1、第一章 流體流動例1.高位槽內的水面高于地面8m,水從()108X4mm的管道中流出，管路出口高于地面 2m。在本題特定條件下，水流經系統的能量損失可按h f = 6.5 u2計算，其中u為水在管道的流速。試計算：A A截面處水的流速；水的流量，以 m3/h計。解：設水在水管中的流速為u ,在如圖所示的1 1，, 22,處列柏努力方程Zlg + 0 + Pl/p= Z2g+ U2/2 + P 2/ p+ Dl f(Zi - Z2)g = u2/2 + 6.5u2代入數據(8-2) 9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s換算成體積流量qV = uA= 2.9H4 0.12 與600=82

2、 m 3/h例2.本題附圖所示為冷凍鹽水循環系統，鹽水的密度為 1100kg/m3,循環量為36m3。管路的直徑相同，鹽水由A流經兩個換熱器而至B的能量損失為98.1J/kg,由B流至A的能量損失為49J/kg,試求：(1)若泵的效率為 70%時，泵的抽功率為若干kw? (2)若A處的壓強表讀數為245.2 103Pa時，B處的壓強表讀數為若干Pa?解：(1)由A到B截面處作柏努利方程0+ua2/2+pa/ p =Zj+ub2/2+Pb/ p +9.81管徑相同得 ua=ub( Pa-Pb) / p =電+9.81 * e1 W： a7 e% u, k9 Y1 o- H" x由B到A

3、段，在截面處作柏努力方程BZBg+uB2/2+PB/ p +W=0+u2+Pa/ p +49W= (Pa-Pb) / - ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg 3 L& P- " D8 i4 NO Fqm= qvp =36/3600 x 1100=11kg/s- i3 M# a$ R/ y) p5 |Pe= qm>W=147.1 X11=1618.1w% E5 |0 W* y'Z% ( * I( V8 b泵的抽功率 N= Ne /76%=2311.57W=2.31kw 1 s$ m& Z6 P! K) R： g; Q(2)由第一個方程得( P

4、a-PB ) / p =ZJ+9.81 得 7 a6 W, " R# w+ E& v9 vPb=Pa- p (ZBg+9.81 )=245.2 103-1100 (7 泡81+98.1)$ M) z: B8 f. q3 u4 L=6.2 X04Pa: y7 w- m# z' m" X; p例 3.用離心泵把20的水從貯槽送至水洗塔頂部，槽內水位維持恒定，各部分相對位置如本題附圖所示。管路的直徑均為76X2.5mmi在操作條件下，泵入口處真空表的讀數為24.66 M03Pa,水流經吸入管與排處管(不包括噴頭)的能量損失可分別按Eh f,i=2u2, Z>

5、,2=10u2計算，由于管徑不變，故式中u為吸入或排出管的流速m/s。排水管與噴頭連接處的壓強為98.07 M03Pa (表壓)。試求泵的有效功率。解：總能量損失 Ehf= Eh,1+Ehf . 2在截面與真空表處取截面作方程：z0g+u02/2+P0/尸z1g+u2/2+P1/ p +Efh 1(P0-P1) / p= z1g+u2/2 + Efh 1u=2m/sqm= qv k7.9kg/s在真空表與排水管-噴頭連接處取截面z1g+u2/2+P1/ p+W=z 2g+u2/2+P2/ p +Efh 2We= z2g+u2/2+P2/ p +Dh 2- ( zg+u2/2+P 1/p)=12

6、.5 9.81+ (98.07+24.66) /998.2 D03+10X22 =285.97J/kgPe= qm>W =285.97 漢.9=2.26kw例 4. 用壓縮空氣將密度為 1100kg/m 3 的腐蝕性液體自低位槽送到高位槽，兩槽的液位恒定。管路直徑土為小60X 3.5mm,其他尺寸見本題附圖。各管段的能量損失為匯hf, ab=E h f, cD=u2, Ehf,BC=1.18u2。兩壓差計中的指示液均為水銀。試求當R=45mrm h=200mm寸：(1)壓縮空氣的壓強P1為若干？ ( 2) U管差壓計讀數 R為多少？解：對上下兩槽取截面列柏努力方程0+0+P1/ kZg+

7、0+P2/ p +IB f, , P1= Zg (+0+P 2 + p ZEi f=10 X9.81 1100+1100 (2u2+1.18u2) = 107.91 103+3498u2在壓強管的B, C處去取截面，由流體靜力學方程得pb+ pg (x+R1) =Pc + pg (hBc+x) + p水銀 R1 gPb + 1100 >9.81 X(0.045+x) =Pc +1100 9.81 X(5+x) +13.6 103X9.81 0.045Pb-Pc=5.95 104Pa在 B ， C 處取截面列柏努力方程0 + UB22+PB/p=Zg + Uc2/2+Pc/p +IB f,

8、BC管徑不變，Ub=u cPb-Pc=P (Zg+匯 hf,Bc) =1100 X (1.18U2+5X9.81) =5.95 104PaU=4.27m/s壓縮槽內表壓Pi=1.23 X05Pa( 2)在 B ， D 處取截面作柏努力方程0+u2/2+Pb/p = Zg+0+0+ 比 f, bc+Z2 h f, CDPb= (7刈.81+1.18u2+u2-0.5u2) M100=8.35X104PaPb- :gh= p 水銀 R2g8.35 104-1100 9.81 0.2=13.6 103X9.81 R2R2=609.7mm例 5. 從設備送出的廢氣中有少量可溶物質，在放空之前令其通過一

9、個洗滌器，以回收這些 物質進行綜合利用， 并避免環境污染。 氣體流量為 3600m3/h ， 其物理性質與50 的空氣基本相同。如本題附圖所示，氣體進入鼓風機前的管路上安裝有指示液為水的 U 管壓差計，起讀數為30mm。輸氣管與放空管的內徑均為 250mm管長與管件，閥門的當量長度之和為50m,放空機與鼓風機進口的垂直距離為 20m,已估計氣體通過塔內填料層的壓強降為1.96 X 103Pa。管壁的絕對粗糙度可取0.15mm,大氣壓強為101.33 X 103。求鼓風機的有效功率。解：查表得該氣體的有關物性常數p=1.093，心=1.96X10-5Pas氣體流速 u = 3600/(3600

10、4/ 式X0.252) = 20.38 m/s質量流量qm = 20.38 4/>0.252X1.093=1.093 Kg/s流體流動的雷偌準數Re = du吁2.84 X05為湍流型所有當量長度之和c總.=+ 2e=50m£取 0.15 時 dd = 0.15/250= 0.0006 查表得 六0.0189所有能量損失包括出口,入口和管道能量損失即：IB = 0.5 u2/2 + 1 u為2 + (0.0189 50/0.25) u2/2=1100.66J/kg在1-1、2-2兩截面處列伯努利方程u2/2 + P1/ 葉 W = Zg + u 2/2 + P2/p+ aW =

11、 Zg +(P2- P1)/ p +IB而 1-1、2-2 兩截面處的壓強差P2- Pl = P2-p 水 gh = 1.96 103-103X9.81 31M03= 1665.7 PaW = 2820.83 W/Kg泵的有效功率 pe = Wexqm = 3083.2W = 3.08 KW例 6. 如本題附圖所示，貯水槽水位維持不變。槽底與內徑為100mm 的鋼質放水管相連，管路上裝有一個閘閥， 距管路入口端 15m 處安有以水銀為指示液的 U 管差壓計， 其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓差計連接管內充滿了水，測壓點與管路出口端之間的長度為 20m 。( 1) .當閘閥關閉時，測得R=60

12、0mm ， h=1500mm ；當閘閥部分開啟時，測的 R=400mm ，h=1400mm 。摩擦系數可取0.025 ，管路入口處的局部阻力系數為 0.5 。問每小時從管中水流出若干立方米。(2).當閘閥全開時，U管壓差計測壓處的靜壓強為若干(Pa,表壓)。閘閥全開時le/d弋1,5摩擦系數仍取0.025 。解 : 根據流體靜力學基本方程, 設槽面到管道的高度為 xp水g(h+x尸 p水銀gR331031.5+x) = 13.6 103須.6x = 6.6m部分開啟時截面處的壓強Pi = p水艮gR - p水gh = 39.63 1滔Pa在槽面處和 1-1 截面處列伯努利方程Zg + 0 +

13、0= 0 + u2/2 + Pi/p+ Di而匯 h = 2(+2e)/d +a - U2/2= 2.125 u26.6 9.81 = U2/2 + 39.63 + 2.125 u 2 u = 3.09/s體積流量 qm = uA 廠 3.09 韶4 世1)2>600 = 87.41m 3/h 閘閥全開時取 2-2,3-3 截面列伯努利方程Zg = u2/2 + 0.5U2/2 + 0.025 (15 +l/d)u 2/2u = 3.47m/s取1-1、3-3截面列伯努利方程P1'/p= u2/2 + 0.025 (15+ '/d)u2/2P1' = 3.7 10

14、4Pa例7.用效率為80%的齒輪泵將粘稠的液體從敞口槽送至密閉容器中，兩者液面均維持恒定，容器頂部壓強表讀數為 30X103Pao用旁路調節流量，起流程如本題附圖所示，主管流量為14m3/h,管徑為（）66X3mm,管長為80m （包括所有局部阻力的當量長度）。旁路的流量為5m3/h,管徑為32X2.5mm,管長為20m （包括除閥門外的管件局部阻力的當量長度）兩管路的流型相同，忽略貯槽液面至分支點 。之間的能量損失。被輸送液體的粘度為50mPas,密度為1100kg/m3,試計算：（1）泵的軸功率（2）旁路閥門的阻力系數。$ n6 f, P$ + e& R1 f4 7 Y7 Y- v

15、4 h;一丁更1通藥解：泵的軸功率分別把主管和旁管的體積流量換算成流速 + u5 p* C& 'J. h& z主路流速u = qv/A = 14/3600 (幽)(60)2 X10-6# J8 J" O, xV9 人=1.38 m/s旁路流速U1 = qv1/A = 5/3600 (洶)(27)2 X10-6=2.43 m/s先計算主管流體的雷偌準數7 D1 j- '0 A3 & K4 mRe = dud 廠 1821.6 < 2000 屬于滯流摩擦阻力系數可以按下式計算8 L" N% P- a3 O! w# m! P, r人=

16、64/ Re = 0.03513在槽面和容器液面處列伯努利方程W= Z 2g + P2/ p + 田(A，L, Y/ g: G/f'_, w=5 9.81 + 30 103/1100 + 0.03513 1.382 80/(60 103)4 k+ i% 6 '8 C1 F4 t= 120.93 J/Kg . a2 0 f( w) L1 u主管質量流量qm= uA P = 1.38 X ( Tt /4)2 冽1(60)=5.81Kg/s泵的軸功率pe/ T = wm/ 刀=877.58 W=0.877KW旁路閥門的阻力系數 (b5 a" N6 K+ '- p+

17、j旁管也為滯流其摩擦阻力系數入 1 = 64/ Re 1 = 0.04434 : 14 I '6 H! N5 O) H6 u3 有效功 W = 0+ u 12/2 + 0 + hf旁路閥門的阻力系數e = (WU12/2 -入 12/220/d 1)- 2/u 12= 7.11例8.第四章傳熱例9.在200kPa、20 c下，流量為60m3/h的空氣進入套管換熱器的內管，并被加熱到80 C ,內管的直徑為 0 57X3.5mm,長度為3m。試求管壁對空氣的對流傳熱系數。解：定性溫度=( 20+80) /2=50 C。50c下空氣性質始2.83 10-2W/ (m.C); 巧1.96 1

18、0-5Pa.s； Pr=0.698空氣在進口處的速度：空氣在進口處的密度空氣的質量流速例10.在一室溫為20c的大房間中，安有直徑為0.1m、水平部分長度為 10m、垂直部分高度為1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均溫度為120 C,試求該管道因自然對流的散熱量。解：大空間自然對流的a可由式麗三白仔計算，即:Q；久=-c定性溫度=12。+ 20 =7Qp2,該溫度下空氣的有關物性由附錄查得：義國。一02962F/(掰吧) =2.06 kIO" F口 出"三 L029上g/w? Pr = 0,694 ， ，(1)水平管道的散熱量 Q甘小刑(Jr所以2 92xl03 x 9.81

19、(120- 20)(0,= 7.16x10$1« =由表查得：。二U53,4,4.57x10(2)垂直管道的散熱量Z2由表查得：匚二CL =0 1X竺(497x10。嚴=595 琢標七所以：一, 蒸汽管道總散熱量為:例11.換熱器由長度為1.5m,外徑為89mm,正三角形錯列圓鋼管組成。常壓下空氣在管外垂直 流過，最大流速8m/s ,進口溫度10 C,出口溫度50 C ,管束有20排，每排20根管子，管中 心距為110mm,管內有飽和蒸汽冷凝。求管壁對空氣的平均對流傳熱系數。例12.在逆流換熱器中，用初溫為20oC的水將1.25kg/s的液體比熱容為1.9kJ/ (kg oC)、密?

20、25X2.5mm,水走管方。水側和(m2oC),污垢熱阻可忽略。若水度為850kg/m3,由80oC冷卻到30°C。換熱器的列管直徑為液體側的對流傳熱系數分別為0.85 kW/ (m2oC)和1.70 kW/ 的出口溫度不能高于 50oC,試求換熱器的傳熱面積。解：由傳熱速率方程知其中Qqm1c p1 T11.25 1.9 8030119kw+t23tm t ln上t118.2 oC80 5030 2070ln 10所以A20.00212472W/ (m2oC)119 10313.9m2472 18.2例13.重油和原油在單程套管換熱器中呈并流流動，兩種油的初溫分別為243oC和12

21、8°C;終溫分別為167oC和157°C。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時流體的平均溫度差及它們的終溫。假設在兩種流動情況下，流體的物性和總傳熱系數均不變化，換熱器的熱損失可以忽略。解：以上標“表示并流的情況。由傳熱速率和熱量衡算式知:兩式相除，得tm 丁1 丁2t2 Ltm T1 T2t2 t1(a)將和比定律應用于上式，得tm243 128167 157115 ln 1043 oC所以ln 一t1471t2t1t2t1 43或 t22.98 T2 128243由式a得即 t2 0.38 243 T2128(b)(c)聯立式b和式c解得t2=16

22、1.3 oCT2=155.4 oC所以t2t1243 161.3155.4 1280tm + 1 49.7oCt21.093t1例14.在一單程列管換熱器中，用飽和蒸汽加熱原料油。溫度為160 oC的飽和蒸汽在殼程冷凝（排出時為飽和液體），原料油在管程流動，并由 20 oC加熱到106 °C。列管換熱器尺寸為：列管直徑為？19X 2mm,管長為4m,共有25根管子。若換熱器的傳熱量為125kW ,蒸氣冷凝傳熱系數為出口溫度。假設油的物性不變。解:(1)管內油側g：tmt2 t1,t2 Int1160 20160 10690 °C 160 20In160 106解得(2)K1

23、A tm252951od=360 W/油的出口溫度_51.25 1050.0005(m2 °C)t20.015 4 90295W/ (m2 °C)157000 197000W/ (m2oC),油側污垢熱阻可取為0.0005 m2oC /W ,管壁熱阻和蒸汽側垢層熱阻可忽略,試求管內油側對流傳熱系數。1.75倍，試求油的又若油的流速增加一倍，此時若換熱器的總傳熱系數為原來總傳熱系數的由熱量衡算得Q qm1Cp1 1065201.25 10所以qm1cpi 1450 W/(m2 °C)Q 2900 t220(a)由總傳熱速率方程得2433t220(b)4.942 In

24、 160 t2聯合式a和式b,得t2100°C例15.流量為720kg/h的常壓飽和水蒸氣在直立的列管外冷凝，列管換熱器直徑為 25X2.5 mm,管長為2m,列管外壁溫度為 94 ° C ,試按冷凝要求估算列管根數。解：查常壓下水蒸氣的有關物性數據：T=100C第五章吸收例 16. 根據附圖所列雙塔吸收的五種流程布置方案，示意繪出與各流程相對應的平衡線和操作線，并用圖中邊式濃度的符號標明各操作線端點坐標。例 17.在填料塔中用清水吸收氨與空氣的混合氣中的氨。混合氣流量為 1500 標 m3 h 1 ， 氨所占體積分率為5%，要求氨的回收率達95%。已知塔內徑為 0.8m

25、，填料單位體積有效傳質面積a93m2 m 3 ， 吸收系數 KG 1.1kmol m 2 h 1 atm 1 。 取吸收劑用量為最少用量的 1.5倍。該塔在30和 101.3kN m 2 壓力下操作，在操作條件下的平衡關系為pe 5.78C kN m 2 ，試求：（ 1） 出塔溶液濃度 x 1；（ 2） 用平均推動力法求填料層高度 Z ；（ 3） 用吸收因數法求Z 。解：例 18.某填料吸收塔， 用清水吸收某氣體混合物中的有害物質A ， 若進塔氣中含 A 5%（體積% ） ，要求吸收率為90% ，氣體流率為 32kmol m 2 h 1 ，液體流率為 24kmol m 2 h 1 ，此時的液氣

26、比是最小液氣比的 1.5 倍。如果物質服從亨利定律（即平衡關系為直線），并已知液相傳質單元高度為 0.44m ，氣相體積傳質分系數kya 0.06kmol m 3 s 1 ，試求：（ 1 ） 塔底排出液組成x1；（ 2 ） 用吸收因數法求所需填料層高度Z ；（ 3 ）用平均推動力法求Z 。解：例 19.有一吸收塔，填料層高度為3m ，在常壓、20用清水來吸收氨和空氣混合氣體中的氨。吸21收率為 99% ，進口氣體中含氨 6% （體積%），進口氣體速率為580 kg m 2 h 1 ，進口清水速21率為770 kg m h ，假設在等溫條件下逆流吸收操作，平衡關系ye0.9x，且Kg a與氣體質

27、量流速的 0.8 次方成正比，分別計算改變下列操作條件后，達到相同分離程度所需填料層高度。（ 1 ） 將操作壓強增加一倍（P=202.6kPa ），其他條件不變。（ 2 ） 將進口清水量增加一倍，其他條件不變。（ 3 ） 將進口氣體流量增加一倍，其他條件不變。解：一、 求現有條件下的 K G a二分別計算：第六章 精餾例 20.在一常壓精餾塔內分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間接蒸汽加熱。進料量為1000kmol/h ，含苯 0.4 ，要求塔頂餾出液中含苯0.9 （以上均為摩爾分率），苯的回收率不低于90%，泡點進料，泡點回流。已知 =2.5 ，取回流比為最小回流比的 1.5 倍。試求：

28、（ 1）塔頂產品量 D 、塔底殘液量W 及組成 xw ；（2）最小回流比；（3）精餾段操作線方程；（4 ）提餾段操作線方程；（5）從與塔釜相鄰的塔板上下降的液相組成為多少？（6）若改用飽和蒸汽進料，仍用（ 4）中所用回流比，所需理論板數為多少？解：（ 1）塔頂產品量 D 、塔底殘液量W 及組成xw ；DXd -1000 0.4 0.9,A ,得： D 400kmol / h0.9FXfW=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算FXf DXd WXw得xW (1000 0.4 400 0.9)/600 0.0667(2)最小回流比；泡點進料，q=1, xq Xf 0.4(3)

29、精福段操作線方程；(4)提福段操作線方程；LWXw1732600 0.0667則ym1 V xm V 1132 xm 11321.53xm 0.0353(5)從與塔釜相鄰的塔板上下降的液相組成由操作線方程ym 1 1.53xm 0.0353yw 1.53X10.0353(6)若改用飽和蒸汽進料，仍用(4)中所用回流比，所需理論板數又為多少。飽和蒸氣進料,q=0, yq Xf0.4yqxq1)Xq得Xq0.21因 R Rmin故 Nt例21.用一連續精儲塔分離由組分 A?B組成的理想混合液。原料液中含 A 0.44 ,播出液中含A2.5,最回流比為1.63,試說明原料0.957 (以上均為摩爾分率)。已知溶液的平