北化2008化工原理竞赛题解

汽氨
热流体
热流体
液氨
液氨
（2）答：在汽氨管线上设置阀门，通过改变阀门的开度调整换热器壳程的压力，从而改 变壳程液氨的温度，实现对传热过程的调整。要使热流体出口温度降低，只需开大阀门， 降低壳程压力（温度）
4． （8 分）一逆流吸收塔，气量、液量和塔高不变，气膜控制过程，在气体和吸收剂进口组 成不变的情况下，使得吸收温度降低，吸收属于低浓度吸收，且温度对 ky 的影响可忽略， 试通过具体分析过程指出吸收效果如何变化？示意性画出平衡线和操作线如何变化？定性 分析吸收推动力如何变化？
轴功率增加为
P qV Hg


72 / 3600 18.5 1000 9.81 5.22kW 0.6956
' （2）关小阀门时， qV 72 m3/h，泵的效率为 69.56%
4
此时泵的轴功率：
P qV Hg


72 / 3600 53.1 1000 9.81 14.98kW 0.6956
t↓,m↓, 气膜控制过程，Ky=ky 所以，HOG＝V/ Kya 不变，塔高不变，NOG 不变， S 由吸收因数关联图得 y2↓
m L /V
y mx 2 y1 mx2 ， 1 c 0 ， y1 cy 2 mx 2 (1 c) y 2 mx2 y 2 mx 2
调转速时：降低离心泵转速改变流量，工作点如 C 点所示。此时管路特性方程 1 不变， 故该点的压头 H C 34.6m 。 求取新转速下泵的特性方程: 设转速减少率小于 20%, 由比例定律
qV ' n ' , qV n
qV n n' qV ' ,
H' n' H n

900 5 1 2450 1 1.12 1 2450 1.5 4170
（a）
热平衡方程：
0.392
t 2 t1 t 20 2 T1 T2 78 T2
（b）
（a）式（b）式联立求解得： T2 33.19 ℃； t 2 37.56 ℃ （2）新工况下的总传热系数：
北京化工大学“BASF”杯 第一届化工原理学科竞赛试题
一、简答题 1.（5 分）医院输液容器即为一马里奥特恒速装置：如图所示，为了使高位槽底部排出 的液体量不随槽中液面的下降而减少， 通常可将高位槽上端密封， 并于底部设置与大气相通 的细管。试说明其恒速原理。
pa
h1
h2
解答：由于液体从下管排出而使槽内上方空间形成真空，在大气压力的作用下，A 管中 的液面开始下降，降至 A 处时，空气进入槽内补充，从而 使槽中 A 截面处的压力始终为大气压力。 在 1-2 截面列柏努利方程，
T1 t 2 78 t 2 KA ln T 2 t1 T2 20 q m1c p1
q m1c p1 q m2 c p2
1 1

1 1 1 2 1 900W/m K 2 1800 1800
ln
q m1c p1 1 q m2 c p2
1 1 K' K 2 1 1 1 0 . 8 1.3 2 q' m2 / q m2 0.8 1 2K 1 1 0 . 8 1.3 q' m2 / q m2 0.8 量减小为
' qV 90 0.8 72 m3/h
qV′ qV
qV
泵产生的压头为
2 H ' 55 0.0333qV 8.333 10 4 qV 55 0.0333 72 8.333 10 4 72 2 53.1m
所以 又 所以
H e 5 BQ 2
代入 所以
51.25 5 B 90 2
B 51.25 5 90
2
5.71 10 3
H B 管路 2 A 管路 1 泵1 泵2
又
l 8 1 ) 2 4 d gd 3600 2 200 8 1 (0.025 ) 2 5.71 10 3 4 0.1 g 0.1 3600 2 B (
1
（3）热辐射——暖壶胆表面涂以银白色，并且光洁度很高
3． （5 分）生产中有一股热流体需要被降低至一定温度，选用液氨作为冷剂，利用其蒸发达 到致冷的目的。 （1） 试构想出一种合适的换热器，图示其主要结构，并在图中标出其所有相关物流的 名称、流向。 （2） 生产中如果要改变冷却效果，例如，使热流体出口温度更低，试给出一种合理、 可行的方法。 答： （1）
得新转速下的泵特性方程
n' H 55 n
'
' 0.0333 n n
2
' 2 qV 8.333 10 4 qV '
将新工作点 C： qV C 72m 3 / h, H C 34.6m 代入上式 得 即 此时
n' 0.820 n
2
得
n H ' H' n
2
代入原转速下的泵特性方程中
2 H 55 0.0333qV 8.333 10 4 qV
2 2
n n n ' ' ' H ' 55 0.0333 ' qV 8.333 10 4 ' qV n n n
2 26 0.875qV 3.75 10 3 qV 26 0.875 87.8 3.75 10 3 87.8 2 73.9%
此时泵的轴功率为
5
P
qV Hg


72 / 3600 34.6 1000 9.81 9.19kW 0.739
B'
53.1 5 72 2
9.28 10 3
B ' (
l 8 1 200 8 1 ) 2 4 (0.025 ) 2 9.28 10 3 2 4 2 d 0 . 1 gd 3600 g 0.1 3600
' 95.41
由于阀门关小引起的局部阻力系数增大为（95.41-39.47）＝55.94 阀门原开度时管路 1 中 C 的压头：
H eC 5 5.7110 3 qV 2 5 5.7110 3 72 2 34.6m
阀门关小导致压头的增加为：
H H B H C 53.1 34.6 18.5m
效率：
2 26 0.875qV 3.75 10 3 qV 26 0.875 72 3.75 10 3 72 2 69.56%
pa
h1 1 A h2 2
p1

z1 g
p2
1 2 u2 2
又 p1 p 2 p a 所以 u 2
2 z1 g 2h2 g
由此可见，只要液面下降不低于 A 处，则 h2 一定，流速一定。一旦 A 处暴露，则 h2 下降，出口流速相应减少。
2． （3 分）日常生活中存在大量正确利用传热学原理强化或削弱传热过程的实例，试针对导 热、对流传热和热辐射三种传热方式各举一例 答： （1）导热——房屋窗户采用双层玻璃，中间抽成真空 （2）对流——电风扇
三、计算题（17 分） 在传热面积为 5m2 的换热器中用冷却水冷却某溶液。冷却水流量为 1.5kg/s，入口温度 为 20℃，比热为 4.17kJ/kgK；溶液的流量为 1kg/s，入口温度为 78℃，比热为 2.45kJ/kgK。 已知溶液与冷却水逆流流动，两流体的对流传热系数均为 1800 W/ m2K。 （1）试分别求两流体的出口温度？ （2） 现溶液流量增加 30%, 欲通过提高冷却水流量的方法使溶液出口温度仍维持原值， 试求冷却水流量应达到多少？ （设冷却水和溶液的对流传热系数均与各自流量的 0.8 次方成 正比，忽略管壁热阻和污垢热阻） （提示，可初估冷却水流量增为原来的 1.5 倍） 解： （1）总传热系数近似用下式计算： K 1
ln 78 t ' 2 2 900 5 1.3 2450 1 33.19 20 1 / 1.3 0.8 1 / q ' m2 / q m2 0.8 1.3 2450 q ' / q 1 . 5 4170 m2 m2
5m
解： （1）夏季输送量为 90m3/h 时，工作点如 A 点所示。 由泵的特性方程，泵产生的压头为
2 H 55 0.0333qV 8.333 10 4 qV 55 0.0333 90 8.333 10 4 90 2 51.25m
3
设此时管路的特性方程为
n ' 0.82n 0.82 2900 2378rpm
n 0.18 18% 20% ，比例定律适用。 n
与新转速 qVC 对应的原转速下的等效率点为
qVC1 n 1 ' qVC 0 . 82 n
qVC1 qVC 87.8m 3 / h 0.82
该点下效率为


(c)
新工况下热平衡方程：
q' m1 c p1 t ' t t ' 2 20 1.3 2450 2 1 q' m2 / q m2 1.5 4170 T1 T ' 2 78 33.19
q' m2 / q m2 q m2 c p2
(d)
试差求解上述关于 q' m2 / q m2 和 t ' 2 的方程组，可得： q' m2 / q m2 1.418 ； t ' 2 36.09 ℃ 所以，冷却水流量需要提高至 q' m2 1.418 1.5 2.127kg/s