化工原理第四版第一章课后习题答案

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1、第一章 流体的压力【1-1】容器A中的气体表压为60kPa,容器B中的气体真空度为Pa。试分别求出A、B二容器中气体的绝对压力为若干帕,该处环境的大气压力等于标准大气压力。解 标准大气压力为101.325kPa容器A的绝对压力 容器B的绝对压力 【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa,当地大气压力为101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。解 进口绝对压力 出口绝对压力 进、出口的压力差流体的密度【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中,正庚烷的摩尔分数为0.4,试求该混合液在20下的密度。解正庚烷的摩尔质量为,正辛烷的摩尔质量为。将摩尔分数换

2、算为质量分数正庚烷的质量分数正辛烷的质量分数从附录四查得20下正庚烷的密度,正辛烷的密度为混合液的密度【1-4】温度20,苯与甲苯按4:6的体积比进行混合,求其混合液的密度。解20时,苯的密度为,甲苯的密度为。混合液密度【1-5】有一气柜,满装时可装混合气体,已知混合气体各组分的体积分数为操作压力的表压为5.5kPa,温度为40。试求:(1)混合气体在操作条件下的密度;(2)混合气体的量为多少。解混合气体的摩尔质量(1)混合气体在操作条件下的密度为(2)混合气体,摩尔体积为混合气体的量为流体静力学【1-6】如习题1-6附图所示,有一端封闭的管子,装入若干水后,倒插入常温水槽中,管中水柱较水槽液

3、面高出2m,当地大气压力为101.2kPa。试求:(1)管子上端空间的绝对压力;(2)管子上端空间的表压;(3)管子上端空间的真空度;(4)若将水换成四氯化碳,管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米?解管中水柱高出槽液面2m,h=2m水柱。(1)管子上端空间的绝对压力在水平面处的压力平衡,有习题1-6附图(2)管子上端空间的表压(3)管子上端空间的真空度(4)槽内为四氯化碳,管中液柱高度常温下四氯化碳的密度,从附录四查得为【1-7】在20条件下,在试管内先装入12cm高的水银,再在其上面装入5cm高的水。水银的密度为,当地大气压力为。试求试管底部的绝对压力为多少Pa。解水的密度【1-8】如习题1

4、-8附图所示,容器内贮有密度为的液体,液面高度为3.2m。容器侧壁上有两根测压管线,距容器底的高度分别为2m及1m,容器上部空间的压力(表压)为29.4kPa。试求:(1)压差计读数(指示液密度为);(2)A、B两个弹簧压力表的读数。解容器上部空间的压力液体密度,指示液密度(1)压差计读数R=?习题1-8附图在等压面(2) 习题1-9附图【1-9】如习题1-9附图所示的测压差装置,其U形压差计的指示液为水银,其他管中皆为水。若指示液读数为,试求A、B两点的压力差。解等压面由以上三式,得已知,习题1-10附图【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动,为测量A、B两截面间的压力差,

5、安装了两个串联的U形管压差计,指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两U形管的连接管中,充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度,试推导A、B两点的压力差与液柱压力汁的读数之间的关系式。解设测压前两U形压差计的水银液面,距输水管中心线的距离为H。在等压面处因,由上两式求得习题1-11附图因故【1-11】力了排除煤气管中的少量积水,用如习题1-11附图所示水封设备,使水由煤气管路上的垂直管排出。已知煤气压力为(表压),试计算水封管插入液面下的深度h最小应为若干米。解流量与流速【1-12】有密度为的液体,在内径为60mm的管中输送到某处。若其流速为,试求该液体的体积流量、质量流量与质量流速

6、。解(1) 体积流量(2) 质量流量(3) 质量流速【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器,其内管为,外管为。内管中有密度为、流量为的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为,进、出口平均温度为,流量为的气体流动。在标准状态下,气体的密度为。试求气体和盐水的流速。解液体内管内径液体质量流量,体积流量流速气体质量流量密度体积流量流速习题1-13附图习题1-14附图【1-14】如习题1-14附图所示,从一主管向两支管输送20的水。要求主管中水的流速约为,支管1与支管2中水的流量分别为。试计算主管的内径,并从无缝钢管规格表中选择合适的管径,最后计算出主管内的流速。解主管的流量体积流量,

7、流速管径选择无缝钢管,内径为,主管内水的流速连续性方程与伯努利方程【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为,管内径为200mm,截面2处的管内径为100mm。由于水的压力,截面1处产生1m高的水柱。试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h为多少(忽略从1到2处的压头损失)?解习题1-15附图 习题1-16附图另一计算法计算液柱高度时,用后一方法简便。【1-16】在习题1-16附图所示的水平管路中,水的流量为。已知管内径, ,液柱高度。若忽略压头损失,试计算收缩截面2处的静压头。解水的体积流量,截面1处的流速截面2处的流速在截面1与2之间列伯努利方程,忽略能

8、量损失。截面2处的静压头水柱习题1-17附图负值表示该处表压为负值,处于真空状态。【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽,下面的出水管直径为。当出水阀全关闭时,压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后,压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱,试求水的流量为多少?解出水阀全关闭时,压力表读数30. 4kPa(表压)能反映出水槽的水面距出水管的高度h阀门开启后,压力表读数(表压)从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程,以求出水管的流速水的流量【1-18】若用压力表测得输送水、油(密度为)、98%硫酸(密度为)的某段水平等直径管路的压力降均为49k

9、Pa。试问三者的压头损失的数值是否相等?各为多少米液柱?解从伯努利方程得知,等直径水平管的压头损失与压力降的关系为。习题1-19附图【1-19】如习题1-19附图所示,有一高位槽输水系统,管径为。已知水在管路中流动的机械能损失为 (u为管内流速)。试求水的流量为多少。欲使水的流量增加20%,应将高位槽水面升高多少米?解管径,机械能损失(1) 以流出口截面处水平线为基准面,水的流量(2) 习题1-20附图高位槽应升高【1-20】如习题1-20附图所示,用离心泵输送水槽中的常温水。泵的吸入管为,管的下端位于水面以下2m,并装有底阀与拦污网,该处的局部压头损失为。若截面处的真空度为39.2kPa,由

10、截面至截面的压头损失为。试求:(1)吸入管中水的流量,;(2)吸入口截面的表压。解管内径,水密度截面处的表压,水槽表面(表压)(1) 从为基准面,压头损失水的流量(2) 从流体的黏度【1-21】当温度为20及60时,从附录查得水与空气的黏度各为多少?说明黏度与温度的关系。解2060水空气水温度升高,黏度减小;空气温度升高,黏度增大。雷诺数与流体流动类型【1-22】25的水在内径为50mm的直管中流动,流速为2m/s。试求雷诺数,并判断其流动类型。解25,水的黏度,密度,管内径,流速【1-23】 (1)温度为20、流量为的水,在的直管中流动,试判断流动类型;(2)在相同的条件下,水改为运动黏度为

11、的油,试判断流动类型。解 (1) 流速雷诺数(2) 雷诺数【1-24】20的水在的直管内流动。试求:(1)管中水的流量由小变大,当达到多少时,能保证开始转为稳定湍流;(2)若管内改为运动黏度为的某种液体,为保持层流流动,管中最大平均流速应为多少?解 (1)水,20,体量流量(2) 管内流体流动的摩擦阻力损失习题1-25附图【1-25】如习题1-25附图所示,用U形管液柱压差计测量等直径管路从截面A到截面B的摩擦损失。若流体密度为,指示液密度为,压差计读数为R。试推导出用读数R计算摩擦损失的计算式。解 从截面A到截面B列伯努利方程,截面A为基准面,则得液柱压差计1-1为等压面由式得 此式即为用U

12、形管压差计测量流体在两截面之间流动的摩擦损失的计算式。【1-26】如习题1-26附图所示,有的水平管与垂直管,其中有温度为20的水流动,流速为。在截面A与截面B处各安装一个弹簧压力表,两截面的距离为6m,管壁的相对粗糙度。试问这两个直管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同?如果不同,试说明其原因。习题1-26附图如果用液柱压差计测量压力差,则两个直管的液柱压力计的读数R是否相同?指示液为汞,其密度为。解 已知管内径,水的温度t=20密度,黏度,流速雷诺数湍流管壁相对粗糙度 查得摩擦系数 这两个直管的摩擦阻力损失相同,为(1) 弹簧压力表读数之差值水平管在A、B两截面列伯努利方程因,故得垂直管在

13、A、B两截面间列伯努利方程,以截面A为基准面,上述计算结果表明,垂直管的大于水平管的。这是因为流体在垂直管中从下向上流动时,位能增大而静压能减小。(2)U形管液柱压差计的读数R水平管与前面相同,由伯努利方程得另从U形管压差计等压面处力的平衡,求得由式与式,求得垂直管与前面相同,由伯努利方程得另从U形管压差计等压面处力的平衡,求得由式,求得从上述推导可知,垂直管与水平管的液柱压差计的读数R相同。有了读数R值,就可以分别用式求得水平管及垂直管的。【1-27】有一输送水的等直径(内径为d)垂直管路,在相距H高度的两截面间安装一U形管液柱压差计。当管内水的流速为时,测得压差计中水银指示液读数为R。当流

14、速由增大到时,试求压差计中水银指示液读数是R的多少倍。设管内水的流动处于粗糙管完全湍流区。解 从习题2-25与习题2-28可知,U形管液柱压差计的读数R与两截面间流体流动的摩擦损失成正比,即。又知道,在粗糙管完全湍流区为阻力平方区,即摩擦损失与流体流速的平方成正比,。由上述分析可知 因此 【1-28】水的温度为10,流量为,在直径、长为100m的直管中流动。此管为光滑管。(1)试计算此管路的摩擦损失;(2)若流量增加到,试计算其摩擦损失。解 水在10时的密度,黏度,光滑管。(1) 体积流量 流速 雷诺数 摩擦系数 摩擦损失 (2) 体积流量 因流量是原来的3倍,故流速雷诺数湍流对于光滑管,摩擦

15、系数用Blasius 方程式计算也可以从摩擦系数与雷诺数Re的关联图上光滑管曲线上查得,。摩擦损失 【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径:(1)如习题1-29附图(a)所示,套管式换热器外管为,内管为;(2)如习题1-29附图(b)所示,列管式换热器外壳内径为500mm,列管为的管子174根。习题1-29附图解 (1)套管式换热器,内管外径,外管内径当量直径 (2) 列管式换热器,外壳内径,换热管外径,根数根 当量直径 【1-30】常压下35的空气,以12m/s的流速流经120m长的水平管。管路截面为长方形,高300mm,宽200mm,试求空气流动的摩擦损失,设。解 空气,流速。管路截面的高。当量直径 雷诺数 摩擦损失

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