浙江大学化工原理考研1994年.pdf
1994 年（共七大题）1（12 分）用一条水管将两个水位差为6m的水库连通。管线总长为720m,在离高位水库240m管线上的C点处于管线的最高位置,C 点高出高位水库的水面3m。管线的直径为1m,水在该管内流动的摩擦系数=0.04。试求(1)管内的流量,以 m3/h 表示;(2)点 C的流体压力。如果管线在点 C发生破裂,将会发生什么现象。LAB=720mm,LAC=240mm,HCA=-3m,HCB=-6m,d=1m,=0.04,求：(1)Q；（）Pc,若 c 破裂，发生什么现象？Solu:(1)列间的衡算式 Et0=Et1+Wf0-1即CA=CB+Wf0-1=CB+(LAB/d)(u2/2g)u(2dg/LAB)(CA-CB)0.5=1.43m/s Q=Au=ud2/4=1.12m3/s=4040m3/h 即管内流量为4040 m3/h (2)列间的衡算式 Et0=Etc+Wf0-c即 Pa/g=Pc/g+(LAc/d)(u2/2g)+(u2/2g)+Hc Pc=Pa-（LAc/d )(u2)/2-g Hc 80677Pa 如果点破裂，Pa=Pc，则 u，即此时，管中的水处于静止状态。2（12 分）用一直径为200mm 的管道将一高位水库中的水引到水库水面以下70m处排入大气,管线全长为100m。管线上装有一水轮机,用它来带动发电机发电。已知管路的摩擦系数=0.03,试求：(1)每 kg 水流经水轮机时,所能提供能量的表达式;(2)管内的水流经水轮机时,所能提 供 功 率 的 表 达 式;(3)如 水 轮 机-发 电 机 组 的 效 率 为60%,试 求 最 大 发 电 功率.d=200mm,H=70m,L=100m,=0.03,求：每kg 水提供能量的表达式;提供功率的表达式；=60%时，Nmax？SOLU:在间划定衡算范围，By Bernoulli-Law Et0=Et1+Wf0-1,H0=(L/d)(u2/2g)所以流速 u 2 0dg/L0.5=9.57m/s 设水轮机置于距出口米处，在间进行衡算，EtA=Et1+Wf-1=Pa/+(H u2/2d)=101.325+6.87H 每 kg 水提供能量的表达式为EtA=101.325+6.87 提供功率的表达式为 V EtA,V=uA uAEtA3.04 104+2.064 103H 0.6 时，5.07 104+3.44 103H max=2.91 105W=291.466kW 每 kg 水流经水轮机时，提供能量表达式为EtA=101.325+6.87H 每 kg 水流经水轮机时，提供功率的表达式为 3.04 104+2.064 103H=60%时，最大发电为291.466kW 3（12 分）有两个铜质薄球壳,内球壳外径为0.05m,外球壳内径为0.1m,两球壳间装入一种其导热系数待测的粉粒料。内球内用电加热,输入电功率为50W,热量稳定地传向外球,然后散发到周围大气中。两球壁上都装有热电偶,测得内球壳的平均壁温为120,外球壳的平均壁温为50，周围大气环境温度为20,设粉粒料与球壁贴合,试求:(1)待测材料的导热系数;(2)外球壁对周围大气的传热系数。d=0.05,D=0.1,N=50w,T1=50,T2=120,t0=20,求：（）；（）SOLU:(1)Q=Am(T2-T),其中，Am（AA）Ln(A1/A2),A=4D2,A2=4d2,QLn(D/d)/2(D2-d2)(T2-T)=10.5W/m2.(2)Q=kAw(tw-t)=kAw(T1-t0)k=Q/A1(t1-t0)=50/4 0.12(50-20)=13.26w/m2.待测材料的导热系数为10.5W/m2.；外球壁对周围大气的传热系数为13.26W/m2.4（12 分）一油槽内装有1 吨热的重油,用冷却水流经装于油槽内的盘管式换热器以冷却重油。已知冷却水的流量2kg/s,水的进口温度维持为20不变。由于油-水间的换热,2 小时内将油从120冷却到80,已知冷却盘管的传热面积为2m2,试核算该换热器的传热系数。已知水的比热为4.18kJ/(kg K),重油的比热为3.00kJ/(kg K),槽内油温均匀一致,并可略去热损失。W=1T=103kg,ms2=2kg/s,t1=20 ,=2hr,T1=120 ,T2=80 ,A=2m2,Cp2=4.18kJ/kgK,Cp1=3.00kJ/kgK,QL=0,求.SOLU:Q=KA tm=Wcp1(T1-T2)=ms2Cp2(t2-t1)t2=t1+WCp1(T1-T2)/(ms2Cp2)=22 tm=(T1-t2)-(T2-t1)/Ln(T1-t2)/(T2-t1)=77.45 K=WCp1(T1-T2)/A tm=0.1W/m2K 即该换热器的传热系数为0.1W/m2K.5（12 分）有一面积为10cm2带有保护套的热电偶嵌入一输送空气的长管内,用来测量空气的温度。已知热电偶的温度读数为300,输气管的壁温为200,空气对保护套管的对流传热系数为 60W/(m2K),该保护套管的黑度为0.8,试估算由于辐射所造成的气体温度测量误差。并试述减小测量误差的途径.已知Stefan-Boltzmann常数=5.67 10-8W/(m2 k4)。A=10cm2,T1=300,Tw=200,1=60 W/m2K,1=0.8,Co=5.67 10-8 W/m2K4,求误差及减小误差途径?SOLU:设气体温度的真实值为Tg,遮垫罩表面温度，热电偶指示温度，则：q=1(Tg-T1)=1Co(T1/100)4-(TW/100)4,得 Tg=343.7 气体以对流方式传给遮热罩内外表面的传热速率，q1=21(Tg-T1)60(343.7-T2)遮热罩对管壁的散热速率q Co(T2/100)4-(TW/100)4,q1=q2于是可从两式用试差法求出遮垫壁温590K 气体对热电偶的对流传热速率q=1(Tg-T1)60(343.7 273.15-T1)=37011-60T1热电偶对遮热罩的辐射散热速率 q Co(T1/100)4-(T/100)4 4.536(T1/100)4-5496.43 由 qq，求出热偶的指示温度 606.3K 此时，测温误差（绝对误差）为606.3-573.15=33.15K,相对误差为5.5%.不用遮热罩时的测温绝对误差为343.7-300=43.7k,相对误差为7.1%.所以采用遮垫罩可减小测量误差；另外，可通过降低热电偶黑度，提高气体对热电偶的局部给热系数，加强管道保温措施等方法以提高壁温减小误差。6（12 分）有一常压连续操作的精馏塔用来分馏苯-甲苯混合液。塔顶设有一平衡分凝器,自塔顶逸出的蒸气经分凝后,液相的摩尔数为气相摩尔数的一倍,所得液相全部在泡点下回流入塔,所得气相流经全凝器冷后作为产品取出。已知产品中含苯为0.95摩尔分率,苯对甲苯的相对挥发度可取2.5。试计算自塔顶向下数第二块理论板的上升蒸气组成。平衡分凝器，xD=0.95,=2.5 求 y2 SOLU:R=L/D=1 所以精馏段操作线 y=Rx/(R+1)+xD/(R+1),=0.5X+0.475-(1)平衡线 y=x/1+(-1)x=2.5x/1+1.5x,x=y/(2.5-1.5y)(2)y1=xD=0.95 (2)x1=0.884 (1)y2=0.917 即第二块理论板上升蒸汽组成为0.917 顶逸出的蒸气经分凝后,液相的摩尔数为气相摩尔数的一倍,所得液相全部在泡点下回流入塔,所得气相流经全凝器冷后作为产品取出。已知产品中含苯为0.95摩尔分率,苯对甲苯的相对挥发度可取2.5。试计算自塔顶向下数第二块理论板的上升蒸气组成。7（12 分）将 20压力为101.3kPa、相对湿度为70%的空气经间壁式换热器加热到120后,送入一对流式干燥器,用来干燥400kg/h 的固体湿物料。已知湿物料的初始湿含量为10%,最终湿含量为1%(皆为湿基百分率)。空气离开干燥器时的温度为60,相对湿度30%,试求(1)空气自预热器出口的相对湿度;(2)产品量,kg/h;(3)干空气用量,kg/h;(4)预热器加热量;(5)如干燥器入口处,热空气的线速度为0.4m/s,试求该圆筒形干燥器的直径。已知：干空气比热为1.01kJ/(kg K);水汽比热为1.88kJ/(kgK);水在0时的汽化热为2492kJ/kg,水的蒸汽压方程为lnp=23.1964-3816.44/(T-46.13),p以 Pa 表示,T 以 K 表示.t0=20 ,P=101.3kPa,0=70%,t1=120 ,G1=400kg/h,w1=10%,w2=1%,t2=60 ,2=30%,Ca=1.01kJ/kg.,Cw=1.88kJ/kg.,r0=2492kJ/kg,LnP=23.1964-3816.44/(T-46.13),(T-k,P-Pa),求：（）1;(2)G2;(3)L(kg/h);(4)Qp;(5)u1=0.4m/s,D=?SOLU:(1)LnPS,0=23.1964-3816.44/(t0+273.15-46.13)PS,0 2313.4Pa,P0=PS,0=1619.4Pa H0=0.622P0/(P-P0)=0.01=H1=0.622 P1/(P-P1),P0=P10PS,0=1PS,1LnPS,1=23.1964-3816.44/(t1+273.15-46.13)PS,1=198520.5Pa y0PS,0/PS,1=0.816%(2)W=G1(w1-w2)/(1-w2)=G2(w1-w2)/(1-w1),G2=G1(1-w1)/(1-w2)G2=363.6kg/h (3)W=G1(w1-w2)/(1-w2)=36.36kg/h LnPS,2=23.1964-3916.44/(t1+273.15-46.13)PS,2=19922.92Pa P2=2PS,2=5976.88Pa,H2=0.622P2/(P-P2)=0.04 L=W/(H1-H2)=W/(H2-H0)=1254.2kg/h=0.35kg/s(4)Qp=L(I1-I0)=LCH1(t1-t0)=0.35(1.01+1.880.01)(120-20)=35.84kJ/s(5)H=(0.772+1.244H)(237+t)/237,H1=1.129 VA=HL=0.395m3/s,VA=Au=ud2/4,d=(4VA/u)0.5=1.12m 所以预热器出口相对湿度为0.816%；产品量363.6kg/h,干空气量0.35kg/s;预热器加热量为 35.84kJ/s,干燥器直径1.12m。
