環(huán)境工程原理補(bǔ)充習(xí)題參考答案第一部分

1、環(huán)境工程原理修訂材料（2007年）總結(jié)2第二章質(zhì)量衡算與能量衡算2第三章流體流動(dòng)3第四章熱量傳遞6第五章質(zhì)量傳遞9思考題補(bǔ)充11第二章質(zhì)量衡算與能量衡算11第三章流體流動(dòng)11第四章熱量傳遞12第五章質(zhì)量傳遞12習(xí)題補(bǔ)充14第二章質(zhì)量衡算與能量衡算14第三章流體流動(dòng)16第四章熱量傳遞21第五章質(zhì)量傳遞28中英文術(shù)語33第二章質(zhì)量衡算與能量衡算33第三章流體流動(dòng)33第四章熱量傳遞34第五章質(zhì)量傳遞35總結(jié)第二章質(zhì)量衡算與能量衡算、單位換算、常用物理量及其表示方法定義相關(guān)內(nèi)容濃度質(zhì)量濃度：AmAVN混合物總質(zhì)量濃度：i1質(zhì)量分?jǐn)?shù)*:xmAmAmNxmi1；i1氣液兩相體系：XmA液相中某組分的質(zhì)量分

2、數(shù)；ymA氣相中某組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；質(zhì)量比：XmA-AmmAXmA與XmA換算.XmA1XmA物質(zhì)的量濃度：cAnVCa與a換算.CAMA摩爾分?jǐn)?shù)：xAnAn摩爾比：xanAnnAXa與Xa換算：Xa;氣態(tài)：Ya1XapPa流量體積流量：qVVtqv與qm換算：qmqv質(zhì)量流量：qmV-流速udAn平均流速：um上曳AA通量單位時(shí)間、單位面積上通過的物理量；表示傳遞速率水處理：一般1L污水可近似認(rèn)為等于1000g。1mg/L的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1mg/1000g=1x10-6=1ppm*環(huán)境工程中4000：柏拉休斯：法、聲u umax（1 一）儷流r0_0 25 _0.3164 Re . (5000 R

3、e10000)般流體輸送的 Re范圍內(nèi)，n=1/71卡門：2.0351g(Re )0.913.(Re3.4 106)完全湍流區(qū)d (1.74 21gy)22.局部損失hfum或hf2六、管路計(jì)算（不可壓縮流體）C簡(jiǎn)單管路:qV1qV2常數(shù)；hfhf1hf2廣分支管路:總管流量等于各支管流之和;復(fù)雜管路hfAEhfABhfBDhfDE；總機(jī)械能守恒并聯(lián)管路:qVq1q2q3；hf1hf2hf3七、流體測(cè)量測(cè)量?jī)x表流速（流量）表達(dá)式特點(diǎn)測(cè)速管（畢托管）C2gR(o)測(cè)得的是點(diǎn)流速孔板流量計(jì)qvCoA02gR(o)固定安裝；阻力損失較大文丘里流量計(jì)qvCvAo2gR(0)比孔板流量計(jì)減少了機(jī)械能損失

4、使用條件與標(biāo)定條件不符時(shí)轉(zhuǎn)子流量計(jì)qvCR AR2gVf( f )Afqvo( f )qV0(f o)、概述必須垂直安裝，流體自下而上流動(dòng)第四章熱量傳遞熱量傳遞流傳熱I輻射傳熱二、熱傳導(dǎo)1.基本公式：傅立葉定律：QA工或q y口，熱量通量8溫度梯度；熱量沿溫度dy降低的方向傳遞。氣體一一分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)固體一一晶格振動(dòng)和自由電子的遷移液體一一分子振動(dòng)+分子間相互碰撞-流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移引起，通常也指流體與固體壁面之間的熱傳遞；僅發(fā)生在液體和氣體中-通過電磁波傳遞能量；不需要任何介質(zhì)，可在真空中傳播氣體：很小,利于絕熱保溫（工業(yè)上多孔保溫材料）；TT,p（高2.導(dǎo)熱系數(shù)q dT 非金屬入；金屬

5、有雜質(zhì)一入J；純金屬TT一入J;合金TT晶體TT一入J;非晶體TT單層平壁:入不隨溫度變時(shí)QA（T1T2），熱阻R,bRA即傳導(dǎo)距離T&壁面面積J&入J一導(dǎo)熱熱阻T&熱傳導(dǎo)速率QJ多層平壁:穩(wěn)態(tài)時(shí)各層熱量流量相等3.應(yīng)用模型TinRii1Tn1T1Tm三、對(duì)流傳熱T1T2多層圓管壁：QdQRoAmT1Tn1dA7LTiTn1,R0為污垢熱阻RoAAAlnAbiiAmiln-ri1.基本公式:牛頓冷卻定律:物性特征（流體本身）2.傳熱速率影響因素幾何特征（邊界條件）:pT,5T,入T一傳熱速率T；黏度T一傳熱速率J：固體壁面形狀、尺寸、粗糙度等流動(dòng)特征：流動(dòng)起因（強(qiáng)制對(duì)流Q自然對(duì)流Q）、狀態(tài)層流

6、Q）、相變（有相變Q無相變Q）（湍流Q3 .對(duì)流傳熱系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)式）圓管：Re,PrCp/r4M一；蒸汽冷凝：Re傳熱類型經(jīng)驗(yàn)式應(yīng)用條件0.023Re08Prf加熱f=0.4,冷卻圓形直管內(nèi)強(qiáng)f=0.3;烈湍流（1）diRe104,0.7Pr50內(nèi)CccrC0.8-0.33/、0.140.027RePr()強(qiáng)圓形直管內(nèi)強(qiáng)局黏度diw制烈湍流（2）Jiw0.7Pr16700對(duì)叱（定性溫度），Nw（壁溫）流圓形直管內(nèi)強(qiáng)在（1）、（2）基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)短管L/di50烈湍流（3）/di0.711(-)圓形直管內(nèi)層流（4）1111.86ReBPr、上/()0.14didiRe23006Pr25000圓

7、形直管內(nèi)過渡流態(tài)（5）在湍流對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)式基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)610511.8Re2300Rec104圓形彎管（6）按直管對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)式基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)11.77d-R大自然空間對(duì)流C（GrPr）n,C為常數(shù)（查表）d0菜八、汽冷凝傳執(zhí)八、豎壁或豎管上的膜狀冷凝，層流2311.13（-工）4,T為豎壁面溫度LT（TW）與蒸汽在操作壓力下飽和溫度（Ts）之差，r為冷凝潛熱（由Ts確定）Re2000水平管外冷凝2310.725(rg)4,d。為管外徑d0TI,2I4 .熱損失最大時(shí)的保溫層直徑d2de,為使加保溫層后熱損失小于裸管時(shí)的熱損失,2C應(yīng)使保溫層厚度dc di2115.總傳熱系數(shù)rS1K ibA

8、 r ArS2 一AmAAi 4一 （熱側(cè)為外側(cè)）2 A2b 一在間壁熱阻一和污垢熱阻rS1,rS2可忽略時(shí)：右 2i,為間壁外側(cè)對(duì)流傳熱控制,提高間壁外側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)是提高K值的關(guān)鍵；若i ,為間壁內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱控制6.傳熱推動(dòng)力與平均溫差、傳熱單元數(shù)法四、輻射傳熱1.輻射傳熱=發(fā)出輻射能的過程+吸收輻射能的過程當(dāng)兩個(gè)溫度不等的物體輻射傳熱時(shí)，熱量從高溫物體向低溫物體傳遞2.物體輻射能力E 0Ed（黑體單色輻射能力長(zhǎng)與溫度關(guān)系灰體E C0(I克?；舴蚨?100 AEbmT)4,5CiCe T 12.9 10灰體黑度最大單色輻射能力的波Eb,A為灰體吸收率1004,典型情況下的面積 A和物體4

9、3.物體間的輻射傳熱Q12C1212A區(qū)1001對(duì)物體2的輻射角系數(shù)12查表4,4.1第五章質(zhì)量傳遞環(huán)境工程中常見的傳質(zhì)過程有：吸收、萃取、吸附、離子交換、膜分離。傳質(zhì)過程可分為分子傳質(zhì)與對(duì)流傳質(zhì)：f機(jī)理：分子擴(kuò)散擴(kuò)散通量：NADABdcA 曳3Adz c分子傳質(zhì)(單向擴(kuò)散：y-、1 Va,濃度分布、等分子雙向擴(kuò)散：cA,單向擴(kuò)散：NB 0D abCNa 產(chǎn)一 Caq)LcB,mNb)等分子反向擴(kuò)散：Na Nb0N A Dj (Ca1| Ca,o )k有化學(xué)反應(yīng)的擴(kuò)散：Na nNBz1 yA,o 1 yA,iCA,0CA,izCA,i機(jī)理：渦流擴(kuò)散、分子擴(kuò)散【對(duì)流傳質(zhì)wc單向擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)kc-

10、kJXB,mL擴(kuò)散通量：Nakc(CA,iCa,o)4000時(shí)，為湍流。由Re色二等匕可得qvd Re410 3 0.027 40004 9988.50 10 5m3/s4 .從水塔管道輸送水，水塔水面距出水管口的垂直距離為10m,管道全長(zhǎng)500nl管件的局3部阻力可近似等于管道全長(zhǎng)的一半，摩擦系數(shù)為0.03,水溫為20C,輸水量為10m/h,求水管的最小直徑。解：取水塔水面為1 1截面，水管出水口為22截面，基準(zhǔn)水平面通過出水管的水平中心線，在兩截面間列伯努利方程Z1P1g2U12gZ2P22U2g 2ghf hj已知410m,z2 0; rqv 10/3600P20；50,也 V2A /4

11、 d2190 d2hfhjlle u22g上式可化簡(jiǎn)為馬l leU2l le Uf 1 d 2g d 2g500 250110 0.03 2 d 0.011m 11mmd 2g 90 d吳岱明編，化工原理及化學(xué)反應(yīng)工程1987 年，31 頁5.通過測(cè)速管測(cè)得某圓形管道中的水流速分布為公式、例題、測(cè)驗(yàn)，北京：輕工業(yè)出版社2, rU Umax 1，其中Umax為管中r。心流速，r0為管半徑25mm（1）請(qǐng)寫出剪應(yīng)力的表達(dá)式。（2）已知水的粘度為10-3Pas,當(dāng)測(cè)得管中心流速為0.16m/s時(shí)，管壁處的剪應(yīng)力為多少？解：（1）由剪應(yīng)力定義及流速分布可得du2umaxrdrr：2u2103016.(

12、2)管壁處剪應(yīng)力umax00161.28102N/m2ro0.0256 .某廢液流入直徑為40mmW管道，流量為0.1L/s。計(jì)算該流動(dòng)的進(jìn)口段長(zhǎng)度，并求距管口5m處的邊界層厚度。已知廢液的密度0.6kg/L,黏度1.2103Pas4qv40.110解：流速uV20.08m/sd0.04Reud30.6 100.08 0.04_31.2 101600 2000,則流動(dòng)狀態(tài)為層流。11.94m/s0.82進(jìn)口段長(zhǎng)度le0.0575dRe0.05750.0416003.68m距管口5m處的邊界層厚度即為管的半徑，即20mm7 .某流體以0.6m/s的流速沿一平壁流動(dòng)，已知該流體的密度為1.2kg/

13、L，黏度為10-3Pas,試分別計(jì)算距平壁前緣0.5m、2m處流體的雷諾數(shù)及邊界層厚度。解：距前緣0.5m處：ux1.21030.60.555Re33.610510流動(dòng)狀態(tài)為層流流動(dòng)10x0.54邊界層厚度4.641一054.641058.310m0.83mmRex3.6105距前緣2m處：3cccReux3-1.441065105流動(dòng)狀態(tài)為湍流流動(dòng)103邊界層厚度x20.376xr0.3760.04m0.260.4Rex1.44108.密度為1.3kg/L、黏度為10-3Pas的污水流過內(nèi)徑為20mm勺圓管，流量為 4 kg/s時(shí),求污水在管中的流速分布。解：um.329.79m/sA1.3

14、1030.022/43Redu1.3100.029.795一32.5510um10為湍流狀態(tài)，且1.1105Re3.2106,因此有umax1/71/7流速分布UUmax19.黏度為8X10-3Pa-s、r。密度為動(dòng)，(1)判斷流體的流動(dòng)狀態(tài)。距離。(3)使壓力降為若該管路為水平管,1.25x105Pa。解：(1)Redu11.941一,式中r的單位為mm10850kg/m3的液體在內(nèi)徑為14mm的鋼管內(nèi)以1m/s的流速流(2)求截面上局部流速等于平均流速的位置到管軸線的上游壓力為8500.014181031487.5(2)層流流動(dòng)時(shí)，流速分布為uUmax1.45xi05Pa,流體要流經(jīng)多長(zhǎng)的

15、管段才能2000,為層流流動(dòng)。0曰1Um二Umax22-r當(dāng)uum時(shí)，可得1r0r。274.95mm(3)因?yàn)槭撬降葟焦?，所以兩截面上的靜壓差p等于阻力壓差Pf,且層流有Pf32國(guó),所以ld2d2Pf0.0142_51.451.2510532Um328103115.3m匡國(guó)柱主編，化工原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)，大連：大連理工大學(xué)出版社,2002年，19頁10.用一內(nèi)徑26mm長(zhǎng)30m的不銹鋼管輸送密度為1.84x103kg/m3、黏度為2.5x10-2Pas的濃硫酸，當(dāng)管內(nèi)流速分別為0.5m/s和2.3m/s時(shí)，分別計(jì)算管道所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降。已知不銹鋼管道的粗糙度=0.3mrni解：管路中的壓降pf當(dāng)u1

16、0.5m/s時(shí):du11.841030.0260.522.5109.571022000,流動(dòng)狀態(tài)為層流摩擦系數(shù)64Re壓降P164l2U18301.841030.52Red229.571020.0264_1.7710Pa當(dāng)u22.3m/s時(shí):Re2du21.841030.0262.3_22.5104.401034000,流動(dòng)狀態(tài)為湍流0.3一口八一0.0115和Re查圖得0.04926壓降2l u2P20.0492d 20.049 30 1.84 1 03 2.322.750.026 2105 Pa楊國(guó)泰、（改造）楊繼紅等編，化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003, 26頁11.

17、有一內(nèi)徑為di的排污管，為了增加排污量，緊靠該管并聯(lián)一內(nèi)徑為db的管道，已知兩管中的流速分別為 U1和U2,流量分別為qv1和qv2,且均為層流流動(dòng)，分別求U1/U2、qv/qv2與d” d 2的關(guān)系。若d1m,要增加的50%勺排污量,計(jì)算 d2。解：并聯(lián)管路阻力相等，即hf1 hf 22l1 U12l2 U22d?2g因?yàn)閘1l2,且 詈常二,則化簡(jiǎn)上式可得/即U2d1d2因?yàn)閝vd2U ,所以曲14qv2d22U24 曳 d2吆0.5時(shí)，d2d1J-qv21V050.84mqv1;qv1吳岱明編，化工原理及化學(xué)反應(yīng)工程公式、例題、測(cè)驗(yàn)，北京：輕工業(yè)出版社1987年，32頁12 .空氣流過管

18、道，在管路上裝一文丘里流量計(jì)，以U形管水壓差測(cè)量壓力差。若喉管的直徑為500mm空氣最大流量可達(dá)3.6kg/s,問壓差計(jì)需多大的量程？已知該狀態(tài)下空氣密度為1.205kg/m3,水的密度為998kg/m3,文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)為0.99。解：體積流量qvqm-3.62.99m3/s1.205截面面積A-d20.520.20m244由文丘里流量計(jì)流量公式qvCVA0J-g0可得2qv2gC2A2314.1 10 m 14.1mm2.9921.20529.80.9920.2029981.205因此U形管壓差計(jì)量程至少需14.1mni13 .某轉(zhuǎn)子流量計(jì)，出廠時(shí)用標(biāo)況空氣進(jìn)行標(biāo)定，其刻度范圍為20

19、50m/h。常溫、常壓下,若用該流量計(jì)測(cè)定CO流量，其流量范圍是多少？若希望能測(cè)定50m3/h的CO,則應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子做怎樣的簡(jiǎn)單加工？有QpM101.32529,，3斛：標(biāo)況下仝氣留度01.29kg/mRT8.314273測(cè)量條件下，CO密度-pMRT101.3254431.80kg/m8.314298由于轉(zhuǎn)子密度遠(yuǎn)大于測(cè)量氣體密度,因此可得則測(cè)定CO時(shí)的下限為qvqv020qvqv01.2916.93m3/h,同理求得其上限為1.8042.33m3/h。3.42.33m3/h,所以測(cè)量范圍為16.93根據(jù)qvCr熊2gVffAf,要使CO的測(cè)量上限提高，需將轉(zhuǎn)子頂端面積削小,增大環(huán)隙面積Ar,設(shè)

20、Vf/Af在加工前后不變，則Ar23Ar150Ar11.18Ar142.33Ar為原來的1.18倍。,即削小轉(zhuǎn)子上邊緣，使其上端面積Af減小到保證環(huán)隙面積柴城敬等編，化工原理課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)，天津:天津大學(xué)出版社,2003年，31頁（改造）第四章熱量傳遞1.有一球形容器，內(nèi)外壁半徑和溫度分別為abT,試推導(dǎo)球形壁內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱速率1、T1和2、Q的計(jì)算公式。T2,器壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)解：穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，Q不隨半徑變化，由傅立葉定律:Q4r2dTdr整理得-Q-ydrdT,進(jìn)行積分Q4r22ri4r2drT2T1(abt)dT1212(aT2bT22)(a工bT12)22r1一4321a2b(T1r1T2

21、)(T2Ti)一5工)22rI4rm/Am4rm,則QT4r1amm（來源：何潮洪，竇梅等編，化工原理習(xí)題精解（上冊(cè)）無改動(dòng)）,科學(xué)出版社,2003,p143例4-4,2.某燃燒爐的平壁有耐火醇、絕熱醇和建筑磚三種材料砌成，各層材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)依次為b1=200mm11.2W/(mK)；b2=250mm20.15W/(mK);b3=200mm0.85W/(mK)。已知耐火磚內(nèi)側(cè)溫度為900C,絕熱醇和建筑磚接觸面上的溫度為280C。求：(1)各種材料以單位面積計(jì)的熱阻；(2)燃燒爐熱通量及導(dǎo)熱總溫差；(3)燃燒爐平壁中各材料層的溫差分布。解：(1)各種材料的熱阻：耐火磚:R1凡-0匚一0.

22、167K/W1A11.21絕熱醇：R2-b0.251.67K/W2A20.151建筑總R3上0.20.235K/W3A30.851(2)穩(wěn)態(tài)條件下通過各材料層的熱通量相等心皿口T1T39002802熱通重q337.5W/mR1R20.1671.67導(dǎo)熱總溫差TT4q(R1R2R3)A338(0.1671.670.235)700.3C(3)T1：T2:T3R1:R2:R30.167:1.67:0.2351:10:1.4熱阻大的材料層溫差推動(dòng)力也大(來源：何潮洪，竇梅等編，化工原理習(xí)題精解(上冊(cè))，科學(xué)出版社，2003,p140例4-1,無改動(dòng))3.有一過熱蒸氣輸送管，管外徑d=320mm壁溫Tw

23、(=510C,外包兩層保溫層，內(nèi)層為粉煤灰無熟料泡沫混凝土，其10.097W/(mK),122mm；外層為石棉硅藻土，其2(0.16220.000169tm)W/(mK)。若每米長(zhǎng)的管子熱損失為1395.6W/m,最外層壁溫為50Co試求兩層保溫層交界處的壁溫和外層厚度。解：(1)通過多層圓筒壁的傳熱有qTw0Tw1510Tw11395.6ln(r1/r)ln(0.160.022)/0.162120.097解得兩層保溫層交界處Tw1=215C(2)保溫層外層平均溫度TmTw1Tw250215132.5C2220.16220.000169132.50.1846W/(mK)由qTw一”上一1395

24、.6解得2=0.209mln(2/r1)lnr2/(0.160.022)20.1846，外層壁厚2r2r127mm（來源：林愛光，化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指引和習(xí)題解答，清華大學(xué)出版社，2003,p69,2-5）4.在（）57mm1.5mm的鋼管組成。水在管內(nèi)的流速為1m/s,冷水進(jìn)、出口溫度各為20c和46C,管長(zhǎng)2米。求：（1）管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)（2）管內(nèi)壁溫度（3）若將總管數(shù)改為50根，管長(zhǎng)增加到2m以上，但保持冷卻水量不變，求此時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)，并與原來相比較。（按薄壁管計(jì)算）解：（1）定性溫度Tm1-(20 46)33C,特征長(zhǎng)度 di 23 1.5 2 20mm查表得33 c時(shí)994.

25、7kg/m3,75.73 10 5Pa s, 62.25 10 2W/(m K)0.7 Pr 5.09ud120, Re 1 0.02 994.775.7310526270 104, - 50 di流體被加熱，取=0.40.023Re0.8 Pr0.4di0.023262.25 10 20.02262700.8 5.090.44710W/(m2 K)（2）由熱量衡算EqA(TwTm)Cpqm T，管內(nèi)壁溫度為T TqmcpTwTmt一 33994.710.022(4620)4.174103491.9C(注：如采用對(duì)數(shù)平均溫度計(jì)算，得93.3C)(3)改變鋼管根數(shù)，冷卻水量不變，則u 6u50管

26、長(zhǎng)2m以上，則仍為長(zhǎng)管Re) 0.8Re昌“1.20.8u則1.20.847105450W/(m2K)(來源：林愛光，化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指引和習(xí)題解答，清華大學(xué)出版社，2003,p73,2-12)6 .0.2MPa的飽和水蒸氣在一列管式換熱器的管間冷凝以預(yù)熱水，水在425mm2.5mm的鋼管內(nèi)以0.6m/s的速度流過，進(jìn)口溫度為2,至出口加熱到8o取水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)10000W/(m2K),水側(cè)污垢熱阻為0.6103m2K/W,忽略管壁熱阻。求(1)傳熱系數(shù)K;(2)操作一年后，由于水垢積累，換熱能力下降，若水量不變，進(jìn)口溫度仍為2,其出口水溫升至7,求此時(shí)的傳熱系數(shù)及污垢熱阻。1解：(1)定

27、性溫度T-(2080)5查表得50c時(shí)988.1kg/m3,54.94105Pas,0.7Pr3.5412064.78 10 2W/(m K),Reud0.02 0.6 988.154.9410 521598 104, 50 di0.023 Re0.8 Pr0.4 di0.02364.7810 20.020.80.4215983.5423625W/(m K)1 11 d1d_T _1 25 v “ 3 25Tr2 - 0.6 10 42 di2 di13625 2020 104888W /(m2 K)(2)定性溫度Tm(20 90)45 c查表得45 c時(shí)990kg/m3,60.27 10 5Pa s,0.7Pr 3.93 120Eq_2一64.08 10 2W/(m K), Reud0.02 0.6 990_ _ _ 一 560.27 104 L19711 104, d