化工原理第四版第一章课后习题答案.docx

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化工原理第四版第一章课后习题答案

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

（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1-8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=?

在等压面

（2）

【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，

【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，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

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。

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，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

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，忽略能量损失。

截面2处的静压头水柱

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49kPa。

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。

【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）

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20℃60℃

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

【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。

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

①水平管

在A、B两截面列伯努利方程

因，故得

②垂直管

在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

①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

②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

【1-31】把内