第一章 流體流動與輸送設備(習題及答案)

1、第一章 流體流動與輸送設備1. 燃燒重油所得的燃燒氣，經分析知其中含CO28.5，O27.5，N276，H2O8（體積），試求此混合氣體在溫度500、壓力101.3kPa時的密度。解：混合氣體平均摩爾質量 混合密度 2已知20下水和乙醇的密度分別為998.2 kg/m3和789kg/m3,試計算50（質量）乙醇水溶液的密度。又知其實測值為935 kg/m3，計算相對誤差。解：乙醇水溶液的混合密度 相對誤差： 3在大氣壓力為101.3kPa的地區(qū)，某真空蒸餾塔塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為85kPa。若在大氣壓力為90 kPa的地區(qū)，仍使該塔塔頂在相同的絕壓下操作，則此時真空表的讀數(shù)應為多少？解：題4 附圖

2、 4如附圖所示，密閉容器中存有密度為900 kg/m3的液體。容器上方的壓力表讀數(shù)為42kPa，又在液面下裝一壓力表，表中心線在測壓口以上0.55m，其讀數(shù)為58 kPa。試計算液面到下方測壓口的距離。解：液面下測壓口處壓力 BDh1h2AC題5 附圖5. 如附圖所示，敞口容器內盛有不互溶的油和水，油層和水層的厚度分別為700mm和600mm。在容器底部開孔與玻璃管相連。已知油與水的密度分別為800 kg/m3和1000 kg/m3。（1）計算玻璃管內水柱的高度；（2）判斷A與B、C與D點的壓力是否相等。解：（1）容器底部壓力 （2） 6水平管道中兩點間連接一U形壓差計，指示液為汞。已知壓差計

3、的讀數(shù)為30mm，試分別計算管內流體為（1）水；（2）壓力為101.3kPa、溫度為20的空氣時壓力差。解：（1） （2）空氣密度 空氣密度較小，7用一復式U形壓差計測量水流過管路中A、B兩點的壓力差。指示液為汞，兩U形管之間充滿水，已知h1=1.2m，h2=0.4m，h4=1.4m，h3=0.25m，試計算A、B兩點的壓力差。題7 附圖34624315解：圖中1、2為等壓面，即 (1)又 (2)將(2)代入(1)中: 8根據(jù)附圖所示的雙液體U管壓差計的讀數(shù)，計算設備中氣體的壓力，并注明是表壓還是絕壓。已知壓差計中的兩種指示液為油和水，其密度分別為920 kg/m3和998 kg/m3，壓差計

4、的讀數(shù)R300mm。兩擴大室的內徑D為60mm，U管的內徑d為6mm。題8 附圖12h1解: 1. 2 為等壓面, 又 題9 附圖 (表壓)9 為了排出煤氣管中的少量積水，用附圖所示的水封裝置，水由煤氣管道中的垂直支管排出。已知煤氣壓力為10kPa（表壓），試求水封管插入液面下的深度h。解: 煤氣表壓 10為測定貯罐中油品的貯存量，采用圖1-8所示的遠距離液位測量裝置。已知貯罐為圓筒形，其直徑為1.6m，吹氣管底部與貯罐底的距離為0.3m，油品的密度為850 kg/m3。 若測得U形壓差計讀數(shù)R為150mmHg，試確定貯罐中油品的貯存量，分別以體積及質量表示。解: 罐中總高度: 11絕對壓力為

5、540kPa、溫度為30的空氣，在108×4mm的鋼管內流動，流量為1500m3/h（標準狀況）。試求空氣在管內的流速、質量流量和質量流速。 解: 標準狀況下空氣的密度: 操作條件下密度: 體積流速: 12硫酸流經由大小管組成的串聯(lián)管路，其尺寸分別為76×4mm和57×3.5mm。已知硫酸的密度為1831 kg/m3，體積流量為9m3/h,試分別計算硫酸在大管和小管中的（1）質量流量；（2）平均流速；（3）質量流速。 解: (1) 大管: (2) 小管: 質量流量不變 或: 1題13 附圖13 如附圖所示，用虹吸管從高位槽向反應器加料，高位槽與反應器均與大氣相通，

6、且高位槽中液面恒定?，F(xiàn)要求料液以1m/s的流速在管內流動，設料液在管內流動時的能量損失為20J/kg（不包括出口），試確定高位槽中的液面應比虹吸管的出口高出的距離。解: 以高位槽液面為1-1面,管出口內側為2-2面,在1-1 2-2間列柏努力方程: 簡化: 題14 附圖14用壓縮空氣將密閉容器（酸蛋）中的硫酸壓送至敞口高位槽，如附圖所示。輸送量為0.1m3/min，輸送管路為38×3mm的無縫鋼管。酸蛋中的液面離壓出管口的位差為10m，且在壓送過程中不變。設管路的總壓頭損失為3.5m（不包括出口），硫酸的密度為1830 kg/m3，問酸蛋中應保持多大的壓力？解: 以酸蛋中液面為1-1

7、面,管出口內側為2-2面,且以1-1面為基準,在1-12-2間列柏努力方程: 簡化: 其中: 代入: 題15 附圖215如附圖所示，某鼓風機吸入管內徑為200mm，在喇叭形進口處測得U形壓差計讀數(shù)R15mm（指示液為水），空氣的密度為1.2 kg/m3，忽略能量損失。試求管道內空氣的流量。 解: 如圖,在1-1 2-2間列柏努力方程: 其中: 簡化: 而: 流量: R題16 附圖 1216甲烷在附圖所示的管路中流動。管子的規(guī)格分別為219×6mm和159×4.5mm，在操作條件下甲烷的平均密度為1.43 kg/m3，流量為1700m3/h。在截面1和截面2之間連接一U形壓差

8、計，指示液為水，若忽略兩截面間的能量損失，問U形壓差計的讀數(shù)R為多少？解: 在1, 2截面間列柏努力方程: 簡化: 或: 其中: 又 17如附圖所示，用泵將20水從水池送至高位槽，槽內水面高出池內液面30m。輸送量為30 m3/h，此時管路的全部能量損失為40J/kg。設泵的效率為70，試求泵所需的功率。 解: 在水池1面與高位槽2面間列柏努力方程: 簡化: 題18 附圖18附圖所示的是丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其液面上方的壓力為2.0MPa（表壓），精餾塔內操作壓力為1.3MPa（表壓）。塔內丙烯管出口處高出貯槽內液面30m，管內徑為140mm，丙烯密度為

9、600kg/m3。現(xiàn)要求輸送量為40×103kg/h，管路的全部能量損失為150J/kg（不包括出口能量損失），試核算該過程是否需要泵。 解: 在貯槽液面1-1與回流管出口外側2-2間列柏努力方程: 簡化: 不需要泵,液體在壓力差的作用下可自動回流至塔中1h題19 附圖19某一高位槽供水系統(tǒng)如附圖所示，管子規(guī)格為45×2.5mm。當閥門全關時，壓力表的讀數(shù)為78kPa。當閥門全開時，壓力表的讀數(shù)為75 kPa，且此時水槽液面至壓力表處的能量損失可以表示為J/kg（u為水在管內的流速）。試求：（1）高位槽的液面高度；（2）閥門全開時水在管內的流量（m3/h）。解: (1) 閥

10、門全關,水靜止 (2) 閥門全開: 在水槽1-1面與壓力表2-2面間列柏努力方程: 簡化: 解之: 流量: 題20 附圖20附圖所示的是冷凍鹽水循環(huán)系統(tǒng)。鹽水的密度為1100 kg/m3，循環(huán)量為45 m3/h。管路的內徑相同，鹽水從A流經兩個換熱器至B的壓頭損失為9m，由B流至A的壓頭損失為12m，問：（1）若泵的效率為70，則泵的軸功率為多少？（2）若A處壓力表的讀數(shù)為153kPa，則B處壓力表的讀數(shù)為多少？ 解: (1) 對于循環(huán)系統(tǒng): (2) 列柏努力方程: 簡化: B處真空度為19656 Pa。2125水在60×3mm的管道中流動，流量為20m3/h，試判斷流型。解: 查附

11、錄25水物性: 為湍流22運動粘度為3.2×105m2/s的有機液體在76×3.5mm的管內流動，試確定保持管內層流流動的最大流量。解: 23計算10水以2.7×103m3/s的流量流過57×3.5mm、長20m水平鋼管的能量損失、壓頭損失及壓力損失。（設管壁的粗糙度為0.5mm）解: 10水物性: 查得 24如附圖所示，用泵將貯槽中的某油品以40m3/h的流量輸送至高位槽。兩槽的液位恒定，且相差20m，輸送管內徑為100mm，管子總長為45m（包括所有局部阻力的當量長度）。已知油品的密度為890kg/m3，粘度為0.487Pa·s，試計算泵所

12、需的有效功率。題24 附圖解: 在貯槽1截面到高位槽2截面間列柏努力方程: 簡化: 而: 25一列管式換熱器，殼內徑為500mm，內裝174 根25×2.5mm的鋼管，試求殼體與管外空間的當量直徑。解: 26求常壓下35的空氣以12m/s的速度流經120m長的水平通風管的能量損失和壓力損失。管道截面為長方形，長為300mm，寬為200mm。（設0.0005） 解: 當量直徑: 35空氣物性: 由 ,查得 27如附圖所示，密度為800 kg/m3、粘度為1.5 mPa·s 的液體，由敞口高位槽經114×4mm的鋼管流入一密閉容器中，其壓力為0.16MPa（表壓），兩

13、槽的液位恒定。液體在管內的流速為1.5m/s，管路中閘閥為半開，管壁的相對粗糙度0.002，試計算兩槽液面的垂直距離。題27 附圖 解: 在高位槽1截面到容器2截面間列柏努力方程: 簡化: 由 ,查得 管路中: 進口 90彎頭 2個 半開閘閥 出口 28從設備排出的廢氣在放空前通過一個洗滌塔，以除去其中的有害物質，流程如附圖所示。氣體流量為3600m3/h，廢氣的物理性質與50的空氣相近，在鼓風機吸入管路上裝有U形壓差計，指示液為水，其讀數(shù)為60mm。輸氣管與放空管的內徑均為250mm，管長與管件、閥門的當量長度之和為55m（不包括進、出塔及管出口阻力），放空口與鼓風機進口管水平面的垂直距離為

14、15m，已估計氣體通過洗滌塔填料層的壓力降為2.45kPa。管壁的絕對粗糙度取為0.15mm，大氣壓力為101.3 kPa。試求鼓風機的有效功率。題28 附圖解: 以吸入管測壓處為1-1面,洗滌塔管出口內側為2-2面,列柏努力方程: 簡化: 其中: 50空氣物性: 又 查得 29如附圖所示，用離心泵將某油品輸送至一密閉容器中。A、B處壓力表的讀數(shù)分別為1.47MPa、1.43 MPa，管路尺寸為89×4mm，A、B兩點間的直管長度為40m，中間有6個90º標準彎頭。已知油品的密度為820 kg/m3，粘度為121mPa·s，試求油在管路中的流量。題29 附圖AB解

15、: 在AB間列柏努力方程: 簡化: 又 油品粘度大, 設流動為層流. 900標準彎頭 解得 假設正確 3020苯由高位槽流入貯槽中，兩槽均為敞口，兩槽液面恒定且相差5m。輸送管為38×3mm的鋼管（0.05mm）總長為100m（包括所有局部阻力的當量長度），求苯的流量。 解: 在兩槽間列柏努力方程,并簡化: 即: 代入數(shù)據(jù): 化簡得: 查完全湍流區(qū) 設 , 由(1)式得 由附錄查得20苯物性: 查圖，再設 ，由（1）得 查得 假設正確 流量： 31如附圖所示，密度為的流體以一定的流量在一等徑傾斜管道中流過。在A、B兩截面間連接一U形壓差計，指示液的密度為0，讀數(shù)為R。已知A、B兩截面

16、間的位差為，試求：（1） AB間的壓力差及能量損失；（2） 若將管路水平放置而流量保持不變，則壓差計讀數(shù)及AB間的壓力差為多少? 解：（1）在A-A與B-B間柏努利方程：BRhA題31 附圖 其中 = 對于U形差壓計 （2）水平放置時 流量不變 管路總能量損失不變。 而U形差壓計讀數(shù)R實際反映了阻力的大小，所以R不變。 此時，題32 附圖32如附圖所示，高位槽中水分別從BC與BD兩支路排出，其中水面維持恒定。高位槽液面與兩支管出口間的距離為10m。AB管段的內徑為38mm、長為28m；BC與BD支管的內徑相同，均為32mm，長度分別為12m、 15m（以上各長度均包括管件及閥門全開時的當量長度

17、）。各段摩擦系數(shù)均可取為0.03。試求：（1）BC支路閥門全關而BD支路閥門全開時的流量；（2）BC支路與BD支路閥門均全開時各支路的流量及總流量。 解：（1）在高位槽液面與BD管出口外側列柏努利方程： 簡化 ： 而 有： 化簡 又由連續(xù)性方程： 代入上式： 解得： 流量： （2）當 BD，BC支路閥均全開時： C ，D出口狀態(tài)完全相同，分支管路形如并聯(lián)管路， (1)又 = (2)在高位槽液面與BD出口列柏努利方程： (3)將（2）代入（3）式中： 解得：流量： 33在內徑為80mm的管道上安裝一標準孔板流量計，孔徑為40mm，U形壓差計的讀數(shù)為350mmHg。管內液體的密度為1050kg/m

18、3，粘度為0.5cP，試計算液體的體積流量。解： 設，查得 而 假設正確，以上計算有效。題34 附圖34用離心泵將20水從水池送至敞口高位槽中，流程如附圖所示，兩槽液面差為12m。輸送管為57×3.5mm的鋼管，總長為220m（包括所有局部阻力的當量長度）。用孔板流量計測量水流量，孔徑為20mm，流量系數(shù)為0.61，U形壓差計的讀數(shù)為400mmHg。摩擦系數(shù)可取為0.02。試求：（1）水流量，m3/h；（2）每kg水經過泵所獲得的機械能。 解：（1） （2）以水池液面為面，高位槽液面為面，在面間列柏努利方程： 簡化: 而 其中： 35以水標定的轉子流量計用來測量酒精的流量。已知轉子的

19、密度為7700 kg/m3，酒精的密度為790 kg/m3，當轉子的刻度相同時，酒精的流量比水的流量大還是小？試計算刻度校正系數(shù)。 解： 酒精流量比水大36在一定轉速下測定某離心泵的性能，吸入管與壓出管的內徑分別為70mm和50mm。當流量為30 m3/h時，泵入口處真空表與出口處壓力表的讀數(shù)分別為40kPa和215kPa，兩測壓口間的垂直距離為0.4m，軸功率為3.45kW。試計算泵的壓頭與效率。 解： 在泵進出口處列柏努力方程，忽略能量損失； =27.07m 37在一化工生產車間，要求用離心泵將冷卻水從貯水池經換熱器送到一敞口高位槽中。已知高位槽中液面比貯水池中液面高出10m，管路總長為4

20、00m（包括所有局部阻力的當量長度）。管內徑為75mm，換熱器的壓頭損失為，摩擦系數(shù)可取為0.03。此離心泵在轉速為2900rpm時的性能如下表所示：Q/(m3/s)00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008H/m2625.524.5232118.515.5128.5 試求：（1）管路特性方程； （2）泵工作點的流量與壓頭。 解：（1）管路特性曲線方程： （2）在坐標紙中繪出泵的特性曲線及管路特性曲線的工作點： 38用離心泵將水從貯槽輸送至高位槽中，兩槽均為敞口，且液面恒定?，F(xiàn)改為輸送密度為1200 kg/m3的某水溶液，其它物性與水相近。若管路狀況不變

21、，試說明：（1）輸送量有無變化？（2）壓頭有無變化？（3）泵的軸功率有無變化？（4）泵出口處壓力有無變化？解：變化時，泵特性曲線不變。 管路特性曲線 不變（1） 輸送量不變； （2）壓頭不變；（3） 軸功率： 增加 （4）在貯槽液面1-1和泵出口2-2間列柏努力方程： 簡化：工作點Q，不變，不變即隨的增加而增加。 39用離心泵向設備送水。已知泵特性方程為，管路特性方程為，兩式中Q的單位均為m3/h，H的單位為m。試求：（1）泵的輸送量；（2）若有兩臺相同的泵串聯(lián)操作，則泵的輸送量又為多少？ 解：（1） 聯(lián)立： 解得：（2） 兩泵串聯(lián)后： 泵的特性： 與管路特性聯(lián)立： 解得：40用型號為IS65-50-125的離心泵將敞口貯槽中80的水送出，吸入管路的壓頭損失為4m，當?shù)卮髿鈮簽?8kPa。試確定此泵的安裝高度。 解：查附錄：水， IS65-50-125泵氣蝕余量 NPSH=2.0m 泵允許安裝高度： = = 為安全起見，再降低，即 即泵需要安裝在水槽液面以下或更低。41用油泵從貯槽向反應器輸送44的異丁烷，貯槽中異丁烷液面恒定，其上方絕對壓力為652kPa。泵位于貯槽液面以下1.5m處，吸入管路全部壓頭損失為1.6m。44時異丁烷的密度為530kg/m3，飽和蒸汽壓為638 kPa。所選用泵的允許汽蝕余量為3.5m，問此泵能否正常操作？ 解：泵允許的安裝高度