河北联合大学化工原理样卷 附答案

流体流动习题

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，d1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

2u12u2?h1??h2?2g2g

d12u1)?u1()2?1d22 d2?2d1，2222uu1u212??0.2m?u2?12g42g4，

?h2?1.3m

u2?u1(2u2h3?h2??1.5m2g

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 。

答：C

据伯努利方程

A)p1?p2

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

?gzA?2?uA2?p1??gzB?2?uB2?p2p1?p2??g(zB?zA)??2

22(uB?uA)p1?p2?0.5?g??222(uB?uA)

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：16倍，32倍

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

uB?uA

?p1?p2?0.5?g

lu2hf???u2d2

d 不变，q?V?2qV，u??2u?h?f?4hf l?u2?p??pf????hfd2水平直管，

???0.5?，h?f?4hf

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。

?p??2?p

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

2）B

静力学方程

pA??g(z?R)?pB??g(h?z)??igR

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

Rg(?i??)h??f,A?B?3）

列伯努利方程，

?gzA?2?uA2?pA??gzB?2?uB2?pB???hf,A?B

?p?pA?pB??g(zB?zA)?? ??gh?Rg(?i??)

?hf,A?B??gh???hf,A?B

??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 （变大，变小，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?p ，R ；（变大，变小，不变）。 答：1）根据伯努利方程

p1??gz1?p2 ?p1?p2

2）p1??gz?p2???hf p1?p2???hf??gz ?p1?p2

R 变大，因为流动阻力变大。

3）流向改变，p2?p1??gz???hf p2?p1??gz???hf

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

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

在1截面和2截面间列伯努利方程，

p1??gz?2?u12?p2?2?u22??hf

?p1?p2

22?(u2?u1)??gz???hf2

?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（ ）。

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

?pf1５．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。 答：4，6.72，8

?pf,2由泊谡叶方程知：?pf,1l2u2??2?2?4lu1=1

故?pf,2?pf,1?l2u21.75()?2?21.75?6.72l1u1

1.75?p?l?uf?将表达式代入范宁公式，可知，

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。并联改成串联后，不仅流速加倍，管长也加倍，

故此时

?pf,2?pf,1

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。

2?l2?u22????2?2?8?l1?u?1?

答：6根

设用n根管子

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?，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、

L(V/0.785d2)2L(V/n/0.785?0.5d2)2???d21/2d2 n?22.5?5.6

RC是否相同？试加以论证。

lu2hf??d2，该管路A、B、C 3段的?、l、d、u均相同， 答：（1）?因流动阻力

∴hf,A?hf,B?hf,C

（2）在A、B、C三段的上、下游截面间列柏努利方程式：

2u12p2u2gZ1???gZ1???hf?2?2

化简，得 ?p??hf??g?Z

p1 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

（c）

3）设某瞬间A罐液面降至H，B罐液面升至h。 1 2’ 1’ 2

7m h ''H 如图以罐底所在平面为基准面，列1—1、2—2两截面的柏努力方程,以表压计。因A、B两截面较大，下降与上升

3m 速度都很小，故动能可忽略。 C 0’ 0 A B g+ 简化后的柏努力方程为： Hg=h ?hfg 整理 H- h =

?hf

?1.529u

? u =0.81H?h (a)

由质量守恒可知，A罐油减少量等于B罐油品增加量。故有 Aa(9.06-H)=Ab(h-4.53)

整理得 H?13.59?h 将此关系代入（a），得

u?0.8113.59?2h （b）

（2）对B罐作质量衡算

2? 在d?时间内进入体积量：4 排出体积量：0

d2?u?d?

积累体积量：Abdh

?∴ 4d2?u?d??Ab?dh

4?53978.9dh?dh22u?du??0.04u （c）

dhd??491213.59?2h （d） 将（b）式代入（c）式， 整理得

d??dh?dh13.59?2h 对(d)式进行积分：

令x?13.59?2h dx??dh/2 dh??2dx 又 h?4.53时， x?4.53 h?5.295时， x?3

5.295?0d??4912?4.534Ab?x3置换变量：

第二章 一、概念题

1、属于正位移泵型式，除往复泵外还有 ， ， 等型式。 答：计量泵、螺杆泵、齿轮泵

2、产生离心泵气缚现象的原因是 ，避免产生气缚的方法有 。 答：泵内灌入空气，液体密度降低；在泵密封严密的情况下，灌泵排出空气

3、造成离心泵气蚀的原因是 ，增加离心泵允许安装高度Hg的措施是 和 。

答：叶轮附近某处的最低压强小于等于被输送液体在输送温度下的饱和蒸汽压 增大吸入管路的管径，减少不必要的管件和阀门。

4、用同一离心泵分别输送密度为ρ1及ρ2=1.2ρ1的两种液体，已知两者的体积V相等， 则 He2 He1，Ne2

??3?4912?2?4.53dx4.53?4912?2?2x?7787s?2.16hNe1。

答：He2?He1,Ne2?1.2Ne1

5、离心通风机输送ρ=1.2kg/m3空气时，流量为6000m3/h，全风压为240mmH2O，若用来输送ρ＇=1.4kg/m3的气体，流量仍为6000m3/h，全风压为 mmH2O 。

1.2解：

6、离心泵的流量调节阀安装在离心泵 管路上，关小出口阀门后，真空表读数 ，压力表读数 。 解：出口，下降，上升。

在贮槽液面1-1与泵的真空表所在截面2-2间列伯努利方程

222u1p1u2p2l1?2u2gZ1???gZ2????2?2?d2

2p1?p2u2l?gZ2?(??1)?d2

p1?p2?下降，即真空表读数下降。 关小出口阀门，u2下降，

Ht??Ht?a?240?1.4?280mmH2O1.2

同理，在压力表所在截面3-3与贮槽液面1-1间列伯努利方程。

222u3p3u0p0l3?0u0gZ3???gZ0????2?2?d2

2p3?p0u2l?gZ3?(??1)?d2

p3?p0?上升，即压力表读数上升。 关小出口阀门，λ增大，

7、两敞口容器间用离心泵输水，已知转速为n1时，泵流量Q1=100l/s，扬程H1=16m，转速为n2时，Q2=120l/s，H2=20m。

则两容器垂直距离= m。 解：He?K?BQ代入已知数据得：

216?K?B0.12 20?K?B0.122

解得：B?909.1,K?6.91

K??Z??p?p?6.91,?0??Z?6.91m?g?g

8、若离心泵入口处真空表读数为700mmHg。当地大气压为101.33kPa。则输送42℃水时（饱和蒸汽压为8.2kPa）泵

内 发生汽蚀现象。 答：会

9、用离心泵向高压容器输送液体，现将高压容器的压强降低，其它条件不变，则该泵输送液体的流量 ，轴功率 。 答：加大，加大 管路的特性方程为：

He?K?BQ2??Z??p?BQ2?g

高压容器的压强降低，?p下降，K降低，所以改变前后的操作点如图：

所以流量加大。又根据泵的特性曲线知，当流量加大时，泵的轴功率增加。

10．用离心泵将水池中水送至常压水塔，若在离心泵正常操作范围内，将出口阀开大，则流量qV ，扬程He ，管路总阻力损失?Hf ，轴功率P （变大、变小、不变、不确定）。

答：变大，变小，不变，变大

11．图示管路用泵将江水送上敞口容器。若在送水过程中江水水位上升，流量 （变大、变小）。现欲维持原流量不变，则出口阀应作如何调节？ 。试比较调节前后泵的扬程 （变大、变小、不变）。 答：变大，关小出口阀，变大

在江水水面和容器液面间列伯努利方程

2u0pau12pagZ0???We?gZ1????Hf2?g2?g??Hf?We?g?Z江水液面上升，?Z下降，则流量变大。

由于泵的特性曲线中，扬程随泵的流量的增加而减小，故调节后泵的扬程大于调节前。

12．图示管路，泵在输送密度为?的液体时，流量为qV，现若改为输送密度为??液体，（已知???

?），则流量

?。试比较： 为qV? qV，He? He，Pe? Pe（＞，＜，＝）1）p2?p1时，qV； ? qV，He? He，Pe? Pe（＞，＜，＝）2）p2?p1时，qV。

答：1）大于，小于，大于 2）等于，等于，小于

在两容器液面间列伯努利方程

2u0p1u12p2gZ0???We?gZ1????Hf2?g2?gp?p2??Hf?We?1?g?Z?g

p2?p1时，????，?Hf变大，故流量变大；

由泵的特性曲线知，扬程变小，轴功率变大。

p2?p1时，????，?Hf不变，故流量不变，

由泵的特性曲线知，扬程不变，轴功率Ne?HQ?g，变小。

13．如图所示循环管路，离心泵输送密度为??850kg/m的某有机液体，试问： 1）若池中液面上升，则：

流量qV ，扬程He ，真空表读数p1 ，压力表读数p2 ； 2）若离心泵输送的液体为水，则：

流量qV ，扬程He ，真空表读数p1 ，压力表读数p2 ；

3）若将泵的转速提高，则离心泵的流量qV ，扬程He ，效率? （变大、变小、不变、不确定）

3答：1）不变，不变，变小，变大

2）不变，不变，变大，变大，变大。 3）变大，变大，不变

1）池内水面上升，泵的特性曲线与管路的特性曲线均未变化，故工作点的位置不变，所以，流量及扬程不变。 在池面与真空表所在截面1-1之间列伯努利方程，得：

l??leu12pa?p1?Z1?(?)?gd2g 真空表读数为：

流速u不变，Z1变小，故真空表读数变小。

同理，在压力表所在截面2-2与池面间列伯努利方程得

2pu2pZ2??2?a?Hf,2?02g?g?g

2l2?0??lep2?pau2?(??1)?Z2?gd2g压力表读数：

pau12p1?Z1???Hf,0?1?g2g?g

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

?，扬程为He?，将泵并联时输送流量为qV??，扬程为He??，则： 泵串联时输送流量为qV??qV，He??2He；qV???2qV，He???He A)qV??qV，He??He；qV???qV，He???He B)qV??2qV，He??He；qV???qV，He???2He C)qVD）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 流量 流量调节 改变管路 改变泵 离心泵 由泵与管路共同决定 由泵与管路共同决定 阀门调节 改变转速 往复泵 由管路决定 由泵决定 支路调节 改变活塞频率与行程 启动 出口阀关闭 阀门开启 二、问答题 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？

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。

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

'HB

''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?104Q2（Q的单位为m3/s）

当水在管内的流量Q?0.01m/s时，流动进入阻力平方区。

3kg/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，试求输送现改送密度??1200溶液时的流量和有效功率。

3

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：

将有关数据代入上式得：

2He??Z??p/?g?BQe

此式与泵的特性方程联解以确定B值：

118?10322He?12??BQe?24?BQe1000?9.807

解得：

当输送溶液时，B值不变，管路特性方程变为：

42?7.56?104(0.01)2?24?B(0.01)2

118?103??12??)2He?1.044?105(Qe1200?9.807

5?)2 ?22?1.044?10(Qe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：

?)2 42?7.56?104(Q?)2?22?1.044?105(Qem/s 解得：Q??0.01054所以：H?42?7.56?10?0.01054?33.6m

泵的有效功率为：

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： 泵的特性方程为：

2He?10?0.6?106Qe

423Ne?HQ??/102?33.6?0.01054?1200/102?4.17kW

联解两方程，解得流量为：

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：

H?26?0.4?106Q2

Q?4?10?3m3/s?14.4m3/h

100dh?Qd? 或d??100dh/Q

在θ时刻，管路特性方程为： 泵的特性方程仍保持不变，即： 在泵的工作点处

2He?(10?h)?0.6?106Qe

H?26?0.4?106Q2

26?0.4?106Q2?10?h?0.6?106Q2

Q?(16?h)1/2/103

?d??105dh/(16?h)1/2 令x?16?h，则：dh??dx

当h?0时，x1?16；当h?2时，x1?14

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。

142He?K?BQe??Z?x2?1/25????105?xxdx?2?10x116?51760s?14.35h?p2?BQe?g

9.81?104?10??B(1.67?10?3)2?471000?9.81

?B?9.68?104

42H?20?9.68?10Qe 管路的特性方程为：e在此流量下，输送每千克水所消耗的能量为：

W?gHe??（2）关小阀门后管路的流量为：

9.81?47?690.8J/kg0.71

则关小阀门后管路特性曲线方程的系数为

??16.7?10?3?(1?0.25)?12.5?10?3m3/s Qe??KHe51.4?205??2.01?10?2Qe(12.5?10?3)2

52B????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???9.81?51.4gHe??760.5J/kg??0.663

?33?Q?12.5?10m/s的水量，所需的压头为： e对于原管路，输送

因阀门关小，输送每千克水多消耗的理论功为： 此部分能量全部消耗于阀门的局部阻力上。

He?20?9.68?104?(12.5?10?3)2?35.1m

??He)?9.81?51.4?35.1?159.9J/kg g(He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。

第三章

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。(＞，＜，＝)

d2g(?s??)ut?18?答：，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。

ut?4dg(?s??)3??，压强增加，气体的密度增大，故沉降速度减小，

V?nRTp，所以气体的体积流量减小， t?LL?uVs/A，气体体积流量减小，故停留时间变大。

压强增加，气体的停留时间

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

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

dmin?压降为P2，总效率为?2，则：P1 P2，

?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）0. 5；2）0.707；3）1

??1/(?p)1?s，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 ，洗水走过的距离Lw和滤液在过滤终了时走过的

dVdV()E)Wd?d?距离L的定量关系为 ，洗涤速率（和终了时的过滤速率的定量关系为 。

1dV1dV()EAw?A)WL?2L4d?2d?w答案：；; (=

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,含尘气体的最大流速不能超过____________m/s。 理由：1)最大生产能力V?11?5?2.5?0.01?1.375m/s

3V1.375??0.5m/sH?b1.1?2.5 最大流速

LH50.1????u?0.5m/suuu0.010或：

u?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

?p?r?，粘度增加，故K变小；

(V?Ve)2?KA2(???e)，滤液体积减小。 K?2k?p1?s,k?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?2(V?Ve) 分析：可由过滤基本方程直接求得d?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 。

3333

Ａ 8m Ｂ 4m Ｃ 3.3m Ｄ 11.3m

答案:C

分析:由恒压过滤方程 V?2VVe?KA?

22 由题知 Ve?0,则有 V?KA?

2282KA?3??20minV?8m20 1 将1代入, 得

2则?2?40min时

V2?KA2??82?40?11.3m320

3V?V?11.3?8?3.3m1则 2

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

??d2(?s??)gut?18? 由

故 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 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）

1/2-1/2

A 2倍 B 2 倍 C 2倍 D 1/2倍 答案：B

分析：恒压过滤方程为： q?2qqe?K? （a）

2dmin?Vs18??Vsg(?s??)AdqK?2(q?qe) (b) 过滤基本方程为 d?将qe?0代入两式，然后再将(a)代入(b)有

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 。 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ut与位置无关。因为决定ur的是离

2uT心加速度R，它是一个变量，与位置有关。而决定ut的是加速度g，它是一常量。

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

dqK1??d?2K??

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

V2?V52?52A???18.26m5?10?5?5?10?5?30?60

2又A?2?0.635n

实取23个框，则实际过滤面积为：

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

与题给恒压过滤方程相比可得，

V2?2VVe?KA2?

K?5?10?5m2/s 2Ve?1，Ve?0.5m3

qe?Ve/A?0.5/18.55?0.027m3/m2

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

2?e?qe/K?0.0272/5?10?5?14.6s

222V?lbn?0.81?0.042?20?0.551mc滤饼体积：

0.1?0.001?0.1m3滤饼/m3滤液0.001

V0.551V?c??5.51m3?0.1滤液体积

V5.51q???0.21m3/m2A26.24

44?p?8?10Pa 8?10Pa真空度为，即???qe?0.01m3/m2，?e?20s

0.012K???0.5?10?5m2/s?e20 K??p??K?p

5?p??53.2?10?52K??K()?0.5?10()?2?10m/s5?p0.8?10

2qe?2qe0.012?e????5s?5K?2?10

?)2(q?qe(0.21?0.01)2????e???5?2145s?0.67h?5?K2?10过滤时间：

2）过滤机的生产能力

Q?V3．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：

???W??D?5.51?4.71m3/h0.67?0.5

V2?KA2?;A??2A时，V?2?KA?2?

V?2A?2V?2(2?0.6)2?2,2?2VA600.62 即：

3解得：V??120m

1????2 2）

V??2?KA2??V2?KA2? V??2??V??21.5?2?,2??603 V3解得：V???42.43m 3、?p??2?p

K??p,K??2K

V???2?K?A2?,V2?KA2?

V???2K?V???22K?,??2K602KV2

3解得：V????84.85m

4、洗涤时间：

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=0.02m3/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

602KA???120022V?KA? ?3 dVKA21200???10m3/hd?2V2?60

VW4?W???1.6h1dV1()E?104d?4

2V2K??p?6060??,K??K?1.0?10?4m2/sK?p150150

qe20.022?q?K?e?,?e????4s?4K1.0?10

Q?60[KA2(60?n??e?n2)?Ven]2e

5?60[1.0?10?4A2(60?1/3?0.5?4?0.52)?0.02A?0.5]

解得：A?3.597m

第四章

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

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

2? ?=0.023dRe0.8Prn

0.8??????WS/????d????????d2??????4??????????????? =0.023d? ?∝d?1?(1?2)?0.8Prn

=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（ ）。

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 Q=WcCp,c(t2-t1) 和Q=WhCp,h(T1-T2)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（ ）。

A 高压流体； B 蒸汽； C 易结垢的流体； D 腐蚀性流体 E 粘度大的流体 F 被冷却的流体 答：A，C，D；B，E，F

7．采用多管程换热器，虽然能提高管内流体的流速，增大其对流传热系数，但同时也导致（ ）。 A．管内易结垢； B 壳程流体流速过低 C 平均温差下降 D 管内流动阻力增大 答：C，D

8．下面关于辐射的说法中正确的是（ ）。 A 同一温度下，物体的辐射能力相同；

B 任何物体的辐射能力和吸收率的比值仅和物体的绝对温度有关； C 角系数的大小与两表面的形状、大小、相互位置及距离有关； D 只要物体与周围环境的温度相同，就不存在辐射和吸收过程 答：B，C 三、计算题

1．有一列管式换热器，用120℃的饱和水蒸气加热某种气体，冷凝水在饱和温度下排出，气体由20℃升高到80℃，气体在列管内呈湍流流动。若气体流量增加50%，而气体进入列管换热器的温度、压强不变。试计算加热蒸汽量为原用量的倍数。管壁热阻、污垢热阻及热损失可忽略，且气体物性可视为不变。加热蒸汽温度不变。 解：Wccp,c(t2?t1)?KA?tm （1）

??? 1.5Wccp,c(t2?t1)?KA?tm （2）

0.8?K??,K?1.5K?1.383K i 而

t2?t1120?20lnK?tmt2?t1120?80??t??t??t1)1.383K?tm?1.5(t21.38321120?20ln? 120?t2??77℃ t2??t1)1.5(77?20)Wh?1.5(t2???1.425Wh80?2060

2．现有一列管换热器，内有φ25×2.5mm的钢管300根，管的有效长度为2m。要求将8000kg/h的空气于管程有20℃加热到85℃，采用108℃的饱和蒸汽于壳程冷凝加热之，冷凝液在饱和温度下排出。蒸汽冷凝的传热系数为1×104w/m2℃，空气的对流传热系数为9 0w/m2℃，管壁及两侧污垢热阻均可忽略，且不计热损失。空气在平均温度下的比热为1kJ/kg℃。试求： 1）换热器的总传热系数K。

2）通过计算说明该换热器能否满足要求。

3）通过计算说明管壁温度接近那一侧流体的温度？ 解：1）总传热系数

K?11??71.49W/(m2.112511d0???0?idi1?1049020℃）

2）Q?KA需?tm

Q?Wccp，（）?8000/3600?1?（85?20）?144.4kW ct2?t1?tm?85?20?48.4108?20ln108?85℃

Q144.4?103A需???41.7m2K?tm71.49?48.4

A实?n?dl?300?3.14?0.025?2?47.1m2 A实?A需，该换热器能满足要求。

T?TWTW?t?113)

?0?i

108?TWTW?52.5?1/90 1/104TW?107.5℃

接近蒸汽的温度。

3．有一管程为单程的列管换热器，由φ25×2.5mm，长2.5m的20根钢管组成。用120℃饱和水蒸汽加热某冷液体（冷凝液在饱和温度下排出），该冷液体走管内，进口温度为25℃，比热为1.58kJ/kg℃，流量为15000kg/h，管外蒸汽的冷凝传热系数为1.0×104 w/m2℃。管内对流传热的热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的6倍。求： 1）基于管外表面积的总传热系数K0

2）冷液体的出口温度。（换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可忽略不计） 解：1）总传热系数

K0?112??1429W/m1/?0?1/?i1/1.0?104?6/1.0?104.℃

t2?t1120?t1ln120?t2

Wccp,c(t2?t1)?KA?tm?KA2）

A?n?dl?20??0.025?2.5?3.925m2

15000/3600?1.58?103?1429?3.925/ln120?25120?t2

t2?79.5℃

4．有一列管式换热器由φ25×2.5mm，长3m的100根钢管组成。饱和水蒸气将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动，饱和蒸汽在壳方冷凝为同温度的水。今因生产任务增大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。换热器为φ19×2mm的120 根钢管组成。如果新旧两台换热器并联使用，且使两台换热器在空气流量、进出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，求新换热器管长为多少米？

解：因两台并联操作的换热器在空气流量，近、出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，则由

Q?Wccp,c(t2?t1)?KS?tm看，Q及?tm均相同，从而两台换热器的K1S1?K2S2，关键是要找出K2/K1的关系，

才能求出S2，进一步求出新换热器管长L2。

因饱和蒸汽与空气换热，K??空气，而空气在管内湍流流动，则

??()Re0.81d0.8?0.2，即：??ud，又新旧换热器

空气流量相等，即V1?V2，依据以上关系，找出u1与u2的关系，从而可求出K2/K1。 原换热器： Q1?Wccp,c(t2?t1)?K1S1?tm1 新换热器：Q2?Wccp,c(t2?t1)?K2S2?tm2

因在新、旧换热器中，Wc、t1、t2及T均相同，故

Q1?Q2,?tm1??tm2，则：K1S1?K2S2

因饱和蒸汽与空气换热，K??空气，而空气在管内湍流流动，则流量相等，W1?W2，即V1?V2，则有

??()Re0.81d0.8?0.2，??ud，又新旧换热器空气

n1?4d12u1?n2?42d2u2

u2n1d12100252?()?()?1.443u1n2d212019

K2ud25?(2)0.8(1)0.2?1.4430.8()0.2?1.416u1d219则：K1

原换热器：S1?n1?d1L1?100?3.14?0.025?3?23.55m

2新换热器：

S2?K123.55S1??16.6m2K21.416

则新换热器管长

L?S216.6??2.32mn2?d2120?3.14?0.019

5． 在一单程列管换热器中，用饱和蒸气加热原料油，温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管程湍流流动，并由20℃加热到106℃。列管换热器的管长为4m，内有φ19×2mm的列管25根。若换热器的传热负荷为125kw，蒸汽冷凝传热系数为7000 w/m2℃，油侧垢层热阻为0.0005m2℃/w。管壁热阻及蒸汽侧垢层热阻可忽略。试求：

1）管内油侧对流传热系数

2）油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度，假设油的物性不变，求油的出口温度。 3）油的流速增加一倍，保持油进出口温度不变，求饱和蒸汽温度。 解：1）管内油侧对流传热系数

Q?125kW

Si?n?diL?25?3.14?0.015?4?4.71m2 ?tm?t2?t1106?20??90T?t1160?20lnln160?106T?t2℃

Q125?103Ki???295W/(m2Si?tm4.71?90.℃）

d11??RSi?iKi?i?0d0

1295?1??0.0005?15i7000?19

?i?360W/(m2?℃）

2、油的出口温度

油的流速增加一倍，则：

???20.8?.8i?20?360?626.8W/(m2?℃）

1K?1??R?disii?i??0d0

1K?1?0.0005?15i?626.819?7000

解出：K2i??452.9W/(m?℃）

Ki?K?452.9?1.535i295

列热量衡算与传热速率方程式

原来：Wccp,c(t2?t1)?KiSi?tm 后来：2Wccp,c(t?2?t1)?K?iSi?t?m?1.535KiSi?t?m (t2?t1)?tm2(t?2?t?1)1.535?tm? ?t??(160?20)?(160?t?2)m?t?2?20ln160?20140160?t?ln2160?t?2 106?20902(t??2?20)1.535t?2?20ln140则：160?t?2 ln140160?t??43?1.535?0.733290

e0.733?140160?t??2.0822

所以t?2?92.8℃ 4）饱和蒸汽温度

因t1及t2不变，列热量衡算及传热速率方程式如下： （1）2）

（

原来：Wccp,c(t2?t1)?KiSi?tm

???后来：2Wccp,c(t2?t1)?KiSi?tm?1.535KiSi?tm

?tm190???1.535?tm? 21.535?tm???tm2?90?117.31.535

???tmt2?t1?117.3T??t1lnT??t2

106?20?117.3T??20lnT??106

T??185.5℃

由计算结果可知，油速增加一倍，使?及K均提高，且?tm也提高。若饱和蒸汽温度T不变，则油出口温度t2下降；欲保持t1及t2不变，则加热蒸汽温度T必然提高，采取的措施是提高加热蒸汽的压强。

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