环境工程原理思考题参考答案.pdf

1007 环境工程原理复习 1 Fang 1 第二章第二章 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算 第一节第一节第一节第一节 常用物理量常用物理量常用物理量常用物理量 1 什么是换算因数 英尺和米的换算因数是多少 同一物理量采用不同单位制的单位度量时 其数值比称为换算因数换算因数 例如 1m 长的管用 英尺度量时为 3 2808ft 则英尺与米的换算因数为 3 2808 2 什么是量纲和无量纲准数 单位和量纲的区别是什么 用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲量纲 MLtTMLtTMLtTMLtT 量纲体系量纲体系 由各种 变量和参数组合而成的没有单位的群数 称为无量纲准数无量纲准数 ReReReRe PrPrPrPr 无量纲准数既无 量纲 又无单位 其数值大小与所选单位制无关 量纲与单位的区别 量纲是可测量 的性质 单位是测量的标准 用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲 3 质量分数和质量比的区别和关系如何 试举出质量比的应用实例 质量分数xmA mg kg 氨的质量 溶液的质量 质量比XmA mg kg 氨的质量 水的质 量 质量比与质量分数的关系 mA mA mA x x X 1 在水处理中 污水中的污染物浓度一般较低 1L 污水的质量可以近似认为等于 1000g 所以实际应用中 常常将质量浓度和质量分数加以换算 即1mg L相当于1mg 1000g 1 10 6 质量分数 1ppm 1 g L 相当于 1 g 1000g 1 10 9 质量分数 1ppb 4 大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度 试说明该单位的优点 并阐述 与质量浓度的关系 在大气污染控制工程中 常用体积分数表示污染物质的浓度 例如 mL mmL mmL mmL m3 3 3 3 则此气态 污染物质浓度为 10101010 6 6 6 6 1 摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积 因 此可以用体积分数表示污染物质的浓度 在实际应用中非常方便 同时 该单位的最 大优点是与温度 压力无关 例如 10 6 体积分数 表示每 106体积空气中有 1 体积 的污染物 这等价于每 106摩尔空气中有 1 摩尔污染物质 又因为任何单位摩尔的物质 有着相同数量的分子 10 6 体积分数 也就相当于每 106个空气分子中有 1 个污染物 分子 对于气体 体积分数和质量浓度之间的关系和压力 温度以及污染物质的分子量有关 对于理想气体 可以用理想气体状态方程表示 即 RTnpV AA 现推导体积分数VA V 和质量浓度 A 之间的关系 33 1010 A AAAAA A Mn V V Mn V m p RTn V A A 1007 环境工程原理复习 1 Fang 2 所以可得 A A A pM RT V V 3 10 5 平均速度的涵义是什么 用管道输送水和空气时 较为经济的流速范围为多少 主体 平均流速 m u按体积流量相等的原则定义 A q A udA u VA m 流速影响流动阻流动阻 力力和管径管径 因此直接影响系统的操作费用和基建费用 一般地 液体的流速取液体的流速取 0 5 3 0m s 0 5 3 0m s 0 5 3 0m s 0 5 3 0m s 气体则为气体则为 10 30m s10 30m s10 30m s10 30m s 第二节第二节第二节第二节 质量衡算质量衡算质量衡算质量衡算 1 进行质量衡算的三个要素是什么 输入物料质量 输出物料质量 内部积累物料质量mmm 21 2 简述稳态系统和非稳态系统的特征 稳态系统 内部物质浓度恒定 不随时间变化 0 dt dm 0 21 mrmm qqq 非稳态系统 内部物质质量和浓度随时间变化 dt dm qqq mrmm 21 3 质量衡算的基本关系是什么 输入量 输出量 反应量 累计量 dt dm qqq mrmm 21 Vkqmr 组分不发生反应时 0 mr q 4 以全部组分为对象进行质量衡算时 衡算方程具有什么特征 全部组分不考虑内部反应变化 dt dm qq mm 21 5 对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时 物质的转化速率如何表示 污染物的生物降解经常被视为一级反应一级反应 即污染物的降解速率与其浓度成正比 假设 体积V中可降解物质的浓度均匀分布 则Vkqmr 负号表示污染物随时间的增加 而减少 k反应速率常数 s 1或d 1 物质浓度 V体积 第三节第三节第三节第三节 能量衡算能量衡算能量衡算能量衡算 1 物质的总能量由哪几部分组成 系统内部能量的变化与环境的关系如何 1007 环境工程原理复习 1 Fang 3 物料所具有的各种能量之和 即总能量 静压能位能动能内能 EEEEE 系统内能量的变化E 输出系统的物料的总能量 输入系统的物料的总能量 系统内物料能量的积累 任何系统经过某一过程时 其内部能量的变化等于该系 统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差 即WQE 2 什么是封闭系统和开放系统 开放系统 流体携带能量进出系统 同时有物质和能量交换 封闭系统 系统与外界没有物质交换 只有能量交换 热量 作功 3 简述热量衡算方程的涵义 单位时间系统物料总能量的变化 qFP EHHE 物质的焓 pVEH 焓 值是温度与物态的函数 因此进行衡算时除选取时间基准外 还需要选取物态与温度 基准 通常以 273K273K273K273K 物质的液态物质的液态为基准 由此可推出系统能量衡算方程 qEHH qFP 单位时间输出输出系统 的物料的焓值总 和 即物料带出物料带出的 能量总和 单位时间输入输入系统 的物料的焓值总 和 即物料带入物料带入的 能量总和 单 位 时 间 系 统 内 能 量 的积累积累 单位时 间环 境输入 系统 的热量 即系系 统的吸热量统的吸热量 4 对于不对外做功的封闭系统 其内部能量的变化如何表现 封闭系统 与环境没有物质交换的系统 0 0 FP HH 所以qEq 系统从 外界吸收的热量等于内部能量的积累 内部能量无相变情况下表现为温度的变化 a 恒压过程中 体系所吸收的热量全部用于焓的增加 即HmQ TcH p b 恒容 不做非体积功的条件下 体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能 即 emQ Tce V 对于固体或液体 Vp cc 有相变情况下吸收或放出的潜热mrQ 5 对于不对外做功的开放系统 系统能量能量变化率可如何表示 开放系统 与环境既有物质交换又有能量交换的系统 对于稳态稳态过程 0 q E 所以 qHH FP 当只有一种物料流经系统输入或输出热量时 因物料进入系统而 输入输入的能量为 2 HqH mP 因物料离开系统所输出输出的能量为 1 HqH mF 则系统 的能量变化率为 12 HHqHH mFP a 当物料无相变物料无相变时 若定压比热容不随温度变化 或取物料平均温度下的定压比热容时 1007 环境工程原理复习 1 Fang 4 TcqHHqHH pmmFP 12 b 当物料有相变物料有相变时 如热流体为饱和蒸汽 放出热量后变为冷凝液 1 冷凝液以饱和温度离开系统 rqHHqHH mmFP 12 2 物料离开系统的温度低于饱和温度 TcqrqHHqHH pmmmFP 12 物料经过系统放出潜热时 r为负值 第四章第四章 热量传递热量传递 第一节第一节第一节第一节 热量传递的方式热量传递的方式热量传递的方式热量传递的方式 1 什么是热传导 定义 定义 热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分 或者从一个高温物体向一个与 它直接接触的低温物体传热的过程 特点特点 导热是静止物体的一种传热方式 不依靠物质的宏观位移 传热速率相对较慢 必要条件必要条件 温度差是热传导的必要条件 2 什么是对流传热 分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例 定义 定义 依靠流体的宏观位移 将热量由一处带到另一处的传递现象 类型类型 1 自然对流 温度差引起密度差异 2 强制对流 泵 风机 搅拌等外力所致 工程常见形式工程常见形式 流体与固体壁面之间的传热 对流传热 对流传热过程伴随着流体 质点间的热传导 3 简述辐射传热的过程及其特点 定义 定义 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递 物体将热能变为辐射能 以电磁波 的形式在空中传播 当遇到另一物体时 又被全部或部分地吸收而变为热能 辐射传 热是高温情况下主要传热方式 特点特点 1 不需要介质 2 Ea T4 4 试分析在居室内人体所发生的传热过程 设室内空气处于流动状态 人体的四种传热方式 1 辐射传热 热量由人体表面通过电磁波的形式传至另一个与 它不接触物体表面 在居室内人体与环境的热量辐射是相互的 辐射传热量要受两方 面因素的影响 皮肤与环境间的温度差与机体有效辐射面积 2 热传导 传导是机体 的热量直接传给同它接触的温度较低的物体的一种传热方式 传导热量取决于所接触 物体的导热性能 3 对流传热 对流是指通过气体或液体的流动来交换热量的一种热 量传递方式 对流传热量受气体或液体流动速度的影响 它们之间呈正比关系 4 蒸 发散热 水分由液态转变为气态 同时带走大量热量的一种传热方式 蒸发传热过程 要借助对流实现 5 若冬季和夏季的室温均为 18 C 人对冷暖的感觉是否相同 在哪种情况下觉得更暖和 为什么 1007 环境工程原理复习 1 Fang 5 不相同 在冬季会觉得更暖和 人对温度的感觉是相对于当时地面环境的温度而言的 夏季室外温度可以达到 30 C 所以 18 C的室内温度感觉凉爽 而冬季室外可达到 10 C 以下 相比来说 18 C就会觉得更温暖 待定 第二节第二节第二节第二节 热传导热传导热传导热传导 1 简述傅立叶定律的意义和适用条件 dy dT A Q q y方向上热量通量 即 单位时间内通过单位 面积传递的热量 又 称为热流密度 W m2 垂直于 热流方 向的面 积 m2 导热 系数 W m K y方向 上的温 度梯度 K m y方向上的热量流量 也称为传热速率 W 或 J S 负号表示热量通量方向与温 度梯度的方向相反 即热量是 沿着温度降低的方向传递的 热量通量与温度梯度成正比 热量传递的推动力 在热传导发生的情况下 傅立叶定律对于稳定导热和不稳定导热均适用 物体各点的温度不随时间而变化的导热叫做稳定导热 火电厂中大多数热力设备在稳定运行时其 壁面间的传热都属于稳定导热 相对应的 物体内温度场随时间改变的导热叫做不稳定导热 2 分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素 对傅立叶公式变形 dy Tcd dy dTc c q pp p 热量浓度 单位体积流体所具有的热量 J m3 式中 p c 即为导温系数导温系数 或称热量扩散系数 m2 s 导温系数是物质的性质 反映温度变化在物体中的传播能力 其主要影响因素有导热 系数 物质密度 热容 p c 导热系数导热系数 物质单位面积 单位温度梯度下的导热速率 p c 单位体积物质温度升高 1 C时所需要的热量 代表物质的蓄热能力蓄热能力 3 为什么多孔材料具有保温性能 保温材料为什么需要防潮 工程中常用材料的导热系数 金属 液体 隔热材料 液体 金属 50 415 W m K 合金 12 120 W m K 0 17 0 7 W m K 0 03 0 17 W m K 0 007 0 17 W m K 保温材料受潮后隔热性能 将大幅度下降 防潮 多孔材料作为保温材料 1 在液体中 水的导热系数最大 20 C时为 0 6W m K 因此 水是工程上最常用 1007 环境工程原理复习 1 Fang 6 的导热介质 2 气体的导热系数很小 对导热不利 但利于绝热 保温 工业上常用多孔材料作为多孔材料作为 保温材料保温材料 就是利用了空隙中存在的气体 使导热系数变小 水比空气的导热系数大 得多 隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降 因此 露天保温管道必须注意防潮防潮 3 非金属中 石墨的导热系数最高 可达 100 200W m K 高于一般金属 同时 由于其具有耐腐蚀性能 因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料 4 当平壁面的导热系数随温度变化时 若分别按变量和平均导热系数计算 导热热通量和 平壁内的温度分布有何差异 例题 4 2 1 某平壁厚度b为 400mm 内表面温度 T1 950 C 外表面温度 T2 300 C 导热系数 1 0 0 001TW m K T的单位为 C 若将导热系数分别按常量 取平均导 热系数 和变量计算 试求导热热通量和平壁内的温度分布 解 1 导热系数按平壁的平均温度 常量计算 C TT Tm 625 2 21 625 1 001 0 0 1KmWTm m 2 21 2641mW b TT q m 以x表示沿壁厚方向上的距离 在x处等温面上的温度为 xx q TT x TT q m m 1625950 1 1 线性关系 2 导热系数取为变量 1 0 0 001T dx dT T dx dT q001001 分离变量并积分 bT T qdxdTT 0 2 1 001 0 0 1 对于平壁上的稳态一维热传导 热量通量不变 因此 22 2 2 121 2641 2 001 0 mWqqbTTTT 在x处等温面上的温度为 026411401 2 001 0 2 001 0 222 11 xTTqxTTTT 非线性关系 5 若采用两种导热系数不同的材料为管道保温两种导热系数不同的材料为管道保温两种导热系数不同的材料为管道保温两种导热系数不同的材料为管道保温 试分析应如何布置效果最好 分析 如图 设管道半径为r0 第一保温层半径为r1 第二保温层半径为r2 材料一 1007 环境工程原理复习 1 Fang 7 导热系数 1 小 材料二导热系数 2 大 设内外温度差不变 有以下两种布置方案 方案一 1为第一层 2为第二层 总热阻 1总 R 方案二 2为第一层 1为第二层 总热阻 2总 R 则有 L r r L r r R 2 1 2 1 0 1 1 2 ln 2 ln 总 L r r L r r R 1 1 2 2 0 1 2 2 ln 2 ln 总 由于传热速率 R TT Q 21 所以这里只需比较总热阻便可知道两种方案的保温效果 20 2 1 211 1 2 2 0 1 2 1 2 1 0 1 21 ln 11 2 1 2 ln 2 ln 2 ln 2 ln rr r LL r r L r r L r r L r r RRR 总总 因为 21 所以总热阻的比较可以落到 2 1 r与 20r r的比较 现讨论如下 当 20 2 1 rrr 时0时0 R 此时应选方案一 即把导热系数小的材料置于内层 第三节第三节第三节第三节 对流传热对流传热对流传热对流传热 1 简述牛顿的冷却定律 及对流传热系数的物理意义 对流传热速率可用牛顿冷却定律描述 通过传热面的传热速率正比与固体壁面与周围 流体的温度差和传热面积 TdAdQ 通过传热面 dA 的局部对流传 热速率 W 局部对流传热系 数 或称为膜系 数 W m2 K 与 传 热 方 向 垂 直 的 微 元 传热面积 m2 流体与固体 壁面dA之间 的温差 K 在传热过程中 温度沿程变化 因此对流系数 为局部的参数 在实际工程中 常采 用平均值进行计算 因此牛顿冷却定律可写成 A T TAQ 1 类似于导热热阻 A b R 这里给出对流传热热阻 A R 1 2 响对流传热系数的因素有哪些 对流传热系数 不是物性参数 与很多因素有关 其大小取决于流体物性 密度 比 r0 r1 r2 1007 环境工程原理复习 1 Fang 8 热cp 导热系数 粘度 等 壁面情况 形状 位置及大小 流动原因 流动状况 层流 过渡流或湍流 流体是否有相变等 通常由实验确定 一般来说 对同一流 体 强制对流传热系数高于自然对流传热系数 有相变对流传热系数高于无相变情况 3 Nu Pr Re 和 Gr 准数式及各准数中物理量的单位 研究表明 对于一定类型的传热面 流体的传热系数 与下列因素有关 流速 热换面 尺寸L 流体的粘度 导热系数 密度 比热容cp以及升浮力 g T 为体积膨胀 系数 采用量纲分析法 可得到各物理量之间的关系 即 hfa hf p a GrkNu TgL c Lu k L PrRe 2 23 Nu 努塞尔特数 无量纲准数 表示对流传热系数的特征数 Pr 普兰德数 由流体物性参数组成的无量纲数 Gr 格拉晓夫数 无量纲准数 表示自然对流影响的特征数 Re 雷诺准数 反映流体流动动状态 传热面的类型要相同 同时无量纲准数 Re Pr 和 Gr 应在实验数值范围内 原则上不 能外推 因此 准数关联式通常给出通常给出 ReReReRe PrPrPrPr 或或 GrGrGrGr 的数值范围的数值范围 无量纲准数与定性温度定性温度 特征尺寸特征尺寸和特征速度特征速度相对应 使用准数方程时必须严格按照 该方程的规定选取定性温度 特征尺寸和特征速度 4 写出流体在圆形直管内作强制湍流湍流湍流湍流时的对流传热系数计算式 并说明公式的应用条件及 注意点 对于低黏度 小于 2 倍常温水的黏度 的流体 通常采用下式计算对流传热系数 f L NuPrRe023 0 8 0 f p c du d 8 0 023 0 流体被加热时 f 0 4 流体被冷却时 f 0 3 定性温度 流体进出口温度的算术平均值 特征尺寸 管内径d 应用范围 Re 104 0 7 Pr 120 管内壁面光滑 管长与管径之比L d 50 应用 条件 对于高黏度的液体 采用以下修正公式 14 0 33 08 0 PrRe027 0 w Nu 0 7 Pr 116700 式中 为定性温度下的液体黏度 w为壁温下的液体黏度 4 写出流体在圆形直管内作强制层层层层流流流流时的对流传热系数计算式 并说明公式的应用条件及 注意点 层流与湍流流动传热的区别 层流流动下进口段影响较大 当 Pr 值接近于 1 Re 接近 2000 时 进口段的长度大约为管径的 100 倍 当 Pr 值大于 1 则进口段的长度可 能超过管径的几千倍或上万倍 使得整个管长均在进口段范围内 因此计算传热系数 1007 环境工程原理复习 1 Fang 9 时应考虑进口段的影响 往往需要考虑附加的自然对流传热的影响 在小管径且流小管径且流 体和壁面的温差不大体和壁面的温差不大的情况下 Gr 25000Gr 25000Gr 25000Gr 25000 自然对流的影响可忽略自然对流的影响可忽略 此时 可采用下 式 14 0 3 1 3 13 1 PrRe86 1 w L d Nu 定性温度 除黏度 w的温度为壁温外 其余为流体进出口温度的算术平均值 特征尺寸 管内径d 应用范围 Re 2300 0 6 Pr10 应用 条件 当 Gr 25000 时 层流的温度差引起的自然对流传热的影响不能忽略 此时在上式的 基础上乘以修正系数 3 1 015 0 18 0Gr 5 何谓定性温度 特性尺寸 定性温度 除黏度 w的温度为壁温外 其余均为流体进出口温度的算术平均值 特征尺寸 管内径d 当量直径 6 纯饱和蒸汽冷凝与含有微量空气的饱和蒸汽冷凝哪个对流传热系数大 为什么 纯饱和蒸汽冷凝对流传热系数大 气体强制对流 100 20 2 KmW 水蒸汽冷凝 15000 5000 2 KmW 二者混合后纯饱和蒸汽对流传热系数降低 待定 7 说明提高对流传热系数的意义和途径 P175 改变流体的流动状况 1 提高流速 2 增加人工扰流装置 改变流体物性 加入固体颗粒 改变传热表面状况 1 增加传热面的粗糙程度 2 改进表面结构 3 改变传热面的 形状和大小 8 气温下降 应添加衣服 应把保暖性好的衣服穿在里面好 还是穿在外面好 保温层 的临界直径由什么决定 与本章第二节第 5 题类似 保温层厚度与热损失关系 通常 热损失随着保温层厚度的增加而减少 但对于小直 径圆管 热损失随保温层厚度的增加 可能反而增大 保温层热损失关系式 01 0 1 2 1 ln 2 1 Lrr r L TT Q f 令 01 0 2 1 ln 2 1 Lrr r L r0 保温层外径 增大时 对热阻R1 R2的影响效应相反 对总热阻 R1 R2 影响效 应存在极值 假设内外温度情况不发生变化 则 取最小值时 Q有最大值 当然 这里也可以利用Q对r0求导 所以令0 0 dr d 解得 2 cc dr r0 增加保温层的厚度才使热损失减少 对管径较小的管路包扎 较大的保温材料时 要核算r0是否小于rc 但是如果让计算使 得保温材料达到保温效果 则要满足管道加保温材料时的保温效果要好于 裸管 状 态 即 11 2 1 2 1 ln 2 1 LrLrr r L r 9 什么是封闭系统和开放系统 开放系统 流体携带能量进出系统 同时有物质和能量交换 封闭系统 系统与外界没有物质交换 只有能量交换 热量 作功 10 保温层越厚 保温效果越好吗 参考第 8 题 10 总传热速率方程 或传热基本方程 TKA AA b A TT Q m ch 2211 11 K 为总传热系数 A 为取定面积 换热设备温差取对数平均值 1 2 12 ln T T TT TT m 第四节第四节第四节第四节 辐射传热辐射传热辐射传热辐射传热 1 热辐射与其他形式的电磁辐射有什么不同 物体通过电磁波来传递能量的方式称为电磁电磁辐射辐射 因热的原因而发出辐射能的现象称 为热辐射热辐射 辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称 辐射换热辐射换热 辐射换热特点 1 不需要物体直接接触 可在真空中传递 而且在真空中辐射能的传递最有效 2 在辐射换热过程中 不仅有能量的转换 而且伴随有能量形式的转化 辐射时 辐射体内热能 辐射能 吸收时 辐射能 受射体内热能 3 只要温度大于零 开 就有能量辐射 4 物体的辐射能力与其温度大有关 5 热量辐射传递为双向过程 当两物体温度不同两物体温度不同 低温物体会辐射给高温物体的能量 但小于高温物体辐射给低温 物体能量 总效果是高温物体将能量传给了低温物体 当两物体温度相同温度相同 它们之间 不存在导热和热对流现象 却存在热辐射现象 每个物体辐射出去的能量等于它吸收 的能量 处于热平衡状态 2 何谓黑体 灰体 白体 透热体 投射辐射总能量Q 物体的吸收QA 反射QR 穿透QD 设 D Q Q R Q Q A Q Q DRA 则有1 DRA 1007 环境工程原理复习 1 Fang 11 1 若吸收率A 1 则表示落在物体表面的辐射能全被吸收 这种物体称为绝对黑体 2 若反射率R 1 则表示落在物体表面的辐射能全被反射出去 此时 若入射角等 于反射角 则物体称为镜体 若反射情况为漫反射 该物体称为绝对白体 3 若透射率D 1 则表示落在物体上