環(huán)境工程原理課后習(xí)題答案

1、. 第I篇 習(xí)題解答 第一章 緒論 1 . 1簡(jiǎn)要概述環(huán)境學(xué)科的發(fā)展歷史及其學(xué)科體系。 解：環(huán)境學(xué)科是隨著環(huán)境問(wèn)題的日趨突出而產(chǎn)生的一門新興的綜合性邊緣學(xué)科。它經(jīng)歷了20世紀(jì)60年代的醞釀階段，到20世紀(jì)70年代初期從零星的環(huán)境保護(hù)的研究工作與實(shí)踐逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的新興學(xué)科。環(huán)境學(xué)科是一門正在蓬勃發(fā)展的科學(xué)，其研究范圍和內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，所涉及的學(xué)科非常廣泛，而且各個(gè)學(xué)科間又互相交叉和滲透，因此目前有關(guān)環(huán)境學(xué)科的分支學(xué)科還沒有形成統(tǒng)一的劃分方法。圖1-1是環(huán)境學(xué)科的分科體系。圖1-1 環(huán)境學(xué)科體系1.2 簡(jiǎn)要闡述環(huán)境工程學(xué)的主要任務(wù)及其學(xué)科體系。解：環(huán)境工程學(xué)作為環(huán)境學(xué)科的一個(gè)重要分支，主要任

2、務(wù)是利用環(huán)境學(xué)科以及工程學(xué)的方法，研究環(huán)境污染控制理論、技術(shù)、措施和政策，以改善環(huán)境質(zhì)量，保證人類的身體健康和生存以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。圖1-2是環(huán)境工程學(xué)的學(xué)科體系。環(huán)境工程學(xué)環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)及原理生態(tài)修復(fù)與構(gòu)建技術(shù)及原理清潔生產(chǎn)理論及技術(shù)原理環(huán)境規(guī)劃管理與環(huán)境系統(tǒng)工程環(huán)境工程監(jiān)測(cè)與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)水質(zhì)凈化與水污染控制工程空氣凈化與大氣污染控制工程固體廢棄物處理處置與管理物理性污染控制工程土壤凈化與污染控制技術(shù)廢物資源化技術(shù)圖1-2 環(huán)境工程學(xué)的學(xué)科體系1.3 去除水中的懸浮物，有哪些可能的方法，它們的技術(shù)原理是什么？解：去除水中懸浮物的方法主要有：沉淀、離心分離、氣浮、過(guò)濾（砂濾等）、過(guò)

3、濾（篩網(wǎng)過(guò)濾）、反滲透、膜分離、蒸發(fā)濃縮等。上述方法對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理分別為：重力沉降作用、離心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、滲透壓、物理截留等、水與污染物的蒸發(fā)性差異。1.4 空氣中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的去除有哪些可能的技術(shù)，它們的技術(shù)原理是什么？解：去除空氣中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的主要技術(shù)有：物理吸收法、化學(xué)吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃燒法等。上述方法對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理分別為：物理吸收、化學(xué)吸收、界面吸附作用、氧化還原反應(yīng)、生物降解作用、燃燒反應(yīng)。1.5 簡(jiǎn)述土壤污染可能帶來(lái)的危害及其作用途徑。解：土壤污染的危害及其作用途徑主要有以下幾個(gè)方面：通過(guò)雨水淋溶作用,

4、可能導(dǎo)致地下水和周圍地表水體的污染;污染土壤通過(guò)土壤顆粒物等形式能直接或間接地為人或動(dòng)物所吸入;通過(guò)植物吸收而進(jìn)入食物鏈,對(duì)食物鏈上的生物產(chǎn)生毒害作用等。1.6 環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)原理可以分為哪幾類？它們的主要作用原理是什么？解：從技術(shù)原理上看，環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)原理可以分為“隔離技術(shù)”、“分離技術(shù)”和“轉(zhuǎn)化技術(shù)”三大類。隔離技術(shù)是將污染物或者污染介質(zhì)隔離從而切斷污染物向周圍環(huán)境的擴(kuò)散，防止污染近一步擴(kuò)大。分離技術(shù)是利用污染物與污染介質(zhì)或其它污染物在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)上的差異使其與介質(zhì)分離，從而達(dá)到污染物去除或回收利用的目的。轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用化學(xué)或生物反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害物質(zhì)或易于分

5、離的物質(zhì)，從而使污染介質(zhì)得到凈化與處理。1.7 環(huán)境工程原理課程的任務(wù)是什么？解：該課程的主要任務(wù)是系統(tǒng)、深入地闡述環(huán)境污染控制工程，即水質(zhì)凈化與水污染控制工程、大氣（包括室內(nèi)空氣）污染控制工程、固體廢物處理處置與管理和資源化工程、物理性污染（熱污染、輻射污染、噪聲、振動(dòng)）控制工程、自然資源的合理利用與保護(hù)工程、生態(tài)修復(fù)與構(gòu)建工程以及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程學(xué)基礎(chǔ)、基本過(guò)程和現(xiàn)象以及污染控制裝置的基本原理，為相關(guān)的專業(yè)課程打下良好的理論基礎(chǔ)。;2第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算2.1 某室內(nèi)空氣中O3的濃度是0.08×10-6（體積分?jǐn)?shù)），求：（1）在1.013×

6、105Pa、25下，用g/m3表示該濃度；（2）在大氣壓力為0.83×105Pa和15下，O3的物質(zhì)的量濃度為多少？解：理想氣體的體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)值相等由題，在所給條件下，1mol空氣混合物的體積為V1V0·P0T1/ P1T0 22.4L×298K/273K 24.45L所以O(shè)3濃度可以表示為0.08×106mol×48g/mol×（24.45L）1157.05g/m3（2）由題，在所給條件下，1mol空氣的體積為V1V0·P0T1/ P1T0=22.4L×1.013×105Pa×288K/

7、(0.83×105Pa×273K） 28.82L所以O(shè)3的物質(zhì)的量濃度為0.08×106mol/28.82L2.78×109mol/L2.2 假設(shè)在25和1.013×105Pa的條件下，SO2的平均測(cè)量濃度為400g/m3，若允許值為0.14×10-6，問(wèn)是否符合要求？ 解：由題，在所給條件下，將測(cè)量的SO2質(zhì)量濃度換算成體積分?jǐn)?shù)，即大于允許濃度，故不符合要求2.3 試將下列物理量換算為SI制單位：質(zhì)量：1.5kgf·s2/m= kg密度：13.6g/cm3= kg/ m3壓力：35kgf/cm2= Pa 4.7atm= P

8、a 670mmHg= Pa功率：10馬力 kW比熱容：2Btu/(lb·)= J/（kg·K） 3kcal/（kg·）= J/（kg·K）流量：2.5L/s= m3/h表面張力：70dyn/cm= N/m 5 kgf/m= N/m解：質(zhì)量：1.5kgf·s2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/ m3壓力：35kg/cm2=3.43245×106Pa 4.7atm=4.762275×105Pa 670mmHg=8.93244×104Pa功率：10馬力7.4569kW比

9、熱容：2Btu/(lb·)= 8.3736×103J/（kg·K） 3kcal/（kg·）=1.25604×104J/（kg·K）流量：2.5L/s=9m3/h表面張力：70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m2.4 密度有時(shí)可以表示成溫度的線性函數(shù)，如0+At式中：溫度為t時(shí)的密度， lb/ft3；0溫度為t0時(shí)的密度， lb/ft3。t溫度，。如果此方程在因次上是一致的，在國(guó)際單位制中A的單位必須是什么？解：由題易得，A的單位為kg/（m3·K）2.5 一加熱爐用空氣（含O2 0.21,

10、N2 0.79）燃燒天然氣（不含O2與N2）。分析燃燒所得煙道氣，其組成的摩爾分?jǐn)?shù)為CO2 0.07，H2O 0.14，O2 0.056，N2 0.734。求每通入100m3、30的空氣能產(chǎn)生多少m3煙道氣？煙道氣溫度為300，爐內(nèi)為常壓。解：假設(shè)燃燒過(guò)程為穩(wěn)態(tài)。煙道氣中的成分來(lái)自天然氣和空氣。取加熱爐為衡算系統(tǒng)。以N2為衡算對(duì)象，煙道氣中的N2全部來(lái)自空氣。設(shè)產(chǎn)生煙道氣體積為V2。根據(jù)質(zhì)量衡算方程，有0.79×P1V1/RT10.734×P2V2/RT2即0.79×100m3/303K0.734×V2/573KV2203.54m32.6某一段河流上游流

11、量為36000m3/d，河水中污染物的濃度為3.0mg/L。有一支流流量為10000 m3/d，其中污染物濃度為30mg/L。假設(shè)完全混合。（1）求下游的污染物濃度（2）求每天有多少kg污染物質(zhì)通過(guò)下游某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)。解：（1）根據(jù)質(zhì)量衡算方程，下游污染物濃度為（2）每天通過(guò)下游測(cè)量點(diǎn)的污染物的質(zhì)量為2.7某一湖泊的容積為10×106m3，上游有一未被污染的河流流入該湖泊，流量為50m3/s。一工廠以5 m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物，濃度為100mg/L。污染物降解反應(yīng)速率常數(shù)為0.25d1。假設(shè)污染物在湖中充分混合。求穩(wěn)態(tài)時(shí)湖中污染物的濃度。解：設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)湖中污染物

12、濃度為，則輸出的濃度也為則由質(zhì)量衡算，得即5×100mg/L（550）m3/s 10×106×0.25×m3/s0解之得5.96mg/L2.8某河流的流量為3.0m3/s，有一條流量為0.05m3/s的小溪匯入該河流。為研究河水與小溪水的混合狀況，在溪水中加入示蹤劑。假設(shè)儀器檢測(cè)示蹤劑的濃度下限為1.0mg/L。為了使河水和溪水完全混合后的示蹤劑可以檢出，溪水中示蹤劑的最低濃度是多少？需加入示蹤劑的質(zhì)量流量是多少？假設(shè)原河水和小溪中不含示蹤劑。解：設(shè)溪水中示蹤劑的最低濃度為則根據(jù)質(zhì)量衡算方程，有0.05（30.05）×1.0解之得61 mg/L

13、加入示蹤劑的質(zhì)量流量為61×0.05g/s3.05g/s2.9假設(shè)某一城市上方的空氣為一長(zhǎng)寬均為100 km、高為1.0 km的空箱模型。干凈的空氣以4 m/s的流速?gòu)囊贿吜魅?。假設(shè)某種空氣污染物以10.0 kg/s的總排放速率進(jìn)入空箱，其降解反應(yīng)速率常數(shù)為0.20h1。假設(shè)完全混合，（1）求穩(wěn)態(tài)情況下的污染物濃度； （2）假設(shè)風(fēng)速突然降低為1m/s，估計(jì)2h以后污染物的濃度。解：（1）設(shè)穩(wěn)態(tài)下污染物的濃度為則由質(zhì)量衡算得10.0kg/s（0.20/3600）××100×100×1×109 m3/s 4×100×1

14、×106m3/s0解之得1.05× 10-2mg/m3（2）設(shè)空箱的長(zhǎng)寬均為L(zhǎng)，高度為h，質(zhì)量流量為qm，風(fēng)速為u。根據(jù)質(zhì)量衡算方程有帶入已知量，分離變量并積分，得積分有1.15×10-2mg/m32.10 某水池內(nèi)有1 m3含總氮20 mg/L的污水，現(xiàn)用地表水進(jìn)行置換，地表水進(jìn)入水池的流量為10 m3/min，總氮含量為2 mg/L，同時(shí)從水池中排出相同的水量。假設(shè)水池內(nèi)混合良好，生物降解過(guò)程可以忽略，求水池中總氮含量變?yōu)? mg/L時(shí)，需要多少時(shí)間？解：設(shè)地表水中總氮濃度為0，池中總氮濃度為由質(zhì)量衡算，得即積分，有求得t0.18 min2.11有一裝滿水的儲(chǔ)

15、槽，直徑1m、高3m?，F(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4cm，測(cè)得水流過(guò)小孔時(shí)的流速u0與槽內(nèi)水面高度z的關(guān)系u00.62（2gz）0.5試求放出1m3水所需的時(shí)間。解：設(shè)儲(chǔ)槽橫截面積為A1，小孔的面積為A2由題得A2u0dV/dt，即u0dz/dt×A1/A2所以有dz/dt×（100/4）20.62（2gz）0.5即有226.55×z-0.5dzdtz03mz1z01m3×（×0.25m2）-11.73m積分計(jì)算得t189.8s2.12 給水處理中，需要將固體硫酸鋁配成一定濃度的溶液作為混凝劑。在一配料用的攪拌槽中，水和固體硫酸鋁分別

16、以150kg/h和30kg/h的流量加入攪拌槽中，制成溶液后，以120kg/h的流率流出容器。由于攪拌充分，槽內(nèi)濃度各處均勻。開始時(shí)槽內(nèi)預(yù)先已盛有100kg純水。試計(jì)算1h后由槽中流出的溶液濃度。解：設(shè)t時(shí)槽中的濃度為，dt時(shí)間內(nèi)的濃度變化為d由質(zhì)量衡算方程，可得時(shí)間也是變量，一下積分過(guò)程是否有誤？30×dt（10060t）dC120Cdt即（30120C）dt（10060t）dC由題有初始條件t0，C0積分計(jì)算得：當(dāng)t1h時(shí)C15.232.13 有一個(gè)4×3m2的太陽(yáng)能取暖器，太陽(yáng)光的強(qiáng)度為3000kJ/（m2·h），有50的太陽(yáng)能被吸收用來(lái)加熱流過(guò)取暖器的水流

17、。水的流量為0.8L/min。求流過(guò)取暖器的水升高的溫度。解：以取暖器為衡算系統(tǒng)，衡算基準(zhǔn)取為1h。輸入取暖器的熱量為3000×12×50 kJ/h18000 kJ/h設(shè)取暖器的水升高的溫度為（T），水流熱量變化率為根據(jù)熱量衡算方程，有18000 kJ/h 0.8×60×1×4.183×TkJ/h.K解之得T89.65K2.14 有一個(gè)總功率為1000MW的核反應(yīng)堆，其中2/3的能量被冷卻水帶走，不考慮其他能量損失。冷卻水來(lái)自于當(dāng)?shù)氐囊粭l河流，河水的流量為100m3/s，水溫為20。（1）如果水溫只允許上升10，冷卻水需要多大的流量；

18、（2）如果加熱后的水返回河中，問(wèn)河水的水溫會(huì)上升多少。解：輸入給冷卻水的熱量為Q1000×2/3MW667 MW（1）以冷卻水為衡算對(duì)象，設(shè)冷卻水的流量為，熱量變化率為。根據(jù)熱量衡算定律，有×103×4.183×10 kJ/m3667×103KWQ15.94m3/s（2）由題，根據(jù)熱量衡算方程，得100×103×4.183×T kJ/m3667×103KWT1.59K150第三章 流體流動(dòng)3.1 如圖3-1所示，直徑為10cm的圓盤由軸帶動(dòng)在一平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺(tái)間充有厚度=1.5mm的油膜。當(dāng)圓盤以n

19、=50r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得扭矩M=2.94×10-4 N·m。設(shè)油膜內(nèi)速度沿垂直方向?yàn)榫€性分布，試確定油的黏度。圖3-1 習(xí)題3.1圖示解：在半徑方向上取dr，則有dMdF·r由題有dF·dA所以有兩邊積分計(jì)算得代入數(shù)據(jù)得2.94×104N·m×（0.05m）4×2 ×（50/60）s /（1.5×103m）可得8.58×103Pa·s3.2 常壓、20的空氣穩(wěn)定流過(guò)平板壁面，在邊界層厚度為1.8mm處的雷諾數(shù)為6.7×104。求空氣的外流速度。解：設(shè)邊界層厚度為

20、；空氣密度為，空氣流速為u。由題，因?yàn)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)一般取5×1056.7×104，所以此流動(dòng)為層流。對(duì)于層流層有同時(shí)又有兩式合并有即有4.641×（6.7×104）0.5u×1×103kg/m3×1.8mm /（1.81×105Pa·s）u0.012m/s3.3 污水處理廠中，將污水從調(diào)節(jié)池提升至沉淀池。兩池水面差最大為10m，管路摩擦損失為4J/kg，流量為34 m3/h。求提升水所需要的功率。設(shè)水的溫度為25。解：設(shè)所需得功率為Ne，污水密度為NeWeqv（gzhf）qv=(9.81m/s2

21、15;10m+4J/kg)×1×103kg/m3×34/3600m3/s= 964.3W3.4 如圖所示，有一水平通風(fēng)管道，某處直徑由400mm減縮至200mm。為了粗略估計(jì)管道中的空氣流量，在錐形接頭兩端各裝一個(gè)U管壓差計(jì)，現(xiàn)測(cè)得粗管端的表壓為100mm水柱，細(xì)管端的表壓為40mm水柱，空氣流過(guò)錐形管的能量損失可以忽略，管道中空氣的密度為1.2kg/m3，試求管道中的空氣流量。圖3-2 習(xí)題3.4圖示解：在截面1-1和2-2之間列伯努利方程：u12/2p1/u22/2p2/由題有u24u1所以有u12/2p1/16u12/2p2/即15 u122×(p

22、1- p2)/=2×(0-)g(R1-R2)/ =2×（1000-1.2）kg/m3×9.81m/s2×（0.1m0.04m）/（1.2kg/m3）解之得u18.09m/s所以有u232.35m/sqvu1A8.09m/s××（200mm）21.02m3/s3.5 如圖3-3所示，有一直徑為1m的高位水槽，其水面高于地面8m，水從內(nèi)徑為100mm的管道中流出，管路出口高于地面2m，水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失（不包括出口的能量損失）可按計(jì)算，式中u為水在管內(nèi)的流速，單位為m/s。試計(jì)算（1）若水槽中水位不變，試計(jì)算水的流量；（2）若高位水槽供

23、水中斷，隨水的出流高位槽液面下降，試計(jì)算液面下降1m所需的時(shí)間。圖3-3 習(xí)題3.5圖示解：（1）以地面為基準(zhǔn)，在截面1-1和2-2之間列伯努利方程，有u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由題意得p1p2，且u10所以有9.81m/s2×（8m2m）u2/26.5u2解之得u2.90m/sqvuA2.90m/s××0.01m2/42.28×102m3/s（2）由伯努利方程，有u12/2gz1u22/2gz2hf即u12/2gz17u22gz2由題可得u1/u2（0.1/1）20.01取微元時(shí)間dt，以向下為正方向則有u1dz/dt所以有（dz

24、/dt）2/2gz17（100dz/dt）2/2gz2積分解之得t36.06s3.6 水在圓形直管中呈層流流動(dòng)。若流量不變，說(shuō)明在下列情況下，因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失的變化情況： （1）管長(zhǎng)增加一倍；（2）管徑增加一倍。解：因?yàn)閷?duì)于圓管層流流動(dòng)的摩擦阻力，有（1）當(dāng)管長(zhǎng)增加一倍時(shí)，流量不變，則阻力損失引起的壓降增加1倍（2）當(dāng)管徑增加一倍時(shí)，流量不變，則um,2um,1/4d2=2d1=/16即壓降變?yōu)樵瓉?lái)的十六分之一。3.7 水在20下層流流過(guò)內(nèi)徑為13mm、長(zhǎng)為3m的管道。若流經(jīng)該管段的壓降為21N/m2。求距管中心5mm處的流速為多少？又當(dāng)管中心速度為0.1m/s時(shí)，壓降為多少？解：設(shè)

25、水的黏度=1.0×10-3Pa.s，管道中水流平均流速為um根據(jù)平均流速的定義得：所以代入數(shù)值得21N/m28×1.0×10-3Pa·s×um×3m/（13mm/2）2解之得um3.7×102m/s又有umax2 um所以u(píng)2um1（r/r0）2（1）當(dāng)r5mm，且r06.5mm，代入上式得u0.03m/s（2）umax2 umpf umax/ umax·pf 0.1/0.074×21N/m28.38N/m3.8 溫度為20的水，以2kg/h的質(zhì)量流量流過(guò)內(nèi)徑為10mm的水平圓管，試求算流動(dòng)充分發(fā)展以后：

26、（1）流體在管截面中心處的流速和剪應(yīng)力；（2）流體在壁面距中心一半距離處的流速和剪應(yīng)力（3）壁面處的剪應(yīng)力解：（1）由題有umqm/A 2/3600kg/s/（1×103kg/m3××0.012m2/4） 7.07×103m/s282.82000管內(nèi)流動(dòng)為層流，故管截面中心處的流速umax2 um1.415×102m/s管截面中心處的剪應(yīng)力為0（2）流體在壁面距中心一半距離處的流速：uumax（1r2/r02）u1/21.415×102m/s×3/4 1.06×102m/s由剪應(yīng)力的定義得流體在壁面距中心一半距離處

27、的剪應(yīng)力：1/22um/r0 2.83×103N/m2（3）壁面處的剪應(yīng)力：021/25.66×103N/m23.9 一鍋爐通過(guò)內(nèi)徑為3.5m的煙囪排除煙氣，排放量為3.5×105m3/h，在煙氣平均溫度為260時(shí)，其平均密度為0.6 kg/m3，平均粘度為2.8×104Pa·s。大氣溫度為20，在煙囪高度范圍內(nèi)平均密度為1.15 kg/m3。為克服煤灰阻力，煙囪底部壓力較地面大氣壓低245 Pa。問(wèn)此煙囪需要多高？假設(shè)粗糙度為5mm。解：設(shè)煙囪的高度為h，由題可得uqv/A10.11m/s Redu/7.58×104相對(duì)粗糙度為/d

28、5mm/3.5m1.429×103查表得0.028所以摩擦阻力建立伯努利方程有u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由題有u1u2，p1p0245Pa，p2p0空gh即（h×1.15 kg/m3×9.8m/s2245Pa）/（0.6kg/m3）h×9.8m/s2h×0.028/3.5m×（10.11m/s）2/2解之得h47.64m3.10用泵將水從一蓄水池送至水塔中，如圖3-4所示。水塔和大氣相通，池和塔的水面高差為60m，并維持不變。水泵吸水口低于水池水面2.5m，進(jìn)塔的管道低于塔內(nèi)水面1.8m。泵的進(jìn)水管DN150，長(zhǎng)

29、60m，連有兩個(gè)90°彎頭和一個(gè)吸濾底閥。泵出水管為兩段管段串聯(lián)，兩段分別為DN150、長(zhǎng)23m和DN100、長(zhǎng)100 m，不同管徑的管道經(jīng)大小頭相聯(lián)，DN100的管道上有3個(gè)90°彎頭和一個(gè)閘閥。泵和電機(jī)的總效率為60。要求水的流量為140 m3/h，如果當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)為0.46元/（kW·h），問(wèn)每天泵需要消耗多少電費(fèi)？（水溫為25，管道視為光滑管）圖3-4 習(xí)題3.10圖示解：由題，在進(jìn)水口和出水口之間建立伯努利方程，有Weghhf25時(shí)，水的密度為997.0kg/m3，粘度為0.9×103Pa·s管徑為100mm時(shí)，u4.95m/sRedu/

30、5.48×105，為湍流為光滑管，查圖，0.02管徑為150mm時(shí)u2.20m/sRedu/3.66×105管道為光滑管，查圖，0.022泵的進(jìn)水口段的管件阻力系數(shù)分別為吸濾底閥1.5；90°彎頭0.75；管入口0. 5hf1（1.50.75×20.50.022×60/0.15）×（2.20m/s）2/229.76m2/s2泵的出水口段的管件阻力系數(shù)分別為大小頭0.3；90°彎頭0.75；閘閥0.17；管出口1hf2(10.75×30.30.170.02×100/0.1)×(4.95m/s)2/

31、2(0.023×23/0.15)×(2.20m/s)2/2299.13m2/s2Weghhf =29.76m2/s2299.13m2/s260m×9.81m/s2917.49 m2/s2917.49J/kgWN（917.49J/kg/60）×140m3/h×997.0kg/m35.93×104W總消耗電費(fèi)為59.3kW×0.46元/（kW·h）×24h/d654.55元/d3.11 如圖3-5所示，某廠計(jì)劃建一水塔，將20水分別送至第一、第二車間的吸收塔中。第一車間的吸收塔為常壓，第二車間的吸收塔內(nèi)壓力為

32、20kPa（表壓）。總管內(nèi)徑為50mm鋼管，管長(zhǎng)為（30z0），通向兩吸收塔的支管內(nèi)徑均為20mm，管長(zhǎng)分別為28m和15m（以上各管長(zhǎng)均已包括所有局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度在內(nèi)）。噴嘴的阻力損失可以忽略。鋼管的絕對(duì)粗糙度為0.2mm?，F(xiàn)要求向第一車間的吸收塔供應(yīng)1800kg/h的水，向第二車間的吸收塔供應(yīng)2400kg/h的水，試確定水塔需距離地面至少多高？已知20水的粘度為1.0×103 Pa·s，摩擦系數(shù)可由式計(jì)算。圖3-5 習(xí)題3.11圖示解：總管路的流速為u0qm0/（r2）4200 kg/h/（1×103kg/m3××0.0252m2） 0.5

33、94m/s第一車間的管路流速為u1qm1/（r2） 1800kg/h/（1×103kg/m3××0.012m2） 1.592m/s第二車間的管路流速為u2qm2/（r2） 2400 kg/h/（1×103kg/m3××0.012m2） 2.122m/s則Re0du/2970000.1（/d58/Re）0.230.0308Re1du/3184010.1（/d58/Re）0.230.036Re2du/4240020.1（/d58/Re）0.230.0357以車間一為控制單元，有伯努利方程u12/2gz1p1/hf1gz0p0/p1= p0

34、，故（1.592m/s）2/29.8m/s2×3m0.0308×（0.594m/s）2×（30z0）m/（2×0.05m）0.036×（1.592m/s）2×28m/（2×0.02m）9.8m/s2×z0解之得z010.09m以車間二為控制單元，有伯努利方程u22/2gz2p2/hf2gz0p0/（2.122m/s）2/29.8m/s2×5m20kPa/（1×103kg/m3）0.0308×（0.594m/s）2×（30z0）m/（2×0.05m）0.0357

35、15;（2.122m/s）2×15m/（2×0.02m）9.8m/s2×z0解之得z013.91m故水塔需距離地面13.91m3.12 如圖3-6所示，從城市給水管網(wǎng)中引一支管，并在端點(diǎn)B處分成兩路分別向一樓和二樓供水（20）。已知管網(wǎng)壓力為0.8×105Pa（表壓），支管管徑均為32mm，摩擦系數(shù)均為0.03，閥門全開時(shí)的阻力系數(shù)為6.4，管段AB、BC、BD的長(zhǎng)度各為20m、8m和13m（包括除閥門和管出口損失以外的所有局部損失的當(dāng)量長(zhǎng)度），假設(shè)總管壓力恒定。試求（1）當(dāng)一樓閥門全開時(shí)，二樓是否有水？（2）如果要求二樓管出口流量為0.2L/s，求增壓

36、水泵的揚(yáng)程。圖3-6 習(xí)題3.12圖示解：（1）假設(shè)二樓有水，并設(shè)流速為u2，此時(shí)一樓的流速為u1以AC所在平面為基準(zhǔn)面，在A、C斷面之間建立伯努利方程，有uA2/2pA/u12/2p1/gz2hfAC因?yàn)?uAu10；p10則有 pA/hfAC （1）在A、D斷面之間建立伯努利方程，即uA2/2pA/u22/2p2/gz2hfADuAu20；p20；z23m pA/hfADgz2 （2）聯(lián)立兩式得 hfBChfBDgz2 （3）（0.03×8m/0.032m6.41）×u12/2（0.03×13m/0.032m6.41）×u22/23m×9.

37、8m/s2所以有u1min2/21.97m2/s2hfmin（0.03×28m/0.032m6.41）×u1min2/267.28 m2/s2pA/所以二樓有水。（2）當(dāng)二樓出口流量為0.2L/s時(shí)，u20.249m/s代入（3）式（0.03×8m/0.032m6.41）×u12/2（0.03×13m/0.032m6.41）×u22/23m×9.8m/s2可得u12.02m/s此時(shí)AB段流速為 u02.259m/shfAC0.03×20m/0.032m×（2.259m/s）2/2（0.03×8m

38、/0.032m6.41）×（2.02m/s）2/248.266 m2/s230.399 m2/s278.665 m2/s2pA/0.8×105Pa/（998.2kg/m3）80.144 m2/s2因?yàn)閔fAC< pA/所以不需要增壓水泵。3.13 某管路中有一段并聯(lián)管路，如圖3-7所示。已知總管流量為120L/s。支管A的管徑為200mm，長(zhǎng)度為1000m；支管B分為兩段，MO段管徑為300mm，長(zhǎng)度為900m，ON段管徑為250mm，長(zhǎng)度為300m，各管路粗糙度均為0.4mm。試求各支管流量及M、N之間的阻力損失。圖3-7 習(xí)題3.13圖示解：由題，各支管粗糙度相同

39、，且管徑相近，可近似認(rèn)為各支管的相等，取0.02。將支管A、MO、ON段分別用下標(biāo)1、2、3表示對(duì)于并聯(lián)管路，滿足hfAhfB，所以有又因?yàn)镸O和ON段串聯(lián)，所以有u2×d22u3×d32聯(lián)立上述兩式，則有2500 u122744.16 u22u11.048u2又qVu1d12/4u2d22/4解之得u21.158m/s，u11.214m/sqVAu1d12/438.14L/sqVBu2d22/481.86L/shFmn×l1×u12/2d173.69m2/s23.14 由水塔向車間供水，水塔水位不變。送水管徑為50mm，管路總長(zhǎng)為l，水塔水面與送水管出

40、口間的垂直距離為H，流量為qv。因用水量增加50，需對(duì)管路進(jìn)行改裝。有如下不同建議：（1）將管路換為內(nèi)徑75mm的管子；（2）在原管路上并聯(lián)一長(zhǎng)l/2、內(nèi)徑為50mm的管子，其一端接到原管線中點(diǎn)；（3）增加一根與原管子平行的長(zhǎng)為l、內(nèi)徑為25mm的管；（4）增加一根與原管子平行的長(zhǎng)為l、內(nèi)徑為50mm的管；試對(duì)這些建議作出評(píng)價(jià)，是否可用？假設(shè)在各種情況下摩擦系數(shù)變化不大，局部阻力可以忽略。解：由題可得改造前的hf為hf·l·u2/2d當(dāng)改造后的hfhf時(shí)，改造不合理（1）d3/2du1.5/1.52u2/3uhf·l·u2/2d8hf/27改造可行（2）

41、對(duì)于前半段，u11.5×u/23u/4hf1·lu12/（2×2d）9/32hf對(duì)于后半段u23/2uhf2·l·u22/（2×2d） 9/8hf顯然有hf hf改造不可行（3）由題可得，平行管內(nèi)的阻力損失相等。所以有方程組d1d/2u1×d12u2×d2（3 u /2）×d2·l·u12/ d12·l·u22/2 d解之可得u2（486）u /31uhf·l·u22/2 d hf即改造不可行（4）由題有u1u2且有u1u23/2u即有u1u23

42、/4uhf·l u12/2 d 9/16hf所以改造可行。3.15 在內(nèi)徑為0.3m的管中心裝一畢托管，用來(lái)測(cè)量氣體流量。氣體溫度為40，壓力為101.3kPa，粘度為2×105Pa·s，氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為60。在同一管道截面測(cè)得畢托管的最大度數(shù)為30mmH2O。問(wèn)此時(shí)管道中氣體的流量為多少？解：由題，氣體的密度為PM/RT 101.3×103×60×103/（8.314×313） 2.336（kg/m3）取C1umax15.85m/sRemaxdumax/5.55×105查圖有u/umax0.86所以有qv

43、u·d2/40.96m3/s3.16 一轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其轉(zhuǎn)子材料為鋁。出廠時(shí)用20，壓力為0.1MPa的空氣標(biāo)定，得轉(zhuǎn)子高度為100mm時(shí)，流量為10m3/h。今將該流量計(jì)用于測(cè)量50，壓力為0.15MPa下的氯氣。問(wèn)在同一高度下流量為多少？解：由理想氣體方程可得PM/RT所以有20，0.1M空氣的密度0=0.1×106×28.95×103/（8.314×293）1.188（kg/m3）50，0.15M氯氣的密度=0.15×106×70.91×103/（8.314×323）3.96（kg/m3）又因?yàn)橛?.

44、547qv10m3/s×0.5475.47m3/s第四章 熱量傳遞4.1 用平板法測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，即在平板的一側(cè)用電加熱器加熱，另一側(cè)以冷水通過(guò)夾層將熱量移走，同時(shí)板的兩側(cè)由熱電偶測(cè)量其表面溫度，電熱器流經(jīng)平板的熱量為電熱器消耗的功率。設(shè)某材料的加熱面積A為0.02m2，厚度b為0.01m，當(dāng)電熱器的電流和電壓分別為2.8A和140V時(shí)，板兩側(cè)的溫度分別為300和100；當(dāng)電熱器的電流和電壓分別為2.28A和114V時(shí)，板兩側(cè)的溫度分別為200和50。如果該材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為線性關(guān)系，即，式中T的單位為。試確定導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系的表達(dá)式。解：設(shè)電熱器的電流和電壓為I和U

45、，流經(jīng)平板的熱量流量為Q。由題有QUI且有對(duì)于薄板，取db厚度，有又因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)與溫度存在線性關(guān)系，所以有分別對(duì)db和dT進(jìn)行積分得分別取邊界條件，則得根據(jù)題目所給條件，聯(lián)立方程組解之得a2.24×10-3K100.677W/（m·K）因此，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式為0.677（1+2.24×10-3T）4.2 某平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)， T 的單位為。若已知通過(guò)平壁的熱通量為q W/m2，平壁內(nèi)表面的溫度為。試求平壁內(nèi)的溫度分布。解：由題意，根據(jù)傅立葉定律有q·dT/dy即q0（1T）dT/dy分離變量并積分整理得此即溫度分布方程4

46、.3 某燃燒爐的爐壁由500mm厚的耐火磚、380mm厚的絕熱磚及250mm厚的普通磚砌成。其值依次為1.40 W/(m·K)，0.10 W/(m·K)及0.92 W/(m·K)。傳熱面積A為1m2。已知耐火磚內(nèi)壁溫度為1000，普通磚外壁溫度為50。（1）單位面積熱通量及層與層之間溫度；（2）若耐火磚與絕熱磚之間有一2cm的空氣層，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.0459 W/(m·)。內(nèi)外壁溫度仍不變，問(wèn)此時(shí)單位面積熱損失為多少？解：設(shè)耐火磚、絕熱磚、普通磚的熱阻分別為r1、r2、r3。（1）由題易得r10.357 m2·K/Wr23.8 m2·

47、;K/Wr30.272·m2 K /W所以有q214.5W/m2由題T11000T2T1QR1 923.4T3T1Q（R1R2） 108.3T450（2）由題，增加的熱阻為r0.436 m2·K/WqT/（r1r2r3r） 195.3W/m24.4某一60 mm×3mm的鋁復(fù)合管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·K)，外包一層厚30mm的石棉后，又包一層厚為30mm的軟木。石棉和軟木的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.15W/(m·K)和0.04 W/(m·K)。試求（1）如已知管內(nèi)壁溫度為-105，軟木外側(cè)溫度為5，則每米管長(zhǎng)的冷損失量為多少？（2）若

48、將兩層保溫材料互換，互換后假設(shè)石棉外側(cè)溫度仍為5，則此時(shí)每米管長(zhǎng)的冷損失量為多少？解：設(shè)鋁復(fù)合管、石棉、軟木的對(duì)數(shù)平均半徑分別為rm1、rm2、rm3。由題有rm1mm28.47mmrm2mm43.28mmrm3mm73.99mm（1）R/L3.73×104K·m/W0.735K·m/W1.613K·m/W2.348K·m/WQ/L46.84W/m（2）R/L 3.73×104K·m /W2.758K·m /W0.430K·m /W 3.189K·m /WQ/L34.50W/m4.5某加熱爐為一

49、厚度為10mm的鋼制圓筒，內(nèi)襯厚度為250mm的耐火磚，外包一層厚度為250mm的保溫材料，耐火磚、鋼板和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.38 W/（m·K）、45 W/（m·K）和0.10 W/（m·K）。鋼板的允許工作溫度為400。已知外界大氣溫度為35，大氣一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為10 W/（m2·K）；爐內(nèi)熱氣體溫度為600，內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為100 W/（m2·K）。試通過(guò)計(jì)算確定爐體設(shè)計(jì)是否合理；若不合理，提出改進(jìn)措施并說(shuō)明理由。（補(bǔ)充條件：有效管徑2.0m）解：設(shè)由耐火磚內(nèi)側(cè)表面和保溫材料外測(cè)表面的面積分別為A1和A4，耐火磚、鋼筒和保溫

50、材料的對(duì)數(shù)平均面積分別為Am1 、Am2 、Am3。鋼板內(nèi)側(cè)溫度為T。穩(wěn)態(tài)條件下，由題意得：（因?yàn)殇摪鍍?nèi)側(cè)溫度較高，所以應(yīng)該以內(nèi)側(cè)溫度不超過(guò)400為合理）有效管徑R=2.0 m帶入已知條件，解得T463.5>400計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)不合理改進(jìn)措施：1、提高鋼板的工作溫度，選用耐熱鋼板；2、增加耐火磚厚度，或改用導(dǎo)熱系數(shù)更小的耐火磚。4.6水以1m/s的速度在長(zhǎng)為3m的25×2.5mm管內(nèi)，由20加熱到40。試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：由題，取平均水溫30以確定水的物理性質(zhì)。d0.020 m，u1 m/s，995.7 kg/m3，80.07×10-5 Pa

51、83;s。流動(dòng)狀態(tài)為湍流所以得4.7用內(nèi)徑為27mm的管子，將空氣從10加熱到100，空氣流量為250kg/h，管外側(cè)用120的飽和水蒸氣加熱(未液化)。求所需要的管長(zhǎng)。解：以平均溫度55查空氣的物性常數(shù)，得0.0287W/（m·K），1.99×105Pa·s，cp1.005kJ/（kg·K），1.077kg/m3由題意，得uQ/（A）112.62m/sRedu/0.027×112.62×1.077/（1.99×105）1.65×105所以流動(dòng)為湍流。Prcp/（1.99×105）×1.005/

52、0.02870.6970.023·/d·Re0.8·Pr0.4 315.88W/（m2·K）T2110K，T120KTm（T2T1）/ln（T2/T1） （110K20K）/ln（110/20） 52.79K由熱量守恒可得dLTmqmhcphThLqmcphTh/（dTm）250kg/h×1.005kJ/（kg·K）×90K/315.88W/（m2·K）··0.027m·52.79K 4.44m4.8某流體通過(guò)內(nèi)徑為50mm的圓管時(shí)，雷諾數(shù)Re為1×105，對(duì)流傳熱系數(shù)為10

53、0 W /（m2·K）。若改用周長(zhǎng)與圓管相同、高與寬之比等于1：3的矩形扁管，流體的流速保持不變。問(wèn)對(duì)流傳熱系數(shù)變?yōu)槎嗌伲拷猓河深}，該流動(dòng)為湍流。因?yàn)闉橥N流體，且流速不變，所以有由可得矩形管的高為19.635mm，寬為58.905mm，計(jì)算當(dāng)量直徑，得d229.452mm4.9在換熱器中用冷水冷卻煤油。水在直徑為19×2mm的鋼管內(nèi)流動(dòng)，水的對(duì)流傳熱系數(shù)為3490 W/（m2·K），煤油的對(duì)流傳熱系數(shù)為458 W/（m2·K）。換熱器使用一段時(shí)間后，管壁兩側(cè)均產(chǎn)生污垢，煤油側(cè)和水側(cè)的污垢熱阻分別為0.000176 m2·K/W和0.00026

54、m2·K/W，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/（m·K）。試求（1）基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；（2）產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)。解：（1）將鋼管視為薄管壁則有K338.9W/（m2·K）（2）產(chǎn)生污垢后增加的熱阻百分比為注：如不視為薄管壁，將有5左右的數(shù)值誤差。4.10在套管換熱器中用冷水將100的熱水冷卻到50，熱水的質(zhì)量流量為3500kg/h。冷卻水在直徑為180×10mm的管內(nèi)流動(dòng)，溫度從20升至30。已知基于管外表面的總傳熱系數(shù)為2320 W/（m2·K）。若忽略熱損失，且近似認(rèn)為冷水和熱水的比熱相等，均為4.18 kJ/（kg·

55、K）.試求（1）冷卻水的用量；（2）兩流體分別為并流和逆流流動(dòng)時(shí)所需要的管長(zhǎng)，并加以比較。解：（1）由熱量守恒可得qmccpcTcqmhcphThqmc3500kg/h×50/1017500kg/h（2）并流時(shí)有T280K，T120K 由熱量守恒可得KATmqmhcphTh即KdLTmqmhcphTh逆流時(shí)有T270K，T130K同上得比較得逆流所需的管路短，故逆流得傳熱效率較高。4.11列管式換熱器由19根19×2mm、長(zhǎng)為1.2m的鋼管組成，擬用冷水將質(zhì)量流量為350kg/h的飽和水蒸氣冷凝為飽和液體，要求冷水的進(jìn)、出口溫度分別為15和35。已知基于管外表面的總傳熱系數(shù)

56、為700 W/（m2·K），試計(jì)算該換熱器能否滿足要求。解：設(shè)換熱器恰好能滿足要求，則冷凝得到的液體溫度為100。飽和水蒸氣的潛熱L2258.4kJ/kgT285K，T165K由熱量守恒可得KATmqmL即列管式換熱器的換熱面積為A總19×19mm××1.2m1.36m24.21m2故不滿足要求。4.12火星向外輻射能量的最大單色輻射波長(zhǎng)為13.2m。若將火星看作一個(gè)黑體，試求火星的溫度為多少？解：由mT2.9×103得4.13若將一外徑70mm、長(zhǎng)3m、外表溫度為227的鋼管放置于：（1）很大的紅磚屋內(nèi)，磚墻壁溫度為27；（2）截面為0.3×0.3m2的磚槽內(nèi)，磚壁溫度為27。試求此管的輻射熱損失。（假設(shè)管子兩端的輻射損失可忽略不計(jì)）補(bǔ)充條件：鋼管和磚槽的黑度分別為0.8和0.93解：（1）Q12C1212A（T14T24）/1004由題有121，C121C0，10.8Q121C0 A（T14T24）/10040.8×5.67W/（m2·K4）×