化工原理练习习题及答案

CHAPTER1流体流动

一、概念题

1．某封闭容器内盛有水，水面上方压强为p0，如图所示器壁上分别装有两个水银压强计和一个水银压差计，其读数分别为R1、R2和R3，试判断： 1）R1 R2（＞，＜，＝）； 2）R3 0（＞，＜，＝）；

3）若水面压强p0增大，则R1 R2 R3 有何变化？（变大、变小，不变）

答：1）小于，根据静力学方程可知。

2）等于

3）变大，变大，不变

2．如图所示，水从内径为d1的管段流向内径为d2管段，已知d2?2d1，d

1

管

段流体流动的速度头为0.8m，h1?0.7m，忽略流经AB段的能量损失，则h2? _____m，h3? m。 答案：h2?1.3m，h3?1.5m

?h1?u122g?h2?u222g

1

d2?2d1，

2u2?u1(d1d22)?u1(212)?2u12

?u2?2u1u224，2g?1u142g?0.2m

?h2?1.3m h3?h2?u222g?1.5m

3．如图所示，管中水的流向为A→B，流经AB段的能量损失可忽略，则p1与p2的关系为 。

A)p1?p2 B)p1?p2?0.5m C)p1?p2?0.5m D)p1?p2

答：C 据伯努利方程

?uA22?gzA??p1??gzB??uB222?p2

p1?p2??g(zB?zA)??2(uB?uA)2

p1?p2?0.5?g??2(uB?uA)22 ,uB?uA,?p1?p2?0.5?g

4．圆形直管内，Vs一定，设计时若将d增加一倍，则层流时hf是原值的 倍，高度湍流时，hf是原值的 倍（忽略管壁相对粗糙度的影响）。 答：1/16倍，1/32倍

2

5．某水平直管中，输水时流量为Vs，今改为输2Vs的有机物，且??2?水，

??0.5?水，设两种输液下，流体均处于高度湍流状态，则阻力损失为水的

倍；管路两端压差为水的 倍。 答：4，2

lu2hf??d2?u2 ,d?不变，q?V?2qV，u??2u?hf?4hf

水平直管，

?p??pf??l?ud22??hf?,???0.5?，hf?4hf,?p??2?p

6．已知图示均匀直管管路中输送水，在A、B两测压点间装一U形管压差计，指示液为水银，读数为R（图示为正）。则： 1）R 0（>，=，<）

2）A、B两点的压差?p= Pa。

A)Rg(?i??)

B)Rg(?i??)??gh C)?gh?Rg(?i??) D)Rg(?i??)??gh

3）流体流经A、B点间的阻力损失hf为 J/kg。

4）若将水管水平放置，U形管压差计仍竖直，则R ，?p ，hf 有何变化？

答：1）R?0，U形管的示数表明A-B能量损失，能量损失为正，故R?0

3

2）B

静力学方程:pA??g(z?R)?pB??g(h?z)??igR

?p?pA?pB??gh?Rg(?i??)

3）

?hf,A?B?Rg(?i??)?

?uA22列伯努利方程，

?gzA??pA??gzB??uB22?pB???hf,A?B

?p?pA?pB??g(zB?zA)???hf,A?B??gh???hf,A?B ??gh?Rg(?i??)

?

?hf,A?B?Rg(?i??)?

4）不变，Rg(?i??)，不变。

7．在垂直安装的水管中，装有水银压差计，管段很短，1，2两点间阻力可近似等于阀门阻力。如图所示，试讨论：

1）当阀门全开，阀门阻力可忽略时，p1 p2（＞，＜，＝）；

2）当阀门关小，阀门阻力较大时，p1 p2（＞，＜，＝），R （大，小，不变）； 3）若流量不变，而流向改为向上流动时，则两压力表的读数差答：1）根据伯努利方程:p1??gz1?p2 ?p1?p2

2）p1??gz?p2???hf →p1?p2???hf??gz>0 ?p1?p2;因为流动阻力变大, R变大。 3）流向改变，

p2?p1??gz???hf?p ，R ；

→p2?p1??gz???hf

4

??p变大，R不变。

8．图示管路两端连接两个水槽，管路中装有调节阀门一个。试讨论将阀门开大或关小时，管内流量qV，管内总阻力损失?hf，直管阻力损失hf1和局部阻力损失hf2有何变化，并以箭头或适当文字在下表中予以表达（设水槽液位差H恒定）。

总阻力损失?hf 直管阻力损失hf1局部阻力损失hf2流量qV 变大 变小 阀开大 阀关小 不变 不变 变大 变小 变小 变大

9．图示管路，若两敞口容器内液位恒定，试问：

1）A阀开大，则qV ；压力表读数p1 ；p2 ；hf1/hf2 ；

qV1/qV2 。

2）B阀关小，则qV ；压力表读数p1 ；p2 ；hf1/hf2 ；

qV1/qV2 。

5

答：1）A阀开大，qV变大，p1变小，p2变大，hf1/hf2不变，qV1/qV2不变。 2）B阀关小，qV变小，p1变大，p2变大，hf1/hf2不变，qV1/qV2变小。 10．流量Vs增加一倍，孔板流量计的阻力损失为原来的 倍，转子流量计的阻力损失为原来的 倍，孔板流量计的孔口速度为原来的 倍，转子流量计的流速为原来的 倍，孔板流量计的读数为原来的 倍，转子流量计的环隙通道面积为原来的 倍。 答：4，1，2，1，4，2

11．某流体在一上细下粗的垂直变径管路中流过。现注意到安在离变径处有一定距离的粗、细两截面的的压强表读数相同。故可断定管内流体( )。 A. 向上流动； C. 处于静止； B. 向下流动； D. 流向不定 答：B

p1??gz??u122在1截面和2截面间列伯努利方程:

?p1?p2

?p2??u222??hf

??gz??(u2?u1)222??hf

?u2?u1，??hf?0，水向下流动。

12．下面关于因次分析法的说法中不正确的是（ ）。

6

Ａ．只有无法列出描述物理现象的微分方程时，才采用因次分析法； Ｂ．因次分析法提供了找出复杂物理现象规律的可能性；

Ｃ．因次分析法证明：无论多么复杂的过程，都可以通过理论分析的方法来解决； Ｄ．因次分析法能解决的问题普通实验方法也同样可以解决 答案：Ｃ、Ｄ

分析：首先，因次分析所要解决的正是那些不能完全用理论分析方法建立关系式或者无法用数学方法求解方程式的复杂问题。

其次，对一些复杂的、影响因素较多的物理现象，普通实验方法是无法解决

?pf的。例如流体因内磨擦力而产生的压降与管径、管长、粘度、密度及流速等

有关。现在要找出?pf与d、l、?、?、u中任一变量的关系，如果采用普通的实验方法，假定每个变量只取10个实验值，则整个实验要做10万次！

因次分析法将单个变量组成无因次数群后，大大减少了变量的个数和实验次数，使实验和数据处理工作成为可能。实验得出的数群之间的定量关系，在工程上与理论公式具有同等的重要性。

1３．流体在直管内流动造成的阻力损失的根本原因是 。 答：流体具有粘性

1４．因次分析法的依据是 。 答：因次一致性原则

1５．在滞流区，若总流量不变，规格相同的两根管子串联时的压降为并联时的 倍；湍流、光滑管（λ＝0.3164/Re0.25）条件下，上述直管串联时的压降为并联时的 倍；在完全湍流区，上述直管串联时的压降为并联时的 倍。

7

答：4，6.72，8

?pf,2l2由泊谡叶方程知：将

??pf,2?pf,1?pf,1=l1u1?u2?2?2?4

?pf?l?u1.75表达式代入范宁公式，可知

l2u21.751.75()?2?2?6.72l1u1

，

故?完全湍流区又称阻力平方区，该区域内压强与阻力的平方成正比。并联改成串联

?pf,22l2?u2??l1??u1后，不仅流速加倍，管长也加倍，故此时 ?pf,1???2?22?8??

16．如图示供水管线。管长L，流量V，今因检修管子，用若干根直径为1/2d，管长相同于L的管子并联代替原管，保证输水量V不变，设λ为常数，ε/d相同。局部阻力均忽略，则并联管数至少 根。

答：6根 设用n根管子

L(V/0.785d)d222???L1/2d(V/n/0.785?0.5d)222,

n?22.5?5.6

二、问答题

1．一无变径管路由水平段、垂直段和倾斜段串联而成，在等长度的A、B、C三段两端各安一U形管压差计。设指示液和被测流体的密度分别为?0和?，

8

当流体自下而上流过管路时，试问：

（1）A、B、C三段的流动阻力是否相同？ （2）A、B、C三段的压差是否相同？

（3）3个压差计的读数RA、RB、RC是否相同？试加以论证。

hf??lu2答：（1）?因流动阻力 d2，该管路A、B、C 3段的?、l、d、u均相同，∴hf,A?hf,B?hf,

（2）在A、B、C三段的上、下游截面间列柏努利方程式：

p1u122

gZ1????gZ1?p2??u222?hf

化简，得 ?p??hf??g?Z

A段： ?pA?p1?p2??hf,A (a)

B 段： ?pB?p3?p4??hf,B??glB (b) C段： ?pC?p5?p6??hf,c??glc?sina 比较上面3式：?pB??pC??p （3）由流体静力学基本方程式 A段： p1??gRA?p2??0gRA B段： C段：

（c）

p3??gRB?p4??0gRB??glBp5??gRC?p6??0gRC??glC?sina整理，得

RA?p1?p2(?0??)g

（d）

9

RB?(p3?p4)??glB(?0??)g （e）

RC?(p5?p6)??glC?sina(?0??)g （f）

将（a）、（b）、（c）3式分别代入式（d）、（e）、（f）：

?hf,A(?0??)gRA?

RB??gf,B(?0??)g

RC??hf,C(?0??)g

由（1）知 hf,A?hf,B?hf,C ∴ RA?RB?RC

分析：由题1-2的结论已经知道：R所包含的不光是两个测压点压强的变化，

还包含位能的变化。实际上，R所代表的仅仅是流动阻力。如果概念清楚，由

hf,A?hf,B?hf,C可直接得出RA?RB?RC的结论。

本题还说明，流动阻力的大小与管段排列方式无关，但压差却与管段排列方

式有关。这是因为管段两段的压强差不仅要克服流动阻力，还要克服位头的变化，所以液体自下而上流动时，压差大于水平管。

?pf32?lud22.下面两种情况，可不可以用泊谡叶方程（的压强差？

）直接计算管路两端

（1）水平管，管内径为50mm，流体的密度为996kg/m3，粘度为0.894mPa.s,流速为２m/s。

（2）垂直管，管内径为100mm，流体的相对密度为0.85，粘度为20mPa.s,流速为0.4m/s。

分析：此题核心在于：上述两种情况下，用泊谡叶方程算出的压强降管路两截面的压强差?p在数值上是否相同。

10

?pf与

g????u22??p 由柏努利方程式

?2?We??hf

得

?p?p2?p1??We??g?Z???u2???hf

其中

??hf即为

?pf。

?pf上式说明，在一般情况下，?p与

在数值上是不等的，只有流体在一

2?u段无外功加入（时，?p与

?pfWe?0）,直径相同（

2?0）的水平管（???0)内流动

才在绝对数值上相等。

还需注意：由于泊谡叶方程在推导过程中引入了牛顿粘性定律，而只有在滞流时内摩擦应力才服从牛顿粘性定律，所以它仅适用于滞流时的流动阻力计算。

du?50?10?3 答：（１）

Re????2?996?30.894?10?1.11?105＞4000

流体流动类型属湍流，此时泊谡叶方程不适用，所以不能用其计算管路两截面间的压差。

（２）对于垂直管，尽管流动类型可能为滞流，但由泊谡叶方程算出的仅是摩擦阻力损失项，而垂直管路两截面的压差还要受位能的影响，所以也不能用泊谡叶方程直接计算两截面的压差。 三、计算题

1．虹吸管将20℃的苯（密度为800kg/m3）从池中吸出，虹吸管用直径为d的玻璃管制成，装置如图。设管中流动按理想流体处理，假设池的直径很大，流动时液面不变。

11

（1）水在管中流动时，比较A—A、B—B、C—C、D—D面压力大小？ (2)管中流速大小与哪些因素有关？欲增加管中流速，可采取什么措施？管中流速的极限值是多少？

解：（1）A—A、D—D截面处压力为大气压，B—B处压力为大气压加上1m苯柱，而C—C截面为负压，当虹吸管流动忽略不计时，C—C面压力为－3m苯柱（表压）。因此压力最低点在C—C面处。在输液时，要注意当压力太低时，容易产生气缚而中断输液。

（2）A—A、D—D面的位差与流动流体的物性等因素有关，如果是真实流体，还与流动时的阻力有关，故增加管中流速可以用增加位差或改变管子材料等方案实现。在本题所设范围内，增加管长最简单可行。

列A—A与D—D面柏努利方程，得：uD?pCuC222gh?22?9.81?2?6.26m/s

求C—C处的压力：根据假设?hf?0

gZC????gZD?pD??uD2??hf

uC?6.26m/s，uD?0

pC??pD??g(ZD?ZC)?uC2

2PC?大气压?9.81?800?5?

6.2622

12

?1.01?10?9.81?800?5?56.2622

?61740Pa

20℃苯的饱和蒸汽压可由安托因方程计算

lgP0?6.898?1206.35t?220.244?1.8756

P0?75.2mmHg?10Pa

C—C面的压力大于

P苯0，故不会汽化。

如果管子加长，则流速会提高，C处压力最低只能降到104Pa，由此可求出输苯的极限速度：

列A—A、C—C面的柏努利方程：

uA222?ZAg?PA??PC??gZC?uC22,uA?0

uC?2(PA?PC)??g(ZA?Z)C

uC?2?101000?10000800?9.81?3?14.1m/s

小结：

1)此题是理想流体柏努利方程的运用，通过能量转换，了解流动过程中各点静压强的大小。

2)在虹吸管C—C截面处是负压，而D—D截面处压力为大气压，水为何能从压强低处流向压强高处呢？这是因为C点的总势能（及静压能与位能之和）大于D点的静压能，所以流体流动方向是由C至D。

3）D点接长，水流速度会加大，当流速增为14.1m/s时，再想增加流速是不可能的，因为这是B点压力已低于苯在该温度下的饱和蒸汽压，这样会产生气缚

13

现象，虹吸管内流体将不连续。

2．用离心泵将蓄水池中20℃的水送到敞口高位槽中，流程如本题附图所示。管路为φ57×3.5mm的光滑钢管，直管长度与所有局部阻力（包括孔板）当量长度之和为250mm。输水量用孔板流量计测量，孔径d0=20mm，孔流系数为0.61。从池面到孔板前测压点A截面的管长（含所有局部阻力当量长度）为80mm。U

0.25型管中指示液为汞。摩擦系数可近似用下式计算，即??0.3164/Re

当水流量为7.42m3/h时，试求： (1)每kg水通过泵所获得的净功； (2)A截面U型管压差计的读数R1；

(3)孔板流量计的U型管压差计读数R2。

解：该题为用伯努利方程求算管路系统所要求的有效功和管路中某截面上的压强（即R1），解题的关键是合理选取衡算范围。至于R2的数值则由流量计的流量公式计算。 1）有效功

在1-1截面与2-2截面间列伯努利方程式，以1-1截面为基准水平面，得：

?p?u22We?g?z?????hf

式中：u1?u2?0，p1?p2?0（表压）,z1?0，z2?15m

14

u?VsA?7.423600??/4?0.052?1.05m/s

3?3查得：20℃水的密度为??1000kg/m，粘度??1.0?10Pa.s

Re?du???0.05?1.05?10001.0?100.25?3?52500

?0.02092??0.3164/Re?0.3164/(52500)20.25

?hf??l??leud2?0.0209?2500.05?1.052?57.6J/kg

?We?15?9.81?57.6?204.7J/kg

2）A截面U形管压差计读数R1

由A截面与2-2截面之间列伯努利方程，得：

pAu2??2?gzA?2??hf,A?2

式中：u?1.05m/s，z2?A?1m

(250?80)0.051.0522?hf,A?2?0.0209??1.0522?39.17J/kg

?(39.17?1?9.81?)?1000?4.8?10Pa4（表压）

读数R1由U形管的静力平衡求算：

p1?(1.5?R1)?g?R1?Ag

pA?1.5?g(?A??)g4.8?104R1???1.5?1000?9.81(13600?1000)?9.81?0.507m

3）U形管压差计读数R2

2R2(?A??)gVS?C0A0?

15

Z2?u222g?p2?g?pa?g?Hf,2?0

l2?0?dp2?pa压力表读数：

?g?(??le?1)u222g?Z2

流速u不变，Z2变小，压力表读数变大。

同时，由于水的密度大于有机液体的密度，故真空表读数和压力表读数均变大。

3）泵的转速提高，则离心泵的特性曲线变化，流量变大，扬程变大，效率不变。 2）若输送的液体变为水，管路的特性曲线及泵的特性曲线均不变，故泵的工作点的位置不变，流量及扬程不变。

由于水的密度大于有机液体的密度，所以轴功率变大

14．离心泵输送管路，单泵操作时流量为qV，扬程为He。现另有一台型号相同

??的泵，在管路状态不变条件下，将泵串联时输送流量为qV，扬程为He，将泵并??联时输送流量为qV，扬程为He??，则： ??qV，He??2He；qV???2qV，He???HeA)qV ??qV，He??He；qV???qV，He???HeB)qV

??2qV，He??He；qV???qV，He???2HeC)qV

D）视管路状态而定； 答：B

15．试按下表讨论离心泵与往复泵的使用、调节和操作三方面有何不同。

压头 离心泵 由泵与管路共同决定 往复泵 由管路决定 26

流量 改变管路 流量调节 改变泵 启动 一、 问答题 由泵与管路共同决定 阀门调节 改变转速 出口阀关闭 由泵决定 支路调节 改变活塞频率与行程 阀门开启 1．采用离心泵从地下贮槽中抽送原料液体，原本操作正常的离心泵本身完好，但无法泵送液体，试分析导致故障的可能原因有哪些？

答：可能的原因：（1）槽内液面下降；（2）吸入管堵塞；（3）液体温度上升；（4）容器内压强下降；（5）入口侧漏气。

2．离心泵的特性曲线H－Q与管路的特性曲线He－Qe有何不同？二者的交点意味着什么？

答：将离心泵的基本性能参数之间的关系描绘成图线称为离心泵的特性曲线。这里讨论的是其中的一条H－Q曲线。它表明转速一定时，离心泵的流量和该流量下泵的能提供的压头即做功本领之间的对应关系。该曲线由生产厂家测定并提供，是泵本身固有的特性，它只与泵自身的结构（如叶片弯曲情况、叶轮直径等）、转速有关，而与其所在的管路及其他外界条件无关。所以离心泵的特性曲线图只须注明型号、转速即可。

二者的交点M称为泵在该管路上的工作点。意味着它所对应的流量和压头，既能满足管路系统的要求，又能为离心泵所提供，即Q?Qe，H?He。换言之，M点反映了某离心泵与某一特定管路相连接时的运转情况。离心泵只能在这一点工作。

3、如图，假设泵不在M点工作，而在A、B点工作时，会发生什么情况？

27

答：假设泵工作不在M点工作，而在A点工作时，在A点所对应的流量QA下，管路所需要的压头为HA，而该流量下泵所提供的压头为HA。HA?HA，说明液体的压头（泵给予单位重量流体的有效能量）有富裕，此富裕压头将促使液体加大流速，流量由QA变到QM，即在M点达到平衡。

反之，如果泵在B点工作，则在QB流量下泵所产生的压头HB小于液体通过该管路时所需要的压头H，即H'B'''B

只能靠减少流速在M点达到平衡，届时流量从QB减至QM。 三、计算题

1．用离心泵向密闭高位槽送料，流程如图所示。在特定转速下，泵的特性方程为：

H?42?7.56?10Q42（Q的单位为m3/s）

3当水在管内的流量Q?0.01m/s时，流动进入阻力平方区。

现改送密度??1200kg/m的水溶液（其它性质和水相近）时，密闭容器内维持表压118kPa不变，试求输送溶液时的流量和有效功率。

3 28

解：本题条件下，泵的特性方程和特性曲线不变，而当流动在阻力平方区时，管路特性方程中的比例系数B值保持恒定，在维持密闭高位槽表压不变的情况下，随被输送液体密度加大，管路特性方程中的K（=?Z??p/?g）值变小，因而管路特性曲线向下平移，从而导致泵的工作点向流量加大方向移动。

输送清水时，管路特性方程为：He??Z??p/?g?BQe

118?103222将有关数据代入上式得：

He?12?1000?9.8074?BQe?24?BQe

2此式与泵的特性方程联解以确定B值：42?7.56?10(0.01)?24?B(0.01)解得：

当输送溶液时，B值不变，管路特性方程变为：

118?103522

??12?He1200?9.807?)?1.044?10(Qe?) ?22?1.044?10(Qe52此方程与泵的特性方程联解，便可求出改送溶液时的流量，即：

?)42?7.56?10(Q?)?22?1.044?10(Qe

4252解得：Q??0.01054m/s

4所以：H?42?7.56?10?0.0105423?33.6m

泵的有效功率为：Ne?HQ??/102?33.6?0.01054?1200/102?4.17kW

29

由上面的计算可知，当泵上下游两容器的压强差不为零时，被输送液体密度的变化必引起管路特性曲线的改变，从而导致泵工作点的移动。在本题条件下，密度加大，使泵的流量加大，压头下降，功率上升。

2．用离心泵将池内水送至灌溉渠，起始两液面位差为10m，管路系统的压头损失可表示为Hf=0.6×106Qe2（Qe的单位为m3/s）；在特定转速下泵的特性方程为：H=26-0.4×106Q2（Q的单位为m3/s）。池面的面积为100m2，试求： 1）．若两液面恒定，则水的流量为若干m3/h？

2）．若灌溉渠内液面恒定，而池内液面不断下降，则液面下降2m，所需的时间为若干h？

解：当两液面恒定时，流动为定态，此时只要联立管路特性方程与泵的特性方程便可求得流量；当池内液面不断下降时为非定态流动，需通过微分物料衡算和瞬间柏努利方程求解所需时间。 1．两液面恒定的流量

在池面与渠面之间列伯努利方程式可得到管路特性方程为：He?10?0.6?10Qe

62泵的特性方程为：H?26?0.4?10Q

62?333联解两方程，解得流量为：Q?4?10m/s?14.4m/h

2．液面下降2m所需的时间

设输送开始后的某一时刻，池内液面下降hm，流量为Qm3/s。在dθs时间内，液面下降dhm，则物料衡算式为：100dh?Qd?或d??100dh/Q 在θ时刻，管路特性方程为：He?(10?h)?0.6?10Qe 泵的特性方程仍保持不变，即：H?26?0.4?10Q6262

30

在泵的工作点处

26?0.4?10QQ?(16?h)51/262?10?h?0.6?10Q362

/10

1/2?d??10dh/(16?h)

令x?16?h，则：dh??dx

当h?0时，x1?16；当h?2时，x1?14

????10?x2x15x?1/2dx?2?105x1614?51760s?14.35h

3．某管路安装一台IS80-50-200型水泵，将水池中的水送至高度为10m、表压为9.81×104Pa的密闭容器内，管内流量为16.7×10-3m3/s。试求

1）管路特性曲线（假定管内流动已进入阻力平方区）及输送每千克水消耗的能量。

2）若将阀门关小，使管内流量减小25%，管路特性曲线（假定管内流动位于阻力平方区）有何变化？此时输送每千克水需消耗多少能量？与原管路相比，在此流量下输送每千克水额外消耗的理论功为多少？

（已知：当Qv=16.7×10-3m3/s，泵的压头为He=47m，泵的效率为71%：当Qv=12.5×10-3m3/s，泵的压头为He=51.4m；泵的效率为66.3%）

解：当Qv=16.7×10-3m3/s，泵的压头为He=47m； 则管路的特性方程的系数B可求出。

He?K?BQe??Z?2?p?g?BQe2

?32

?10?9.81?1041000?9.814?B(1.67?10)?47

?B?9.68?10

31

42管路的特性方程为：He?20?9.68?10Qe

在此流量下，输送每千克水所消耗的能量为：

gHeW???9.81?470.71?690.8J/kg

?3??16.7?10（2）关小阀门后管路的流量为：Qe?(1?0.25)?12.5?10?3m/s

3则关小阀门后管路特性曲线方程的系数为

B????KHe?Qe2?51.4?20(12.5?10?32)?2.01?105

52??20?2.01?10Qe? 管路特性曲线方程为：He此时，输送每千克水所消耗的能量为：

W???gHe?9.81?51.40.663?760.5J/kg??

3??12.5?10对于原管路，输送QeHe?20?9.68?10?(12.5?104?3m/s的水量，所需的压头为：

?32)?35.1m

因阀门关小，输送每千克水多消耗的理论功为：

??He)?9.81?51.4?35.1?159.9J/kgg(He

此部分能量全部消耗于阀门的局部阻力上。

由此可以看出，用阀门调节流量的代价是能耗的增加。导致能耗增加的原因有二：其一是阀门局部阻力损失的增加，其二是泵效率的降低。

CHAPTER3非均相物系的分离和固体流态化

一、填空题

1．某颗粒的重力沉降服从斯托克斯定律，若在水中的沉降速度为u1,在空气中为u2，则u1 u2；若在热空气中的沉降速度为u3，冷空气中为u4，则u3 u4。

32

(＞，＜，＝)

dg(?s??)18?2答：

ut?，因为水的粘度大于空气的粘度，所以u1?u2

热空气的粘度大于冷空气的粘度，所以u3?u4

2．用降尘室除去烟气中的尘粒，因某种原因使进入降尘室的烟气温度上升，若气体质量流量不变，含尘情况不变，降尘室出口气体含尘量将 （上升、下降、不变），导致此变化的原因是1） ；2） 。 答：上升，

原因：粘度上升，尘降速度下降；体积流量上升，停留时间减少。

3．含尘气体在降尘室中除尘，当气体压强增加，而气体温度、质量流量均不变时，颗粒的沉降速度 ，气体的体积流量 ，气体停留时间 ，可100%除去的最小粒径dmin 。（增大、减小、不变） 答：减小、减小、增大，减小。

4dg(?s??)3??ut?，压强增加，气体的密度增大，故沉降速度减小，

nRTpV?压强增加，，所以气体的体积流量减小，

Lu?LVs/At?气体的停留时间，气体体积流量减小，故停留时间变大。

18?utg(?s??)dmin?最小粒径在斯托克斯区，沉降速度下降，故最小粒径减小。

4．一般而言，同一含尘气以同样气速进入短粗型旋风分离器时压降为P1，总效率为?1，通过细长型旋风分离器时压降为P2，总效率为?2，则：P1 P2，

33

?1——————?2。

答：小于，小于

5．某板框过滤机恒压操作过滤某悬浮液，滤框充满滤饼所需过滤时间为τ，试推算下列情况下的过滤时间??为原来过滤时间τ的倍数： 1）s?0，压差提高一倍，其他条件不变，??= τ； 2）s?0.5，压差提高一倍，其他条件不变，??= τ； 3）s?1，压差提高一倍，其他条件不变，??= τ；

1?s答：1）0.5；2）0.707；3）1 ，??1/(?p)，可得上述结果。

6．某旋风分离器的分离因数k=100，旋转半径R=0.3m，则切向速度ut= m/s。 答：17.1m/s

7．对板框式过滤机，洗涤面积AW和过滤面积A的定量关系为 ，洗水走过的

dV)W距离Lw和滤液在过滤终了时走过的距离L(dVd?)E的定量关系为 ，洗涤速率（d?和终了时的过滤速率

Aw?12A的定量关系为 。

dV)W1dV()E=4d?答案：

；Lw?2L; (d?

8．转筒真空过滤机，转速越大，则生产能力就越 ，每转一周所获得的滤液量就越 ，形成的滤饼厚度越 ，过滤阻力越 。 答案：大；少；薄；小

分析：由转筒真空过滤机的生产能力：Q?465K?n ( 忽略介质阻力)

9．一降尘室长5M,宽2.5M,高1.1M,中间装有10块隔板,隔板间距为0.1M,现颗粒最小直径10?m,其沉降速度为0.01m/s,欲将最小直径的颗粒全部沉降下来,含尘

34

气体的最大流速不能超过____________m/s。

3理由：1)最大生产能力V?11?5?2.5?0.01?1.375m/s

最大流速

L?Hu0u?VH?b?1.3751.1?2.5?0.5m/s

或：u?5u?0.10.01?u?0.5m/s

10．恒压过滤时，过滤面积不变，当滤液粘度增加时，在相同过滤时间内，过滤常数Ｋ将变 ，滤液体积将变 。 答：小，小

K?2k?p1?s,k??p?r?，粘度增加，故K变小；

(V?Ve)2?KA(???e)，滤液体积减小。

2二、选择题

１．以下说法正确的是 。

Ａ 过滤速率与过滤面积成正比 Ｂ 过滤速率与过滤面积的平方成正比 Ｃ 过滤速率与滤液体积成正比 Ｄ 过滤速率与滤布阻力成正比 答案：B

dVKA2分析：可由过滤基本方程直接求得d??2(V?Ve) ２．用板框过滤机进行恒压过滤，若介质阻力可忽略不计，过滤20min可得滤液8m3，若再过滤20min可再得滤液 。

Ａ 8m3 Ｂ 4m3 Ｃ 3.3m3 Ｄ 11.3m3 答案:C

35

分析:由恒压过滤方程

22 V?2VVe?KA?

22 由题知 Ve?0,则有 V?KA?

3V?8m??20min1 将1代入, 得

KA2?8220

则?2?40min时 则

V2?KA??282203?40?11.3m3

V2?V1?11.3?8?3.3m

应注意恒压过滤方程中V、?是指从初始?0起点?态计得的累积量。 ３．含尘气体在降尘室内按斯托克斯定律进行沉降，理论上完全除去的粒子最小粒径为30μm，现气体的额处理量增大1倍，则该降尘室理论上能完全除去的最小粒径为 。

A 2×30μm B 1/2×30μm C 30μm D 21/2×30μm 答案：D

分析：降尘室最大处理量Vs与能被完全除去最小颗粒的沉降速度ut有以下关系 VS?Aut

ut?d(?s??)g18?2 由

故

dmin?18?Vsg(?s??)A?Vs

４．下面哪个是过滤的推动力 。

Ａ 液体经过过滤机的压强降； Ｂ 滤饼两侧的压差；

Ｃ 介质两侧的压差； Ｄ 介质两侧的压差加上滤饼两侧的压差

36

答：D

５．恒压过滤时，当过滤时间增加１倍则过滤速率为原来的 。（介质阻力可忽略，滤饼不可压缩）

A 21/2倍 B 2-1/2 倍 C 2倍 D 1/2倍 答案：B

分析：恒压过滤方程为：

dq?q2?2qqe?K? （a）

K2(q?qe)过滤基本方程为 d? (b)

将qe?0代入两式，然后再将(a)代入(b)有

dqd??K2K??1?

6．降尘室的生产能力取决于 。 Ａ 降尘面积和降尘室高度

Ｂ 沉降面积和能100%除去的最小颗粒的沉降速度 Ｃ 降尘室长度和能100%除去的最小颗粒的沉降速度 Ｄ 降尘室的宽度和长度 答：B

7．对标准旋风分离器系列，下列说法哪一个是正确的 。

A 尺寸大，则处理量大，但压降大； B 尺寸大，则分离效率高，但压降小； C 尺寸小，则处理量小，但分离效率高；D 尺寸小，则分离效率差，但压降大 答：C

8．设降尘室的长、宽、高分别为L、S、H（单位均为m），颗粒的沉降速度为ut（m/s），气体的体积流量为Vs，则颗粒能在降尘室分离的条件是 。

37

A H/ut≥LbH/Vs；B H/ut≤LbH/Vs；C L/ut≤LbH/Vs；D L/ut≥LbH/Vs

答：B

9．下列说法中正确的是 。

A 离心沉降速度ur和重力沉降速度ut是恒定的； B 离心沉降速度ur和重力沉降速度ut不是恒定的；

C 离心沉降速度ur不是恒定值，而重力沉降速度ut是恒定值； D 离心沉降速度ur是恒定值，而重力沉降速度ut不是恒定值 答案：C

分析：离心沉降速度ur随颗粒在离心力场中的位置(R)而变。而重力沉降速度

u2Tut与位置无关。因为决定ur的是离心加速度而决定ut的是加速度g，它是一常量。

R，它是一个变量，与位置有关。

10．欲对含尘气体进行气固分离，若气体的处理量较大时。应 ，可获得较好的分离效果。

A 采用一个尺寸较大的旋风分离器 B 采用多个尺寸较小的旋风分离器串联 C 采用多个尺寸较小的旋风分离器并联D 不用旋风分离器，该用其它分离设备 答：C 三、计算题 １．

用板框压滤机在恒压强差下过滤某种悬浮液，测得过滤方程式为：

V2+V=5×10-5A2θ 试求：

⑴欲在30min内获得5m3滤液，需要边框尺寸为635mm×635mm×25mm的滤

38

框若干个；

⑵过滤常数K、qe、θe。 解：1、所需滤框数

由已知的过滤时间和相应的滤液体积，利用恒压过滤方程求过滤面积。再由滤框尺寸确定所需的滤框数

将有关数据代入恒压过滤方程式并整理得到

V2A??V?55?10??5?55?10?52?30?60?18.26m2

2又A?2?0.635n

n?A/2?0.6352?18.26/2?0.6352?22.64

实取23个框，则实际过滤面积为：

A?2?0.6352?23?18.55m2

2、过滤常数K、qe及θe

根据恒压过滤方程式确定过滤常数K、Ve， 恒压过滤方程式

V2?2VVe?KA?2

与题给恒压过滤方程相比可得，

K?5?10?5m/s

322Ve?1，Ve?0.5m

32qe?Ve/A?0.5/18.55?0.027m/m

?e?qe/K?0.02722/5?10?5?14.6s

2．实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种悬浮液进行实验，滤叶内部真空度为8×104Pa，测出qe为0.01m3/m2，θe为20s，且知每获1升滤液，便在

39

滤叶表面积累1mm厚的滤渣，今选用板框过滤机在3.2×105Pa的表压下过滤该悬浮液，所用过滤介质与实验相同，该压滤机滤框为正方形，其边长为810mm，框厚为42mm，共20个框，滤饼不可压缩。试求： ⑴ 滤框完全充满滤饼所需的过滤时间；

⑵ 若滤饼洗涤与装卸时间为0.5h，求以滤液体积计的生产能力。 解：1）滤框完全充满滤饼所需的过滤时间θ

222过滤面积：A?2ln?2?0.81?20?26.24m

滤饼体积：Vc?lbn?0.81?0.042?20?0.551m???0.1?0.0010.001?0.1m滤饼/m滤液33222

滤液体积

q?VA?V?Vc??0.5510.1?5.51m3

5.5126.24?0.21m/m32

44真空度为8?10Pa，即?p?8?10Pa

qe?0.01m/m，?e?20s32

m/s2K?qe2?e?0.01202?0.5?10?5

K?K??p??p ?p??p?5K??K()?0.5?10(3.2?100.8?1055)?2?10?5m/s2

?e???qe2K??0.012?102?5?5s

40

过滤时间：

???)(q?qeK?2??e??(0.21?0.01)2?10?52?5?2145s?0.67h

2）过滤机的生产能力

Q?V?5.510.67?0.5?4.71m/h3???W??D

3．某板框压滤机的过滤面积为0.6m2，在恒压下过滤某悬浮液，3小时后得滤液60m3，若滤饼不可压缩，且过滤介质可忽略不计，试求： ⑴ 若其他条件不变，过滤面积加倍，可得多少滤液？ ⑵ 若其他条件不变，过滤时间缩短1.5h，可得多少滤液？ ⑶ 若其他条件不变，过滤的压差加倍，可得多少滤液？

⑷ 若在原表压下过滤3h，用4m3的水洗涤滤饼需多长时间？设滤液与水的性质相近。

解：1）因过滤阻力忽略不计，恒压过滤方程为：

V2?KA?;A??2A时，V?2?KA?2?2V?2

即：V2?A?A22,2V?6032?(2?0.6)0.622

解得：V??120m

???122）

2?

?KA?2V???KA??V2V??22

?V2???V???,6022?1.53

3解得：V???42.43m

3、?p??2?p

41

K??p,K??2K22V????K?A?,V2

?KA?2

2V???V2K?V???2K?,??22K60K

32解得：V????84.85m 4、洗涤时间：

2V2?KA?2

?KA?V2??60332?1200

dVd??KA2V212002?60?10m/h

?W?VW1dV()E4d??414?10?1.6h

4．用小型板框压滤机对某悬浮液进行恒压过滤试验，过滤压强差为150kPa，测得过滤常数k=2.5×10-4m2/s，qe=0

3

/m2。今拟用一转筒真空过滤机过滤

该悬浮液，过滤介质与试验时相同，操作真空度为60kPa，转速为0.5r/min，转筒的浸没度为1/3。若要求转筒真空过滤机的生产能力为5m3滤液/h，试求转筒真空过滤机的过滤面积。已知滤饼不可压缩。 解：滤饼不可压缩，故K??p

K?K??p??p?60150,K??60150K?1.0?10?4m/s2

2?4?q2e?K?e?,?e??qeK2?0.021.0?102?4s

Q?60[KA(60?n??e?n)?Ven]5?60[1.0?10?422

2A(60?1/3?0.5?4?0.5)?0.02A?0.5]

42

2解得：A?3.597m

CHAPTER4传热

一、

填空题

1．三层圆筒壁热传导过程中，最外层的导热系数小于第二层的导热系数，两层厚度相同。在其他条件不变时，若将第二层和第三层的材料互换，则导热量变（ ），第二层与第三层的界面温度变（ ）。 答：变小，变小。

2．在垂直冷凝器中，蒸汽在管内冷凝，若降低冷却水的温度，冷却水的流量不变，则冷凝传热系数（ ），冷凝传热量（ ）。 答：减小，增加。

冷凝传热系数与温差的-1/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热系数减小； 冷凝传热量与温差的3/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热量增加。 3．在管壳式换热器中，热流体与冷流体进行换热，若将壳程由单程该为双程，则传热温度差（ ）。 答：下降

4．在高温炉外设置隔热档板，挡板材料的黑度越低，则热损失越（ ）。 答：越小

5．黑体的表面温度提高一倍，则黑体的辐射能力提高（ ）倍。 答：15

6．沸腾传热设备壁面越粗糙，汽化核心越（ ），沸腾传热系数α越（ ）。 答：多，大

43

7．苯在内径为20mm的圆形直管中作湍流流动，对流传热系数为1270W/（m2．℃）。如果流量和物性不变，改用内径为30mm的圆管，其对流传热系数变为（ ）W/（m2．℃）。 答：612

?Re0.8 ?=0.023dPrn

???????????????????0.8????W/?S?d????d2???4??????? =0.023d?Prn

?∝d???1?(1?2)?0.8=d?1.8

?30???20??=??1.8=0.482

2 ??=0.482?=0.482?1270=612W/(m·℃)

8．热油和水在一套管换热器中换热，水由20℃升至75℃。若冷流体为最小值流体，传热效率为0.65，则油的入口温度为（ ）。

答：104℃

75?20T1?20?ε=

=0.65 ?T1=104℃

二、选择题

1．某一套管换热器，由管间的饱和蒸汽加热管内的空气，设饱和蒸汽温度为100℃，空气进口温度为20℃，出口温度为80℃，则此套管换热器内壁温度应是（ ）。

44

A接近空气平均温度B接近饱和蒸汽和空气的平均温度C接近饱和蒸汽温度 答：C

2．测定套管换热器传热管内对流传热系数αi，冷流体走传热管内，热流体走套管环隙，冷热流体均无相变。冷流体的流量及进、出口温度均可测量, 且测量的精确度基本上相同。用公式αi =Q/si△ti求αi时，式中的Q用下面（ ）公式计算。

A Q=WcCp,c(t2-t1) B Q=WhCp,h(T1-T2) C A、B均可以。 答：A

3．在卧式列管换热器中，用常压饱和蒸汽对空气进行加热。（冷凝液在饱和温度下排出），饱和蒸汽应走（ ）

A 壳程 B 管程 C 壳程和管程都可以 两流体在换热器中必须（ ）流动。

A 逆流 B 并流 C 逆流和并流都可以 答：A，C

4．传热过程中当两侧流体的对流传热系数 都较大时，影响传热过程的将是（ ）。

A 管壁热阻 B 污垢热阻 C 管内对流传热热阻 D 管外对流传热热阻 答：B

5．下述措施中对提高换热器壳程对流传热系数有效的是（ ）。 A 设置折流板；B增大板间距；C换热器采用三角形排列；D增加管程数 答：A，C

6．在确定换热介质的流程时，通常走管程的有（ ），走壳程的有（ ）。

45

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