环境工程原理补充习题参考答案第一部分xxxx083075665.docx
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环境工程原理补充习题参考答案第一部分xxxx083075665
环境工程原理修订材料
(2007年)
总结2
第二章质量衡算与能量衡算2
第三章流体流动3
第四章热量传递6
第五章质量传递9
思考题补充11
第二章质量衡算与能量衡算11
第三章流体流动11
第四章热量传递12
第五章质量传递12
习题补充14
第二章质量衡算与能量衡算14
第三章流体流动16
第四章热量传递21
第五章质量传递28
中英文术语33
第二章质量衡算与能量衡算33
第三章流体流动33
第四章热量传递34
第五章质量传递35
总结
第二章质量衡算与能量衡算
、单位换算
、常用物理量及其表示方法
定义
相关内容
浓
度
质量浓度:
A
V
N
混合物总质量浓度:
i1
质量分数:
xmA
m
N
xmi1;
i1
气液两相体系:
XmA――液相中某组分的质量分数;
ymA――气相中某组分的质量分数;
质量比:
XmAmA
mmA
XmA与XmA换算:
XmA
1XmA
物质的量浓度:
cA丄A
V
CA与A换算:
CA
MA
摩尔分数:
xA仏
n
摩尔比:
xanA
n门人
XA与XA换算:
XA——;气态:
YaPA
1XAppA
流
量
体积流量:
qV-
t
qv与qm换算:
qmqv
质量流量:
qm
流
速
udAq
平均流速:
um上—亚
AA
通
量
单位时间、单位面积上通过的物理量;表示传递速率
「水处理:
一般1L污水可近似认为等于1000g。
1mg/L的质量分数为1mg/1000g=1x10-6=1ppm
*环境工程中<污水浓度过高时,1mg/L的质量分数为1x10-3十混合
广以物料全部组分为对象:
(质量守恒)
物密度值
1.质量衡算
ri)
稳态非反应系统:
qm1qm2
dm
qm1qm2q
mr
dt
l以某种元素或
物质为对象
2)
稳态反应系统:
qm1qm2qmr
qmlqm2
0(一级反应)
3)
非稳态系统:
dm
qmlqm2
qmr
dt
封闭系统
无相变:
Eq
QmcpT
2•能量衡算
Hp
HfEq
(不考虑做功,
仅考虑热量交换)
EqQ
有相变:
相变时吸收或放出热量,
但温度不变EqQmL
开放系统(稳态)
1大气污染控制工程:
常用体积分数;
若视为理想气体
Va
RT103
A
v
pMA
三、质量与能量衡算
qmr
Hf
Hp
第三章流体流动
、衡算方程
*质量衡算q
ml
qm2°巴,对于不可压缩流体管内流动
dt
Um1Al
Um2A2
总能量方程:
(e
gz
pv)Qe
We
能量衡算£
机械能方程:
1(
2、
Um)
P2
vdp
P1
We
hf
对于不可压缩流体-
2
2、
Um)
hf
、流体流动内摩擦力
1.流态雷诺数Re―UL判定
2•内摩擦力
(1)牛顿黏性定律叫,适用于层流
dy
(2)口为动力黏性系数,表示单位法向速度梯度下,由于流体黏性引起的内摩擦力或剪切应力的大小。
温度液体口气体口f
(3)流体类别一一见表3.2.2
(4)流动状态与剪切应力
du
dy
层流:
剪切应力由分子运动引起,服从牛顿黏性定律
.湍流:
剪切应力由分子运动和质点脉动引起,t(
三、边界层
1•边界层理论要点
(1)当实际流体沿固体壁面流动时,紧贴壁面处存在非常薄的一层区域——边界层
(2)在边界层内,流体流速很小,但速度梯度很大
(3)在边界层内,黏性力可以达到很高的数值,它所起的作用与惯性力同等重要,在边界层内不能全部忽略粘性
(4)流动分两个区域,在边界层外的整个流动区域,可将粘性力全部忽略,近似看成是理想流体的流动
2•边界层形成过程
(1)绕平板流动(图)
①边界层厚度:
层流
x
4.6410-5;湍流
Rex
0.376
x
Rex
②减小边界层厚度可以减小传递过程阻力:
增大流速使湍流化,矩形槽或放置金属丝破坏
边界层形成
(2)圆直管内流动(图:
层、湍流)
①层流一一速度抛物线型分布;湍流一一充分发展段速度分布曲线较平坦,层流底层厚度
61.5
d
0.875
Re
②进口段长度:
层流*0.0575Re;湍流约50倍管径
d
3.边界层分离一一能量损失(图)
1产生条件:
存在黏性作用和逆压梯度
2层流较湍流易发生;湍流的分离点靠后,尾流区小
四、阻力损失
成因
影响因素
雷诺数物体形状表面粗糙度
摩擦阻力
形体阻力
湍流-大;层流-小粗糙表面-大
湍流-小;层流-大良绕体-小;非良绕体-大粗糙表面促进湍流化-小
五、圆直管内流动的阻力损失
1.沿程损失
(1)Pf
.2
lUm
d2
(2)速度分布及阻力损失
阻力损失系数入
流动速度分布
形态
64/Re
层流u右讣0G)2]
4Um
s
ro
(Re,T)d
1•过渡区按湍流处理偏安全
2•湍流区Re>4000:
柏拉休斯:
湍流UUmax(1护
025
0.3164Re.(5000Re
10000)
一般流体输送的Re范围内,n-1/7
1
卡门:
•
2.035lg(Re)
0.91
(Re
3.4106)
3.完全湍流区
d
(1.742lg)
2
2|2
2.局部损失hf或hf
2d2
六、管路计算(不可压缩流体)
厂简单管路:
qV1qV2
常数;hfhf1hf2
复杂管路
广分支管路:
(图) 并联管路: 总管流量等于各支管流之和; hfABhfBDhfDE;总机械能守恒 qVq1q2q3;hf1hf2hf3 七、流体测量 测量仪表 流速(流量)表达式 特点 测速管 (毕托管) 2gR(o 孔板流量计 qv CoAo 2gR(0 文丘里流量计 qv CvAo 2gR(o 测得的是点流速 固定安装;阻力损失较大 比孔板流量计减少了机械能损失 使用条件与标定条件不符时 转子流量计 2gVf(f) Af qv qvo 必须垂直安装,流体自下而上流动 第四章热量传递 、概述 气体一一分子不规则运动 : 热传导{固体一一晶格振动和自由电子的迁移 I液体一一分子振动+分子间相互碰撞 热量传递〈对流传热一一流体中质点发生相对位移引起,通常也指流体与固体壁面之间的热传递;仅发生在液体和气体中 <辐射传热——通过电磁波传递能量;不需要任何介质,可在真空中传播 、热传导 1.基本公式: 傅立叶定律: dT dy 热量通量%温度梯度;热量沿温度 2•导热系数 q dT dy 降低的方向传递。 气体: 很小,利于绝热保温(工业上多孔保温材料);Tf,p(高 液体: 水的入最大,常用作导热介质(多孔隔热材料受潮隔热性J)除水和甘油外,Tff入f,压力影响不大 固体: 金属入>>非金属入;金属有杂质f入 纯金属Tff入合金Tff入f; 晶体Tff入非晶体Tff入f 3•应用模型 三、对流传热 单层平壁: r 入不随温度变时QA(T1T2)T,热阻Rb, bRA 即传导距离f&壁面面积J&入导热热阻f&热传导速 率QJ 多层平壁: 稳态时各层热量流量相等 T1Tn1 T1Tn1 n 圆管壁: n Ro为污垢热阻 Ri i1 T1T2 多层圆管壁: Q dQ Ro gl Ro Am T1Tn1 A-Ai A- ln- A rm ln- ri dA Ri T1Tn1 bi iAmi 1.基本公式: 牛顿冷却定律: 物性特征 (流体本身) 2.传热速率 影响因素 (边界条件) 几何特征 流动特征: 流动起因(强制对流 : Pf,Cpf,入传热速率f;黏度ufT传热速率J : 固体壁面形状、尺寸、粗糙度等 Q>自然对流Q)、状态 (湍流Q>> 层流Q)、相变(有相变Q>>无相变Q) 3. 圆管: RediU,Pr Re4M 对流传热系数(经验式) 传热类型 经验式 应用条件 0.023—Re08Prfdi 加热f=0.4,冷却 圆形直管内强 f=0.3; 烈湍流 (1) Re>104,0.7 管 提高流速及减小管径可强化传热,前者更有效 L/di>50 内 C―f0.8f0.33/、0.14 0.027—RePr(—) diw 强 圆形直管内强 咼黏度 制 烈湍流 (2) 0.7 对 卩(定性温度),卩w(壁温) 流 圆形直管内强 在 (1)、 (2)基础上乘以修正系数 短管L/di<50 烈湍流(3) 彳/di0.7 11(匚) ;蒸汽冷凝: 圆形直管内层 流(4) 111 1.86Re3Pr"Ly3^w)0-14 didi八 Re<2300 6 di RePr丄10L 圆形直管内层 流(4) 在(4)基础上乘以修正系数 1 0.8(10.015Gr3) Gr>25000 圆形直管内过 渡流态(5) 在湍流对应经验式基础上乘以修正系数 6105 11.8 Re 4 2300wRew10 圆形弯管(6) 按直管对应经验式基础上乘以修正系数 11.77’ R 大自然空间对流 C—(GrPr)n,C为常数(查表)d0 -M-*蒸八、、汽冷凝传热 八、、 竖壁或竖管上的膜状冷凝,层流 231 1.13(g—)4,T为竖壁面温度 LT (Tw)与蒸汽在操作压力下饱和温度(Ts) 之差,r为冷凝潜热(由Ts确定) Re<2000 竖壁或竖管上的膜状冷凝,湍流 231 0.068(-一)3 LT Re>2000 水平管外冷凝 23丄 0.725(rg)4,d0为管外径d0T 4.热损失最大时的保温层直径 d2 dc,为使加保温层后热损失小于裸管时的热损失, 11 5.总传热系数rs1 bArA rS2_ A (热侧为外侧) K1 AmA2 2A2 K 在间壁热阻一和污垢热阻 rs1,rs2可忽略时: 若 21,为间壁外侧对流传热控制, 提高间壁外侧对流传热系数是提高 K值的关键; 若 21,为间壁内侧对流传热控制 dedi 2 应使保温层厚度 6•传热推动力与平均温差、传热单元数法四、辐射传热 1•辐射传热=发出辐射能的过程+吸收辐射能的过程 当两个温度不等的物体辐射传热时,热量从高温物体向低温物体传递 黑体单色辐射能力 Eb 5 Cl C2 e_1 最大单色辐射能力的波 2.物体辐射能力 EEd 0 长与温度关系 mT 2.910 灰体ECo( I克希霍夫定律: ioo)4, A 灰体黑度 Eb A为灰体吸收率 3•物体间的辐射传热Qi2 Ci212A 4 TL 100 100 ,典型情况下的面积 A和物体 1对物体2的辐射角系数12查表441 第五章质量传递 环境工程中常见的传质过程有: 吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离。 传质过程可分为分子传质与对流传质: 机理: 分子扩散 扩散通量: NaDab字乞Z dzc 广分子传质< '单向扩散: 丄上 1yA,i k浓度分布V J等分子双向扩散: cA /单向扩散: Nb0 DabC Na-^^(CA,iCa,o) LcB,m Nb)乜等分子反向扩散: NaNb0NaDBSCa,o) l有化学反应的扩散: NanNB z 1yA,。 L 1yA,i CA,0CA,i z 「机理: 涡流扩散、分子扩散 I对流传质Y <扩散通量: Nakc(CA,i r单向扩散传质系数kc CA,0)V k0 xB,m l等分子双向扩散传质系数k0 DAB 思考题补充 第二章质量衡算与能量衡算 1•一罐挥发性化学物质(苯)被倒在一个小池塘里,现要求计算出流出池塘的小溪水中苯的浓度,列出所需要的数据。 (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentaiEngineeringand Scienee—影印本,清华大学出版社,2004.11,p127DiscussionQuestion3-2,无改动) 2.一片在湖底的石灰石(碳酸钙)缓慢溶解,为了计算物料平衡,你可以假设: A)系统处于平衡状态B)系统处于稳态 C)上述两种都可以D)上述两者都不行 (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentaiEngineeringand Scienee—影印本,清华大学出版社,2004.11,p127DiscussionQuestion3-1,无改动) 3.写出一个污水处理厂污水处理过程的质量衡算关系(包括污水和污泥系统)。 4•描述自来水在壶中被烧开过程中与外界的能量交换。 第三章流体流动 第节 1•管流系统的质量衡算方程如何表示? 对不可压缩流体的稳态过程可如何简化? 有何物理意义? 2.流体携带哪些能量? 12 3.能否用平均流速一mum表示平均动能? 2 4.什么是流体的流动功? 第二节 1.什么是雷诺数? 不同流场,其特征速度及特征尺寸是否相同? 其临界值是否相同? 2.什么是黏度? 动力黏度与运动黏度有何不同? 3.泥浆、中等含固量的悬浮液属于什么流体? 其流动规律如何描述? 怎样改善其流动性? 4.粘性流体在静止时有没有剪应力? 理想流体在运动时有没有剪应力? 若流体静止时没有剪应力,那么它们是不是都没有粘性? 第三节 1.实际流体的流动有什么特征? 2.边界层厚度对传递过程有何影响? 可采取哪些措施强化传递过程? 3.圆直管内边界层的形成和发展有哪几种情形? 4.什么是进口段长度? 层流、湍流进口段长度哪个长? 5.为什么网球表面粗糙? 从运动阻力方面分析。 第四节 1.阻力损失可分为几种? 有哪些影响因素? 2.流体湍流流动时,磨擦系数入与什么有关? 若其完全湍流,则入又与什么有关? 3.什么是局部阻力? 它对流体流动有什么影响? 其计算方法有哪两种? 4.将一管路上的闸门关小,则管内流量、局部阻力、沿程阻力及总阻力将如何变化? 第五节 1.环境工程中的管路计算问题可分为哪几类? 2.简单管路、复杂管路如何区分? 3.流体以层流状态流过两并联管段,两管管长、内径比均为1: 2,则其体积流量比为多少? 1.有哪些流体测量的仪器? 2.哪些流量计属于变压头流量计? 解释其工作原理。 3.哪些流量计属于变截面流量计? 解释其工作原理。 4.在一管路中,当孔板流量计的孔径和文丘里流量计的喉径相同时,相同流动条件下,比较两流量计流量系数的大小。 5.简述转子流量计的工作原理。 第四章热量传递 1.空气在钢管内流动,管外用水蒸气冷凝,钢管的壁温接近空气温度还是水蒸气温度? 设管壁清洁,没有污垢。 (来源: 何潮洪,窦梅等编,化工原理习题精解(上册),科学出版社,2003,p159例4-18) 2.如果你赤脚走在地板上,在室内温度相同情况下,砖地板比木地板感觉更冷,解释原因。 (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentalEngineeringand Scienee—影印本,清华大学出版社,2004.11,p127DiscussionQuestion3-5,无改动) 3.在计算热传导非相变一侧流体吸收/放出的热量、换热器间壁两侧的流体主体换热以及换 热器的热量衡算时,所指的传热推动力(温差)各是什么? (来源: 杨国泰等编,化学工程基础学习指导,化学工业出版社,2003,参考p39内容) 4.两个温度相同、不互相接触的物体之间是否存在热辐射? 是否存在热量传递? 5.在全球变暖问题中,极地冰盖的融化被认为会加速地球变暖,从热辐射角度解释这一问题。 比较流动、传热、边界层的异同。 第五章 质量传递 第一 -H- 节 1. 什么是传质? 举例环境工程中的传质过程。 2. 引起传质的推动力有哪些? 3. 什么是吸收? 在环境工程中有何应用? 4. 吸附与吸收有何异同点? 5. 什么是膜分离? 目前有哪些膜分离技术。 第二 节 1. 费克定律有哪几种表达形式? 有何异同点? 2. 什么是分子扩散系数? 其物理意义是什么? 3. 比较物质在气体、液体、固体中分子扩散系数的大小。 4.简述涡流扩散系数的物理意义及影响因素。 第三节 1.什么是单向扩散和等分子反向扩散? 2.单向扩散、等分子反向扩散物质的浓度分布如何? 3.组分A通过静止组分B进行稳态扩散过程中,分析组分B存在浓度梯度但通量为零的原因。 4.分析化学反应堆分子传质过程的影响。 在什么条件下分子传质的速率由化学反应控制? 什么条件下则由扩散控制? 5.对于双组分混合气体,两种组分各自的扩散通量有何联系? 第四节 1.什么是对流传质? 它与分子传质有什么不同? 2.简述施密特数的物理意义。 3.湍流边界层可分为哪几个区? 各区的传质过程有何不同? 4.传质进口段长度如何确定? 分析其与流动进口段长度的关系。 5.对流传质速率方程可有哪些表达形式? 各传质分系数间有何联系? 习题补充 第二章质量衡算与能量衡算 1.计算体积混合比为295ppb时N20的质量浓度。 空气压力为一个大气压,温度25C。 解: 295ppb为空气中20的体积分数。 N20分子的摩尔质量为44g/mol。 由理想气体状态方程可得 9 m也1013252951044 VRT8.314298 3 530.84g/m (来源: 2006环境化学作业习题一,张彭义老师;数据有改动) 2.市售硫酸浓度一般为93%(质量分数),求硫酸的质量浓度和物质的量浓度。 已知100% 硫酸密度为1.839g/cm3,设溶液温度为14C。 (不考虑硫酸和水混合后体积的变化) 解: 14C时水的密度为999.1kg/m3,即卩999.1g/L;硫酸(H2SO4)的摩尔质量为98g/mol。 •••质量浓度1.839100093%999.1(193%)1780.207g/L 物质的量浓度cm 1780.207 98 18.165mol/L (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentalEngineeringand Science—影印本,清华大学出版社,2004.11,p66Example2-18,数据有改动) 3.一个混合良好的池塘每天接收污水430m3,污水中含有机污染物180mg/L。 池塘水面面 积11万m2,水深1m。 有机污染物生物降解反应速率常数为0.65d-1,假设忽略蒸发、 渗漏、降雨,求稳态时池塘中有机污染物浓度。 解: 以池塘为衡算系统,以有机污染物为衡算对象。 由衡算关系得: qm0 qm1 qmr 稳态时dm dt 0,qm0 qV0 0,qm1 •180430 0.65 111 1041 dm dt qv11,qmrkV1(池塘混合良好) 43010解得11.08mg/L (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentalEngineeringandScience—影印本,清华大学出版社,2004.11,p100Example3-6,数据和解答过程有改动) 4.某反应池表面积10万m2,平均深度1m;含污染物浓度为100mg/L的污水以8640m3/d的速度流入该池。 稳态情况下,该池出水污染物浓度不能超过20mg/L。 设池中混合状 态良好,且不考虑水量变化,则降解反应速率至少要是多少? 若改为串联使用两个同样深度、表面积为5万m2的反应池,则降解反应速率要求是更高、更低还是不变? 解: 1)单一反应池 由于池中混合状态良好,由质量衡算: qV0qV1,qV00qV11k1V 整理得k qV00qV11 8640100864020 1V 4 2010101 0.35d 2)两反应池串联时,降解反应速率要求变低 (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentaiEngineeringand Scienee—影印本,清华大学出版社,2004.11,p125Problems3-17,3-18,数据无改动) 5.—根雨水管道含NaCI浓度为1250mg/L,汇入一条小溪,流速为2000L/min;该小溪原 NaCI浓度为18mg/L,流速为2.0m3/s。 设雨水管水流和溪水完全混合,NaCI没有发生 转化,系统处于稳态。 求汇合点后溪水中NaCI浓度。 解: 2.0m3/s=120000L/min 0/2qV0qV1 1200002000 122000L/min 由质量衡算得qv00qv11qv22 qV00qV112 qV2 12000018 20001250 122000 38.2mg/L (来源: MackenzieL.Davis,SusanJ.Masten,PrinciplesofEnvironmentaiEngineeringandScience—影印本,清华大学出版社,
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