化工原理计算试题

∑Hf =λ(l/d)UB/2g (λ(l/d)-1)UB/2g=25-18=7.0 UB/2g =7/(λ(l/d)-1)=7/(0.024×180/0.1-1)=0.166 ∴ UB=1.8m/s

qv=(π/4)dUB=(π/4)×0.1×1.8=0.01417m /s=51.0m /h

(2) ⑴工作点:由qv查图b得工作点P(51,31) 10分 ∴ H=31.0m η=70% ⑵Pf =? 在0-0及C-C列方程: 0+H=ZC+∑Hf0-C

∑Hf0-C=H-ZC

3

2

2

3

3

2

22

∑Hf =31-(18+0.5+1.5)=11.0

Pf =11×51×1000×9.81/(3600×0.7×10)=2.18 KW (3) 略 5分 9．j01b15183

如图所示，槽内水位维持不变。槽底部与内径为100mm钢管相连，管路上装有一个闸阀，阀前离管路入口端15m处安有一个指示液为汞的Ｕ形压差计，测压点与管路出口端之间距离为20m。

(1) 当闸阀关闭时测得Ｒ=600mm，ｈ=1500mm；当闸阀部分开启时，测得Ｒ=400mm，

ｈ=1400mm，管路摩擦系数取0.02，入口处局部阻力系数取0.5，问每小时从管中流出水量为多少m3。

(2)当阀全开时（取闸阀全开Le/d=15，λ=0.018），测压点Ｂ处的静压强为若干N/m（表压）。

2

j01b15183

解:(1)当闸阀全关时,根据静力学关系: (ZA+h)ρg=RρHgg

得水槽液位高度:ZA=RρHg/ρ-h=0.6×13.6-1.5=6.66m (2) 闸阀部分开启时

列A-A与B-B截面伯努利方程式 ZA=uB/2g+PB/ρg+∑hfAB

PB/ρg=(RρHg-hρ)/ρ=(0.4×1.36×10-1.4×1000)/1000=4.04m ZA-PB/ρg=uB/2g+(λ(L/d)+ζ)uB/2g=(1+λ(L/d)+ζ)uB/2g 6.66-4.04=(1+0.02×15/0.1+0.5)uB/2g=4.5uB/2g ∴uB=2.62?2?9.81/4.5=3.38 m/s

V=(π/4)×du×3600=0.785×0.1×3.38×3600=95.5 m/h (3)当闸阀全开时,列A-A与C-C截面伯努利方程: ZA=uc/2g+∑hfA-C=(1+λ(L+Le)/d+ζ)uc/2g 6.66=(1+0.018(35/0.1+15)+0.5)uc/2g 解得uc=4.02m/s

由A-A与B-B截面间伯努利方程式得: ZA=uB/2g+PB/ρg+∑hfAB

2

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

4

2

=PB/ρg+(1+λ(L/d)+ζ)uB/2g ∴PB/ρg=ZA-(1+λ(L/d)+ζ)uB/2g

=6.66-(1+0.018×15/0.1+0.5)×4.02 /(2×9.81) =3.20 m

∴PB=3.20×1000×9.81=3.14×10N/m 10. [三]计算题(15分) j01b20095

某液体密度800kg/m，粘度73cP，在连接两容器间的光滑管中流动，管径300mm，总长为50m(包括局部当量长度)，两容器液面差为3.2m(如图示)。 求：⑴ 管内流量为多少?

⑵ 若在连接管口装一阀门，调节此阀的开度使流量减为原来的一半，阀的局部阻力系数是多少?按该管折算的当量长度又是多少? 层流：λ=64/Re；湍流：λ=0.3164/Rej01b20095

⑴在1-1面和2-2面之间，列柏式以2-2面为基准面：u1≈u2≈0 gz1=Σhf1-2 =λ(l/d)(u/2)

设流体流动符合柏拉修斯公式：λ=0.3164/ReRe=duρ/μ ∴gz1=(0.3164/Re

0.25

0.25

2

0.25

2

0.25

3

4

2

2

2

2

0.25

)(l/d)(u/2)=[0.3164/(ρ/μ)

0.25

](l/d

1.25

)(u/2) ∴u

1.751.75

=2gz1/{[0.3164/(ρ/μ)

]×(l/d)}

](50/0.3

1.25

1.25

=2×9.81×3.2/{[0.3164/(800/0.073)

2

2

)}=9.01542

3

∴u=3.513m/s 验证：Re=0.3×3.513×800/0.073=11550>3000，假设正确 ∴V=Su=(π/4)du=(π/4)(0.3)×3.513×3600=893.95(m/hr)

⑵流量减半，即是流速减半 u=3.513/2=1.7565m/s Re=5775符合柏拉斯式条件 列1-1面至2-2之间的柏式：gz1=[(0.3164/Re∴ζ=2gz1/u-(0.3164/Re

2

2

2

0.25

0.25

)(l/d)+ζ](u/2)

2

)(l/d)

0.25

=2×9.81×3.2/1.7565-(0.3164/5775

2

)×(50/0.3)=14.3

0.25

又ζ(u/2)=λ(le /d)(u/2)=(0.3164/Re ∴ζ=(0.3164/Re

0.25

)(le /d)(u/2)

0.25

2

)(le /d)

0.25

le =(dζ/0.3164)Re=(0.3×14.3/0.3164)×5775=118.2(m)

传热过程计算 1 j04c2012614

有一套管换热器，由内管为 φ54×2ｍｍ，套管为φ116×4ｍｍ的钢管组成。内管中苯自５０℃被加热至８０℃，流量为４０００kg/h。环隙中为２at（绝）的饱和水蒸汽冷凝。蒸汽冷凝传热系数为10000W/m.℃。

已知：苯在５０～８０℃之间的物性数据平均值为： ρ＝８８０kg/m

ＣP＝1.86.86kJ/kg.℃

2

2

λ＝０．１３４W/m.℃， μ＝０．３９cP 管内侧污垢热阻 Ｒ1＝0.0004m.℃/W 管壁及管外侧污垢热阻不计。

蒸汽温度与压强关系如下表所示

压强 at(绝) 1.0 2.0 3.0 温度 ℃ 99.1 120 133 试求：A)管壁对苯的对流传热系数；

B)套管的有效长度；

C)若加热蒸汽压力降为１at（绝），问苯出口温度有何变化？应为多少？

解: （1）Re=d1.G/μ=[0.05×4000/(3600×π/4×0.05)]/(0.39×10)

=7.2586×10

4

3

-3

2

-3

Ｐr =ＣPμ/λ=1.86×１０×0.39×１０/0.134= 5.4 α1=0.023λ/ｄ（Ｒe ）（Ｐr ）

3

0.8

0.4

4

0.8

0.4

2

=(0.023×0.134/0.05)×（7.2586×１０）×5.4=936.4 W/m .℃ （２）Ｑ＝4000/3600×1.86×１０(80-50)=6.2×１０ W

１／Ｋ1＝1/936.4 +1/10000+0.0004 ∴ Ｋ1＝637.8 W/m

Δｔm =（(120-50)-(120-80)）／ｌｎ(120-50)/(120-80)=53.6℃ Ａ1＝Ｑ／（Ｋ1Δｔm ）＝6.2×１０/(637.8×53.6)= 1.814mｌ＝Ａ1／（πｄ内）＝1.814/(π×0.05)=11.55 m

（３）Ｋ不变，Ａ不变，Ｔ变为99.1℃，苯的流量及比热均不变。 设出口温度为ｔ2′ ，在新条件下，传热速率方程变为

Q=GCp(t2′-t1)=KA△tm

4000/3600×1.86×１０ (ｔ2 ′ -50)

=637.8×1.814（(99.1-50)-(99.1-ｔ2′ )）／ｌｎ(99.1-50)/(99.1-ｔ2′) 解得 ｌｎ(99.1-50)/(99.1-ｔ2′ )=0.5598

∴ ｔ2′ = 71℃

2、j04b200891 (20分)

用一传热面积为3m由φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器, 用初温为 10℃ 的水将机油由200℃ 冷却至100℃ , 水走管内, 油走管间。 已知水和机油的质量流量分 别为1000kg/h和1200kg/h, 其比热分别为4.18kJ/kg.K 和2.0kJ/kg.K; 水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/m.K 和250W/m.K, 两流体呈逆流流动, 忽略管壁和污垢热阻。

A)计算说明该换热器是否合用?

B)夏天当水的初温达到30℃, 而油的流量及冷却程度 不变时, 该换热器是否合用? 如何解决? (假设传热系数不变) 2. (20分)j04b2008910

解：(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000KJ/h

Q2=Q1, t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+24000/(1000×4.18)=67.4℃ △tm=(123.6-90)/ln(123.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20) K1=216.2W/m A1=Q1/(K△tm)=240000×10/(216.2×3600×110)=2.8m<3m (2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃ △tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃ A1=240000×10/(3600×89.6×216.2)=3.45m>3m3．j04c201288

在逆流操作的列管换热器中，把氢氧化钠溶液从70℃冷却到35℃，氢氧化钠走管内，流量为１．１１kg/s，比热为3770J/kg.K，氢氧化钠对管壁的对流传热系数为930W/m.k现用１５℃的水作为冷却剂，水走管外，流量为１．６７kg/s，比热为４１８０J/kg.K，管壁对水的传热系数为1000W/m.K,(管壁热阻及垢阻略计),忽略热损失(可近似按平壁处理) 试求：

A)冷却剂出口温度及所需传热面积；

B)操作中若氢氧化钠及水的初始温度不变，而两流体的流量都增大一倍，则流量增大后的冷、热流体的出口温度变为多大？（假设两流体均为湍流，其物理性质不变, 传热温度差可取用算术平均值）。 解：１） Ｑ＝Ｇ1 ＣP1 (Ｔ1 -Ｔ2 )=1.11×3770×(70-35)=146464.5 W

22

3

2

2

3

2

2

2

2

2

2

3

4

2

2

4

.℃

K

故适用

不适用

解决办法是调大水量, 使t2↓, △tm↑, 并使α↑, K↑

忽略热损失，则 Ｑ＝Ｇ2 ＣP2 (ｔ2 -ｔ1 )

即146464.5=1.67×4180(t2 -15) 解得 ｔ2 =36℃ ∵ Δｔ1 /Δｔ2 ＜２

∴ Δｔm ＝（３４＋２０）／２＝２７℃ ∵ 为薄壁园筒，∴按平壁近似计算

Ｋ＝α1 α2 /(α1 +α2 )=930×1000/(930+1000)=481.9 W/m

∴ Ａ＝Ｑ／ＫΔｔm ＝146464.5/(481.9×27)=11.3 m２）忽略热损失，Ｑ吸＝Ｑ放

２Ｇ1 ＣP1 (Ｔ1 -Ｔ2′ )＝２Ｇ2 ＣP2 (ｔ2 ′ -ｔ1 )

2×1.11×3770(70-Ｔ2 ′ )=2×1.67×4180(ｔ2 ′ -15) 得 Ｔ2 ′ =95 - 1.67ｔ2 ′ －－－－－①

传热速率方程式：Ｑ＝Ｋ′ ＡΔTm ′ ＝２Ｇ1 ＣP1 (70- Ｔ2 ′ ) 其中： Ｋ′ ＝１／（１／(２×930) + １／(２×1000)＝838 W/m

Ａ＝１１．３m

代入原公式：

838×11.3×(55+Ｔ2 ′ -ｔ2 ′ )/2 = 2×1.11×3770×(70-Ｔ2 ′ ) 得： 2.77Ｔ2′ - 68.7 =ｔ2 ′ －－－－－②

联立方程①与②得：

Ｔ2′ =37.3℃ （升高了）

ｔ2 ′ =34.6℃ （冷却水温度下降）

4．j04b151096

９０℃的正丁醇，在逆流换热器中被冷却到５０℃，换热器的换热面积为６ｍ，传热系数K=230W/m℃，正丁醇的流量为1930Kg/h。冷却介质为18℃水,热损失可以忽略。 求：

A)冷却水出口温度；

B)冷却水消耗量。 ７０℃正丁醇Ｃp＝２．９８KJ/Kg.℃ 水 Ｃp＝４．１８７KJ/Kg.℃ 解：Ｑ＝Ｇh ＣP h (Ｔ1 -Ｔ2 )＝(1930/3600)×2.98×１０(90-50) ＝6.39×１０

4

3

2

2

2

2

2

2

.K

.K

Δｔm ′ ＝（(70-ｔ2′ )+(Ｔ2′-15)）／２＝(55+Ｔ2′-ｔ2′)/2

w

4

∴ Δｔm ＝Ｑ／ＫＡ＝6.39×１０／(230×6)＝46.3℃

Δｔm ＝（(Ｔ1 -ｔ2 )+(Ｔ2 -ｔ1 )）／２ ＝（(90-ｔ2 )+(50-18)）／２ ＝６１－ｔ2 ／２＝４６．３ ∴ ｔ2 ＝２９．４℃ Ｑ＝Ｇc ＣP (ｔ2 -ｔ1 )

∴冷却水消耗量 Ｇc ＝Ｑ／（ＣP c (ｔ2 -ｔ1 )） ＝6.39×10/(4.18×1000×(29.4-18))＝1.34kg/s=4.8×10Kg/h △t1=90-29.4=60.6℃ △t2=50-18=32℃

△t1/△t2 =60.6/32=1.89<2

故平均温度差采用算术均是可以接受的. 5. j04c20119

在某列管式换热器中,将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动,饱和水蒸汽在管外冷凝。今因生产任务加大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。如果使新旧两台换热器并联使用，且使二台换热器在空气流量、进、出口温度及饱和

4

3