化。 8、如图所示，水从槽底部沿内径为 100mm 的管子流出，槽中水位稳定。阀门关闭时测得R=50cm，h=1.8
7、m。求：阀门全开时的流量 阀门全开时 B 处的表压(阀全开时 Le/d=15，入管口及出管口的阻力系数分别为 0.5及 1.0，设摩擦系数 =0.018 15 分 阀关时：(Z A+1.8)1000=0.513600 ZA=5m 2 分阀全开：对 A-A 和 C-C 截面外侧列伯努利方程：取 Zc=0(基准面),22CCApuugghf4 分220,0A解出：u=3.02m/s259.81.1.5.C3 分320.3608.44mVh对 A-A 到 B-B 截面列伯努利方程： 2BApugZhf4 分2 23.0503.9.815.18B解出 pB=1.76104N/m2（表） 2 分59、在
8、图示装置中，水管直径为 573.5 mm。当阀门全闭时，压力表读数为 0.3 大气压, 而在阀门开启后，压力表读数降至 0.2 大气压。设管路入口至压力表处的压头损失为 0.5 mH2O，求水的流量为若干 m3/h？ 解：阀门全闭时，由 P2 =gH，即水槽液面距阀门中心线的高度为 3.1 m。 50.313.19.8Hm4 分Z1 = H = 3.1 m，Z 2 = 0，P 1 = 0，P 2 = 0.21.013105 Pa，u 10，hf/g = 0.5 mH 2O 代入上式 3 . 解得 u2 = 3.24 m/s 2 分52.359.8.u3260.94mVdh2 分10、如图示常温
9、水由高位槽以 1.5m/s 流速流向低位槽，管路中装有孔板流量计和一个截止阀, 已知管道为 573.5mm 的钢管，直管与局部阻力的当量长度(不包括截止阀) 总和为 60m,截止阀在某一开度时的局部阻力系数 为 7.5。设系统为稳定湍流,管路摩擦系数 为0.026。 (1) 220.51.02.94510.64S KgTWduSh1-1.2-2 截面列伯努利方程 Zghf5 分216.0.2754.38Zgm(2)阀前后：2310.10uPPa p = ( i)gR 即 8.438103= (13.61) 1039.81R2 R2 = 0.06826 m=6mm 5 分(3) 1-1.2-2
10、截面列伯努利方程当 u= 0.8u = 0.8 1.5 = 1.2 m/s2luZghfd24.38lgdu 5 分29.814360.9.5(4)因高位槽水位不变，流量减小，阀前管路阻力减小，必引起 a 点压强 pa 增大。 5611、水塔供水系统如附图所示。管路总长 50m(不包括局部阻力当量长度)，水塔内水位高9.8m，管内径 d=45mm，现测得流量 V 为 12m3/h，摩擦系数 可按 0.02 计，试计算所有局部阻力当量管长 Le 之值。 10 分 1-1.2-2 截面列伯努利方程 4 分21uZghf2 分2.1360.45mSeluhfd221eluZgd2 分250.9.81
11、.4el2 分2.98.1504.82el m12、有一内径 d50mm 的管子，用孔板流量计测量水的流量，孔板内孔直径d0=25mm，U 形压差计的指示液为汞 ，孔流系数 C0=0.62。当需测的最大水流量为18m3/h，问：U 形压差计最大读数 max 为多少？ 5 分 期中 3 分002is gRVAuC 02igRu29.81360180.5.6364iR22 .2.30m 109R72 分13、密度为 103kg/m3、黏度为 1cP 的水，以 10m3/h 的流量在 513mm 的水平光滑管内流过。在管内某处 p1=1.5at(表压)，若局部阻力不计，问距该处 100m 下游处 p
12、2 为多少 Pa?(Re=3000110 5， = 0.3164/Re0.25) 10 分 2 分22001.7536.44musd2 分3.517800eR1 分0.253649187列两面的柏方3 分2122fPPluhd(表) 2 分2 24 421 10.751.59807.908.1lu Pad14、内截面为 1000mm1200mm 的矩形烟囱的高度为 30m。平均摩尔质量为 30kg/kmol，平均温度为 400的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持 49pa 的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为 20，地面处的大气压强为 101.33103pa。流体流经烟囱时
13、的摩擦系数可取为 0.05，试求烟道气的流量为若干？ 20 分 9解:烟囱底端为上游截面 11、顶端内侧为下游截面 22，并以截面 11为基准水在两截面间列柏式，即： 12fupupgZgZh式中 Z1=0，Z 2=30m， u1u2 4 分 由于烟道气压强变化不大，烟道气的密度可按 1.033105pa 及 400计算，即：2 分5 33.00.4/847pMkgmRT以 表示大气的密度，p a，1 与 pa，2 分别表示烟囱底端与顶端大气压强，即： P1= pa，1 49Pa 因烟囱顶端内侧压强等于同高度处的大气压强，故 p2= pa，2 = pa，1 gZ2 2 分标准状况下空气的密度为
14、 1.293kg/m3，所以 1.0133105Pa、20时的密度为82 分32731.91./0kgm于是 p2= pa，1 1.29.8130= pa，1 353 Pa 将以上各值代入 柏式，解得2 分,1,14359081326/0.aafh Jkg2 分2felud其中 2 分1.4.092e m烟道气的流速为 2 分61.2.7/53us烟道气的流量为 2309.10.543621/sAkgh分15、已知输水量为 15m3/h，管径 53mm，总机械能损失为 40J/kg，泵的效率 0.6，求泵的轴功率。 15 分 取池内水面为截面 1，作为基准面；输水管出口为截面 2，则有z1=0
15、, z2=20m,p1=0, p2=500103Pa u1=0, 2 分2 分5.89360.4muS代入数值，得 We=738J/kg 221e fPuPZgWZgh质量流量: W S=(15/3600)(1000)=4.17kg/s 2 分有效功率:Ne= 4.17738=3080J/s=3.08kw 2 分泵的轴功率:2kPe13.5608.3916、某液体密度为 800 kg/m3，黏度为 73cP，在连接两常压容器间的光滑管中流动，管径300mm，总长为 50m（包括全部局部阻力当量长度） ，两容器液面差为 3.2m（如图示） 。求：(1)管内流量为多少？(2)若在连接管口装一阀门，
16、调节此阀的开度使流量减为原来的一半，阀的局部阻力系数是多少？按该管折算的当量长度又是多少？层流：=64/Re；湍流 =0.316/Re 0.25 15 分 解：（1）在 1-1，2-2 两截面间列柏努力方程，u1=u2=0，p 1=p2=0，We=04 分2flugzhd由 ， 代入上式0.25316Re得 u=3.513m/s 2 分验证 Re=0.33.513800/0.073=115504000假设正确，V=Au=893.95m 3/h 2 分（2）流量减半，流速减半，即 u=1.7565m/sRe=5775 符合伯拉修斯式列 1-1，2-2 间柏努力方程 210.2536Relugzd
17、则 3 分4.2220.25.316eR80.316eelluuddl m4 分1017、右图，有一直径为 382.5mm，长为 30m 的水平直管段 AB，在其中装有孔径为16.4mm 的标准孔板流量计来测量流量，流量系数 Co 为 0.63，流体流经孔板的永久压降(局部损失)为 6104Pa，AB 段摩擦系数 取为 0.022，试计算：(1) 流体流经 AB 段的压力差；(2)若泵的轴功率为 800W，效率为 62%，求 AB 管段消耗的功率为泵的有效功率的百分率，已知：操作条件下液体密度为 870kg/m3，U 管指示液为汞，其密度为 13600kg/m3。 15 分 023320.69
18、81307.61.4750/.5/.4seffRgVCAmsVu3 分（1）由 A、B 两点列柏努力方程222 2344,0.05.187619.610Be fABfaPuPuZhZhggldP5 分（2） 862%49eNW轴AB 段消耗的功率： 4 分341.7509.619.0sefpmVuW则 169.0534.4eN113 分18、一敞口高位水槽 A 中水流经一喉径为 14mm 的文丘里管，将浓碱液槽 B 中的碱液（密谋为 1400 kg/ ）抽吸入管内混合成稀碱液送入 C 槽，各部分标高如附图所示；输水管规3m格为 573mm，自 A 至文丘里喉部 M 处管路总长（包括所有局部阻力
19、损失的当量长度在内）为 20m，摩擦系数可取 0.025。（1（ 当水流量为 8m3/h 时，试计算文丘里喉部 M 处的真空度为多少 mmHg；（2（ 判断槽的浓碱液能否被抽吸入文丘里内（说明判断依据） 。如果能被吸入，吸入量的大小与哪些因素有关？ 15 分 主管道 smAVsu /09.15.)4/(360/8(/ 2(1)文丘里喉部 M 处 3 分ss /4.1)4/(368222在高位水槽上面与 M 处界面间的列柏努利方程得： 真 空 度 ）(2316.3 )2/09.1)5./0./48()(/2mHgOguduZgp5 分(2) h 碱 碱 水 h 水 h 水 1.51400/100
20、02.1m ( ,故应设法增大 之值12在管程允许的压力降范围内增大空气的流量,设将空气流量提高 2.4 倍,则W/(m2)804.4.20880W/(m2) (5 分)7.1512K23若将 增大一倍 W/(m) (3 分)98.173K110W/(m) (3 分) 98.73K4、某厂精馏塔顶,采用列管式冷凝器,共有 252.5mm 的管子 60 根, 管长为 2m,蒸汽走管间,冷却水走管内,水的流速为 1m/s 。进、出口温度分别为 20和 60,在定性温度下水的物性数据为:=992.2kg/m 3 =0.6338W/(m) =6.5610-4Pa.s Pr=4.31 求管内水的对流给热
21、系数 如使总管数减为 50 根,水量和水的物性视为不变,此时管内水的对流给热系数又为多大? (15 分)解: 1025.31056.92Re 44du(3 分)10Pr6.L可采用下式计算对流给热系数 nNuPrRe023.8.流体被加热 n=0.4 (2 分)5.18W/(m2) (2 分)4.02.63Nud(2) 当管子根数减少时,流速变大(4 分)smn/.1)5()(2 分)8.0u24） (2 分) 28.08.0 /(513254)( mWu5、一套管换热器,由 483mm 和 252.5mm 的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为 和 ，若两流体的流量保持
22、不变，并忽略出口温度变化对物性12所产生的影响。求将内管改 322.5mm 后,管内对流给热系数有何变化?( 假设流动状态皆为湍流) (10 分)解: 原内管外径 内径 5m1d 20m.5- 2d新内管外径 内径32 73设 改用 322.5 钢管后,内管对流给热系数 1(5 分)8.18.0)4(ddV(5 分)5327.16、一套管换热器用 133的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33加热到 73，氯苯流量为 5500Kg/h。现因某种原因，氯苯流量减少到 3300Kg/h，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？（设两种工况下
23、的蒸汽冷凝热阻，管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化） (15 分)解： (3 分)2(112mPCtSKtWK6.0538.(5 分)21ln30:21tTtK得 567.03l6.521 tTn(3 分)7.21t25CtT 9.12576.03176.02(4 分)./mhtKW7、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为 243和 128；终温分别为 167和 157。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的
24、热损失可以忽略。解： 以下标“”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知：)()(12210 tCWTtKQpcphm(3 分)两式相除，得： （a）1210tTtm将和比定律应用于下式，得：121212121 47)857()643()()()()( tttTttTtm (4 分)4305ln76843t26所以 4317ln212tt 093.147ln12t(3 分)98.03.1et224.1T或 （b）9843t由式 a 得： 267581Tt即： （c）20.384t联立式 b 和 c 解得： 216.t215.T (5 分)7.49093.)128.5()64(ln12 ttm8
25、、一套管式换热器管内流体的对流传热系数 = 20 W/（m 2），管间流体的对流传热i系数 = 350 W/（m 2）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总o传热系数 K 分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）(10 分)解：原流动情况 m2/W K=18.92 W/ m2 (2 分)（1）管内对流传热系数增加一倍 = 2 = 220= 40 W/ m2 m2/W K=35.9 W/ m2 （35.9-18.92）/18.92 = 89.75% (4 分)（2）管外对流传热系数增加一倍 = 2350 = 700 W/ m2 m2/W K = 1
26、9.44 W/ m2 （19.44-18.92）/18.92 = 2.75% (4 分)9、在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数 为 349 i27W/（m 2），管外油侧对流传热系数 为 258 W/（m 2）。换热器在使用一段时间后，o管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻 Rsi 为 0.00026 （m 2）/W，油侧的污垢热阻为 0.000176 （m 2）/W。若此换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。(10SOR分)求：（1）产生污垢后热阻增加的百分数； （2）总传热系数 K。 解：（1）产生污垢前的热阻 （m 2）/W (4 分)产生污垢后的
27、热阻 （m 2）/W （0.007177-0.00674）/0.00674 = 6.48% (4 分)（2）总传热系数 W/（m 2） (2 分)10、在并流换热器中, 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, 求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽略。 (15 分)解：原平均温度差 135-0 1t 60 4-1 2t (3 分).92)6ln()ln(21ttm由热量衡算 )(1221tCWTCQpcph(4
28、 分)5.0421tpch当油的温度降至 80时, 由热量衡算得)1()805(2tCCWQpcph或 解得 (3 分).12tpc 502t28新的平均温度差， = 150-15 = 135, = 80-50 = 301t2t8.69305lnm由传热速率方程可分别得 原换热器 5.92)1( dLKntSCWQmph 新换热器 86805 L6927(5 分)111、一单程列管式换热器, 由直径为 252.5 mm 的钢管束组成。苯在换热器的管内流动, 流量为 1.25 kg/s，由 80冷却到 30，冷却水在管间和苯呈逆流流动, 进口水温为 20, 出口不超过 50。已知水侧和苯侧的对流
29、传热系数分别为 1.70 和 0.85 kW( 2)，污垢热阻和换热器的热损失可忽略，求换热器的传热面积。苯的平均比热为 1.9 kJ/(kg), 管壁材料的导热系数为 45 W/(m)。 (10 分)解：由总传热速率方程式 mOtSKQ式中 = 1.251.9103（80 - 30）= 118.8 kW (3 分)(21TCWphkW( 2) (5 分) m2 (2 分)12、在一传热外表面积 S0 为 300 m2 的单程列管换热器中， 300的某气体流过壳方被加热到 420。另一种 560的气体作为加热介质。两气体逆流流动，流量均为 10000 kg/h，平均比热为 1.05 kJ（kg
30、）。求总传热系数 K0。 (10 分)解：换热器的传热量 )(12tCWQpc29=（10000/3600 ）1050 （420 - 300）= 3.510 5 W 热气体出口温度 )(21TCWQph即 3.5105 =（10000/3600 ）1050（560 T2） 解得 = 440 (4 分)2T流体的平均温度差 2 (3 分)W( 2) (3 分)13、某套管换热器内管为 303mm 铜管,外管为 483 钢管 ,长 2m,管间通 110饱和水蒸气加热管内空气,使空气温度由 20加热至 80,已知空气流量为 50kg/h,周围环境温度为20,试求:(1)空气侧对流给热系数； 101.
31、6W/(m 2K)(2)套管裸露时的蒸汽用量(kg/h)。 空气比热可取 =1.005kJ/(kgk)pC换热器外侧壳壁对周围空气的对流给热系数: W/(m2)(052.49wot式中: -换热器外壳温度, -周围空气的温度,wt t饱和蒸汽汽化热可取 =2232.4kJ/kg (15 分)r(1) miiitAQKwhkJCWp 5.837/3015)28(05.1)(12 (3 分).4.Ldii 6.5)309ln(8mt30(2 分)/(6.10.5408372KmWi (2) TtwW/(m2K)1.4)201(5.9)(2.9 wotWtAQ 738)048(1.0 蒸汽放热 Q.
32、37.2蒸汽用量 (5 分)hkgrW/104.614、有一单壳程双管程列管换热器，管外用 120 0C 饱和蒸汽加热，干空气以 12m/s 的流速在管内流动，管径为 382.5mm，总管数为 200 根，已知空气进口温度为 26 ，要求出口温度为 86 ，试求：该换热器的管长应为多少？（不计出口温度变化对物性影响，忽略热损失、污垢热阻及管壁热阻） 。已知定性温度下空气的物性数据为 =1.005 , =1.07 kg/m3, = 0.0199 cP, pcK)kJ/(g= 0.0287W/(mK)， =0.697。 (15 分)Pr解：因为管外蒸汽冷凝的 比管内空气的 大得多，且管壁及污垢热阻可略去，有12 (2 分) 211dK12(2 分)mmmtldntlntAQ212则 (2 分)tQl2注意：上式中的 n 为列管换热器总管数。 。Vs2 = = 0.7850.0332(200/2)12 = 1.026 m3/sud)/(785.02
