化工原理习题解答(中文)剖析

化工原理习题及解答（华南理工大学化工原理教研组编）2004年6月流体力学与传热第一章流体流动1.1解：混合气体的平均分子量Mn为Mn=M2coy2co+M2oy2o+M2Ny2N+MOH2yOH2=44×0.085+32×0.075+28×0.76+18×0.08=28.86kg/kmol该混合气体在500℃，1atm时的密度为ρ=poTpToMm**4.22**=4.2286.28×273273=0.455kg/m³1.2解：设备上真空表的绝对压强为绝对压强=大气压―真空度=740―100=640mmHg=640×760100133.15=8.53×104N/m²设备内的表压强为表压强=―真空度=―100mmHg=―（100×760100133.15）=―1.33×104N/m²或表压强=―（100×1.33×102）=―1.33×104N/m²1.3解：设通过孔盖中心的0—0水平面上液体的静压强为p，则p便是罐内液体作用于孔盖上的平均压强。根据流体静力学基本方程知p=pa+ρgh作用在孔盖外侧的是大气压强pa，故孔盖内外两侧所受压强差为Δp=p―pa=pa+ρgh―apρghΔp=960×9.81(9.6―0.8)=8.29×104N/m²作用在孔盖上的静压力为pΔp×24d=8.29×104241076.376.04N每个螺钉能承受的力为N321004.6014.04807.9400螺钉的个数=3.76×10341004.6=6.23个1.4解：U管压差计连接管中是气体。若以HgOHg,,2分别表示气体，水和水银的密度，因为g《Hg，故由气体高度所产生的压强差可以忽略。由此可认为DBcApppp及由静力学基本方程式知cApp=222gRgRHgOH=1000×9.81×0.05+13600×9.81×0.05=7161N/m²1gRpppHgADB=7161+13600×9.81×0.4=6.05×104N/m(表压)1.5解：1）1，2，3三处压强不相等，因为这三处虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体。2）4，5，6三处压强相等，因为这三处是静止的，连通这的同一种流体内，并在同一水平面上。3）54pp即112222)(ghhhgpghppHgOHBOHA12)(ghppOHHgAB=101330―（13600―1000）×9.81×0.1=88970N/m²或Bp=12360N/m²（真空度）又由于64pp即222ghpghpHgCOHA所以cp22)(ghpOHHgA=101330―（13600―1000）×9.81×0.2=76610N/m²或cp24720N/m²（真空度）1.6解：在串联U管的界面上选2，3，4为基准面，利用流体静力学基本原理从基准面2开始，写出各基准面压强的计算式，将所得的各式联解，即可求出锅炉上方水蒸气的压强0p。)(2122hhgpppHga或)(212hhgppHga)(23233hhgpppOHa或)(23223hhgppOH)(4344hhgpppHga或)(4334hhgppHg)(45240hhgppOH或)(45240hhgppoH将以上右式各式相加，并整理得)]()[()]()[(4523243210hhhhghhhhgppOHHga将已知值代入上式得7607450p×101330+13600×9.81[（2.3―1.2）+（2.5―1.4）]―1000×9.81[（2.5―1.2）+（3―1.4）]=364400N/m²或0p=364400/9.807×104=3.72kgf/cm²1.7解：当管路内气体压强等于大气压强时，两扩大室的液面平齐。则两扩大室液面差Δh与微差压差计读数R的关系为RdhD2244当压差计读数R=300mm时，两扩大室液面差为Δh=RmDd003.0)606(3.0)(22以21,分别表示水与油的密度，根据流体静力学基本原理推导出hggRppa221)(即管路中气体中的表压强p为p=（998―920）×9.81×0.3+920×9.81×0.003=257N/m²（表压）1.8解：1）空气的质量流量从本教材附录三查得标准状况下空气的密度为1.293kg/m³。操作压强5451095.210807.92100133.1760740pN/m²操作条件下空气的密度为=pTpT1.293×355/18.3100133.1)50273(1095.2273mkg空气的质量流量为skguAws/09.118.302.04121922）操作条件下空气的体积流量]smwVss/343.018.3/09.1/33）标准状况下空气的体积流量为smwVss/843.0293.1/09.1/31.9解：以下标1表示压强为1atm的情况，下标2表示压强为5atm的情况。在两种情况下sss21TTT21uuu21由于222111AuAuws21122124PTpTdA所以2121212)(ppdd即mmppdd0313.05107.021121.10解：以高位槽液面为上游截面1—1’，连接管出口内侧为下游截面2—2’，并以截面1—1’为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即fhpugZpugZ2222121122式中01ZsmAVupus/62.1033.0436005/(002211表压）表压）(/980710807.91.0242mNpkgJhf/30将上列数值代入柏努利方程式，并解得mZ37.481.9/)308509807262.1(22高位槽内的液面应比塔的进料口高4.37m。1.11解：1）A——A’截面处水的流速以高位槽液面为上游截面1——1’，管路出口内侧为下游截面2——2’，并以地面为基准面。在两截面间列柏努利方程式，即fhpugZpugZ2222121122式中mZ81mZ222222115.65.60uuhppuf将上列数值代入柏努利方程式，并解得smu/9.27/681.92由于输水管的直径相同，且水的密度可视为常数，所以A——A’截面处的流速smuA/9.22）水的流量23360036000.12.982/4hVAumh1.12解：上游截面A——A’，下游截面B——B’，通过管子中心线作基准水平面。在两接间列柏努利方程式，即ABfBBBAAAhpugZpugZ,2222式中kgJhsmuZZABfABA/5.1/5.20,根据连续性方程式，对于不可压缩流体，则2244BBAAdudu所以smdduuBAAB/23.1)4733(5.2)(22两截面的压强差为)2(,22ABfBAABhuupp=（222/5.8681000)5.1223.15.2mN即ABpp=868.5/9.798=88.6mmH2O两截面玻璃管的水面差为88.6mm。由于ABpp6.88所以ABppB处玻璃管的水面比A处玻璃管的水面高。1.13解：水在管内流速与流量贮槽水面为截面1——1’,真空表连接处为截面2——2’，并以截面1——1’为基准水平面。在两截面间列柏努利方程，即1,2222121122fhpugZpugZ式中01ZmZ5.1202(0221,1uuhpf表压）表压）(/1047.2100133.17601852452mNp将上列数值代入柏努利方程式，并解得水在管内的流速为smu/25.2)5.181.910001047.2(4水的流量为skguAws/92.71000071.04222）泵的有效功率贮槽水面为上游截面1——1’，排水管与喷头连接处为下游截面3——3’，仍以截面1——1’为基准水平面。在两截面间列柏努利方程，即2,1,2222121122ffehhpugZWpugZ式中（表压）000111puZ表压）(/10807.9/21424222mNpsmumZ2222,1,12102uuuhhff将上列数值代入柏努利方程式，并解得kgJWe/4.28525.12100010807.91481.924泵的有效功率为k2.14解：本题属于不稳定流动，槽内液面下降1m时所需要的时间，可通过微分时间内的物料衡式与瞬间柏努利方程式求解。在dθ时间内对系统作物料衡算。设F’为瞬时进料率，D’为瞬时出料率，dA’为在dθ时间内的积累量，则在dθ时间内的物料衡算试为F’dθ―D’dθ=dA’又设在dθ时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u。式中F’=0D’=ud204dhDAd24则上式变为dhDudd2044或udhdDd20）（式（a）中瞬时液面高度h（以排液管中心线为基准）与瞬时流速u的关系，可由瞬间的柏努利方程式获得。在瞬间液面1——1’与管子出口外侧截面2——2’间柏努利方程式，并通过截面2——2’的中心作基准水平面，得fhpugZpugZ2222121122式中hZ102Z221212000uhppuuf将上列数值代入上式，并简化为9.81h=202u即hu7.0以上式b代入式a，得hdhhdhdDd7.0)032.02(7.0)(220=―5580hdh在下列边界条件下积分上式，即210mhmh122112021215580hhhdhd解得θ=―5580×2121221][hhhh=5580×2hs284.14632)12(1.15解：1）泵的轴功率在循环管路中任选某截面为1——1’，并兼为截面2——2’（意即流体由截面1——1’出发，完成一个流动循环后达到截面2——2’）。在两截面间列柏努利方程式，得fehpugZWpugZ2222121122因截面1——1’与截面2——2’重合，所以21211ZZppuu则上式可简化为kgJhhhWBAfABffe/1.147491.98,,流体的质量流量为skgVwss/113600/110036泵的轴功率为k2）B处压强表的读数在两压强表所在的位置截面A与截面B之间列柏努利方程式，并通过截面A中心做基准水平面，得ABfBBBAAAhpugZpugZ,2222式中0AZmZB7kgJhmNpuuABfABA/1.98(/1045.210807.95.2,254表压）将以上数据代入柏努利方程式，解得245/102.61100)1.98781.9(1045.2mNpB（表压）B处压强表的读数为244/63.01087.9102.6cmkgpB1.16解：1）用SI单位计算从本教材附录十七中查得70%醋酸在20℃时3/1069mkg，23/105.2msNd=1.5cm=0.015msmu/882.01069015.0460102则2105.21069882.0015.0duRe=5657属于湍流2）用物理单位计算5657025.0069.12.885.1/2.885.1)/(025.0/069.13