环境工程原理补充习题参考答案-第一部分XXXX0830-

(2007年)-1- -2-第二章质量衡算与能量衡算一、单位换算二、常用物理量及其表示方法AV质量分数*：相关内容i=1mii=1y——气相中某组分的质量分数；浓度m质量比：X=AAxX与x换算：X=mAn物质的量浓度：c=AAVc与p换算：c=pAAAAMAn摩尔分数：x=AAn流量流速通量n摩尔比：X=AX与x换算：AVVt量流量：q=mt平均流速：u=A=VmAAxX=A；气态：Aq=qpmV单位时间、单位面积上通过的物理量；表示传递速率Y=AAAAnnAAq与q换算：Vmx=AmAmpppA-3-VA=RT103pVpMAA*环境工程中物密度值三、质量与能量衡算qq+q=m1m2mrmr以某种元素或物质为对象1)稳态非反应系统：q=q2)稳态反应系统：qq+q=0qqkpV=0(一级反应)3)非稳态系统：qqq+q=m1m2mrdtq=HH+EPFq封闭系统E=QQQp但温度不变E=Q=mLQ开放系统(稳态)HH=qPF三章流体流动一、衡算方程-4-质量衡算q量衡算m2dt程：对于不可压缩流体管内流动uAuA2ee12mpef12mef2mef二、流体流动内摩擦力1．流态——雷诺数Re判定x (1)牛顿黏性定律du，适用于层流x(2)μ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(3)流体类别——见表3.2.2(4)流动状态与剪切应力律三、边界层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)xx②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-5-边界层形成(2)圆直管内流动(图：层、湍流)①层流——速度抛物线型分布；湍流——充分发展段速度分布曲线较平坦，层流底层厚度d①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，尾流区小影响因素诺数物体形状表面粗糙度摩擦阻力湍流-大；层流-小粗糙表面-大形体阻力湍流-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fd2(2)速度分布及阻力损失动速度分布流4山dl0r0srm0湍流maxr0d1.过渡区按湍流处理偏安全dd-6-f2fd2六、管路计算(不可压缩流体)V1V2ff1f2分支管路：总管流量等于各支管流之和；h=h+h+h；总机械能守恒fAEfABfBDfDE并联管路：q=q+q+q；h=h=hV123f1f2f3七、流体测量测量仪表流速(流量)表达式点测速管(毕托管)孔板流量计文丘里流量计转子流量计22gR(pp)u=C0p2gR(pp)0q=CA0pV00pqq=CAVV0p22gV(pp)fffq=CAVRR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qV=qp(pp)0fp(pp)f0必须垂直安装，流体自下而上流动一、概述热量传递第四章热量传递气体——分子不规则运动动和自由电子的迁移液体——分子振动＋分子间相互碰撞对流传热——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，可在真空中传播二、热传导-7-ln2ln2AAr1．基本公式：傅立叶定律：Q=入T或qln2ln2AArAydyqTqT三、对流传热单层平壁：λ不随温度变时Q=入A(TT)=T，热阻R=b，bR入A即传导距离↑&壁面面积↓&λ↓→导热热阻↑&热传导速多层平壁：稳态时各层热量流量相等bmmAmrbmmAmrT1T1几何特征(边界条件)：固体壁面形状、尺寸、粗糙度等2几何特征(边界条件)：固体壁面形状、尺寸、粗糙度等影响因素流动特征：流动起因(强制对流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．对流传热系数(经验式)-8-管内强制对流管内强制对流圆管：Re=i,Pr=p；蒸汽冷凝：Re=传热类型圆形直管内强烈湍流(1)圆形直管内强烈湍流(2)圆形直管内强烈湍流(3)圆形直管内层流(4)圆形直管内层流(4)圆形直管内过渡流态(5)圆形弯管(6)大自然空间对流蒸竖壁或竖管上冷流凝传竖壁或竖管上流经验式入a=0023Re0.8Prf.diiw在(1)、(2)基础上乘以修正系数dQ=1+(i)0.71Lii在(4)基础上乘以修正系数1在湍流对应经验式基础上乘以修正系数按直管对应经验式基础上乘以修正系数R入a=C(Gr.Pr)n，C为常数(查表)d0(TW)与蒸汽在操作压力下饱和温度(TS)应用条件f=0.3;度dRe.Pr.i>10L-9-11bAA11bAAA02ac4．热损失最大时的保温层直径d=2acKaS入AS2AaAKaS入AS2AaAm222在间壁热阻b和污垢热阻r,r可忽略时：若a>>a，为间壁外侧对流传热控制，S1S221216．传热推动力与平均温差、传热单元数法1．辐射传热=发出辐射能的过程+吸收辐射能的过程0黑体单色辐射能力E=c入-51；最大单色辐射能力的波m灰体E=cC(T)4，灰体黑度c=E0100Ebb1-2五章质量传递传质过程可分为分子传质与对流传质：-10-单向扩散传质系数k=单向扩散传质系数k=ccx机理：分子扩散单向扩散：N=0BN=DcAB(c-c)ALcA,iA,0扩散通量：N扩散通量：N=-DdcA+cA(N+N)等分子反向扩散：N+N=0ABAABdzcABD分子传质N=AB(c-c)D分子传质ALA,iA,0有化学反应的扩散：N=-nNABy(1-y浓度分布AyAiAyAi浓度分布ALA,i对流传质机理：涡流扩散、分子扩散扩散通量：N=k(c-c)AcA,iA,0k0D等分子双向扩散传质系数k0=ABclG-11-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ngandA)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ngand三章流体流动第一节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?12m第二节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？-12-第四节第五节第六节较两流量计流量系数的大小。热量传递管壁清洁，没有污垢。p-18)and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？释这一问-13-题。比较流动、传热、边界层的异同。五章质量传递第一节第二节第三节什么条件下则由扩散控制?第四节-14-第二章质量衡算与能量衡算由理想气体状态方程可得(来源：2006环境化学作业习题一，张彭义老师；数据有改动)物质的量浓度c=物质的量浓度c==.=18.165mol/LM98nganddm由衡算关系得：qq+q=m0m1mrdtdm稳态时=0,q=qp,q=qp,q=kVp(池塘混合良好)dtm0V00m1V11mr1L111ngand-15-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。设池中混合状解：1)单一反应池整理得k=qpqp2)两反应池串联时，降解反应速率要求变低ngand由质量衡算得qp+qp=qpV00V11V22p==12000018+20001250=38.2mg/L2q122000ngand解：(1)由非稳态系统的质量衡算可得：22代入得：0.320.24z=400dt令=0可得z=1.78m，即槽中水位下降至1.78m后达到稳定状态，水位保持不变。-16-(2)若关闭进水管，qm1=0底部排出，温度28℃。gh热量衡算xH=xH，即500Hg+xHl=5Hg+yHl，代入得FP602025288．某食品公司用100℃的沸水对雪梨进行去皮以便装罐，排出的废水中含高浓度有机物，1p2pngand-17-三章流体流动u(d)2解：由连续性方程u1A1=u2A2亭u=|(d)|pdupd4q4pq由Re==v=v可得-18-Ad90冗d2fjd2g0解：(1)由剪应力定义及流速分布可得drr2oe-19-边界层厚度6=4.641x边界层厚度6=0.376x2求污水在管中的流速分布。4ax(r)1/7(r)1/7uumaxrr位为mm。动，(1)判断流体的流动状态。(2)求截面上局部流速等于平均流速的位置到管轴线的距离。(3)若该管路为水平管，上游压力为1.45×105Pa，流体要流经多长的管段才能-20-(r)21ruum可得1-|(r0)|=2亭r=(3)因为是水平等径管，所以两截面上的静压差Ap等于阻力压差Ap，且层流有fAp=m，所以l=f==15.3mm知不锈钢管道的粗糙度ε=0.3mm。解：管路中的压降Ap=入lpufd2164压降Ap=1==1.77收收104Pa2d26-21-(改造)11．有一内径为d的排污管，为了增加排污量，紧靠该管并联一内径为d的管道，已知两12q与d/d的关系。若d=1m,要增加的50%的排污量，计算d。v21212解：并联管路阻力相等，即hhl1ul2uf1f21d2g2d2g12ud2，即11u2d2因为l1l2，且ud2，即11u2d212qd2ud4因为qd2u，所以v1111v4qv2du2d2q21qv1v1径为500mm，空气最大流量可达3.6kg/s，问压差计需多大的量程？已知该状态下空气截面面积Ad20.520.20m20442RgvV0由文丘里流量计流量公式qCAvV0q2R2gC2A2vV00-22-若用该流量计测定CO流量，其流量范围是多少？若希望能测定50m3/h的CO，则应22qp由于转子密度远大于测量气体密度，因此可得qv=0pCOq=q则测定2vv0COq=q则测定2vv0AvAvRRA2fq50增大环隙面积A，设VA在加工前后不变，则A=v2A=A=1.18ARffR2qR142.33R1R1转子上边缘，使其上端面积A减小到保证环隙面积A为原来的1.18倍。fR第四章热量传递1．有一球形容器，内外壁半径和温度分别为r1、T1和r2、T2，器壁材料的导热系数Qr-rr-rr-r"r2r12"r2r12"r2r12-23-令r令r=m12m2mmmm(来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解(上册)，科学出版社，2003p143例4-4123(1)各种材料以单位面积计的热阻；(2)燃烧炉热通量及导热总温差；(3)燃烧炉平壁中各材料层的温差分布。耐火砖：R=b1=0.2=0.167K/W1122建筑砖：R=b3=0.2=0.235K/W入A0.85133(2)稳态条件下通过各材料层的热通量相阻大的材料层温差推动力也大(来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解(上册)，科学出版社，2003p140例4-1m11-24-m222211Wm.K)的石棉层。蒸气管的内壁温度为175℃，石棉层外表面温度为250℃。试求每米蒸气管单位时间所损失的热量。欲在石棉层外再加一层导热系数3解：每米蒸气管单位时间损失的热量为22总温差不变，热损失减半，即热阻加倍1lnr4=1lnr2+1lnr3=1ln57/2+1ln25+57/2=3.1513311224320℃和46℃，管长2米。求：(1)管壁对水的对流传热系数(2)管内壁温度(3)若将总管数改为50根，管长增加到2m以上，但保持冷却水量不变，求此时-25-m2ii流体被加热，取f=0.4d0.02i(2)由热量衡算E=aA(T一T)=cq编Tqwmpm几(注：如采用对数平均温度计算，得93.3℃) (3)改变钢管根数，冷却水量不变，则u'=u管长2maReu(1)传热系数K；(2)操作一年后，由于水垢积累，换热能力下降，若水量不变，进水温升至70℃，求此时的传热系数及污垢热阻。1解：(1)定性温度T=人(20+80)=50℃2i-26-2d0.02i1KKad2da2ii11252511252511041m2id0.02iqmpm21原来编T=现在编T'=K0)编T2ii11得2的黑度为0.8，空气与热电偶之间的对流传热系数为25W/(m2.K)，钢管内壁温度为250℃。试求由于热电偶与管壁之间的辐射传热而引起的测温误差。-27-1相等。设空气真实温度为T001101a25360℃01101a25360℃1量可提高到多少？cc2cc20.90.8(2)同理可得平面温度提高为700℃后0.90.8线黑传热时所引起的误差。L-28-稳态下，此热量通过气体传导到管内壁，即=……①ln2ln221LL可见辐射传热引起的误差不大。a蒸气消耗量和逆流操作所需的传热面积。解：(1)环丁砜水溶液吸收的热量Vp3600不考虑热损失情况下，由热量衡算Q=qLm-29-(2)蒸汽温度保持为406.3K，环丁砜水溶液从378K升温至388K22则A===108m2m周墙壁、天花板及地板温度皆与室内空气温度相同。已知：当管道不保温时，每米管长管道不保温，管壁黑度0.55，每米管长因辐射造成的热损失(2)管道外面包50mm厚总对辐总对辐-30-五章质量传递(改造)解：本题为单向分子传质A,1A,2B,1A,1B,2A,2扩散速率即为扩散通量N=DpAB(p-p)ARTLpA,1A,2BmBm(改造)A,0A,iA,0GAGA,0A,i-31-A,iA,i稳态传质过程，气、液两相传质速率相等N=k(pp)=k(cc)AGA,0A,icA,iA,0则k=NA=9=0.42m/hccc50A,iA,0解：(1)等分子反向扩散N=DAB(pp)ARTLA,1A,2=1.81105(2)单向扩散pB,m=B,2B,1B,1N=DpAB(pp)ARTLpA,1A,2B,m=1.81105101.3(改造)5．A、B两气体在一长为1m的管中相互扩散，管子各处温度均为298K，总压均为A,1A,2解：由于管中各处温度、压力均匀，因此为等分子反向扩散。N=DAB(pp)=DpAB(yy)ARTLA,1A,2RTLA,1A,2-32-dcDdpDpdy等分子反向扩散的传质通量可写为N=DA=ABA=ABAAABdzRTdzRTdzdNd2y稳态扩散过程，则有A=0A=0A,1A,2A页(改造)A进行汽化并通过B的气层扩散。由于A不断消耗，其液面随时间不断下降。试推导组N=DpAB(pp)ARTzpA,1A,2组分A的扩散通量采用其液面变化率可表示为0tz(t0t00z(t)ttN=cAAdt因此有DpAB(pp)=cdz，RTzpA,1A,2Adt即zdz=DpAB(pp)dtcRTpA,1A,2ABm00ttRTcpz2z2积分可得DAB=p(ppAB),tt)t20A,1A,2t0-33-亭N=ABdz 12AN=一DdcA+cA(N+N)，N=0，得AABdrcABBp