浙江大学考研化工原理91-99真题答案

1991年（共两大题、十一小题）

一、计算题：

1.（10分）如图所示，水自水面为大气压的高位槽经总管道流入分支管道A和B,然后排入大气。管道的内径均为27mm管内摩擦系数可取为λ=0.04，支管A上的全部管件及阀门(全开)的当量长度∑l eA=9.8m，支管B上的全部管件及阀门(全开)的当量长度∑l eB=9m,总管的全部管件和入口的当量长度∑l eO=1.1m,当支管A上的阀A v 全开，而支管B上的阀Bv部分开启到某一定程度时，测得支管A 中的水流量为0.5m3/h,试求此时支管B中的水流量为多少m3/h 。

(排入大气，d=27mm,λ=0.04,∑L eA=9.8m,∑L eB=9m, ∑L eo=1.1m;当A全开, B部分开启，V A=0.5m3/h，求此时VＢ)

SOLU: d oe= d eA = d eB=27mm, V0=V A+V B

∴u０=u B+u B, u A=4V/πd2=4×0.5/(π×0.0272×3600)m/s=0.243m/s

E to′= E ta+ W foe+ W feA= E tB+ W foe+ W feB

∴ E ta+ W feA= E tB+W feB

16＋{λ(L eA+∑L eA)/ d eA）}(u A2/2g)= {λ(L eB+∑L eB′)/ d eB）}(u B2/2g)

20={λ(L oe+∑L oe)/ d oe）}(u02/2g)+16+{λ(L eA+∑L eA)/ d eA）}(u A2/2g)

得 20={0.04(16+50+1.1)/ 0.027）}(u02/2g)

+16+{0.04(16+5+9.8)/ 0.027）}(0.2432/2g) u0=0.873m/s

∴ uＢ= u０－uＡ＝0.63m/s

∴ＶＢ＝uＢAＢ＝0.063×πd2/4=1.298m3/h

即此时Ｂ支管流量为1.3m3/h.

2.（15分）如图所示，用离心泵将敞口水池中的水送到反应塔内，出水管口高出水池液面4m，塔顶压力表读数为1.17×105Pa，输送管道为内径50mm的钢管，已知管路调节阀全开喷水量为30m3/h时，管路总阻力为2mH2O柱。若该离心泵的特性方程为H=20-0.00055Q2，式中：H为泵的扬程m,Q为泵的流量m3/h,设水的密度为1000kg/m3。

问：(1)此泵单独使用能否完成0.5m3/min的输送任务?

(2)写出调节阀全开时的管路特性方程，以L=f(Q)函数式表示。

式中:L为管路所需功头m,Q为管路输送流量m3/h。

(3)若将这种泵两台并联使用于该管路,当管路调节阀全开时,喷水量为多少m3/h

(Ｈ=4m,P=1.17×105Pa,d=50mm,当Q=30m3/h时，Ｈf总＝２mH2O,泵H=20-0.00055Q2(H-m,Q-m3/h),ρ=1000kg/m3，求：（１）泵单独用，能否完成Q=0.5m3/min的输送任务？（２）写出阀全开时，管路特征方程，Ｌ＝f(Q)（３）两台泵并联于管路，阀全开时，Q＝？

SOLU: (1)泵单独用时，管路特征曲线L=A+B Q 2,A=ΔZ+Δp/ρg

∴ Ａ=(4+1.17×105/1000×9.8)m ≈15.93m,L=15.93+ B Q 2

Q=30m 3/h, Ｈf 总={∑λ(L+∑L e )/ d ）}(u 2/2g)=2mH 2O

∴ Ｂ=8/∑[λ(L+∑L e )/ d 5] π2g, Ｈf 总= B Q 2,B=Ｈf 总/Q 2

∴ 管路曲线 Ｌ=15.93+(Ｈf 总/Q 2)′Q 2

=15.93+(3/302)Q 2=15.93+0.00222Q 2=20-0.00055Q 2

解出 Q ＝38.33m 3/h=0.639 m 3/min>0.5 m 3/min

∴ 单独用泵时，能完成Q ＝0.5m 3/min 的输送任务。

(２)调节阀全开时，由（１）知管路特性曲线Ｌ＝15.39+0.00222Q 2

(3)两台泵并联于管路，泵的特性曲线

Ｈ=20-0.0055(2Q)2=20-0.0022Q 2

=15.39+0.00222Q 2,解出Q ＝30.345m 3/h

即两台并联于管路，阀门全开时，喷水量θ为30.345 m 3/h

3.（15分）有一台管壳间不加折流挡板的列管式换热器,较高压强的气体在管内与管壳间的水成逆流换热,可将流量Gkg/h 的气体自80℃冷却到60℃,冷却水的温度自20℃升高到30℃,总传热系数

4m

第2题

K=40w/m2·K。现需将气体的出口温度降到50℃以下。有人建议将水的流量Wkg/h增加一倍,有人建议增加一台规格完全相同的换热器,假设无论采用并联或串联操作,每一台换热器的冷却水都是单独使用,而且流量W相同。水的初始温度均为20℃,传热温差均可用算术平均值计算。请以计算结果说明这些建议中那些是可行的。已知:流体作强制对流时的对流传热系数关联式为αl/λ=0.023(lu ρ/μ)0.8·(Cp·μ/λ)0.4式中:α:对流传热系数w/m2·k,

水的对流热系数为几千w/m2·k；气体的对流热系数为几十w/m2·k。

λ:流体的导热系数 w/m·k, μ:流体的流速 m/s,

ρ:流体的密度 kg/m3, μ:流体的粘度 N·S/m2,

Cp:流体的比热 kJ/kg·k, l:定性尺寸 m

[逆流换热，ms1=akg/h,T1=80℃, T2=60℃,t1=20℃,t2=30℃,K=40W/m2·K,要求T２小于50℃。则：（１）m s２加倍；（２）并联；（３）串联问哪种方案可行？]

SOLU:原状态下，C R1=(m s c p)1/(m s c p)2=( t2-t1)/ (T1-T2)=0.5 NTU1=KA/(m s c p)1=(T1-T2)/Δt m=0.446

ε=(T1-T2)/ (T1-t1)=1/3=0.333

(1)m s２加倍，а２′＝２0.8а２, а1不变，ＣR1′=Ｃ

R1/2=0.25

Ｋ=а1/[1+(а1/а2)( d0/d i)] (а1<<а2)

∴Ｋ≈а1不变 NTU1=KA/( m s c p)1不变

∴ε１′＝{１－exp[NTU1(1-C R1′)]}/ { C R1′－exp[NTU1(1-C R1′)]}=0.345,

T2′=59.3℃>50℃

(2)并联就某个换热器而言, C R1不变, NTU1′=2NTU1=0.892,

ε１′=0.529, T2 =48.25℃ < 50℃

(3)串联将两个换热器看作一个整体，则

C R1′＝0.5C R1,NTU1′= KA′/( m s c p)1=2NTU=0.892

ε１′＝{１－exp[NTU1′(1-C R1′)]}/ { CR1′－exp[NTU1′(1-C R1′)]}=0.56,

T2′=46.30℃<50℃

比较上述三个结论可知，方案二、三可行，但方案三更好。

4.（15分）一座装10m高填料的吸收塔，用清水吸收气体中某一组分A，在气液相中的平衡关系为y*=1.5x(y,x均为摩尔分率，以下同)在操作情况下测得A组分在塔顶，底气液中的组成数据如图中的a塔所示。现要求将排出气流中A组分降低到0.002kmol/kmol,为此再接一座装6m高填料的吸收塔b，其塔顶填料等结构尺寸均与a塔相同，用与a塔等流率的清水吸收，两塔的传质系数可认为相等。试求排出气体中A组分的y2b能否达到要求?

[h a=10m,y=1.5x,x2a=x2b=0,h b=6m, L a=L b, K xa=K xa,则y2b<0.02?( y1b=0.02 y2a=0.02 x1a=0.008)]

SOLU:L/G=(0.02-0.004)/0.008=2=(0.004-2y2b)/ x1b, 1/A=mG/L=0.75

h a=N OG,a,H OG,a , h b=N OG,b H OG,b , H OG,a=G/K ya=H OG,b=G/Ky b