《化工原理I》计算试题_答案

11.（20分）如图所示，油在光滑管中以u=2m/s的速度流动，油的密度ρ=920kg/m3，管长L=3m，直径d=50mm，水银压差计测得R=15.0mm。试求：（1）油在管中的流动形态；（2）油的粘度；（3）若保持相同的平均流速反向流动，压差计读数有何变化？层流：λ=64/Re；湍流：λ=0.3164/Re0.25。解：12ABRCD（1）列1截面和2截面间柏努利方程，取2截面为基准面fhupgZupgZ2222222111gZZpphf2121pD=pDpC=p2+（Z2–ZA）ρg+Rρ0gpD=p1+（Z1–Z2）ρg+（Z2–ZB）ρg+Rρgp1–p2=R（ρ0-ρ）g-（Z1–Z2）ρgR（ρ0-ρ）g=p1–p2+（Z1–Z2）ρg03.281.992092013600015.00gRhf（J/kg）设管中为湍流：25.0Re3164.003.22Re3164.02225.02udLudLhf7034.182205.0303.23164.0Re225.0Re=1.224×1052000（湍流）∴油在管中为湍流流动（8分）（2）510224.1Redu27516.010516.710224.1920205.045sPa（cP）（4分）（3）列1截面和2截面间柏努利方程，取2截面为基准面fhupgZupgZ2221112222221212udLgZZpphf∴∑hf′=∑hf∵|Z2–Z1|=|Z1–Z2|∴|p2–p1|=|p1–p2|即压差计读数R不变，但左边低右边高。（8分）2.（20分）如图所示，已知：D=100mm，d=50mm，H=150mm，ρ气=1.2kg/m3。当U形管读数R=25mm时，将水从水池中吸入水平管中，问此时气体流量V为多少m3/s（阻力可忽略）。PaR1Hgd气体20DPa2′H1′水解：以0截面为基准，列截面1和截面2之间的柏努利方程gugpgugp22222211p1=ρHgRg=13600×0.025×9.81=3335(Pa)p2=-Hρ水g=-0.15×1000×9.81=-1472(Pa)221244uduD112122450100uuudDugugppgugppgu21622211222122132121215ppu11.232.115147233352152211ppu(m/s))/(1.653)/(1814.011.2341.014.3433212hmsmuDV3.（16分）如图示循环管路，离心泵的安装高度Hg=3m，泵特性曲线可近似表示为：H=23-1.43×105Q2，式中Q以m3/s表示。吸入管长（包括全部局部阻力的当量长度）为10m，排出管长（包括全部局部阻力的当量长度）为120m，管内径均为50mm，假设摩擦系数λ=0.02，水温20℃。试求：（1）管路内的循环水量为多少？（2）泵进、出口压强各为多少？（1）列管路进出口间柏努利方程feHgugpzHgugpz2222222111∵z1=z2u1=u2p1=p2∴gdVdlgudlHHfe24222222522581.914.3805.01012002.08VgVdlHeHe=6.88×105V2∵H=23–1.43×105Q2H=HeV=Q∴23–1.43×105V2=6.88×105V2V=5.26×10-3m3/s=18.9m3/h（8分）（2）列进水液面与泵入口处之间柏努利方程gudlgpguHgpga2221112168.205.014.31026.5442321dVu（m/s）Hg4212111udlgHppga473861000268.205.01002.0181.91000321ppa（Pa）（真空度）列进水液面与泵出口处之间柏努利方程gudlgpHgudlgpguHHgpggea21222212221222212212udlgHHppgeau2=u1=2.68m/sHe=6.88×105V2=6.88×105×(5.26×10-3)2=19（m）5221039.11000268.205.01002.0181.91000319app（Pa）（表压）（4分）4.（40分）如图所示，用清水泵将池A中水打到高位槽B中，泵的特性曲线可用H=25－0.004Q2表达，式中Q的单位为m3/h，吸入管路的阻力损失为4m水柱，泵出口处装有压力表，泵的阻力损失可忽略。管路为Ф57×3.5mm钢管。管路C处装有一个调节阀，调节阀在某一开度时的阻力系数ζ=6.0，两U形管压差计读数R1=800mm，R2=700mm，指示液为CCl4（密度ρ0=1600kg/m3），连通管指示液面上充满水，水的密度ρ=1000kg/m3，求：（1）管路中水的流量为多少？（单台泵）（2）泵出口处压力表读数为多少？（单台泵）（3）并联一台相同型号离心泵，写出并联后泵的特性曲线方程；（4）若并联后管路特性曲线方程L=13.5＋0.006Q2，求并联后输水量为多少m3/hBChP2mR1R2ARCCl4解：（1）22up5由静力学基本方程：pa=pbpc=pdpe=pfpa=pb=p1+ρ（h+R1）gpc=pd=pb–ρ0R1g=p1+ρ（h+R1）g-ρ0R1gpe=pf=pd+ρ（R1+R）g=p1+ρ（h+R1）g-ρ0R1g+ρ（R1+R）gpf=p2+ρ（h+R1+R–R2）g+ρ0R2g∴p1+ρ（h+R1）g-ρ0R1g+ρ（R1+R）g=p2+ρ（h+R1+R–R2）g+ρ0R2gΔp=p1–p2=R2ρ0g-R2ρg+R1ρ0g–R1ρg=（R1+R2）（ρ0-ρ）g=（0.8+0.7）×（1600-1000）×9.807=8.82×103（Pa）94.2100061082.82232puu=1.71（m/s）11.12360071.105.04422udQ（m3/h）（2）列池面与泵出口压力表截面的柏努利方程feHgugpzHgugpz2222212111p1=0（表）u1≈0feHguzzHgp22122He=H=25–0.004Q2=25–0.004×12.112=24.4（m）25.18481.9271.124.2422gp（m）p2=18.25ρg=18.25×1000×9.81=178.9×103（Pa）（表）（3）∵H并=HQ并=2Q∴并QQ21代入H=25–0.004Q22241004.02521004.025并并并QQH2001.025并并QH（4）L=13.5+0.006Q22001.025并并QH6并联后泵的工作点：L=H并Q=Q并∴22001.025006.05.13并并QQQ并=40.5（m3/h）5．（15分）某液体由一敞口贮槽经泵送至精馏塔，管道入塔处与贮槽液面间的垂直距离为12m，流体经换热器的压力损失为0.3kgf/cm2，精馏塔压强为1kgf/cm2（表），排出管路为Φ114×4mm的钢管，管长为120m（包括局部阻力的当量长度），流速为1.5m/s，液体比重为0.96，摩擦系数为0.03，其它物性参数均与水极为接近。泵吸入管路压力损失为1m，吸入管径为Φ114×4mm。试通过计算，选择下列较合适的离心泵。（2）泵与贮槽液面间的最大垂直距离不能超过多少米？注：当地大气压为736mmHg。型号Q(m3/h)H(m)η(%)Hs(m)2B192216666.03B57A5037.5646.44B919091686.2换热器精馏塔12mHg（1）列贮槽液面与塔进口间的柏努利方程20,2222200022fHgugpZHgugpZu0=0Z0=0p0=0(表)p2=1kgf/cm2=0.981×105Pa（表）ρ=960kg/m3ΣHf,0-2=Hf吸入管路+Hf换热器+Hf排出管路789.381.925.1106.012003.0222gudlHf排出管路m015.889.3125.3189.381.9960981003.0120,fH(m)20,22222fHgugpZH55.30015.881.925.181.996098100122H(m)63.4736005.1106.04422udQ(m3/h)∴选择3B57A型水泵。（9分）（2）488.681.99603.13373633.104.633.10gpHHass(m)373.5181.925.1488.62210,2fsgHguHH(m)∴最大垂直距离不能超过5.373m。（6分）6．（18分）在如图所示的管路系统中，有一直径为Ф38×2.5mm、长为30m的水平直管段AB，在其中装有孔径为16.4mm的标准孔板流量计来测量流量，流量系数C0为0.63，流体流经孔板流量计的永久压降为6×104Pa，AB段摩擦系数λ为0.022，试计算：（1）流体流经AB段的压强差；（2）若泵的轴功率为800W，效率为62%，求AB段所消耗的功率为泵的有效功率的百分率。已知：操作条件下所输送液体的密度为870kg/m3，U形管中的指示液为汞，其密度为13600kg/m3。孔板流量计ABR=0.6m解：（1）gRdCgRACV0200000242285.687081.9870136006.020164.0414.363.02V（m3/h）8042.23600033.014.3285.64422dVu（m/s）列A、B间柏努利方程fBBBAAAhpugzpugz2222ZA=ZBuA=uBfBAhpp7.1108701062042.2033.030022.010624242udlhf（J/kg）9.962767.110870BApp（Pa）（12分）（2）有效功:Ne=Nη=800×0.62=496(W)AB段所消耗的功率:Nf=VρΣhf=6.285×870×110.7/3600=168.1(W)%9.33%1004961.168efNN（6分）7．（18分）在如图所示的管路系统中，用离心泵将40℃的油品（ρ=800kg/m3）由容器A送至罐B，全部管线的直径均为Ф57×3.5mm，在其中装有孔径为20mm的标准孔板流量计来测量流量，流量系数C0为0.63，今测得孔板流量计读数R为0.6m，指示液为汞。泵前后压力表读数分别为0.8at和4.8at（两压力表间的垂直距离很小，可忽略）。容器A液面上方压强为0.64at（表），罐B则与大气相通。在操作过程中，A、B液面及其上方的压强均保持不变，油品在管内的流动处于阻力平方区，摩擦系数为0.03。试求：（1）泵在该流量下的有效扬程（m）；（2）自A至B全部管线的总当量长度（包括局部阻力的当量长度）。解：（1）5081.98001081.98.08.4412gppH(m)（4分）（2）列A和B两截面的柏努利方程fBBBAA