環(huán)境工程原理課后答案28章

1、第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算2.8 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。r 1= 0qV 1 = 3.0m3 / sqV 2 = 0.05m3 / sr = ?解：取衡算系統(tǒng)如圖所示。確定衡算對(duì)象為示蹤劑。衡算的基準(zhǔn)是 s可判斷為穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)匯合前后示蹤劑進(jìn)行質(zhì)量衡算：qm1 = qm20.05=(3+0.05)1.0=61

2、mg/L加入示蹤劑的質(zhì)量流量為：(6110-3g)/(10-3m3)0.05m3/s=3.05g/s單位要統(tǒng)一第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算2.9 假設(shè)某城市上方的空氣為一長(zhǎng)度均為100km、高為1.0km的空箱模型。干凈的空氣以4m/s的流速?gòu)囊贿呥M(jìn)入。假設(shè)某種空氣污染物以10.0kg/s的總排放速率進(jìn)入空箱，其降解反應(yīng)速率常數(shù)為0.20h-1。假設(shè)完全混合。求穩(wěn)態(tài)情況下的污染物濃度。解：取衡算系統(tǒng)為空箱所占空間。確定衡算對(duì)象為污染物。衡算的基準(zhǔn)是s?？膳袛酁榉€(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)。設(shè)穩(wěn)態(tài)下污染物濃度為，對(duì)空箱中混和前后污染物進(jìn)行質(zhì)量衡算：qm1 - qm2 - k rV = 010.kg/s 41001

3、106 m3/s(0.20/3600) 1001001109m3/s =0 =1.0510-2mg/m3單位要統(tǒng)一第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算2.13 有一個(gè)43m2的太陽能取暖器，太陽光的強(qiáng)度為3000kJ/(m2h)，有50%的太陽能被吸收用來加熱流過取暖器的水流。水的流量為0.8L/min。求流過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1h。設(shè)取暖器的水升高的溫度為T，根據(jù)熱量衡算方程，Q = mc pDT3000kJ/m2h 43m250%=0.8L/min60min4.183kJ/hkTT=89.65K第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算2.13 有一個(gè)總功率為1000MW的核反應(yīng)

4、堆，其中2/3的能量為冷卻水帶走，不考慮其他能量損失。冷卻水來自當(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（2）如果加熱后的水返回河中，冷卻水的水溫會(huì)上升多少？解：輸入給冷卻水的熱量為：Q = 1000 2 / 3MW = 667MW（1)以冷卻水為衡算對(duì)象,該系統(tǒng)為開放系統(tǒng)。設(shè)冷卻水的流量為qV第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算則冷卻水熱量的變化率為 H P - HF= qmc pDT667 103 KW = qV 103 4.18310kJ / m3水的密度kg/m3水的比熱kJ/kg K溫度qV = 15.94m3 / s（2）以河流

5、水為衡算對(duì)象，在100m3/s的流量下，吸收667MW能量后河水溫度的變化為DT =667 103100 103 4.1841.59o C第三章 流體流動(dòng)3.3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34m3/h，求提升水所需要的功率，設(shè)水的溫度為25解： 1 2 p1 1 22 r 2p2r+ h f拓展的伯努利方程（各項(xiàng)單位為J/kg）取調(diào)節(jié)池水面和沉淀池水面為1，2截面：u1 = u2 = 0p1 = p2 = 大氣壓伯努利方程變?yōu)?：We = g(z2 - z1) + h f = 9.8110 + 4 = 102.1J / kg

6、Ne = We qm = We qm r = 102.1103 34 / 3600 = 964.3Wu1 + gz1 +-We = u2 + gz2 +3.4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形管壓差計(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，試求管道的空氣流量 。解：截面1和截面2之間列伯努力方程:u12/2+P1/u22/2+P2/由題目知:u2=4u1則有: 15u12=2(P1-P2)/=2（0.1-0.04

7、) 1039.81/1.2解得：u1=8.09m/s代入數(shù)據(jù) ，解得 qv=u1A=8.09 3.14 0.22=1.02m3/s3.6水在圓形直管中呈層流流動(dòng)，若流量不變，說明在下列情況下，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。Dp f =8muml2=32muml2= ll rum2d 2（1）管長(zhǎng)增加一倍：阻力損失增加一倍（2）管徑增加一倍：um變?yōu)樵瓉淼?/4，和l不變，阻力損失變?yōu)樵瓉淼?/16r0d3.10 用泵將水從一蓄水池送至水塔中，如圖所示，水塔與大氣相通，池和塔的水面高度差為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

8、低于塔內(nèi)水面1.8m，泵的進(jìn)水管DN150，長(zhǎng)60m，連有兩個(gè)90彎頭和一個(gè)吸濾底閥。泵出水管為兩端管段串連，兩端管分別為DN150、長(zhǎng)23m和DN100、長(zhǎng)100m，不同管徑的管道經(jīng)大小頭相連，DN100的管道上有3個(gè)90彎頭和一個(gè)閘閥。泵和電機(jī)的總功率為60。要求水的流量為140m3/h，如果當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)為0.46元/kWh，則每天泵需要消耗多少電費(fèi)？（水溫為25，管道視為光滑管）解：內(nèi)插法，25時(shí)，90.285105Pas996.95kgm3計(jì)算管道流速 ：泵進(jìn)水管DN150: u14qv/d12=2.20 （m/s ）泵出水管: DN150: u2u12.20 （m/s ）DN100: u

9、34.95 （m/s ）計(jì)算雷諾數(shù)，判斷流動(dòng)狀態(tài)：DN150:Re1 u1d1/ 996.952.20.15/90.2851053.641054000DN100:Re2 u2d2/ 996.954.950.1/90.285105=5.471054000故，流體處在湍流區(qū)。對(duì)于光滑管，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式P79 (3.4.20)(3.4.21)可以直接查圖：內(nèi)插 Re13.64105時(shí)，10.014(0.022)Re25.47105時(shí)， 20.013(0.02)進(jìn)口管段的管件阻力系數(shù)分別為：吸濾底閥 11.5，90度彎頭20.75，管入口3 0.5.則進(jìn)口管段的阻力為：Hf1 1 l1/d1 u12

10、/2+(1+2 2 + 3 ) u12/2=（ 1.520.750.5+0.014 60/0.15）2.202/2=22.02（J/kg）進(jìn)口管段的管件阻力系數(shù)分別為：大小頭10.3，90度彎頭20.75，閘閥3 0.17，管出口口4 1.則出口管段的阻力為：Hf21 l2/d2 u22/2 （ 2 l3/d3 1+ 32+ 3+ 4)u32/2 210.04 （J/kg）在11和22之間建立伯努力方程：u12/2p1/ +gz1-We u22/2p2/ +gz2Hf其中，u1=u2則有：-We=( p2-p1)/ +g(z2-z1) Hfgh Hf9.8160+ 22.02 + 210.04

11、820.67 （J/kg）WN= 820.67/60%140/3600996.95=53.03kW電費(fèi)：53.03240.46=585.4(元)第四章 熱量傳遞 習(xí)題4.4 某一60mm3mm的鋁復(fù)合管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/mK,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/mK和0.04W/mK，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、rm3330ln27

12、rm 2rm 3=3060ln303090ln60= 43.28mm= 73.99mmrm1 = 28.47mm第四章 熱量傳遞 習(xí)題每米管段的熱阻為：b1 b22pl1rm1 2pl2rm 2+b32pl3rm3Q = 2plLT1 - T2lnr1=T1 - T2R=32p 45 28.47+302p 0.15 43.28+302p 0.04 73.99= 2.348K / W每米管段的冷損失量： Q = DT = 5 +105 = 46.85W / mR 2.348（2）R =b12pl1rm1+b22pl2rm 2+b32pl3rm3=32p 45 28.47+302p 0.04 43

13、.28+302p 0.15 73.99= 3.189K / WQ =DTR=5 +1053.189= 34.50W / mR =+r24.9在換熱器中用冷水冷卻煤油。水在直徑為192mm的鋼管內(nèi)流動(dòng)，水的對(duì)流傳熱系數(shù)為3490W/m2k，煤油的對(duì)流傳熱系數(shù)為458W/m2k。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0.000176m2k/W和0.00026m2k/W，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/mk。求1 1 bA A A1K A2 2 2A1 19 191 1 b 1 Am 16.919K ln15=1458+0.00245+13490+ 0.00026 + 0.0

14、00176A1A2=1915= 1.27= 2.95 10-3 m 2 K / WK = 338.9W / m2 KK = 322.22W / m2 K（1）基于管外表面積的總傳熱系數(shù)= + rS1 + + rS 2+（2）產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)（1） 將鋼管視為薄管壁，則有：= 1.1219 -151為管外流體=+ rs1 + rs 2對(duì)流傳熱系數(shù)1 13.12如圖所示，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

15、20mm，8mm和13mm(包括除閥門和管出口損失以外的所有局部阻力損失的當(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，是否需要增壓水泵？需要的話，求增壓水泵的揚(yáng)程。解：以AC所在平面為基準(zhǔn)面，在A，C斷面之間列伯努力方程：u A22+p Ar=22+p1r+ h fAC（1）在A，D斷面之間列伯努力方程：u A22+p Ar=22+p2r+ gz 2+ h fAD （2）u1u2上面兩式相減：2222 r r表壓 p1 = p2 = 0則有：22-22- gz 2+ h fBC - h fBD = 0（3）22(22) m

16、in = 3 9.8 - (0.03 8 / 0.032 + 6.4) 222222 r2所以二樓有水u1upp- 2 + 1 - 2 - gz 2+ h fAC - h fAD = 0u1u2u( 1 ) min = gz 2- h fBCu1u10.8 105p Au1) min = 1.97m / s2 2 = = 80.144m / s 2(uph f min = (0.03 28 / 0.032 + 6.4 +1) ( 1 ) min = 67.28m 2 / s 2 A當(dāng)二樓流量為0.2L/s時(shí)：u2=0.249m/s代入（3）可得：u1=2.02m/sAB段流速為：u0=u1+u

17、2=2.259m/s2.259 2 2.022= 78.665m 2 / s 2p Ar=0.8 105998.2= 80.144m 2 / s 2 hfAC p A / r故不需要增壓水泵。 hf AC = 0.03 20 / 0.032 2 + (0.03 8 / 0.032 + 6.4 + 1) 2第五章 質(zhì)量傳遞5.1在一細(xì)管中，底部水在恒定溫度298K下向干空氣蒸發(fā)。干空氣壓力為0.1MPa、溫度亦為298K。水蒸氣在管內(nèi)的擴(kuò)散距離（由液面到管頂部）L20cm。在0.1MPa，298K的溫度時(shí)，水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為DAB2.510-5m2/s，試求穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量、濃度分布

18、。已知：T=298K，水的飽和蒸氣壓pA,i=3.1684KPa，水蒸氣向干空氣的擴(kuò)散，p0=0，總壓力p=0.1MPa=100Pa，L=0.2m單向擴(kuò)散，p B ,m=p B , 0 - p B ,ip B , 0lnp B ,i=( p - p A, 0 ) - ( p - p A,i )p - p A, 0ln=ln3.1684 103 - 00.110 60.110 6 - 3.1684 103= 0.9841105 PaN A =DAB pRTLpB ,m( p A,i - p A, 0 ) = 1.62 10 - 4 mol / m 2 sy A,i =p A,ip= 3.1684

19、 / 100 = 0.31684y A,0 =p A,0p= 0化簡(jiǎn)得() = ( )1- y A,iy A = 1 -1.0335 z -1或y A = 1 - 0.96831-5 zp - p A,i1- y A1- y A,i1- y A,0 Lz6.3 粒徑為76m的油珠在20的常壓空氣中自由沉降，恒速階段測(cè)得20s內(nèi)沉降高度為2.7m。已知20時(shí)，水的密度為998.2kg/m3，黏度為1.00510-3Pa s；空氣的密度為1.205kg/m3，黏度為1.8110-5Pas。求：（1)油的密度（2)相同的油珠注入20水中，20內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離解（1) u=27/20 m/s=0.135m

20、/sRe p =d purh=76 10-6 0.135 1.205-5= 0.683 p 2油珠得運(yùn)動(dòng)處于層流狀態(tài)，則沉降速率為：ut =(r p - r ) gd p218mr p =18ut mgd p2+ r = 777.43kg / m31.8110(2) 利用無量綱判據(jù)法，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)判斷油珠在水中的流態(tài)K =d 3p gr (r - r p )2 0.94 p 36油珠在水中上浮處于層流狀態(tài)，則沉降速率為：ut =(r - r p )gd p218m= 6.92 10-4 m / s20s內(nèi)油珠運(yùn)動(dòng)距離L:L=utt=1.3810-2m6.6 落球黏度計(jì)是由一個(gè)鋼球和一個(gè)玻璃桶組

21、成，將被測(cè)液體裝入玻璃桶，然后記錄下鋼球落下一定距離所需要的時(shí)間，即可以算出液體黏度?，F(xiàn)已知鋼球直徑為10mm，密度為7900kg/m3，待測(cè)某液體的密度為1300kg/m3，鋼球在液體中下落200mm，所用時(shí)間9.02s，試求該液體黏度。解：鋼球在該液體中下落速度為：ut=20010-3/9.02 m/s=0.022m/s假設(shè)鋼球在液體中運(yùn)動(dòng)為層流狀態(tài)，則：ut =(r p - r ) gd p218mm =(r - r p ) gd p218ut= 16.33Pa s代入雷諾數(shù)檢驗(yàn)： Re p =d purh= 0.018 p 2假設(shè)成立，該液體黏度為16.33Pas。6.11 用于例題相

22、同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器收集煙氣粉塵，已知含塵空氣的溫度為200，體積流量為3800m3/h，粉塵密度2290kg/m3，求旋風(fēng)分離器能分離粉塵的臨界直徑（旋風(fēng)分離器的直徑為650mm，200空氣的密度為0.746kg/m3，黏度為2.6010-5Pa*s）解：進(jìn)氣筒寬度B=D/4=65010-3/4=162.510-3m，高度h=D/2=32510-3mu=qv/Bh=19.99m/sd c =9mBpui r p N=9 2.60 10-5 162.5 10-33.14 19.99 2290 5= 7.27mm檢驗(yàn)：rm=(D-B)/2=243.7510-3mut =(r p - r ) gd

23、 p218m= 0.42m / sRe p =d cut rm= 0.087 p 2在層流區(qū)符合斯托克斯公式，計(jì)算正確6.13 原來用一個(gè)旋風(fēng)分離器分離氣體粉塵，現(xiàn)在改用三個(gè)相同的并聯(lián)的小旋風(fēng)分離器代替，分離器的形式和各部分的比例不變，并且氣體的進(jìn)口速度也不變，求每個(gè)小旋風(fēng)分離器的直徑是原來的幾倍，分離的臨界直徑是原來的幾倍。（1）設(shè)原來的入口體積流量為qV，現(xiàn)在每個(gè)旋風(fēng)分離器的入口流量為qV/3,入口氣體速度不變，所以入口面積變?yōu)樵瓉淼?/3又：形式和各部分的比例不變，面積與直徑的平方成正比。所以小旋風(fēng)分離器直徑的平方為原來的1/3，則直徑為原來的1/ 3 = 0.58（2）由 d c =9

24、mBpui r p N其中只有B變化，其余各量均不變。所以臨界直徑變?yōu)樵瓉淼模?41/ 3 = 0.58 = 0.767.1 用板框壓濾機(jī)恒壓過濾某種懸浮液，過濾方程為V2+V=610-5A2t，式中t的單位為s。(1)如果30min內(nèi)獲得5m3濾液，需要面積0.4m2的濾框多少個(gè)？(2)求過濾常數(shù)K,qe,te?解（1)將V、t代入公式V2+V=610-5A2t，得過濾所需總面積：A16.67m2，則需0.4m2的濾框：16.67/0.4=41.67(42)個(gè)（2) 過濾方程：V2+V=610-5A2t，兩邊同除以A2得如下方程：q2+(1/A) q=610-5A2t ，與過濾方程:q2+2

25、qqe=Kt比較，可得：K=610-5m2/s，qe=1/2A=0.03m3，7.7恒壓操作下過濾實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如下，求過濾常數(shù)K，qe第八章 吸收作業(yè)8.1 在30，在常壓下，用吸收塔清水逆流吸收空氣SO2混合氣體中的SO2，已知?dú)庖浩胶怅P(guān)系為y*47.87x，入塔混合氣中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05，出塔混合氣SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.002，出塔吸收液中每100g含有SO20.356g，試分別計(jì)算塔頂和塔低處的傳質(zhì)推動(dòng)力，用y、x、p、c表示已知 y10.05； y20.002 ； x20 ； m47.87求y、x、p、c解：x1(0.356/64)/ 100/18=0.001p1=0.051

26、01.35.065kPap20.002101.30.203（kPa）E=mP=47.87101.34.86103 （kPa）c0=995.7/18=55.32（kmol/m3）H=C0/E55.32/4.85103=1.15102 kmol/m3kPa求推動(dòng)力：塔頂：y2*=mx20yy2y2*0.002x2*=y2/m=0.002/47. 87=4.1810-5x x2*x24.1810-5p2*Ex20pp2p2*= 0.203 kPacc0x55.324.1810-52.31103 （kmol/m3）塔底：y1*=mx147.870.0014.79102yy1y1*0.054.79102

27、2.13103x1*=y1/m=0.05/47. 87=1.0410-3x x1*x11.0410-30.0014.45105P1*Ex14.851030.0014.85 kPapp1p1*=5.0654.86 0.205kPacc0x55.324.451052.46103 （kmol/m3）第八章 吸收作業(yè)8.6利用吸收分離兩組氣體混合物，操作總壓為310kPa，氣、液相傳質(zhì)系數(shù)分別為ky3.77103kmol(m2s）、kx3.06kmol/(m2s）氣、液兩相平衡符合亨利定律，關(guān)系式為p* 1.067104x（p*的單位時(shí)kPa），計(jì)算（1）、總傳質(zhì)系數(shù)（2）、傳質(zhì)過程的阻力分析根據(jù)傳質(zhì)

28、阻力分析，判斷是否合適采取化學(xué)吸收，如果發(fā)生瞬時(shí)不可逆化學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)速率會(huì)提高多少倍？解：已知P= 310kPa, ky3.77103kmol/(m2s）、kx3.06kmol/(m2s）, p* 1.067104x求總傳質(zhì)系數(shù)：mE/P=1.067104/310=34.42以氣相、液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)分別為Ky，Kx第八章 吸收作業(yè)1Ky=1k y+mk x或1Kx=1k x+1mk y代入數(shù)據(jù)：Ky8.8710-6(kmol/m2s)Kx = mKy3.0510-4(kmol/m2s）阻力分析：氣相阻力：1Ky265.25(m2s/kmol）液相阻力：mk x1.12105(m2s/kmol）可知：液相阻力占總阻力的99.76，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣相阻力故，可以采用化學(xué)吸收。第八章 吸收作業(yè)若采用化學(xué)吸收，由于發(fā)生瞬時(shí)不可逆反應(yīng)，相界面上CA=0.不