环境工程原理复习解析

缚现泵未满体气体度，生心小在叶中形的压足以液吸。说明：心无吸能，动必须将泵内满体。汽流着的流体由于局部压力的降低产气泡的现象泵发生汽蚀汽蚀部位会引起件的蚀进一步发展将造扬下降，产生动噪。应操利用化或生物反应进行工业生产或污染物处理时需要通过反应条件等控应有的向行到这种目的而取的一系列工程措施通称为反应操作。A．边层概：普兰德界层理论要点：（1当际流体固体壁面流动时，紧贴壁处存在非常薄的一层区域——边界层；（2）界，的很但梯大（3）在界内，性力以达很的数，它起的用惯性同等要，在边界层内不能部忽略性（4在边界层外的整个流动区域可黏性力全部忽略近似成是理流的流动（5）分个域B.绕板动的界的成界的临数流别界的临数流别雷于界x于界x以坐标特征长的，诺雷为数0动雷边层内的流动状态：界层的流动状态对于流动阻力和传热、传质阻具有重要影响x：临距离与面糙度、平前的状、体质流速有关壁越糙，缘越短边层态判：界诺ρxu/μ对于平板，临界雷诺数的范围为×5～2×106，情取5105厚度：度达到度％流层度对边=4.641x/Re对边=0.376x/ReRe为为度数雷ρ/μ边层的厚度的影响因素：体物（，等）流几何尺寸——离的置流速在边界层内，黏力和惯性力的数级相当；流动界层特是层流底层集中了绝大部分的传递阻力因此尽界度很，对研究流体流阻、传速和质速率有非重的意。圆管边界的成当u较时，进段形成的边层汇交时，边界层层流，的发则持层流呈物线。当u0较，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速分布不抛线状F.态的断判别流的定为=/μ当Re<2000时管内动维持层流流沿平壁面流动时同时生过当速增加致使流动状态由层流变为湍流时，试析流动边界层度的变化，以及对动阻力和传质力产生的影。边界层度与流速有关流速边界厚减少。流由流湍，度度变大，摩擦力增加，流动阻力阻力主要集中在边界层，湍流加大了体的对流，浓梯度增大，传质阻减少。边层分离流体流过表面曲率较大的曲面，边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化，边界层的流动会受到大影响：流道断面化→流速变化压强变化。粘性作和在逆压梯是动分离的两必条件体有粘滞性，生逆压度，靠近面慢流体的速阻滞零即可发生边层分流态的响：在同的逆压梯度下流边界层和流边界层个更容易发生分（于层边界层中壁处度y的长缓，度容易阻滞靠近壁面低速流体点层流边界层速度变化较湍流小速更被湍流边界层分离比层流延后由于流界层分离延，分点移，尾流区小，以形体阻力小3.述⑴传阻力分包括膜阻和膜阻力两部：（以气相分压为推动时在通常吸收操作条件，kG和的数值大致相当，而不同溶的亨利系数值却差很。对于溶气体：H值很大，液膜阻力对很小……为气控用水收NH3、HCl等属于气膜阻力控制的传质过程。对于溶气体：H值很液阻相对大……为液控比，用水吸CO2,就于液阻控制传质程果气液传阻相两者都不忽略总传由双膜阻力联合控制，比如，用吸SO2就属于种况*膜论相互接触气两流间在稳的界面，界两分有层拟气和液。在相面，液相瞬即可到衡界上有质力在膜以外液相流体都充分湍动存在浓度梯度成均有传阻力。⑵流传热的影响因素①物性征流体的密度ρ或比容越大流体壁间传热速率大；b.导热数λ越大，热量传递越迅速；c.流体的粘μ大，越利于流，会削弱与壁面的传热。eeevfveeevfv几何特征：固体壁面的形状、度、方位、粗糙度、是否处于管道进口段以及是弯管还是直管等。流动特：流起因（自然对流＜强制对流）流动状（层流＜）有无相变化（体沸腾蒸冷凝，＞）流体对流方式（并流、逆流、错流。常压、℃的空气定流过平板壁，边界层厚度处的诺数为6.7×104

。空的流速。解设边界层厚度为δ；空密为，流为u。由题，因为湍流的临界雷诺数一般取56.7×104，所以流动层。对于层流有同时有式合有有（）0.5＝kg/m

×1.8mm/Pa·）＝0.012m/s污水处理厂中，将污水从调节池提升至沉淀。两池水面差最大为，路摩擦损为4J/kg，流为/h求提升水所需要功率。设水的温度为25。解设所需得功率为，污密为ρNq＝g＋hqρ=(9.81m/s×10m+4J/kg)×1×103kg/m3

×34/3600m3

/s=964.3W3.4如图所示，一水平通风道，某处直径由400mm减缩至200mm。了粗略估计管道中的空气量，在形头两端装个U管压差计，现测得粗管端的表压水，细管端的表压水柱空流锥形的量失可以忽，道空气的密为1.2kg/m3，试求管中空流。112211212011211221121201121m,2m,121解的-3设水管流速为道中u平图习题图示解在截面和2之间努利：2/2p/＝2/2＋p/由题有＝所以有

21

/2p/＝2＋/即15u

1

2

＝2(p=ρ-ρ)g(Rρ（kg/m30.1m1.2kg/m）得＝有＝32.35m/s＝A（200mm）＝3/s水在形管中呈流变，说在列情况，流动阻而生的能量失的变化情况：（1管长增）管增加倍。解因为对于圆管层流力，有（）当管加时量，力引压加倍（）增加一流量不则＝=2d即降变为原来十六分之一。3.7在层流为、长为的管道若流经段压降为2

。求距中5mm处的流速为多少？又管中心速度为时压降为多？：Pa.s，水流根据平流速的定义得：mmmaxmm00maxmffmmmmaxmm00maxmffmmaxmax01/2所以入数得解之得又有所以

21N/m

＝-3s×u（13mm/2）＝3.7×102＝2u＝（）2]（）当＝，且＝，代上式得＝0.03m/s（）＝uΔp’＝Δ＝＝28.38N/m温度为的水以2kg/h质流量过径为的水平管求动充分展以后管截面的流速力；流在面中心一半离的和应（3壁面处力解）题有/A＝2/3600kg/s/（1×103

2

/4）＝m/s管内动层，管截中处流2＝1.415×102m/s管面中心处的剪应力为（2体在壁心一半的流速：＝u（－r/r）＝2m/s×3/4＝1.06×102m/s由剪力的义得流体在壁面距中一半距离处的剪力2μu/r01/212μu/r01/21122f121201/2＝＝2.83×103N/m2（3）处应：τ2＝5.66×103一炉通为3.5m的囱排除烟气，排放量为3.5×105/h，在气平温度为℃时，度为kg/m平度为4。大气温度为，在囱高范围内平均密度为kg/m3煤灰阻力囱部压力较地面气压低。问此囱需多？假设粗糙为5mm。解设烟囱的高度为，题可得＝q＝Re＝duρ/μ＝相对粗度为ε/d

＝5mm/3.5m＝3查表λ＝0.028所以摩阻力建立努利程

21

/2/＋＝pgzh由题有即（kg/m2得

＝u，p＝p－245Pap－－）（0.6kg/m3＝h×9.8m/s2＋10.11m/s）＝用泵将从一蓄水池送至水塔中，如图3-4示水和相，和水面高为维持不变水泵吸水口低于水池水面2.5m进塔管于水面1.8m泵进水管DN150有两个弯头和个吸底阀水管为两段段串联，两分别为DN150、长和DN100、100，同径的管道大头联，DN100的道上有3个弯和一和机效为％求水的量为140/h，如当地电费为0.46元/（kW·h每天泵需要消耗多少电费？（水温为℃，管道为光滑）eff1f2efN0eff1f2efN0图习题3.10图示解：题在水和水之间立努方，有＝Σh的密度为997.0kg/m，为0.9×103Pa·s管为时，＝4.95m/sRedu＝，为湍为光管，图λ＝0.02管为时

＝Redu＝3.66×10管为光滑管，查图λ＝泵的进口段的管件阻系数分别为吸滤阀ζ＝；90°弯＝0.75；入口0.Σh＝＋0.75×20.5＋0.022×60/0.15（2.20m/s2

/2＝2/s泵的出口段的管件阻系数分别为大头ζ＝；90°弯ζ0.75；闸阀ζ＝管出口Σh＝＋0.75×3＋＋0.02×100/0.1)×(4.95m/s)＋2＝2＝Σh=29.76m2/s

＋299.13m/s2

＋60m×9.81m/s＝2/s2

＝总消耗费

＝％）×140m/h×997.0kg/m＝5.93×1059.3kW×0.46元（kW·h）＝654.55元如图所，厂计划建一水，℃水别送至第、二间的收中间吸塔常间吸塔压为20kPa表压径50mm钢管管长30＋z两收塔的管径均为20mm管长为28m和（上各管长均已包括所有局部阻当长在嘴阻力损可以忽。钢管绝对粗糙度为0.2mm现求向第一间吸塔应的水第二的吸供应2400kg/h水试定水塔距地面至多？已知20水粘为

Pa·s，擦系数由

计算。01m1/200112211f1001m1/200112211f10010（0022f200（0图习题示解：管的速为＝q（2）＝4200kg/h/1×3kg/m×2

2

）＝0.594m/s第一车的管路流速为＝q（）＝（kg/m×π×0.01

2

）＝第车间的管路流速为＝q（πr）＝（1×33＝则Reduμ＝λ＝（＋58/Re）0.23＝0.0308Reduμ＝λ＝（＋58/Re）0.23＝0.036Reduμ＝λ＝（d＋58/Re）＝以车间为控制单元，伯努利方程

2

）

21

/2/＋＋p/=p，（1.592m/s）/2＋9.8m/s（＋z）2×）＋0.036×（1.592m/s28m/（2×0.02m＝解之得z以车间为控制单元，伯努利方程

22

/2/＋＋p/（2.122m/s＋5m20kPa/（1×kg/m

）0.0308×（0.594m/s30＋z）m/（＋0.0357×（2.122m/s）（2×0.02m＝2z0管fB233121.048uV0管fB233121.048uV1221VA1VB2Fmn11f解之得z＝13.91m故水需距地面3.13某路中段并路图所示已知管流为120L/s。管的管径为，长度为1000m；支管分为两段，MO段管为，长度为900mON段管为，长度为，各糙度均为。试求各支管流及N之间的阻力失。图习题3.13图示解：题，支粗糙相同且管相，可似认各支的等，取＝。将管、MO、段分别用下标、2表示对并联＝所有又为和ON段联以有d＝d2联立述式则有25002u2＝又得

＝uπd/4u

2

＝，u＝＝πd＝38.14L/s＝πd＝＝λ×l/2d＝23.14由水向车供水水塔位不。送管径为，路总长为，塔面与送水管出口的垂直离为H，量为。因用水增50％，需对管路进行装。有如下同建议将管路径的；在管上联一长/2内径为的管子，其一接原线点；（3增加与原子平长为、径为的管；（4）增一根原平长为、径为的管；试对这建议作出评价是否可用？假在种况下摩擦数化大，部力以忽略。解：由可得改造的为f造后ff1f1f2f2fff111112f造后ff1f1f2f2fff111112f2f111f1f2h＝当改改造不合理（）＝u2/3uΣh’＝λ·l’＝Σh/27改造行（）对于段，u＝3u/4Σh’

＝λ·l’（2d）＝于后段u3/2uΣh’

＝λ·l·’2（）＝9/8Σh显有’＞造不行（）得，平的阻力等。所以有程组’＝u×d＋ud（u/2）2λ·l’/d＝λ·l’2/2d解之得u2＝48）u/31Σh’＝λ·l’/2＞即改造可行（）由有’u’且有’u’3/2u即有u’3/4uΣh’＝λ·l’2/2＝9/16所以造可行。3.15在内为0.3m的管中装一毕托管用测体气体温度为40℃力为101.3kPa，粘为2×10Pa·，气体的平均相对分子质量为。在同管面毕托管最大数为30mmHO。问中气体为多少？解：由，气体的密度为＝＝

3（8.314×313）＝2.336（kg/m）取＝1maxmaxv0v12323maxmaxv0v123231Re＝ρ/＝5.55×10查图有u/u＝所以有＝u·＝0.96m3一流，子为出用℃，为0.1MPa的气标，得转子度为时，流为3/h。今将该量计用于测量℃力为下的氯气。问在同一高度下流量为多少解：由想气体方程可得所以有20℃空密ρ=0.1×10

/）＝（kg/m3）℃，氯气度又因有

=0.15×106

3/（8.314×323）（kg/m）＝/s×0.547＝烧炉的炉由500mm厚耐砖380mm厚绝砖厚的普通砖砌。其依为0.10K)及0.92。传热面A为。知火砖内壁温度为℃，普砖外温度为。单面积热通量及层与层之间温度耐砖绝砖间一的空气传数为W/(m·)内外壁度仍变问此时单位积热失多少解：设耐火砖绝热砖普砖的热分为、r、r。（1）易r＝3.8m·r＝0.272·mK/W所以有由题T＝℃213114121311412T＝T－＝℃T＝T－QR＋＝℃T＝50（2）题增加热为4.4某

r’＝0.4362·K/W＝T/rr＋rr’＝195.3W/m2mm×的铝复合管，导热系数为45W/(m·K)，包一厚30mm的石后，又包一层厚的软。石和木导系分为和。试求（1知管内度-℃外温为℃米管冷损为多？（2将两层保温材料互换后石侧仍℃则此时每米长的冷损失为多少解：设复合管、石棉软木的对数平均半分别为rr、r。由题有（）＝3.73×4＋0.735K·m/W＋1.613K·m/W＝2.348K·m/W（）＝4/W2.758K·m/W＋0.430K·m/W＝/W砖温为1材为m3m1砖温为1材为m3m1pp21m221mmhhmphhm4.5某加热为一厚度为的，衬为250mm的砖外一层厚为的温材料，耐火砖、钢板和保温料的导热系数分别为W/m·K、（和0.10W/（m·K的允许工温为400℃外界大气度为35℃，大气一侧的对流传热系数为W/（2·K内热体度为℃，内侧对流传系数为（2·K通计算定体计否理若理提改措并明理条：管径）解设由耐火保外别和A，耐火砖、钢筒和保温数别A、A。内为条件下，由题：（因钢内温较，以应以侧度超℃理）有效径R=2.0m带已知条件，解得＝463.5℃计算结表明该设计不理进措：提高钢板的工作温度，选用耐热钢板；增耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。用径为，将空从℃热℃，空气流量为250kg/h外侧℃的水加未化)求需的长。解以平均温度℃空气的物性常数得λ0.0287W/＝1.99×10

，c＝1.005kJ/（kg·K＝题意得＝Q/A＝112.62m/sReduμ＝112.62×（105）105所以动为流。Pr/λ（1.99×α0.023·Re0.8Pr0.4

5

）＝＝（m2·K）ΔT＝110K，ΔT＝ΔT＝T－T）（T/T）＝110K－20K）（）＝由热守恒可απdLT＝qTLT/αdT）＝（）［（m·K）π·0.027m·52.79K］＝4.44m在热器中用冷冷却煤油。水在直径为的钢管流，水对流传热pcphhpcphh21mmhhmmhh21系为3490（2·K油的对为W/（2·K热器使用一段时间后，管两侧均产生污垢侧水侧垢热分别为0.0001762和0.00026m2·K/W，管壁导热数为W/m·K求基于外面的传系；产污垢后热阻增加的百分数。解）将钢管视为薄管壁则有＝338.9W/（·K）（2）污增热分为4.10在管换热器中用冷水将100℃的热冷却到℃，热水的质量流量为。冷水在直径为的内动温度从20℃升至30℃知于外面总传系数为2320W/（m·K略热损失且近认为冷水和热水的比热相等均为（kg·K）试求冷却水；两流体分别为并流和逆流的管，加以比。解）热守恒得qΔT＝qcΔTq＝3500kg/h×50/10℃＝（）并流有ΔT＝，20K由量守恒可＝qcΔT即ΔTqΔT逆流有ΔT＝，30K21mm12121由21mm12121由12111210121221由同上得比较得流所需的管路，故逆流得传热效较高。列管热由根、长为1.2m的钢管组成，拟用冷水将量流量为350kg/h的饱和水蒸气冷凝为饱和液体要求冷水的进温别为和℃已知基于管外表面总传热数为W/计该换热器否足求。：热恰好满足求冷得到液体度为100。饱和水蒸气的潜热＝2258.4kJ/kgΔT＝，ΔT65K由热守恒可得＝qL即列管式热器的换热面为＝19×19mm×＝＜4.21m故不足要求。4.12星向外辐射量的最大单色辐射波长为μm。若将火看作一个黑，求火星温为少解由T3得若将一外径、长、外表温度为227℃钢放于很大的，砖墙为℃截为0.3m的砖内，砖壁温度为℃。试求此的辐射热损失管子的辐失可不计补充：钢砖槽黑度分别为0.8和0.93解）QCφ（T－T）/1004题＝，CεCε＝0.8Q＝εC（T－T）4＝5.67W/（2·K4×3m×0.07m×（4－

）/100＝1.63×10（2）QCφAT－T题＝

4/10041－21－111－21－112111112222222222C＝/[1/＋1/－1）]Q＝/[1/A1/－1）]（T－T）/1004＝5.67W/·K（3×0.07×1/0.930.07m×（4－3004）/1004＝1.42×104.14一个水加器的表面温度为℃，表积为房间面温为℃将看成一个黑体，求因辐射而引起能量损。解：由，应满足以下式且＝；AAC＝Cε－－又2m2ε所以有8.1在℃，常压条，收水吸气-混气的，知气-液相式为中摩分为出合SO摩尔分为0.002，出中每100g含0.356g，试分别计算塔顶和塔底处的传推动力用

表示。解塔出SO摩尔分数为收液摩尔分数为所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与入塔收液平衡的气摩尔分数为所忽吸收液中溶解的则摩尔浓度可计算为（2）底入塔SO的尔分为塔吸收液中SO的尔数为所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与出塔收液平衡的气摩尔分数为所2面相压液，22面相压液，28.2吸收某成为为平衡关系为如果相的传质系数别为

kmol/(m2

，

kmol/(m

试求该面上质推动力、总力、液相的阻力和质速。解与相成平衡的相尔数为所以，以气相摩分数差表示的总质推动力为同，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为所以，以液相摩分数差表示的总质推动力为以相摩尔分数差为推动力的总传质系数为以相摩尔分数差为推动力的总传质系数为传质率以液摩分差推力总传系分传阻力传质力其中相质力为占阻力的66.7%气膜质阻力为占阻力的33.3%吸收吸废中的，件常压相数为某一截上气分4.1kPa，浓为，系数为kmol/(m2·h·kPa)传质系数为水的度。试求：截上气液相界面上的浓度和分压系数、动力和率。）气液相界面上的压力为为忽的溶解吸液的尔浓为解度数在相面上气两相平衡，以又因为态传质过程，液两相传质速率相，所以所以由以上个方程，可以得（2总气相数总液传质系数与溶液平衡的相平衡分压为所以用压差表示的总质推动力为与气组成衡溶液平衡浓为用度差表示的传质推动力为传质率或者101.3kPa操作压力，在某吸截面上含氨摩分数体与度为1kmol/m

的溶发生收程，已知气传质系为

2

·s·kPa)，膜传分系为

操作件的溶度系数为·kPa)试：界上相组成；以分差和尔度差表示的传质动、总传质系和传速；（3）分传阻力判断否适采化学收，果采酸液吸，传速率提高多少假设发生瞬时可逆反应。解）因相界面上，液平衡，所以气相氨的压为稳态传质条件下气液两相传质速相等，所以根据上两个方程，求得（2气相组的溶液度为用度差表示的传质推动力为与溶液平衡的相平衡分压为所以用压差表示的总质推动力为总气传质系数总液传质系数传质率（3）相质为行阻析传质力其中膜质力为占阻力的95.6%液膜质阻力为占阻力的4.4%所这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。如果采酸液吸收氨气且假设发生瞬时不可逆反应则以忽略液膜传质力只考虑气膜传质阻力，则，仅系数高了，如果传质推力不变话传质速也能提高4.6%当采溶收会提高质推力是传质推动提高的幅度很有限此总的来说在气膜控制的吸收过程中采用化学吸是不合适的。8.5利用吸分两组分体合物，作压为310kPa，气、液相分传系数分别常22常22为为（p*的位为kPa算：

符亨利定律，关系总质系数；质的力；根传质阻力分析断否合采取学收果发瞬时可逆化学反，传质速会提高多少倍？解）相平衡系所以，以液相摩分数差为推动力总传质系数以相摩尔分数差为推动力的总传质系数（2尔分数差为推动力为其中膜质力，总质阻的气膜质阻力传力所整个传质过程为液膜控制的传质过程（3）因传过程液膜制，以合采化学收。题条件在化吸收过程假发的是快速不可逆化学反应并且假设扩散速率足够快在相界面可全反应，在这种情下，可等同于忽液膜阻的物理吸过程，此时与原相比大已知℃，CO在水亨数-5kPa，并已知以下两反应平衡常若衡状态下气相中CO压10kPa，水中溶解的度（在水中的一级离解常数为

际包含上述个应平衡，先相忽2先相忽2）解首液浓度亨利律略CO的溶吸的浓为所以所水中溶解的CO总为在吸收塔b中清水收种气态污染，气-液相平符合亨利定律。如下图示采不同流试性地绘出各个流程相的操作线和平线位置并在上出程中各个浓符的置。X

2a

X

X

2a

X

Y

2a

Y

Y

2a

Y

2ba

ab

bY

1a

Y

1b

Y

1aY

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X

1bX

2a

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2a

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2babY

1a

Y

1bX

1a