化工原理第四版第一章課后習(xí)題答案

【1-1】容器A中的氣體表壓為60kPa，容器B中的氣體真空度為1.2104Pa。試分別求出A、B二容器中氣體的絕對壓力為若干帕，該處環(huán)境的大氣壓力等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為容器A的絕對壓力容器B的絕對壓力

【1-2】某設(shè)備進(jìn)、出口的表壓分別為-12kPa和157kPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.3kPa試求此設(shè)備的進(jìn)、出口的絕對壓力及進(jìn)、出的壓力差各為多少帕。解進(jìn)口絕對壓力出口絕對壓力

p101.31289.3p101.3157258.3進(jìn)、出口的壓力差

p258.389.3169【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)為0.4，試求該混合液在20℃下的密度。 正庚烷的摩爾質(zhì)量為100kg/kmol，正辛烷的摩爾質(zhì)量為114kg/kmol。將摩爾分?jǐn)?shù)換算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

正辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從附錄四查得20℃下正庚烷的密度ρ684kgm3，正辛烷的密度為ρ703kg混合液的密度

【1-4】溫度20℃，苯與甲苯按4:6的體積比進(jìn)行混合，求其混合液的密度。 20℃時，苯的密度為879kg/m3，甲苯的密度為867kg/m3。混合液密度

6【1-5】有一氣柜，滿裝時可裝6000m3混合氣體，已知混合氣體各組分的體積分?jǐn)?shù)為

操作壓力的表壓為5.5kPa，溫度為40℃。試求：(1)混合氣體在操作條件下的密度；混合氣體的量為多少kmol

3

5

8a絕對壓力混合氣體的摩爾質(zhì)量混合氣體在操作條件下的密度為ρpMm106.818.60.763kg/ 混合氣體V6000m3，摩爾體積為Mm

18.6m3/混合氣體的量為

nVMm

【1-6】如習(xí)題1-6附圖所示，有一端封閉的管子，裝入若干水后，倒插入常溫水槽中，管中水柱較水槽液面高出2m，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.2kPa。試求：(1)管子上端空間的絕對壓力；(2)管子上端空間的表壓；(3)管子上端空間的真空度；(4)若將水換成四氯化碳，管中四氯化碳液柱較槽的液面高出多少米？ 管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱管子上端空間的絕對壓力p在水平面11'處的壓力平衡，有pρgha管子上端空間的表壓p

1-6附圖pp大氣壓力=8158010120019620管子上端空間的真空度p槽內(nèi)為四氯化碳，管中液柱高度hh常溫下四氯化碳的密度，從附錄四查得為ρ1594kgh'100021.25【1-7】在20℃條件下，在試管內(nèi)先裝入12cm高的水銀，再在其上面裝入5cm高的水。水銀的密度為13550kg/m3，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01kPa。試求試管底部的絕對壓力為多少Pa。 水的密度ρ=998kg/【1-8】如習(xí)題1-8附圖所示，容器內(nèi)貯有密度為1250kgm3的液體，液面高度為3.2m。容器側(cè)壁上有兩根測壓管線，距容器底的高度分別為2m及1m，容器上部空間的壓力（表壓）為29.4kPa。試求：(1)壓差計讀數(shù)（指示液密度為1400kgm3；(2)A、B兩個彈簧壓力表的讀數(shù)。 容器上部空間的壓力p29.4kPa表壓液體密度

ρ1250kgm3，指示液密度ρ1400kg壓差計讀數(shù)在等壓面11'上p1pp1p3.21hp2.2hRρgp2.2hρgRρ0gRgρ0ρ0

1-8附圖【1-9】如習(xí)題1-9附圖所示的測壓差裝置，其U形壓差計的指示液為水銀，其他管中皆為水。若指示液讀數(shù)為R150mm，試求A、B兩點(diǎn)的壓力差。 等壓面11'，p1pp1pAHρ由以上三式，得

1-9附圖

【1-10】常溫的水在如習(xí)題1-10附圖所示的管路中流動，為測量A、B兩截面間的壓力差，安裝了兩個串聯(lián)的U形管壓差計，指示液為汞。測壓用的連接管中充滿水。兩U形管的連接管中，充滿空氣。若測壓前兩U形壓差計的水銀液面為同一高度，試推導(dǎo)A、B兩點(diǎn)的壓力差p與液柱壓力汁的讀數(shù)R1、R2之間的關(guān)系式。解設(shè)測壓前兩U形壓差計的水銀液面，距輸水管中心線的距離為H。在等壓面22pHR1ρgRρgR1R2ρ A 2 1 p'pHR2ρgRρ 2 2 因p2p'2，由上兩式求得

習(xí)題1-10附圖p

(RR)

水氣g 2 ρ ppRRρ-水 2 2 【1-11】力了排除煤氣管中的少量積水，用如習(xí)題1-11附圖所示水封設(shè)備，使水由煤氣管路上的垂直管排出。已知煤氣壓力為10kPa（表壓，試計算水封管插入液面下的深度h最小應(yīng)為若干米。

習(xí)題1-11附圖【1-12】有密度為1800kgm3的液體，在內(nèi)徑為60mm的管中輸送到某處。若其流速為08m解(1)體積流量

qπd

0628質(zhì)量流 qqρ2.2610318004.07kg/質(zhì)量流速

ω=qm

0.06【1-13】如習(xí)題1-13附圖所示的套管式換熱器，其內(nèi)管為?33.5mm3.25mm，外管為?60mm3.5mm。內(nèi)管中有密度為1150kg/m35000kg/h間的環(huán)隙有絕對壓力為5MPa，進(jìn)、出口平均溫度為0℃160kgh的氣體流動。在℃101.325) 液體內(nèi)管內(nèi)徑

ρ1150kg/d33.53.25227mm0.027液體質(zhì)量流量

qm5000kg/

，體積流量

q5000 流 u

2.11m/

3600π 氣體質(zhì)量流 qm160kg/ 密

體積流量

160 流 u

160/5.92

5.67m/習(xí)題1-13附 習(xí)題1-14附【1-14】如習(xí)題1-14附圖所示，從一主管向兩支管輸送20℃的水。要求主管中水的流速約為1.0m／s1與支管2中水的流量分別為20th與10th。試計算主管的內(nèi)徑，并從無縫鋼管規(guī)格表中選擇合適的管徑，最后計算出主管內(nèi)的流速。 水:t20℃，ρ998.2kg/m31000kg/主管的流量

qq 體積流量

qm

h，流速

u 管 d選擇?108mm4mmd100mm主管內(nèi)水的流速

uqm/360030/36001.06m/

(0.1)2 【1-15】常溫的水在如習(xí)題1-15附圖所示的管路中流動。在截面1處的流速為0.5ms，管內(nèi)徑為200mm，截面2處的管內(nèi)徑為100mm。由于水的壓力，截面1處產(chǎn)生1m高的水柱。試計算在截面1與2之間所產(chǎn)生的水柱高度差h為多少（忽略從1到2處的壓頭損失）?

d1

d2duu1

0.5(2)22m/2 12 112 p u2 2 1 hp習(xí)題1-15習(xí)題1-15附圖習(xí)題1-16附圖

另一計算法

112 p u2 h 2 1 2計算液柱高度時，用后一方法簡便。1-16】在習(xí)題1-16附圖所示的水平管路中，水的流量為2.5Ls。已知管內(nèi)徑d15cm,d22.5cm，液柱高度h11m。若忽略壓頭損失，試計算收縮截面2處的靜壓頭。 水的體積流

q2.5L/s

m3/s 截面1處的流 uV 4

0.05截面2處的流速

uu1

2 12

在截面1與2之間列伯努利方程，忽略能量損失。 112 p1hd110.051 截面2處的靜壓頭

10.02529.81h22負(fù)值表示該處表壓為負(fù)值，處于真空狀態(tài)。【1-17】如習(xí)題1-17附圖所示的常溫下操作的水槽，下面的出水管直徑為?57mm3.5mm。當(dāng)出水閥全關(guān)閉時，壓力表讀數(shù)為30.4kPa。而閥門開啟后，壓力表讀數(shù)降至20.3kPa。設(shè)壓力表之前管路中的壓頭損失為0.5m水柱，試求水的流量為多少m3/h? 出水閥全關(guān)閉時，壓力表讀數(shù)30.4kPa（表壓）能反映出水槽的水面距出水管的高度h

習(xí)題1-17附圖 h表 閥門開啟后，壓力表讀數(shù)p220.3kPa（表壓從水槽表面至壓力表處的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速 Z2+2+ ρg Z1h3.1mHf0.5m 0.51039.812水的流量

u23.23m/sdqπd π0.0523.236.34103m3/s22.8m3/ 24【1-18】若用壓力表測得輸送水、油（密度為880kgm3、98%硫酸(密度為1830kgm3的某段水平等直徑管路的壓力降均為49kPa。試問三者的壓頭損失的數(shù)值是否相等？各為多少米液柱？ 從伯努利方程得知，等直徑水平管的壓頭損失H

與壓力降p的關(guān)系為H

p Hf水ρg10009.814.99m Hf油ρg8809.815.68m f

【1-19】如習(xí)題1-19附圖所示，有一高位槽輸水系統(tǒng)，管徑為?57mm3.5mm。已知水在管路中流動的機(jī)械能損失為

(u為管內(nèi)流速)。試求水的流量為多少

h使水的流量增加20%，應(yīng)將高位槽水面升高多少米？ 管徑d0.05m，機(jī)械能損失

(1)以流出口截面處水平線為基準(zhǔn)面，Z15m,Z20,u1

u2Zg245

習(xí)題1-19附圖 5u2 5水的流量

qπd2u0.051.462.8710m/s10.3 3 3

u'21.2u21.21.461.75m/

Z'1

7.81高位槽應(yīng)升高

【1-20】 如習(xí)題1-20附圖所示，用離心泵輸送水槽中的常溫水。泵的吸入管為?32mm2.5mm，管的下端位于水面以下2m，并裝有底閥與攔污網(wǎng)，該處的局部壓頭損失為

2處的真空度為39.2kPa11截面至22截面的壓頭損失為12

。試求：(1)吸入管中水的流量，

/h；(2)吸入口11截面

習(xí)題1-20附圖的表壓。 截面22處的表壓p239.2kPa，水槽表面p10（表壓從00'至22'，00Z10,Z23m,u00,u2 1u2

1壓頭損失

H82

2=8

22g 2 Z00

22 1

1 03 8

10009.8129.81

22水的流量

(027)2 4從11'至22Z10Z2 11Z2 2 5 10009.8122【1-21】當(dāng)溫度為20℃及60℃時，從附錄查得水與空氣的黏度各為多少？說明黏度與溫度的關(guān)系。 空

水溫度升高，黏度減小；空氣溫度升高，黏度增大。【1-22】25℃的水在內(nèi)徑為50mm的直管中流動，流速為2m/s。試求雷諾數(shù)，并判斷其流動類型。 25℃，水的黏度μ0.8937103Pas，密度ρ997kg/m3，管內(nèi)徑d0.05m，流u2m/Reduρ0.0529971.121054000 【1-23】 (1)溫度為20℃、流量為4L/s的水，在?57mm3.5mm的直管中流動，試判斷流動類型；(2)在相同的條件下，水改為運(yùn)動黏度為4.4cm2/s的油，試判斷流動類型。

d

流 uV 2.038m/

(0.05)2雷諾數(shù)

v4.4cm2/s

m2/雷諾數(shù)

【1-2420℃的水在?219mm6mm的直管內(nèi)流動。試求：(1)管中水的流量由小變大，當(dāng)達(dá)到多少m3s時，能保證開始轉(zhuǎn)為穩(wěn)定湍流；(2)若管內(nèi)改為運(yùn)動黏度為0.14cm2s的某種液體，為保持層流流動，管中最大平均流速應(yīng)為多少？ Re

體量流量

Re

【1-25】如習(xí)題1-25附圖所示，用U形管液柱壓差計測量等直徑管路從截面A到截面B的摩擦損失

。若流體密度為ρ，指示液密度為ρ0，壓差計讀數(shù)為R。試推導(dǎo)出用讀數(shù)R計算摩擦損失

的計算式。 從截面A到截面B列伯努利方程，截面A為基準(zhǔn)面則得pAHgpB

pp

Hpgρ

液柱壓差計1-1為等壓面ppApBRρ0ρg

習(xí)題1-25 hf 此式即為用U形管壓差計測量流體在兩截面之間流動的摩擦損失的計算式?！?-26】如習(xí)題1-26附圖所示，有?57mm3.5mm的水平管與垂直管，其中有溫度為20℃的水流動，流速為3ms。在截面A與截面B處各安裝一個彈簧壓力表，兩截面的距離為6m，管壁的相對粗糙度ε/d0.004。試問這兩個直管上的兩個彈簧壓力表讀數(shù)的差值是否相同？如果不同，試說明其原因。如果用液柱壓差計測量壓力差，則兩個直管的液柱壓力計的讀數(shù)R是否相同？指示液為汞，其密習(xí)題1-26附圖度為13600kgm3 已知管內(nèi)徑d0.05m，水的溫度ρ998.2kgm3μ1.004103Pasu3m雷諾數(shù)Reduρ0.053998.2 湍管壁相對粗糙度

查得摩擦系數(shù)

這兩個直管的摩擦阻力損失相同，為l

h

15.8J/ 彈簧壓力表讀數(shù)之差值℃水平管在A、B兩截面列伯努利方程

AA

BB因ZAZB，uAuB，故得

pApB

℃垂直管在A、B兩截面間列伯努利方程，以截面A為基準(zhǔn)面，ZA0,ZBL6m,uApA=

pB pApBρgZB

上述計算結(jié)果表明，垂直管的pApB大于水平管的pApB。這是因?yàn)榱黧w在垂直管中從下向上流動時，位能增大而靜壓能減小。U形管液柱壓差計的讀數(shù)℃水平管與前面相同，由伯努利方程得pApB

a另從U形管壓差計等壓面處力的平衡，求得pARρgpBRρa(bǔ)(b，求得

RpA

R

汞柱127.6mm℃垂直管與前面相同，由伯努利方程得pApBρgL

另從U形管壓差計等壓面處力的平衡，求得pARρgpBLρgRρgRpApBLρg

d由式c與式dR 從上述推導(dǎo)可知，垂直管與水平管的液柱壓差計的讀數(shù)R相同。有了讀數(shù)R值，就可以分別用式b及式d求得水平管及垂直管的pApB?！?-27】有一輸送水的等直徑（內(nèi)徑為d）垂直管路，在相距H高度的兩截面間安裝U形管液柱壓差計。當(dāng)管內(nèi)水的流速為u時，測得壓差計中水銀指示液讀數(shù)為R。當(dāng)流速由u增大到u時，試求壓差計中水銀指示液讀數(shù)R是R的多少倍。設(shè)管內(nèi)水的流動處于粗糙管完全湍流區(qū)。解從習(xí)題2-25與習(xí)題2-28可知，U形管液柱壓差計的讀數(shù)R與兩截面間流體流動的摩擦損失hf成正比，即Rhf。又知道，在粗糙管完全湍流區(qū)為阻力平方區(qū)，即摩擦損失hf與流體流速u的平方成正比，hu2。由上述分析可知

RR u u因 R R'R【1-28】水的溫度為10℃，流量為330L／h，在直徑?57mm3.5mm、長為100m的直管中流動。此管為光滑管。(1)試計算此管路的摩擦損失；(2)若流量增加到990L／h，試計算其摩擦損失。

d

l100m滑管。體積流 q330L/h流 u

雷諾數(shù)摩擦系數(shù)

λ64640358 l

摩擦損失

h

1體積流 q990L/h0.99因流量是原來的3倍，故流速u0.046730.14mRe178735360對于光滑管，摩擦系數(shù)λ用Blasius方程式計算

也可以從摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)聯(lián)圖上光滑管曲線上查得，λ0.037摩擦損失

hf

l

0725d 【1-29】試求下列換熱器的管間隙空間的當(dāng)量直徑：(1)如習(xí)題1-29附圖(a)所示，套管式換熱器外管為?219mm9mm，內(nèi)管為?114mm4mm；(2)如習(xí)題1-29附圖(b)所示，列管式換熱器外殼內(nèi)徑為500mm，列管為?25mm2mm的管子174根。習(xí)題1-29附圖 (1)套管式換熱器，內(nèi)管外徑d10.114m，外管內(nèi)徑d2當(dāng)量直徑

ded2d10.2010.114(2)列管式換熱器，外殼內(nèi)徑d20.5m，換熱管外徑d10.025m，根數(shù)n174π 4(d2nd1 當(dāng)量直徑

de4

2nd1

【1-30】常壓下35℃的空氣，以12m/s的流速流經(jīng)120m長的水平管。管路截面為長方形，高300mm200mm，試求空氣流動的摩擦損失，設(shè)ε00005 空氣，t35℃,ρ1.147kg/m3,μ18.85106Pas，流速u12m/s。管路截面的a0.3mb0.2m當(dāng)量直徑

de

a

0.30.2雷諾數(shù)

Redeuρ0.24121.147 ε

,l

l

120摩擦損失

hf

【1-31】把內(nèi)徑為20mm、長度為2m的塑料管（光滑管，彎成倒U形，作為虹吸管使用。如習(xí)題1-31附圖所示，當(dāng)管內(nèi)充滿液體，一端插入液槽中，另一端就會使槽中的液體自動流出。液體密度為1000kgm3，黏度為1mPas。為保持穩(wěn)態(tài)流動，使槽內(nèi)液面恒定。要想使輸液量為1.7m3/h，虹吸管出口端距槽內(nèi)液面的距離h需要多少米？ 02m,流 uqV1.7/36001.504m/ 4 從液槽的液面至虹吸管出口截面之間列伯努利方程式，以虹吸管出口截面為基準(zhǔn)面 h2gλ Reduρ0.021.5041000 光滑管，查得λ0.0235，管入口突然縮小ξU形管（回彎頭）ξ 習(xí)題1-31附 習(xí)題1-32附【1-32】如習(xí)題1-32附圖所示，有黏度為1.7mPas、密度為765kgm3的液體，從高位槽經(jīng)直徑為?114mm4mm的鋼管流入表壓為016MPa的密閉低位槽中。液體在鋼管中的流速為1ms，鋼管的相對粗糙度εd0002，管路上的閥門當(dāng)量長度le50d。兩液槽的液面保持不變，試求兩槽液面的垂直距離H。 在高位槽液面至低位槽液面之間列伯努利方程計算H，以低位槽液面為基準(zhǔn)面p0表壓,p0.16106Pau

0 Z1HZ20,管內(nèi)流速u1ms,管徑d雷諾數(shù)Reduρ0.1061765 湍 管長l30160190m，閥門le50，高位槽的管入口ξ5，低位槽管出口ξ=1，90°頭ξ l H 2 e 0.16106

190

0.51

2

【1-33】如習(xí)題1-33附圖所示，用離心泵從河邊的吸水站將20℃的河水送至水塔。水塔進(jìn)水口到河水水面的垂直高度為34.5m。管路為?114mm4mm的鋼管，管長1800m，包括全部管路長度及管件的當(dāng)量長度。若泵的流量為30m3h，試求水從泵獲得的外加機(jī)械能為多少？鋼管的相對粗糙度ε0.002 d

lle流 qV30m/流 u

Reduρ0.1060.9448998.29.96104湍流查得λ

ll

習(xí)題1-33附圖摩擦阻力損失

hfλ

以河水水面為基準(zhǔn)面，從河水水面至水塔處的水管出口之間列伯努利方程。外加機(jī)械能

WZ2g2

191530J/【1-34】如習(xí)題1-34附圖所示，在水塔的輸水管設(shè)計過程中，若輸水管長度由最初方案縮短25%，水塔高度不變，試求水的流量將如何變化？變化了百分之幾？水在管中的流動在阻力平方區(qū)，且輸水管較長，可以忽略局部摩擦阻力損失及動壓頭。 在水塔高度H不變的條件下，輸水管長度縮短，輸水管中的水流量應(yīng)增大。從水塔水面至輸水管出口之間列伯努利方程，求得 HH

因水塔高度H不變，故管路的壓頭損失不變。管長縮短后的長度l'與原來長度l的關(guān)系為在流體阻力平方區(qū)，摩擦系數(shù)恒定不變，有

l'

習(xí)題1-34附圖H'fHl'(u

λld dλ0.75l(u')2λl故流速的比值為流量的比值為

du' q

流量增加了管路計算【1-35】用?168mm9mm的鋼管輸送流量為60000kg/h的原油，管長為100km承受壓力為15.7MPa。已知50℃時油的密度為890kgm3，黏度為181mPas。假設(shè)輸油管水平鋪設(shè)，其局部摩擦阻力損失忽略不計，試問為完成輸油任務(wù)，中途需設(shè)置幾個加壓站？ d

l

uqV0.018731.06m/ 0.15 Reduρ0.151.06890782 λ64

64因?yàn)槭堑戎睆降乃焦苈?，其流體的壓力降為

l

=2.7310Pa27. d 油管最大承受壓力為加壓站數(shù)

n27.3需設(shè)置2級加壓，每級管長為50km，每級的p27.3213.65MPa，低于油管最大承受壓力。【1-36】如習(xí)題1-36附圖所示，溫度為20℃的水，從水塔用?108mm4mm鋼管，輸送到車間的低位槽中，低位槽與水塔的液面差為12m，管路長度為150m（包括管件的當(dāng)量長度。試求管路的輸水量為多少m3h，鋼管的相對粗糙度／d0.002。 由伯努利方程，得管路的摩擦阻力損失為

Hg129.81118J/管內(nèi)水的流速u未知，摩擦系數(shù)λ不能求出。本題屬于已知l150m、d0.1m

118Jkg，求u與qV的問題。u

20.0022

2.55m/驗(yàn)算流動類型

Reduρ0.12.55998.2 體積流量

習(xí)題1-36附 習(xí)題1-37附【1-37】如習(xí)題1-37附圖所示，溫度為20℃的水，從高位槽A輸送到低位槽B，兩水槽的液位保持恒定。當(dāng)閥門關(guān)閉時水不流動，閥前與閥后的壓力表讀數(shù)分別為80kPa與30kPa。當(dāng)管路上的閥門在一定的開度下，水的流量為1.7m3h，試計算所需的管徑。輸水管的長度及管件的當(dāng)量長度共為42m，管子為光滑管。本題是計算光滑管的管徑問題。雖然可以用試差法計算，但不方便。最好是用光滑

l 管的摩擦系數(shù)計算式

（

Re10）hf

uV 一個hf與qV及d之間的計算式。 水的流量1.7m3／h，管長及管件當(dāng)量長度l閥門關(guān)閉時，壓力表可測得水槽離壓力表測壓點(diǎn)的距離HA與HB HA HB 兩水槽液面的距離HHAHB8.173.06以低位槽的液面為基準(zhǔn)面，從高位槽A的液面到低位槽B之間列伯努利方程，得管路的摩擦損失

與H的關(guān)系式為

Hg5.119.8150.1J/對于水力光滑管，

qVd之間的計算式為μ0.25q

dμ0.25q V 代入已知數(shù)

求得管內(nèi)徑為驗(yàn)證Re范圍

d

Re

qV

符合λRe【1-38】如習(xí)題1-38附圖所示，水槽中的水由管C與D放出，兩根管的出水口位于同一水平面，閥門全開。各段管內(nèi)徑及管長（包括管件的當(dāng)量長度）分別為習(xí)題1-38附圖 l

試求閥門全開時，管C與管D的流量之比值，摩擦系數(shù)均取0.03 從水槽的水面至出水口之