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图中所标注的尺寸均以mm计。
解:
为计算管内各截面的压强,应首先计算管内水的流速。
先在贮槽水面1-1'
及管子出口内侧截面6-6'
间列柏努利方程式,并以截面6-6'
为基准水平面。
由于管路的能量损失忽略不计,即
=0,故柏努利方程式可写为
式中Z1=1mZ6=0p1=0(表压)p6=0(表压)u1≈0
将上列数值代入上式,并简化得
解得u6=4.43m/s
由于管路直径无变化,则管路各截面积相等。
根据连续性方程式知Vs=Au=常数,故管内各截面的流速不变,即
u2=u3=u4=u5=u6=4.43m/s
则
因流动系统的能量损失可忽略不计,故水可视为理想流体,则系统内各截面上流体的总机械能E相等,即
总机械能可以用系统内任何截面去计算,但根据本题条件,以贮槽水面1-1'
处的总机械能计算较为简便。
现取截面2-2'
为基准水平面,则上式中Z=2m,p=101330Pa,u≈0,所以总机械能为
计算各截面的压强时,亦应以截面2-2'
为基准水平面,则Z2=0,Z3=3m,Z4=3.5m,Z5=3m。
(1)截面2-2'
的压强
(2)截面3-3'
(3)截面4-4'
(4)截面5-5'
从以上结果可以看出,压强不断变化,这是位能与静压强反复转换的结果。
2、料液自高位槽流入精馏塔,如附图所示。
塔内压强为1.96×
104Pa(表压),输送管道为φ36×
2mm无缝钢管,管长8m。
管路中装有90°
标准弯头两个,180°
回弯头一个,球心阀(全开)一个。
为使料液以3m3/h的流量流入塔中,问高位槽应安置多高?
(即位差Z应为多少米)。
料液在操作温度下的物性:
密度ρ=861kg/m3;
粘度μ=0.643×
10-3Pa·
s。
取管出口处的水平面作为基准面。
在高位槽液面1-1与管出口截面2-2间列柏努利方程
式中Z1=ZZ2=0p1=0(表压)
u1≈0p2=1.96×
104Pa
阻力损失
取管壁绝对粗糙度ε=0.3mm,则:
由图1-23查得λ=0.039
局部阻力系数由表1-4查得为
进口突然缩小(入管口)ζ=0.5
90°
标准弯头ζ=0.75
180°
回弯头ζ=1.5
球心阀(全开)ζ=6.4
故
=10.6J/kg
所求位差
截面2-2也可取在管出口外端,此时料液流入塔内,速度u2为零。
但局部阻力应计入突然扩大(流入大容器的出口)损失ζ=1,故两种计算方法结果相同。
传热复习题
1、多层平壁定态导热中,若某层的热阻最小,则该层两侧的温差__最小__。
2、一定质量的流体在Ф25mm×
2.5mm的直管内作强制的湍流流动,其对流传热系数
αi=1000W/(m2·
℃),如果流量和物性不变,改在Ф19mm×
2mm的直管内流动,其αi=__1678__W/(m2·
℃)
3、在蒸汽—空气间壁换热过程中,为强化传热,下列方案中在工程上最有效的是__A__。
A.提高空气流速B.提高蒸汽流速
C.采用过热蒸汽以提高蒸汽流速
D.在蒸汽一侧管壁上装翅片,增加冷凝面积并及时导走冷凝液
4、在管壳式换热器中饱和蒸汽加热空气,则
(1)传热管的壁温接近___饱和蒸汽__温度
(2)换热器总传热系数将接近_____空气____对流传热系数
5、在蒸汽冷凝传热中,不凝气体的存在对α的影响是____A____
A.不凝气体的存在会使α大大降低B.不凝气体的存在会使α升高
C.不凝气体的存在对α无影响
6、大容器内饱和液体沸腾分为____自然对流____、____泡核沸腾_____和____膜状沸腾_____阶段。
工业上总是设法在_____泡核沸腾_____下操作。
7、斯蒂芬—波尔兹曼定律的数学表达式是
,该式表明__黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比___
8、物体黑度是指在___相同__温度下,灰体的__辐射能力__和__黑体辐射能力__之比,在数值上它与同一温度下物体的__吸收率__相等。
计算题
9、质量流量为7200kg/h的常压空气,要求将其温度由20℃加热到80℃,选用108℃的饱和水蒸气作加热介质。
若水蒸气的冷凝传热膜系数为1×
104W/(m2·
℃),且已知空气在平均温度下的物性数据如下:
比热容为1kJ/(kg·
℃),导热系数为2.85×
10-2W/(m·
℃),粘度为1.98×
10-5Pa·
s,普兰特准数为0.7。
现有一单程列管式换热器,装有Ф25mm×
2.5mm钢管200根,管长为2m,核算此换热器能否完成上述传热任务?
计算中可忽略管壁及两侧污垢的热阻,不计热损失
空气需要吸收的热量是已知的,蒸汽冷凝放出热量能否通过该换热器的传递为空气所获得,就与列管换热器的传热速率密切相关。
核算现有的列管换热器是否合用,就是用工艺本身的要求与现有换热器相比较,最直接的方法就是比较两者的Q或S0
(1)核算空气所需的热负荷应小于换热器的传热速率,即Q需要<Q换热器
(2)核算空气所需的传热面积应小于换热器提供的传热面积,即S0需要<S0换热器
解题时,首先应确定列管换热器中流体的流径,因蒸汽安排在壳程易排出冷凝水,故蒸汽走壳程,空气走管程。
空气热负荷为
换热器的传热速率
管内空气的对流传热系数计算:
所以
因忽略壁阻及污垢两侧的热阻,则
所以总传热系数
平均温度差为
换热器传热面积为
换热器的传热速率为
则Q换热器>Q需要,说明该换热器能完成上述传热任务。
10、在一列管式换热器中,管内的氢氧化钠溶液与管外的冷却水进行逆流传热。
氢氧化钠溶液的流量为1.2kg/s,比热容为3770kJ/(kg·
℃),从70℃冷却到35℃,对流传热系数为900W/(m2·
℃)。
冷却水的流量为1.8kg/s,比热容为4180kJ/(kg·
℃),入口温度为15℃,对流传热系数为1000W/(m2·
按平壁处理,管壁热阻、污垢热阻及换热器热损失均忽略。
试求:
换热器的传热面积。
(假设两流体均为湍流,物性不变,传热温度差可用算数平均值计算。
)
换热器的传热面积
先求冷流体出口温度
解出t2=36℃
因
所以平均温度差可以用算术平均值来计算
因按平壁处理
吸收复习题
一、对低浓度溶质的气液平衡系统,当总压降低时,亨利系数E将_不变_,相平衡常数m将_增大_,H将_不变_
二、亨利定律表达式
若气体在水中的亨利系数E值很小,说明该气体为_易溶_气体
三、在吸收过程中,Ky和ky是以__y—y*_和_y—yi_为推动力的吸收系数,它们的单位是_kmol/(m2·
s·
Δy)
四、若总吸收系数和分吸收系数的关系可以用
,其中
表示_气膜阻力,当_1/(HkL)_项可忽略时,表示该吸收过程为气膜控制。
五、在1atm,20℃时,某浓度气体被清水吸收,若气膜吸收系数kG=0.1kmol/(
液膜吸收系数kL=0.25kmol/(
溶质的亨利系数H=149.3
则该溶质为_易溶_气体,气相总吸收系数Ky=_0.0997_kmol/(
六、一般而言,两组分A,B的等摩尔相互扩散体现在__精馏__单元操作当中,而组分A在B中单相扩散体现在__吸收__单元操作中。
七、在吸收过程中,若降低吸收剂用量,对气膜控制物系,体积吸收总系数KYa值将_不变_,对液膜控制物系,体积吸收总系数KYa值将___减小__
八、双膜理论是将整个相际传质过程简化为_通过气、液两膜层的分子扩散过程__
九、吸收塔的操作线方程和操作线是通过__物料衡算__得到的。
它们与__平衡关系_、_操作温度__和__压强及塔的结构__无关。
一十、吸收因数A可表示为_L/mG_,它在Y-X图中的几何意义是_操作线斜率和平衡线斜率之比_
一十一、若分别以S1、S2、S3表示难溶、中等溶解度、易溶气体在吸收过程中的脱吸因数,吸收过程中操作条件相同,则S1_大于__S2__大于__S3
一十二、吸收过程中,若减小吸收剂用量,操作线的斜率__变小__,吸收推动力__变小__
一十三、吸收过程中,物系平衡关系可以用Y*=mX表示,最小液气比的计算式
=
干燥复习题
1、对流干燥操作的必要条件是_湿物料表面的水汽分压大于干燥介质中的水汽分压;
干燥过程是存在传热传质推动力,热量传递和质量传递相结合的过程
2、在101.3kPa的总压下,在间壁式换热器中将温度为293K、相对湿度为80%的湿空气加热,则该空气下列状态参数变化的趋势是:
湿度H不变,相对湿度φ降低_,湿球温度tW_增高_,露点温度td_不变。
3、在101.3kPa的总压下,将饱和空气的温度从t1降至t2,则该空气的下列状态参数变化的趋势是:
湿度H__降低_____,相对湿度φ_不变___,湿球温度tW__降低__________,露点温度td__降低____。
4、在实际的干燥操作中,常用__干湿球温度计_____来测量空气的温度。
5、测定空气中水汽分压的实验方法是测量___露点______________。
6、恒定的干燥条件是指空气的__温度___、__湿度(或相对湿度)____、__流速____均不变的干燥过程。
7、在一定的温度和总压强下,以湿空气作干燥介质,当所用空气的相对湿度φ较大时,则湿物料的平衡水分相应_增大___,其自由水分相应__减小__________。
8、恒速干燥阶段又称__表面汽化_控制阶段,影响该阶段干燥速率的主要因素是干燥介质的状况、流速及其与物料的接触方式;
降速干燥阶段又称内部迁移控制阶段,影响该阶段干燥速率的主要因素是_物料结构、尺寸及其与干燥介质的接触方式、物料本身的温度_。
9、在恒速干燥阶段,湿物料的表面温度近似等于__热空气的湿球温度_____。
10、理想干燥器或绝热干燥过程是指_干燥器不补充热量,忽略干燥器的热损失,忽略加热物料所消耗的热量_,干燥介质进入和离开干燥器的焓值__相等____。
11、物料的平衡水分一定是__结合水分___。
12、在常压和40℃下,测得湿物料的干基含水量X与空气的相对湿度φ之间的平衡关系是:
当φ=100%时,平衡含水量X*=0.16kg/kg绝干料;
当φ=40%时,平衡含水量X*=0.04kg/kg绝干料。
已知该物料的初始含水量X1=0.23kg/kg绝干料,现让该物料在40℃下与φ=40%的空气充分接触,非结合水含量为_0.07__kg/kg绝干料,自由含水量为___0.19kg/kg绝干料_______。
流体流动与输送机械
习题及答案
一.填空题
1.当20℃的甘油(ρ=1261kg.m-3,μ=1499厘泊)在内径为100mm的管内流动时,若流速为2.0m.s-1时,其雷诺准数Re为__________,其摩擦阻力系数λ为________.
*****答案*****
168.2;
0.38
2.流体在圆形直管中作层流流动,如果流量等不变,只是将管径增大一倍,则阻力损失为原来的________。
1/16
3.柏努利方程如衡算基准以J.kg-1表示,柏努利方程可表示为
________________________,若用N.m-2(N.m.m-3)表示则可表示为_________________________。
gZ+P1/ρ+u
/2=gZ2+P2/ρ+u
/2+∑hf;
ρgZ1+P1+u
/2×
ρ=ρgZ2+P2+u
/2×
ρ+∑hf
4.流体的粘度指______________________________________。
粘度值随温度变化而变化,对于液体,温度升高,粘度________;
对于气体,温度升高,粘度________。
流体流动时,相邻流体层间,在单位接触面上,速度梯度为1时,所产生的内摩擦力减少增大
5.牛顿粘性定律表达式为________,其粘性系数(粘度)的物理意义是____________________。
τ=F/A=μd.u/dy;
在单位接触面积上,速度梯度为1时,流体层间的内摩擦力。
6.当量直径的定义是de=____________,边长为a正方形风管,当量直径de=__________。
d=4×
流通截面积/浸润周边de=a
7.某流体在圆形直管中作滞流流动时,其速度分布是_______型曲线,其管中心最大流速为平均流速的_______倍,摩擦系数λ与Re的关系为___________。
抛物线;
2倍;
λ=64/Re
8.已知一密闭管路,管的内径为d,管长为L,液体在管内作稳定连续层流流动,流量为Vm3.s-1,总的阻力损失为hf。
现将管的内径换成d/2,其它均不改变,此时新管路内的流速为_____m.s-1,流体流动的总阻力损失为______m。
4V;
16hf
9.孔板流量计和转子流量计的最主要区别在于:
前者是恒______,变_____;
后者是恒_________,变_________。
截面;
压差;
截面
10.在测速管中,测压孔正对水流方向的测压管液位代表______,流体流过测速管侧壁小孔的测压管液位代表__________。
冲压头;
静压头
二.选择题
1.流体在园管内作湍流流动时,其平均流速u与管中心的最大流速umax的关系为()。
A.u≈1.5umaxB.u≈0.8umaxC.u≈0.5umax
*****答案*****B
2.在稳定流动的并联管路中,管子长,直径小,而摩擦系数大的管段,通过的流量()。
A.与主管相同B.大C.小
*****答案*****C
3.水在园形直管中作滞流流动,流速不变,若管子直径增大一倍,则阻力损失为原来的()。
A.1/4B.1/2C.2倍
*****答案*****A
4.在一定流量下,流体在并联管路中作稳定连续流动,当并联管路数目愈多,则()。
A.流体阻力损失越大B.流体阻力损失越小
C.流体阻力损失与并联管数无关
5.流体在园管内作滞流流动时,阻力与流速的()成比例,作完全湍流时,则呈()成比例。
A.平方B.五次方C.一次方
*****答案*****C;
6.下图中高位槽液面保持恒定,液体以一定流量流经管路,ab与cd两段长度相等,管径与管壁粗糙度相同,则()。
(1)U形压差计读数
A.R1>R2B.R1=R2C.R1<R2D.不定
(2)液体通过ab与cd段能量损失______。
A.hfab>hfcdB.hfab=hfcdC.hfab<hfcdD.不定
(3)ab与cd两段压差______。
A.ΔPab>ΔPcdB.ΔPab=ΔPcdC.ΔPab<ΔPcdD.不定
(4)R1值表示_______。
A.ab段的压差值B.ab段位能变化C.ab段流动能量损失D.ab段压差值及流动能量损失
(1)B.R1=R2
(2)B.hfab=hfcd
(3)C.ΔPab<ΔPcd
(4)C.R1值表示ab段流动能量损失。
*本题hfab=R1(ρi-ρ)/ρ
hfcd=hfab=R2(ρi-ρ)/ρ
R1=R2
ΔPcd/ρg=hfcd=R2(ρi-ρ)/ρ
ΔPab/ρg=R1(ρi-ρ)/ρ-l
三.判断题
1.离心泵开泵之前要先灌液,目的是防止气蚀现象发生。
()
*****答案*****×
2.为减少吸入管路的阻力损失,一般应使吸入管径小于排出管径()
3.当关小离心泵的出口阀时,泵的扬程增大了,其升扬高度提高了()。
4.离心泵开泵之前要先灌液,目的是防止气蚀现象发生。
5.若将同一转速的同一型号离心泵分别装在一条阻力很大,一条阻力很小的管路中进行性能测量时,其测出泵的性能曲线就不一样()。
其实际供给管路的最大流量也不一样()。
√
6.若将同一转速的同一型号离心泵分别装在一条阻力很大,一条阻力很小的管路中进行性能测量时,其测出泵的性能曲线就不一样()。
四.计算题
1.水在一倾斜管中流动,如附图所示,已知压差计读数为200mm,试问测量段的阻力为多少?
在两测压孔之间列柏努利方程式:
Z1+P1/ρg+u
/2g=Z2+P2/ρg+u
/2g+hf1-2
∴hf1-2
=(P1-P2)/ρg-(Z2-Z1)-(u
-u
)/2g
=(P1-P2)/ρg-Z-(u
由静力学方程式可得
(P1-P2)/ρg=h(ρHg-ρ水)/ρ+Z
∴hf1-2=h(ρ汞-ρ水)/ρ-(u
u1=1m.s-1,u2=u1×
(d1/d2)2=1×
22=4m.s-1
∴hf1-2=0.2×
12.6-(16-1)/(2×
9.81)
=1.755mH2O=1755mmH2O=17221Pa
2.如图所示,用内径d=100mm的管道,从水箱中引水。
如水箱中水面恒定,水面高出管道出口中心高度H=4m,忽略水箱入管道的入口阻力损失。
水在管内流动损失,沿管长均匀发生,hfA-B=3·
u2/(2g)。
求:
(1)水在管内的流速u及流量Q
(2)管道中点处M的静压强PM。
(1)列0-0与2-2截面柏努利方程:
Z0+P0/ρg+u
/2g=Z2+P2/ρg+u
/2g+∑hf
以2-2截面为基准面,Z2=0,u0=0,P0=P2
∴4=u
/2g+3u
/2g=4×
u
/2g
解得u2=√(2g)=4.43m.s-1
∴V=uA=0.785×
0.12×
4.43
=0.0348m3.s-1=125m3.h-1
(2)列M点与出口截面的柏努利方程
ZM+PM/ρg+u
/2g=Z2+P2/ρg+u
/2g+∑hfM-2
1+PM/ρg+u
/2g=u
/2g+3/2×
∵uM=u2
∴PM/ρg=3/2×
/2g-1=0.5mH2O
∴PM=0.5×
9.81×
103=4.9×
103N.m-2
3.现用一虹吸管来输送相对密度为1.2的某酸液,如附图示。
设酸液流经虹吸管的阻力忽略不计,问:
(1)图A处(管内)和B处(管内)的压强各为多少kN.m-2?
(2)若要增大输送量,你认为对此装置采用何种改进最为简单?
为什么?
(1)在储槽液面1-1及管内A处截面A-A列柏式:
Z1g+P1/ρ+u
/2=ZAg+PA/ρ+u
/2+hf1-A.......
(1)
在储槽液面1-1及虹吸管出口内侧2-2列柏式:
/2=Z2g+P2/ρ+u
/2+hf1-2........
(2)
联解
(1)
(2)得:
u2=2.8m.s-1,PA=-4.7kN.m-2(表压)
同时,当液体从1-1连续流到管内B处B-B*时
Z1g+P1/ρ+u21/2=ZBg+PB/ρ+uB2/2+h1-B
0=0.2×
9.807+PB/1200+2.82/2
∴PB=-7.06kN.m-2(表压)
(2)∵V=πd2u/4当h1-2=0时,u=(2g△Z)1/2
∴欲使V↑,简单方法是:
①使d↑,即换一条直径较大的虹吸管
②使u↑,则应使△Z↑,即可适当加长虹吸管,使其出口处降低。
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