环工原理计算题概要PPT课件.ppt

例题2 2 2 污水处理工艺的沉淀池用于去除水中悬浮物 浓缩池用于进一步浓缩沉淀的污泥 将上清液返回到沉淀池 污水流量5000m3 d 悬浮物含量200mg L 沉淀池出水中悬浮物浓度20mg L 沉淀污泥含水率99 8 进入浓缩池停留一定时间后 排出污泥含水率为96 上清液悬浮物含量100mg L 设系统处于稳态 过程中无生物作用 求整个系统污泥产量和排水量以及浓缩池上清液回流量 污水密度103kg m3 p31 看书1分钟 2019 12 29 1 100 96 100 1000 40g L 40000mg L 100 99 8 100 1000 2g L 2000mg L 污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比 因此污泥中悬浮物含量为 求 qv1 qv2 qv3 2019 12 29 2 2 浓缩池上清液量 浓缩池为衡算系统 悬浮物为衡算对象 污泥含水率从99 8 降至96 污泥体积由472 5m3 d减少为22 5m3 d 相差20倍 输入 输出 qv3 450m3 d qv4 472 5m3 d 2019 12 29 3 例题2 2 3 一湖泊容积为10 106m3 有一流量为5 0m3 s 污染物浓度为10 0mg L的支流流入 同时 有一排放口将流量为0 5m3 s 质量浓度为100mg L的污水排入 污染物降解速率常数为0 20d 1 假设污染物质在湖泊中完全混合 且湖水不因蒸发等原因增加或者减少 求稳态情况下流出水中污染物的质量浓度 解 假设完全混合 即湖中污染物的质量浓度等于流出水中污染物的质量浓度 2019 12 29 4 输入速率 输出速率 降解速率 质量衡算方程为 以湖为衡算系统 污染物为衡算对象 取1s为衡算基准 注意 对0 2d 1进行单位换算 2019 12 29 5 根据质量衡算方程 0 三 非稳态系统 采用微分衡算方程 通过对初始状态和最终状态进行积分 求得未知量 解 以储罐为衡算系统 罐内水为衡算对象 取1s为衡算基准 2019 12 29 6 t 1518s 故 将已知数据代入衡算式 分离变量 在t1 0 t2 t和z1 2m z2 1m间积分 解得 灌中水的瞬时质量为 2019 12 29 7 例2 3 5 燃煤发电厂将煤化学能的三分之一转化为电能 输出电能1000MW 其余三分之二的化学能以废热形式释放到环境中 其中15 的废热从烟囱排出 其余85 的余热随冷却水进入附近河流中 河流上游流速为100m3 s 水温为20 试计算 1 若冷却水温度只升高10 冷却水的流量为多少 2 这些冷却水进入河流后 河水温度将变化多少 1700MW 解 1 以冷却水为衡算对象 2019 12 29 8 则冷却水热量的变化率为 水的密度为1000kg m3 故水的体积流量为40 6m3 s 设冷却水的质量流量为 冷却水吸收热量速率为 2019 12 29 9 2 以河流水为衡算对象 河水温度升高了4 1 变为24 1 在100m3 s的流量下 吸收1700MW能量后河水温度的变化为 2019 12 29 10 Q 例题2 3 4 一污水池内有50m3污水 温度为15 为加速消化过程 需将其加热到35 采用外循环法加热 使污水以5m3 h流量通过换热器 换热器用水蒸气加热 其出口温度恒定为100 假设罐内污水混合均匀 污水密度为1000kg m3 不考虑池散热 问污水加热到所需温度需要多少时间 非稳态过程 解 池中污水温度随时间变化 为非稳态过程 以污水池为衡算系统 以0 的污水为温度物态基准 输出系统的焓 系统内积累的焓 输入系统的焓 T 不考虑池散热 q 0 池中污水混合均匀 任意时刻从池中排出污水温度与池中相同 设其为T 2019 12 29 11 边界条件 h 2019 12 29 12 例 某水泵进口管处真空表读数为650mmHg柱 出口管处压力表读数为250Kpa 当地大气压为1atm 试求水泵进出口处的绝对压力各为多少 解 2019 12 29 13 例1 化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液 密度为1100kg m3 送至吸收塔顶 经喷嘴喷出 泵入口管为 108 4mm 出口管为 76 3mm的钢管 管中流速1 2m s 贮液池中碱液深1 5m 池底至塔顶喷嘴入口处距离为20m 碱液流经所有管路的能量损失为30 8J kg 不包括喷嘴 喷嘴入口处压力29 4kPa 表压 设泵的效率为60 试求泵所需的功率 分析 米制管径 76 3mm d内 76 3 2 70mm 2019 12 29 14 解 取碱液池中液面为1 1 塔顶喷嘴入口处2 2 为截面 以1 1 为基准水平面 在1 1 和2 2 截面间列柏努利方程 其中 z1 0 p1 0 表压 u1 0z2 20 1 5 18 5m p2 29 4 103Pa 表压 20m 1 5m 2019 12 29 15 已知泵入口管尺寸及碱液流速 根据连续性方程计算泵出口管碱液流速 m s 1100kg m3 Wf 30 8J kg 将以上各值代入方程 求输送碱液所需的外加能量 J kg 碱液的质量流量 kg s 泵的有效功率 则泵的轴功率 kW 2019 12 29 16 例2 在 45 3mm的管路上装一文丘里管 文丘里管上游接一压强表 其读数为137 5kPa 管内水流速u1 1 3m s 文丘里管喉径10mm 文丘里管喉部一内径15mm的玻璃管 下端插入水池中 池内水面到管中心线的距离为3m 若将水视为理想流体 试判断池中水能否被吸入管中 若能吸入 求每小时吸入的水量为多少m3 h 分析 解 在管路上选1 1 和2 2 截面 取3 3 截面为基准水平面 设支管中水为静止状态 在1 1 截面和2 2 截面间列柏努利方程 2019 12 29 17 式中 2019 12 29 18 2 2 截面的总势能为 3 3 截面的总势能为 3 3 截面总势能大于2 2 截面总势能 水能被吸入管路中 在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程 2019 12 29 19 式中 代入柏努利方程 2019 12 29 20 例 20 C的水在内径为50mm的管内流动 流速为2m s 用SI制计算Re的数值 解 20 C时 998 2kg m3 1 005cPa 管径d 0 05m 流速u 2m s 故水在管道中是湍流状态 4000 国际单位制中粘度单位是Pa s 帕 秒 在 厘米 克 秒 单位制 其单位是P 泊 或cP 厘泊 换算关系为1Pa s 10P 1000cP 2019 12 29 21 例 圆管直径d 200mm 管长l 1000m 输送运动黏度v 1 6cm2 s的石油 流量qv 144m3 h 求沿程阻力损失 解 判别流动状态 层流 m油柱 2019 12 29 22 例 计算密度为910kg 粘度为72 10 3Pa s 流速为1 1m s的油品 流体流过 76 3mm 长10m的水平钢管的能量损失 压头损失及压力损失 层流 能量损失 压头损失 压力损失 解 2019 12 29 23 例 把20 的苯从地下储罐送到高位槽 流量300L min 高位槽液面比储罐液面高10m 泵吸入管路用 89 4mm无缝钢管 直管长为15m 管路上装有一个底阀 按旋启式止回阀全开时计 一个标准弯头 泵排出管用 57 3 5mm无缝钢管 直管长为50m 管路上装有一个全开的闸阀 一个全开的截止阀和三个标准弯头 储罐及高位槽液面上方均为大气压 设储罐液面维持恒定 求泵的轴功率 设泵的效率为70 求Re d 查图 分析 2019 12 29 24 解 取储罐液面为上游截面1 1 高位槽液面为下游截面2 2 并以1 1为基准水平面 在两截面间列柏努利方程式 式中 1 吸入管路上的能量损失 2019 12 29 25 式中 管件 阀门的当量长度为 底阀 按旋转式止回阀全开时计 6 3m标准弯头2 7m 进口阻力系数 c 0 5 2019 12 29 26 苯的密度为880kg m3 粘度为6 5 10 4Pa s 取管壁的绝对粗糙度 0 3mm d 0 3 81 0 0037 查得 0 029 2019 12 29 27 2 排出管路上的能量损失 hf b 式中 管件 阀门的当量长度分别为 全开的闸阀0 33m全开的截止阀17m三个标准弯头1 6 3 4 8m 2019 12 29 28 出口阻力系数 e 1 仍取管壁的绝对粗糙度 0 3mm d 0 3 50 0 006 查得 0 0313 2019 12 29 29 3 管路系统的总能量损失 苯的质量流量为 泵的有效功率为 泵的轴功率为 2019 12 29 30 例题 一管路总长70m 输水量30m3 h 输送过程中允许压头损失为4 5m水柱 求管径 水密度1000kg m3粘度1 0 10 3Pa s 钢管的绝对粗糙度0 2mm 分析 求d 求u 试差法 u d 未知 2019 12 29 31 解 u d 均未知 用试差法 值变化范围较小 以 为试差变量 假设 0 025 2019 12 29 32 解得 d 0 074m u 1 933m s 查图得 与初设值不同 用此 值重新计算 解得 2019 12 29 33 查图得 与初设值相同 计算结果为 按管道产品规格 可选用 88 5 4mm低压流体输送用焊接钢管 其内径为80 5mm 比所需略大 则实际流速会更小 且压头损失不会超过4 5mH2O 可满足要求 2019 12 29 34 例3 5 1 水从水箱经弯管流出 管径d 15cm l1 30m l2 60m H2 15m 管道中沿程摩擦系数 0 023 弯头 0 9 40 开度蝶阀的 10 8 1 当H1 10m 通过弯管的流量为多少 2 如流量为60L s 箱中水头H1应为多少 解 1 取水箱水面为1 1 截面 弯管出口内侧断面为2 2 截面 基准面0 0 在1 1 和2 2 截面之间列机械能衡算方程 有 2019 12 29 35 p1 p2 0 水箱流速u1 0 z1 H1 z2 0 m 2019 12 29 36 2019 12 29 37 例题 一高位水箱下接 33 5mm 3 25mm水管 将水引向一楼和高于一楼6m的三楼 从水槽到一楼和三楼管出口处的总长度分别为20m和28m 以上长度中包括除球心阀和管出口损失以外的所有局部阻力损失的当量长度在内 水槽水面距一楼垂直高度为17m 摩擦系数 为0 027 球心阀半开和全开时阻力系数分别为9 5和6 4 求 1 当一楼阀半开 三楼阀全开时 三楼的水流速度为多少 m s 2 当一楼阀全开 三楼是否有水流出 0 以1 1 为截面 u1 0 p1 0 截面2 2 3 3 选在管口外侧 p2 p3 0 0 以0 0 为基准面z2 0 在1 1 和3 3 间列方程 0 2019 12 29 38 解 1 一楼阀半开时 在截面1 1和2 2之间列伯努利方程 在截面1 1和3 3之间列伯努利方程 得 1 2 2019 12 29 39 对分支点A作质量衡算 总管和支管管径相等 所以u u2 u3 3 联立 1 2 3 式 解得u 3 45m su2 3 10m su3 0 35m s 2 u3很小 因此先假设当一楼阀全开时三楼没水 此时输水系统为简单管路 在截面1 1和2 2之间列伯努利方程 解得 u 3 49m s 2019 12 29 41 校核假设是否正确 若压力以表压表示 则分支点A所在截面总机械能为 而3 3 截面的总机械能为 可见 Et3 EtA 因此三楼没水流出的假设成立 2019 12 29 42 例题 p107 3 11 某厂建一水塔 将20 水分别送至第一 第二车间吸收塔中 第一车间吸收塔为常压 第二车间吸收塔内压力为20kPa 表压 总管为 57 3 5mm钢管 管长为 30 z0 m 通向两吸收塔支管均为 25 2 5mm的钢管 管长分别为28m和15m 以上各管长均已包括所有局部阻力的当量长度在内 喷嘴阻力损失可忽略 钢管的绝对粗糙度 0 2mm 现要求向第一车间吸收塔供应1800kg h的水 向第二车间吸收塔供应2400kg h的水 确定水塔离地面至少多高才行 已知20 C水黏度 1 10 3Pa s 可用下式计算 2019 12 29 43 57 3 5mm 30 z0 25 2 5mm 28m 15m 20kPa 1800kg h 2400kg h 常压 2019 12 29 44 解 这是分支管路设计型问题 可沿两分支管路分别计算所需的z0 从中选取较大者 总管 通向吸收塔一管路流速为 2019 12 29 45 通向吸收塔一管路流速为 2019 12 29 46 解之得 以吸收塔一为控制单元 在0和1断面间列衡算方程 以吸收塔二为控制单元 在0和2断面间列衡算方程 2019 12 29 47 解之得 为同时满足第一 二车间供水要求 应取z0 z 0中较大者 即水塔离地面至少13 9m 实际操作时第一车间供水量可通过关小阀门来调节 2019 12 29 48 设保温层内半径为r处温度为T 例题4 2 3 外径为426mm的蒸汽管道外包装厚度为426mm的保温材料 保温材料的导热系数为0 615W m K 若蒸汽管道外表面温度为177 保温层的外表面温度为38 试求每米管长的热损失和保温层中的温度分布 保温层内的温度分布为曲线 2019 12 29 49 例题 有一列管换热器 由 25 2 5的钢管组成 钢管的导热系数 45W m K CO2在管内流动 冷却水在管外流动 已知管外的 1 2500W m2 K 管内的 2 50W m2 K 冷却水测的污垢热阻rs1 0 58 10 3m2 K W CO2侧污垢热阻rs2 0 5 10 3m2 K W 1 试求传热系数K 2 若 1增大一倍 其它条件与前相同 求传热系数增大的百分率 3 若 2增大一倍 其它条件与前相同 求传热系数增大的百分率 解 1 求以管外表面积为基准时的传热系数 即 2019 12 29 50 d1 25mm d2 20mm 2 1增大一倍 即 1 5000W m2 K时的传热系数K 2019 12 29 51 K值增加百分率 3 2增大一倍 即 2 100W m2 K时的传热系数 K值增加百分率 可见 气侧热阻远大于水侧热阻 增加气侧对流传热系数 所引起的总传热系数的提高远远大于增加水侧对流传热系数 2019 12 29 52 例题 列管式换热器中 流体A进口温度为100 出口温度为150 流体B作为加热剂 进口温度250 出口温度180 试求 1 并流和逆流的平均温差 Tm2 若流体A的质量流量为1800kg h 比热容为2kJ kg 总传热系数K为100w m2 求并流和逆流时所需的传热面积 2019 12 29 53 解 1 并流 逆流 Tm T2 T1 T2 T1 热流体 冷流体 热流体 冷流体 2019 12 29 54 2 传热面积 可见 在冷 热流体初 终温度相同的条件下 逆流平均温度差大于并流平均温差 当传热量及总传热系数相同的条件下 逆流操作所需的传热面积小于并流操作 2019 12 29 55 例题5 3 2 为减少汽车尾气中NO对大气的污染 必须对尾气进行净化处理 含有NO及CO混合气体的尾气通过净化器 尾气中所含的NO与净化器中的三效催化剂接触 在催化剂表面发生还原反应 这一反应过程可看作气体NO通过静止膜的一维稳态扩散过程 气相主体 已知 汽车尾气净化后排放温度为540 压力为1 18 105N m2 含有0 002 摩尔分数 的NO 该温度下反应速率常数为228 6m h 扩散系数为0 362m2 h 试确定NO的还原速率达到4 19 10 3kmol m2 h 时 净化反应器高度的最大值 2019 12 29 56 在催化剂表面 有 尾气浓度 kmol m3 故 L 1 44mm 实际应用中完全可以实现 解 若NO在催化剂表面的反应过程可以看作是通过静止膜的扩散 所以传质通量为 2019 12 29 57 2019 12 29 58 2019 12 29 59 2019 12 29 60 3 降尘室的计算 降尘室的计算 设计型 操作型 已知气体处理量和除尘要求 求降尘室大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时 计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸 或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量 例题 采用降尘室回收常压炉气中所含固体颗粒 降尘室底面积12m2 宽和高均为2m 炉气处理量3m3 s 操作条件下气体密度为0 75kg m3 黏度为2 6 10 5Pa s 固体密度为3000kg m3 求 1 理论上能完全捕集下来的最小粒径 2 粒径为40 m颗粒的回收百分率 3 若完全回收直径为8 m尘粒 对降尘室应作如何改进 2019 12 29 61 解 1 能完全分离出的最小颗粒沉降速度 沉降属层流区 假设成立 求得最小颗粒直径有效 ut qV bl 3 12 0 25m s 设沉降在层流区 由斯托克斯公式求最小颗粒粒径 2 直径40 m的颗粒必在层流区沉降 其沉降速度ut 2019 12 29 62 设降尘室入口炉气均布 在降