江南大学化工原理习题(3)

出管的内径分别为68mm和41mm。两测点间管路阻力损失可忽略不计。大气压力为0.1MPa。试计算该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。

3-38拟用泵将20℃的软水由A槽同时打入B、C两塔中（附图）。已知塔B内压力为0.04MPa（表压）。

塔C中真空度为0.01MPa。总管为φ48×3.5mm，管长10m。两支管均为φ42.25×3.25，DB与DC管段长度分别为10m和13m（以上各管长均包括局部阻力的当量长度）。A槽液面与塔B和塔C的喷淋器出口垂直距离分别为4m和6m。管路摩擦系数均可取为0.036。如要求向塔B供水3500kg/h，向塔C供水4800kg/h。试选用一合适的离心泵。

3-39某厂根据生产任务购回一台离心水泵，泵的铭牌上标着：V=30m3/h、H=24mH2O、n=2900r·p·m、

Hs=5.7m。现流量和扬程均符合要求，且已知吸入管路的全部阻力为1.5m水柱，当地大气压为736mmHg。试计算：（1）输送20℃的水时，离心泵允许的安装高度？（2）若将水温提高到80℃时，离心泵允许的安装高度又为多少？

3-40在海拔为2000米的高原上，使用一台离心泵输送水。已知吸入管路的全部阻力损失为3mH2O，在

操作条件下泵的汽蚀余量为2.5mH2O。今拟将该泵安装于水源水面以上3米处，问此泵能否正常操作？（该处夏季水温为20℃）。

3-41某厂为节约用水，用一离心泵将常压热水池中60℃的废热水经φ89×3.5mm的管子输送至凉水塔顶，

并经喷头喷出而入凉水池，以达冷却目的，水的输送量为42m3/h，喷头入口处需维持0.05MPa（表压），喷头入口的位置较热水池液面高5m，吸入管和排出管的阻力损失分别为1mH2O和4mH2O。试选用一台合适的离心泵。并确定泵的安装位置。（当地大气压为740mmHg） 3-42 某离心泵经试验测得特性数据如下:

V , m3/h 0 10 20 30 40 50 H, mH2O 26.5 24.8 23.1 21.3 20.4 18.0 0 42 58 64 62 59 η 若将此泵用于习题3-34的管路中，问： a) b) c)

该管路系统输送的最大流量为多少？ 阀门开启度为1/2时，流量是否正好减半？ 当系统流量要求为35m3/h时，泵的轴功率为多少？

3-43一管路系统的特性曲线方程为HL?20?0.0065V2。现有两台同型号的离心泵，该泵的特性曲线可

用方程H?30?0.0025。试求： V2表示（上两式中HL和H的单位为m，V的单位为m3/h）（1） 当管路输送量为30m3/h时，安装一台泵能否满足要求？ （2）若将两泵联合安装在管路中，该管路可输送的最大流量为多少？

3-44某双动往复泵，其活塞直径为180mm，活塞杆直径为50mm，曲柄半径为145mm。活塞每分种往复

55次。实验测得此泵的排水量为42m3/h。试求该泵的容积效率η。

3-45温度为15℃的空气直接由大气进入风机，并通过内径为800mm的管道送至燃烧炉底，要求风量为

20000m3/h（以风机进口状态计），炉底表压为1100mmH2O。管长100m（包括局部阻力当量长度），管壁粗糙度0.3mm。现库存一离心通风机，其铭牌上的流量为21800m3/h，全风压为1290mmH2O，问此风机是否合用？（大气压为760mmH2O）。

3-46实验中测定一离心通风机的性能，得以下数据：气体出口处压力为23mmH2O，入口处真空度为

15mmH2O，送风量为3900m3/h。吸入管路与排出管路的直径相同。通风机的转数为960（转/分），其所需要轴功率为0.81kW。试求此通风机的效率。若将此通风机的转数增为1150（转/分），问转速

增大后，此通风机的送风量和所需的轴功率各为若干？

3-47某单级双缸、双动空气压缩机将空气从0.1MPa（绝对）压缩到0.35MPa（绝对）。活塞直径为300mm，

冲程200mm，每分钟往复480次。气缸余隙系数为8%；排气系数为容积系数的85%，压缩过程为绝热过程，绝热指数为1.4，总效率0.7。试计算该压缩机的排气量和轴功率？

3-48一具有中间冷却的双级压缩机，将空气压缩到0.8MPa（表压），进入压缩机的空气流量为360m3/h，

余隙系数6%，空气的温度及离开中间冷却器后的温度均为20℃，压缩过程为多变过程，多变指数为1.25。试求此双级压缩机所消耗的理论功率，压缩后的空气温度及压缩机的容积系数。对于双级压缩，已知中间压力P??P1P2，而双级所耗外功为第一级与第二级之和。（大气压为735.6mmHg）。

第三章 传 热

传导传热

7-1 某燃烧炉的炉壁由耐火砖、保温砖和建筑砖组成，相邻各层材料间接触紧密，各层材料的厚度和导热系数分别为：b1?150mm，k1?1.05W/（m·℃），b2?290mm，k2?0.15W/（m·℃），

。已测得耐火砖与保温砖接触界面上的温度t2?820℃，保温砖b3?228mm，k3?0.81W/（m·℃）

与建筑砖接触界面上的温度为t3?260℃，试求：

⑴ 通过炉壁单位面积上传热速率； ⑵ 耐火砖内侧和建筑砖外侧的温度；

⑶ 各层材料以单位面积计的热阻、各层的传热温差，并分析传热温差与热阻的关系。

7-2厚度为240mm的砖墙，内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，砖墙的导热系数与温度的关系可以表示为k?0.2(1?2.5?10?3t) W/（m·℃），试求：

⑴ 穿过砖墙的热流密度；

⑵ 砖墙中心平面的温度。

7-3 测定一平板状材料的导热系数，该平板材料的一侧用电加热器加热，另一侧用水冷却，穿过平板的热流量由加至电热器的电压和电流算出，平板两侧的表面温度用热电偶测定，平板的导热面积为0.02m2，厚度为0.01m，测得的数据如下表所示,试求:

⑴ 平板材料的平均导热系数；

⑵ 设该材料的导热系数为k?k0(1?at)，t为温度，℃，试求a和k0之值。

电热器 电压，伏 140 114

电流，安 2.8 2.28 材料表面温度，℃ 高温侧 300 200 低温侧 100 50 7-4 φ119×6mm钢质蒸汽管，外面包裹一层厚度为50mm、导热系数为0.05 W/（m·℃）的绝热材料A，在该保温层外面再包裹一层厚度25mm、导热系数为0.06 W/（m·℃）的绝热材料B，设材料A的内侧温度和材料B的外侧温度分别为170℃和40℃，试求每米管长的热损失及A、B界面的温度。

7-5 有一球罐，热量通过球罐壳壁向环境大气进行热传导，已知球罐内、外表面的半径分别为r1、r2，球罐内、外表面的温度分别为t1、t2，罐壁材料的导热系数为k，试推导热量通过球罐壳壁的导热速率式。

7-6 将一直径3mm、长1m的不锈钢棒状电加热器浸入100℃的沸水中，加热器通电进行加热，测得加热器的电阻为0.1Ω，通入的电流为100A，加热器材料的导热系数为19 W/（m·℃），加热器表面与沸水间的对流给热系数为10000 W/（m2·℃），试求加热器的中心温度及沿加热器横截面的温度分布。

提示；设单位体积的加热器产生的热量为q?，考虑热量仅沿棒状加热器的径向进行传递，取任意半径为r的单元圆柱体，其中产生的热量必然以导热的方式沿径向向外传递，即：

?k(2?rl)对上式积分即可得解。

dt??r2lq?dr7-7 有一列管换热器，换热管为φ25×2.5mm的钢管，依靠管外蒸汽冷凝放出的热量加热管内的原油，管外蒸汽冷凝的给热系数为10000 W/（m2·℃），管内原油的对流给热系数为1000 W/（m2·℃），原油侧的污垢热阻为1.5×10-3m2·℃/W，管外污垢热阻可以忽略不计，试求总传热系数及各部分热阻的分配。 对流传热

7-8 在一逆流操作的套管换热器中用水将流量为4000kg/h的甲醇溶液从60℃冷却至20℃，套管换热器长25m，外管内径为80mm，内管外径为57mm，内管壁厚度3.5mm，冷却水流经套管环隙，水温从20℃升至30℃，已知甲醇密度为770kg/m3，试求甲醇和水对管壁的对流给热系数。

7-9 流量为3000kg/h、初温为15℃的燃料油，在φ51×3.5mm的水平钢管中流过而被加热至85℃，测得换热管内壁温度为110℃，试计算管壁与燃料油间的对流给热系数。已知定性温度下燃料油的物性数据为：密度ρ=900kg/m3；比热Cp=1.88kJ/（kg·℃）；导热系数k=0.181W/(m·℃)；粘度μ=0.18N·s/m2；体积膨胀系数β=0.0003 1/℃。

7-10 铜氨溶液在一蛇管冷却器的管内流动时，温度从40℃降至10℃，蛇管由φ45×3.5mm的钢管制成，蛇管的平均曲率半径为0.6m，已知铜氨溶液的流量为3.6m3/h，粘度为2.2×10-3Pas，密度为1200kg/m3，其余的物性参数可按水的0.9倍来取，试求铜氨溶液对管壁的对流给热系数。

7-11 某化工厂用海水冷却精馏塔引出的柴油馏份，冷却器为φ114×4.5mm的钢管制成的排管，水平浸没在一个很大的海水槽中，海水由槽下部通入，上部溢出，海水通过槽时的流速很小，设海水的平均温度为30℃，钢管外壁温度为56℃，试求海水对管壁的对流给热系数。

7-12 绝压为0.3MPa的饱和水蒸气在长2m、外径0.1m的单根直立园管的外表面上冷凝，管外壁的平均温度为92℃，试求蒸汽冷凝的给热系数和每小时蒸汽的冷凝量。若将管子水平放置，再求蒸汽冷凝的给热系数和每小时蒸汽的冷凝量。

7-13 水平列管式换热器由37根φ25×2mm的钢管组成，管间通入0.3MPa的饱和水蒸气作为热源加热原油，管外壁温度为100℃，试求蒸汽在管间冷凝的给热系数。

7-14 在1atm的绝压下，水在温度为tw=113.9℃的机械磨光的不锈钢容器内沸腾，试求沸腾给热系数。 7-15 液氨在一蛇管换热器管外沸腾汽化，已知其操作压力为258kN/m2(绝压)，沸腾温度为-13℃，热量通量q=4170W/m2，试计算其对流给热系数。已知液氨表面张力σ=27×10-2N/m，密度ρL=656kg/m3，氨蒸汽密度ρV=2.1kg/m3。

辐射传热

7-16 两平行大平板，在空气中相距5mm，一平板的黑度为0.1，温度为350K，另一平板的黑度为0.05，温度为300K，若将第一板加涂层，使其黑度为0.025，试计算由此引起的辐射传热量变化的百分率。

7-17 在一钢管中心装有热电偶，以测定管内空气的温度,设热电偶的温度读数为300℃，热电偶的黑度为0.8，空气与热电偶之间的对流给热系数为25 W/m2·℃，钢管内壁温度为250℃，试求由于热电偶与管壁之间的辐射传热而引起的测温误差。并讨论减小测量误差的措施。提示：热电偶辐射到管壁的热

量

等于热电偶以自然对流方式自空气得到的热量。

7-18 外径为50mm的钢管，其外包扎有一层厚度为40mm、导热系数为0.13 W/(m·℃)的绝缘材料，钢管外表面的平均温度为800℃，现拟在绝热材料外再包扎一层导热系数为0.09 W/(m·℃)的氧化镁绝热层，使该层的外表面温度为85℃，设钢管的外表面温度仍为800℃，外界环境的温度为20℃，试求氧化镁绝热层的厚度。假设各层间接触良好。

传热计算

7-19 在一夹套式容器中加热熔融某固体有机物，夹套内通入绝压为0.2MPa的饱和水蒸气，冷凝水于饱和温度下排出，每次投入容器的固体有机物为600kg，进料温度为25℃，熔融后继续加热至在100℃，已知：该有机固体的熔点为70℃，固体比热为2.0kJ/(kg·℃)，液体比热为3.2 kJ/(kg·℃)，相变潜热为120.8 kJ/kg。若不计热损失，试求加热每批投料所消耗的蒸汽量。

7-20 工厂因生产需要，用表压0.2MPa的饱和水蒸气通过间壁式换热器将流量为2000kg/h的水从20℃加热至98℃，若忽略热损失，试求蒸汽消耗量。若将蒸汽直接通入水中进行加热，再求完成上述加热任务所需的蒸气用量，并对计算结果加以分析。

7-21 在一套管式换热器中，利用某油品冷却放出的热量加热原油，油品从240℃冷却至160℃，将原油从100℃加热至140℃，试求套管换热器在并流操作和逆流操作时的对数平均温差tm。

7-22 用90℃的热水将流量为10000kg/h的原油从20℃预热至70℃，原油的比热为2.0kJ/(kg·℃)，试分别计算换热器在逆流操作或并流操作两种情况下加热剂的最小用量。

7-23 在一单壳程、四管程列管式换热器中，用水冷却异丙苯溶液，冷却水流经管内，温度从20℃升至40℃，异丙苯溶液有80℃冷却至50℃，试求该换热器的平均传热温度差。

7-24 工厂拟用一列管式换热器将流量为5m3/h的某溶液从60℃加热至120℃，热源为表压0.5MPa的饱和水蒸气，已知该溶液的密度为1080kg/m3，平均比热为2.5 kJ/(kg·℃)，设换热器的总传热系数为1500 W/(m2·℃)，试求所需的传热面积。

7-25在列管换热器中用初温20℃的冷却水将某溶液从100℃冷却至40℃，溶液流量为2500kg/h，溶液比热为3.0kJ/(kg·℃)，已测得水出口温度为30℃，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知总传热系数K =1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。

7-26在一逆流操作的列管式换热器中用水将油品冷却，换热器管束由φ25×2mm的钢管组成，油品的比热为2.5 kJ/(kg·℃)，油走管间，流量为5000kg/h, 温度从100℃冷却至65℃，水走管内，温度从20℃升至45℃，油和水的对流给热系数分别为500 W/(m2·℃)和2000 W/(m2·℃)。

⑴ 如果忽略污垢热组，求总传热系数K和所需的传热面积A；

⑵ 该换热器在使用一年后，有油垢和水垢生成，设油垢和水垢的热阻分别为0.0002 m2·℃/W和0.00025 m2·℃/W，再求总传热系数K和所需的传热面积A。

⑶ 若要提高K值，应采取什么措施？

7-27 有一列管式空气加热器, 120℃饱和水蒸汽在管间冷凝, 将管内作湍流流动的空气从20℃加热到80℃，现由于生产需要，将空气出口温度降至76℃，拟通过调节空气流量来实现，忽略管壁和污垢热阻，空气的物性常数可视为不变，且α

蒸汽

＞＞α

空气

，问空气的质量流量增加的百分率为多少？

7-28 某厂有一台列管式换热器, 管束由37根φ19×2mm、长3m的钢管组成，130℃的饱和水蒸气在管间冷凝，将流经管内的某溶液从20℃加热至60℃，冷凝水于饱和温度下排出，设蒸汽冷凝给热系数为10000 W/(m2·℃)，溶液侧对流给热系数为3500 W/(m2·℃)，管壁及污垢热阻忽略不计。

⑴ 试计算这台换热器每小时能处理的溶液量。

⑵ 现要求在保持溶液处理量不变的情况下，将此溶液的出口温度提高到80℃，该厂拟增加一台同规格的换热器，问这两台换热器应当并联连接还是串联连接？试通过计算予以说明(假设溶液的物性随温度变化很小)。

7-29 在一逆流换热器中以水作为冷却剂将管内流动的热气体从180℃冷却至60℃，水的温度从20℃升至35℃，气侧给热系数为40W /(m2?℃)，水侧给热系数为3000W /(m2?℃), 现将气体的流量增加20%，冷却水的进口温度不变，忽略管壁和污垢热阻，试求：

⑴ 气体流量增加后，不调节冷却水的流量，气体的出口温度和冷却水的出口温度；

⑵ 气体流量增加后，拟通过调节冷却水的流量以使气体出口温度保持在60℃不变，调节后水的流量和水的出口温度。

7-30在一逆流操作的换热器中，用冷却水将油品从200℃冷却至80℃，冷却水流经管程，温度从15℃升至40℃，油侧h1=700 W/(m2?℃)，水侧h2=2500 W/(m2?℃)，现由于上游工序的生产状况发生变化，油品的进口温度升高至210℃，忽略管壁和污垢热阻，冷却水的进口温度不变，试求：

⑴油品进口温度升高后，冷却水的流量不作调节，油品的出口温度和冷却水的出口温度；

⑵ 油品进口温度升高后，拟通过调节冷却水的流量以使油品出口温度保持在50℃不变，调节后水的流量和水的出口温度。

7-31苯蒸汽在精馏塔的塔顶冷凝器中冷凝成饱和液体，冷却剂用水，苯蒸汽在管间冷凝，冷凝温度为81.5℃，水侧给热系数h1=2000 W/(m2?℃)，蒸汽给热系数侧h2=4000 W/(m2?℃)，冷却水的出口温度为40℃，而进口温度受季节的影响，夏季平均水温为20℃，而冬季则降至10℃，若忽略管壁和污垢热阻，试求：

⑴ 若冷却水的流量不作调节，由于水温的变化引起的苯蒸汽冷凝量变化的百分率； ⑵ 若调节冷却水的流量以使苯冷凝量不变，调节后水的流量和水的出口温度。

7-32 一列管式换热器以饱和水蒸气加热某气体，气体在管内作湍流流动，饱和水蒸气在管间冷凝，已知气体的质量流量w=1.0kg/s，定压比热CP=1.0kJ/(kg·℃)，进口温度t1=20℃，t2=100℃，总传热系数K=75 W/(m2·℃)，A=20m2，问加热蒸汽的温度T为多少？此换热器在使用多年以后，有6%的管子因腐蚀而被盲掉，并在管内生成污垢层，其Rs1=0.001 m2·℃/W，而气体的处理量提高了8%，问此时加热蒸汽的温度T应为多少？

7-33 设计一列管式换热器，用水冷凝苯-甲苯蒸汽。苯-甲苯蒸汽处理量8000kg/h，蒸汽饱和温度80.2℃，蒸汽组成：苯45%(摩尔分率，下同)，甲苯55%。

第四章 气体吸收

1、 当总压为101.3 kPa，温度为25℃时，100克水中含氨1克，该溶液上方氨的平衡分压为0.933 kPa；

若在此浓度范围内亨利定律适用，试求溶解度系数H和相平衡常数m（溶液密度近似取为1000kg/m3）。 2、 含有4%（体积）氨气的混合气体，逆流通过水喷淋的填料塔，试求氨溶液的最大浓度，分别以摩尔

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