化工原理第四版课后思考题答案

第二章 流体输送机械 2-1 流体输送机械有何作用？ 答：提高流体的位能、静压能、流速，克服管路阻力。 2-2 离心泵在启动前，为什么泵壳内要灌满液体？启动后，液体在泵内是怎样提高压力的？ 泵入口的压力处于什么状体？ 答：离心泵在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。由于空气的密度很小，所产生的离心 力也很小。此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。虽启动离心泵，但不能 输送液体（气缚）； 启动后泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体 沿着叶片间的通道从叶轮中心进口位置处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流 到蜗形通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。 泵入口处于一定的真空状态（或负压） 2-3 离心泵的主要特性参数有哪些？其定义与单位是什么？ 1、流量 qv: 单位时间内泵所输送到液体体积，m3/s, m3/min, m3/h.。 2、扬程 H：单位重量液体流经泵所获得的能量，J/N，m 3、功率与效率： 轴功率 P：泵轴所需的功率。或电动机传给泵轴的功率。 有效功率 Pe： 效率： 2-4 离心泵的特性曲线有几条？其曲线的形状是什么样子？离心泵启动时，为什么要关闭出 口阀门？ 答：1、离心泵的 H、P、与 qv 之间的关系曲线称为特性曲线。共三条； 2、离心泵的压头 H 一般随流量加大而下降 离心泵的轴功率 P 在流量为零时为最小，随流量的增大而上升。 与 qv 先增大，后减小。额定流量下泵的效率最高。该最高效率点称为泵的设计点，对应 的值称为最佳工况参数。 3、关闭出口阀，使电动机的启动电流减至最小，以保护电动机。 2-5 什么是液体输送机械的扬程？离心泵的扬程与流量的关系是怎样测定的？液体的流量、 泵的转速、液体的粘度对扬程有何影响？ 答：1、单位重量液体流经泵所获得的能量 2、在泵的进、出口管路处分别安装真空表和压力表，在这两处管路截面 1、2 间列伯努 利方程得： 3、离心泵的流量、压头均与液体密度无关，效率也不随液体密度而改变，因而当被输送 液体密度发生变化时，H-Q 与η -Q 曲线基本不变，但泵的轴功率与液体密度成正比。当被输 送液体的粘度大于常温水的粘度时，泵内液体的能量损失增大，导致泵的流量、扬程减小， 效率下降，但轴功率增加，泵的特性曲线均发生变化。 2-6 在测定离心泵的扬程与流量的关系时，当离心泵出口管路上的阀门开度增大后，泵出口 压力及进口处的液体压力将如何变化？ 答：泵出口压力变小，进口处真空度增加 2-7 离心泵操作系统的管路特性方程是怎样推导的？它表示什么与什么之间的关系？ 答：当离心泵安装到特定的管路系统中操作时，若贮槽与受液槽两液面保持恒定，则泵对单 位重量(1N)流体所做的净功为，忽略 令， 得管路特性方程
3、影响因素由沉降公式可以确定。dp、 、及阻力系数有关。 重点掌握层流区 3-3 固体颗粒在流体中沉降，其雷诺数越大，流体粘度对沉降速度的影响如何？ 答：粘度越大沉降速度越小。 3-4 固体颗粒在流体中沉降，其沉降速度在层流层区（斯托克斯区）和湍流区（牛顿区）与 颗粒直径的关系有何不同？ 答：沉降速度在层流层区（斯托克斯区），与颗粒粒径的平方成正比； 在湍流区（牛顿区），与颗粒粒径的平方根成正比。 3-5 某微小颗粒在水中按斯托克斯定律沉降，试问在 50℃水中的沉降速度与在 20℃水中的沉 降速度比较，有何不同？ 答：按照沉降速度在层流层区（斯托克斯区），液体温度升高，粘度降低，密度降低，所以沉 降速度增加。 3-6 球形颗粒于静止流体中在重力作用下的自由沉降都受到哪些力的作用？其沉降速度受哪 些因素影响? 答：重力，浮力，阻力；沉降速度受 dp、 、及阻力系数有关 3-7 利用重力降尘室分离含尘气体中的颗粒，其分离条件是什么？ 答： 3-8 何谓临界粒径？何谓临界沉降速度？ 答：临界粒径：能 100%除去的最小粒径；临界沉降速度。 3-9 用重力降尘室分离含尘气体中的尘粒，当临界粒径与临界沉降速度为一定值时，含尘气 体的体积流量与降尘室的底面积及高度有什么关系？ 答：成正比 3-10 当含尘气体的体积流量一定时，临界粒径及临界沉降速度与降尘室的底面积 WL 有什么 关系。 答：成反比 3-11 如果已知含尘气体中的临界沉降速度，如何计算多层隔板式降尘室的气体处理量？ 答： 3-12 何谓离心分离因数？提高离心分离因数的途径有哪些？ 答：离心分离因数：同一颗粒所受到离心力与重力之比； 3-13 离心沉降与重力沉降有何不同？ 答：在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位 置不同而变化。 3-14 对于旋风分离器，提高离心分离因数的有效方法是什么？ 3-15 要提高过滤速率，可以采取哪些措施？ 答：过滤速率方程 3-16 恒压过滤方程式中，操作方式的影响表现在哪里？ 答： 3-17 恒压过滤的过滤常数 K 与哪些因素有关？ 答： 第四章 传热 4-1 根据传热机理的不同，有哪三种基本传热方式？他们的传热机理有何不同？ 答：根据传热机理的不同，热的传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热。 热传导（简称导热）：热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程。 在固体、液体和气体中都可以发生。
2-8 管路特性方程中的与 k 的大小，受哪些因素影响？ 答：与液面高度差和静压差有关。k 与管路长度、管径、摩擦系数及局部阻力系数有关。 2-9 离心泵的工作点是怎样确定的？流量的调节有哪几种常用的方法？ 答：1、离心泵在管路中正常运行时，泵所提供的流量和压头应与管路系统所要求的数值一致。 安装于管路中的离心泵必须同时满足管路特性方程与泵的特性方程，即管路特性方程和泵的 特性方程 H =f(Q)，联解上述两方程所得到两特性曲线的交点，即离心泵的工作点。 2、改变口阀开度（改变管路特性曲线）；改变泵的转速（改变泵的特性曲线）；离心泵并 联操作；离心泵的串联操作。 2-10 何谓离心泵的气蚀现象？如何防止发生气蚀？ 答：1、当叶片入口附近的最低压力等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体将 在此处汽化或者是溶解在液体中的气体析出并形成气泡。含气泡的液体进入叶轮高压区后， 气泡在高压作用下急剧地缩小而破灭，气泡的消失产生局部真空，周围的液体以极高的速度 冲向原气泡所占据的空间，造成冲击和振动。金属表面受到压力大，频率高的冲击而剥蚀以 及气泡内夹带的少量氧气等活泼气体对金属表面的电化学腐蚀等，使叶轮表面呈现海绵状、 鱼鳞状破坏。这种现象称为汽蚀。 2、为了避免气蚀的发生，泵的安装高度不能太高，可用泵规格表中给出的气蚀余量对泵 的安装高度加以限制。 2-11 影响离心泵最大允许安装高度的因素有哪些？ 答：最大允许安装高度；环境大气压，工作温度下的液体饱和蒸气压，允许气蚀余量，吸入 管路的压头损失。 2-12 往复泵有没有气蚀现象？ 答：往复泵一样有气蚀问题，只是相对较小，但在实际使用中一样需要满足入口压力要求。 2-13 往复泵的流量由什么决定？与管路情况是否有关？ 答： ；往复泵的流量由泵缸尺寸、活塞行程及往复频率所决定，(即单位时间内活塞扫过的 体积)。与管路情况（几乎）无关。 2-14 往复泵的扬程（对液体提供压头）与什么有关？最大允许扬程是由什么决定的？ 答：1、 2、最大允许扬程由泵的机械强度、密封性能及电动机的功率等决定。 2-15 何谓通风机的全风压？其单位是什么？如何计算？ 答：全风压：单位体积气体流经通风机后所获得的总机械能。单位是 Pa， 2-16 通风机的全风压与静风压及动风压有什么关系？ 答：全风压为静风压和动风压之和。 2-17 为什么通风机的全风压与气体密度有关？在选用通风机之间，需要把操作条件下的全风 压用密度换算成标定条件下的全风压。但为什么离心泵的压头 H 与密度无关？ 答：因为通风机全压，所以和密度有关 离心泵的理论压力 第三章 沉降与分离 3-1 固体颗粒与流体相对运动时的阻力系数在层流层区（斯托克斯区）与湍流区（牛顿区） 有何不同？ 答：10-4< Re <2 的区域称为层流区或斯托克斯定律区。； 湍流区或牛顿（Newton）定律区（500< Re<2x105） 3-2 球形颗粒在流体中从静止开始沉降，经历哪两个阶段？何谓固体颗粒在流体中的沉降速 度？沉降速度受哪些因素影响？ 答：1、加速阶段和等速阶段 2、匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut 称为沉降速度
对流传热：由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，只能发生在有 流体流动的场合。 热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。可以在完全真空的地方传递而无需 任何介质。 4-2 傅立叶定律中的负号表示什么意思？ 答：热量传递的方向沿着温度梯度下降的方向。 4-3 固体、液体、气体三者的热导率比较，哪个大，哪个小？ 答：一般固体>液体>气体 4-4 纯金属与其合计比较，热导率哪个大？ 答：纯金属大于合金 4-5 非金属的保温材料的热导率为什么与密度有关？ 答：密度小，则所含的空气越多，气体的导热系数低于固体。 4-6 在厚度相同的两层平壁中的热传导，有一层的温度差较大，另一层较小。哪一层热阻大。 答：温差大的热阻大，热导率低。 4-7 在平壁热传导中，可以计算平壁总面积 A 的导热速率 Q，也可以计算单位面积的导热速 率（即热流密度）。而圆筒壁热传导中，可以计算圆筒壁内、外平均面积的导热速率 Q，也可 以计算单位圆周长度的壁面导热速率 ql，为什么不能计算热流密度？ 答：圆筒壁的传热面积和热流密度不再是常量，但传热速率在稳态时是常量 4-8 输送水蒸气的圆管外包覆两层厚度相同、热导率不同的保温材料。若改变两层保温材料 的先后次序，其保温效果是否改变？若被保温的不是圆管而是平壁，保温材料的先后顺序对 保温效果是否有影响？ 答：圆筒壁： 有影响 平壁 没有影响 4-9 对流传热速率方程 中的对流传热系数α 与哪些因素有关 答：流动状态（气、液、蒸汽）、流体的性质（热导率、热容、粘度、密度）、壁面形状 等 [流体有无相变化、流体流动的原因、流动状态、流动物性和壁面情况（换热器结构）等都影 响对流传热系数。] 4-10 流体在圆管内强制对流时对流换热系数α 的计算式中，Pr 的指数 n 由什么决定？流体 在管内的流速及管径对α 的影响有多大？管长、弯管的曲率对管内对流传热有何影响？ 答：被加热 n=0.4;被冷却 n=0.3 在传热管的长度小于进口段以前，管子愈短，则边界层愈薄，就愈大。曲率越大，就愈 大。 4-11 水的对流传热系数一般比空气大，为什么？ 答：按照强制对流公式 4-12 为什么滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的大？由于壁面不容易形成滴状冷凝，蒸汽 冷凝多为膜状冷凝。影响膜状冷凝的因素有哪些？ 答：在滴状冷凝过程中，壁面的大部分面积直接暴露在蒸汽中，在这些部位没有液膜阻碍着 热流，故滴状冷凝的传热系数可比膜状冷凝高十倍左右。 影响膜状冷凝的因素有： （1）冷凝液膜两侧的温度差当液膜呈滞流流动时，若温度差加大，则蒸汽冷凝速率增加， 因而液膜层厚度增加，使冷凝传热系数降低。 （2）流体物性由膜状冷凝传热系数计算式可知，液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的 冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。
（3）蒸汽的流速和流向蒸汽以一定的速度运动时，和液膜间产生一定的摩擦力，若蒸汽 和液膜同向流动，则摩擦力将是液膜加速，厚度减薄，使传热系数增大；若逆向流动，则相 反。但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，此时随蒸汽流速的增加，对流传热 系数急剧增大。 （4）蒸汽中不凝气体含量的影响若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气 体（导热系数很小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使对流传热系数急剧下降。因此在冷 凝器的设计和操作中，都必须考虑排除不凝气。含有大量不凝气的蒸汽冷凝设备称为冷却冷 凝器，其计算方法需参考有关资料。 （5）冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，则液膜增厚，使传热系数下 降，故在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。例如，对于管束，冷凝液面从上面各 排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的传热系数比上排的要低。为了减薄下面 管排上液膜的厚度，一般需减少垂直列上的管子数目，或把管子的排列旋转一定的角度，使 冷凝液沿下一根管子的切向流过， 4-13 液体沸腾的两个基本条件是什么？ 答：一是液体的温度要达到沸点,二是需要从外部吸热。 4-14 为什么核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的传热系数大？影响核状沸腾的因素主要 有哪些？ 答：核状沸腾，气泡的生成速度、成长速度以及浮升速度都加快。气泡的剧烈运动使液体受 到剧烈的搅拌作用，增大。膜状沸腾传热需要通过气膜，所以其值比核状沸腾小。 影响核状沸腾的因素主要有：液体物性；温度差；操作压力；加热面状况；设备结构、 加热面形状和材料性质以及液体深度等。 4-15 同一液体，为什么沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热系数大？ 答：因为相变热比液体的热容大很多，所以沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热 系数大。 4-16 换热器中冷热流体在变温条件下操作时，为什么多采用逆流操作？在什么情况下可以采 用并流操作？ 答：逆流时的平均温度差最大，并流时的平均温度差最小，其它流向的平均温度差介于逆流 和并流两者之间，因此就传热推动力而言，逆流优于并流和其它流动型式。当换热器的传热 量 Q 即总传热系ห้องสมุดไป่ตู้ K 一定时，采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。 在某些生产工艺要求下，若对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不得超过某一温 度，或热流体被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。 4-17 换热器在折流或错流操作时的平均温差如何计算？ 答： ①根据冷、热流体的进、出口温度，算出纯逆流条件下的对数平均温度差 ； ②按下式计算因数 R 和 P： ③根据 R 和 P 的值，从算图中查出温度差校正系数 ； ④将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度差校正系数 ，即得所求的 。 4-18 换热器的总传热系数的大小，受哪些因素影响？怎样才能有效地提高总传热系数？ 答：取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等； K 值总是接近于α 小的流体的对流传热系数值，关键在于提高α 小一侧的对流传热系数； 减慢污垢形成速率或及时清除污垢。 4-19 在换热器中，用饱和蒸汽在换热管外冷凝发热，加热管内流动的空气。总传热系数接近 哪种流体的对流传热系数？壁温接近哪种流体的温度？忽略污垢和管壁热阻。要想增大总传 热系数，应增大哪个流体的对流传热系数？ 答：总传热系数接近空气一侧的对流传热系数；壁温接近饱和蒸汽的温度；要想增大总传热