环境工程原理课后答案2-8章

1、第二章 质量衡算与能量衡算第二章 质量衡算与能量衡算2.某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为0.05m3/s的 小溪汇入该河流。为研究河水与小溪水的混合状况，在 溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限为1.0mg/L。为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检 出，溪水中示踪剂的最低浓度是多少？需加入示踪剂的 质量流量是多少？假设原河水和小溪中不含示踪剂。i=0qv i = 3.0m3 / sqv 2 = 0.05m3 / sp = ?解：取衡算系统如图所示。确定衡算对象为示踪剂。衡算的基准是s 可判断为稳态非反应系统，对汇合前后示踪剂进行质量衡算：qmi 二 qm20.05 P

2、=(3+0.051.0 p =61mg/L加入示踪剂的质量流量为：单位要统一(61 50-3g)/(10-3m3)5.05m3/s=3.05g/s2.9假设某城市上方的空气为一长度均为100km、高为1.0km的空箱模 型。干净的空气以4m/s的流速从一边进入。假设某种空气污染物以 10.0kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20»。假设完全混合。求稳态情况下的污染物浓度。解：取衡算系统为空箱所占空间。确定衡算对象为污染物。衡算的基准是 s。可判断为稳态反应系统。设稳态下污染物浓度为p对空箱中混和前后污染物进行质量衡算：qmi - qm2 - k V = 010.k

3、g/s 4x100 沁 06 p n/s (0.20/3600) pXX100 X00 X X09m3/s =0单位要统一p =1.0X10-2mg/m3第二章质量衡算与能量衡算2.13有一个4X3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为 3000kJ/(m?h),有50%的 太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为 0.8L/min。求流过取暖器 的水升高的温度解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取1h。设取暖器的水升高的温度为AT,根据热量衡算方程，Q = mcp T3000kJ/m2h X4 Sm2 X50%=0.8L/min)60min >4.183kJ/hk A<TA T=

4、89.65K设冷却水的流量为qv第二章质量衡算与能量衡算2.13有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量为冷却水 带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自当地的一条河流，河水的流量为100m3/s,水温为20 r(1) 如果水温只允许上升10C，冷却水需要多大的流量(2) 如果加热后的水返回河中，冷却水的水温会上升多少？解：输入给冷却水的热量为：Q = 10002 / 3MW 二 667MW(1)以冷却水为衡算对象，该系统为开放系统设冷却水的流量为qv第二章质量衡算与能量衡算设冷却水的流量为qv第二章质量衡算与能量衡算667 103=1.59。C则冷却水热量的变化率为匚 H p -

5、匚 H f = qmc p也 T667 103 KW = qV 1034.18310kJ / m3水的密度1水的比热温度kg/m3kJ/kg KcqV = 15.94m3 / s(2)以河流水为衡算对象，在100m3/s的流量下，吸收667MW 能量后河水温度的变化为100 103 4.184设冷却水的流量为qv第三章流体流动拓展的 h f伯努利方程3.3污水处理厂中，将污水从调节池提升至沉淀池.两池水面差最大 为10m.管路摩擦损失为4J/kg，流量为34m3/h，求提升水所需要的 功率，设水的温度为25C解: _1 2P112 卩 2取调节池水面和沉淀池水面为U1 二 U2 二 0pi =

6、 P2二大气压伯努利方程变为：P2、p（各项单位为J/kg）2截面：We 二 g(Z2 - Z1)Ne 二 Weqm 二 Weqm102.1 10334 / 3600 二h f 二 9.81 104 二 102.1J / kg9643Wui gzi - We = u2 gz2X03 X9.81/1.23.4如图所示，有一水平通风管道，某处直径由400mm减缩至200mm。 为了粗略估计管道中的空气流量，在锥形接头两端各装一个U形管压差计，现测得粗管端的表压为100mm水柱，细管端的表压为40mm 水柱，空气流过锥形管的能量损失可以忽略，管道中空气的密度为1.2kg/m 3，试求管道的空气流量。

7、解：截面1和截面2之间列伯努力方程：U12/2 + P1/ 尸 U22/2 + P2/ p由题目知:u2=4ui 则有：15ui2=2(Pi-P2)/ p =2 (0.1-0.04) 解得：U1=8.09m/s3.6水在圆形直管中呈层流流动，若流量不变，说明在下列情况 下，因流动阻力而产生的能量损失的变化情况：(1) 管长增加一倍8 Uml _ 32 ' Um|I Um2/ud 2(2) 管径增加一倍。2 ro(1) 管长增加一倍：阻力损失增加一倍(2) 管径增加一倍：Um变为原来的1/4, P和I不变，阻力损失变为原来的1/163.10用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图所示，水塔与大

8、气 相通，池和塔的水面高度差为60m，并维持不变。水泵吸水口低于水池水面2.5m，进塔的管道低于塔内水面1.8m，泵的进水管DN150，长60m，连有两个90 °弯头和一个吸滤底阀。泵出水管为两端管段串连，两端管分别为 DN150、长23m和DN100、 长100m，不同管径的管道经大小头相连，DN100的管道上有3个90。弯头和一个闸阀。泵和电机的总功率为 60 %。要求水的 流量为140m 3/h，如果当地电费为0.46元/kWh，则每天泵需要 消耗多少电费？（水温为25 C,管道视为光滑管）解：内插法，25 C时,计算管道流速：尸 90.285 X10-5Pasp= 996.9

9、5kgm -3泵进水管 DN150: u i = 4qv/ nd2=2.20(m/s )泵出水管：DN150: u 2 = ui = 2.20(m/s )DN100: u 3 = 4.95(m/s )计算雷诺数，判断流动状态：DN150:Re i = pudi/ 卩=996.95 X2.2 X0.15/90.285 X10 -5=3.64 X105>4000DN100:Re 2= pi?d2/ 卩=996.95 >4.95 >0.1/90.285 X10 -5=5.47 X105>4000故，流体处在湍流区。对于光滑管，可以采用经验公式 P79 (3420)(3421)

10、 可以直接查图3.4.6 :内插 Rei = 3.64 X105时，入=0.014(0.022)Re2 = 5.47 X105时，鬼=0.013(0.02、进口管段的管件阻力系数分别为：吸滤底阀Z1.5 , 90度弯头Z0.75，管入口 Z 0.5.则进口管段的阻力为：刀Hf1 = 乃 Id1 Xu12/2+( 1+2 Z + Z ) XJ12/2=(1.5 + 2 >0.75 + 0.5+0.014 >60/0.15 ) X2.202/2 =22.02 (J/kg)进口管段的管件阻力系数分别为：大小头©0.3, 90度弯头总0.75，闸阀Z3 0.仃，管出口口 1.则出

11、口管段的阻力为：刀Hf2 =乃 |2/d2 Xu22/2 + (甩 l3/d3 + ©+ 3 + 3+ 4) XJ32/2210.04(J/kg)在1 - 1和2 2之间建立伯努力方程:2/2 + pi/ p +gZWe = U22/2 + p2/ p +g才刀 Hf 其中，U1=U2则有：-We=( p2-p1)/ p +g(zz1)+ 刀 Hf =gh +E Hf=9.81 >60+ 22.02 + 210.0420.67(J/kg)Wn= 820.67/60% >40/3600 >996.95=53.03kW 电费：53.03 X24 >0.46=585

12、.4(元)第四章热量传递习题4.4某一 © 60mmX3mm的铝复合管，其导热系数为45W/mK,外包 一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木，石棉和软木 的导热系数分别为0.15W/mK和0.04W/mK，求(1 )如已知管内壁温度为一105 C,软木外侧温度为5 C,则每 米管长的冷损失量为多少？(2 )若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5 Crm1、 rm2、 rm3，则此时每米管长的冷损失量为多少？解：设铝复合管、r ml石棉、软木的对数平均半径分别为3宀小=28.47 mm30In2730rm 2In603043.28 mmIn906073.99

13、mm30每米管段的热阻为：nTi T2Ti T2Q = 2 Li r2RR=bib2+b3Ini2 irmi 22rm 223rm3i133030245 28.4720.15 43.2820.0473.99R 3.189二 2.348K / W每米管段的冷损失量：Q = ”二 5 i05 二 46.85W / mR 2.348(2)biR= bi+ b2+b32 irmi22rm223rm33+30+30245 28.4720.04 43.2820.1573.99二 3.189K / WT 5105Q一二二 34.50W / m4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为 $ 19X2mm的钢管

14、内 流动，水的对流传热系数为3490W/m 2k，煤油的对流传热系数为458W/m 2k。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176m 2k/W和0.00026m 2k/W，管壁的导热系数为45W/mk。求(1) 基于管外表面积的总传热系数(2) 产生污垢后热阻增加的百分数(1)将钢管视为薄管壁，则有：1rs1rs 2丄4580.002450.000260.0001763490A 二19 19 = 1.12Am196.9519In15A19-1.27A15瑞传外流体ArA1A22 2K 二 322.22W / m2 K二 2.95 10-3 m 2

15、K / WK 二 338.9W / m2 K3.12如图所示，从城市给水管网中引一支管，并在端点B处分成两路分别向一楼和二楼供水（20 C）已知管网压力为0.8*10 5pa 俵压），支管管径均为32mm,摩擦系数均为0.03，阀门全开时的 阻力系数为6.4 ,管段AB,BC,BD的长度各为20mm , 8mm和13mm（包括除阀门和管出口损失以外的所有局部阻力损失的当量长度 ），假设总管压力恒定。试求（1）当一楼阀门全开时，二楼是否有水？（2）如果要求二楼管出口流量为0.2L/S，是否需要增压水泵？需 要的话，求增压水泵的扬程。解：以AC所在平面为基准面，在A, C断面之间列伯努力方程:2

16、2UA 理=也旦 ' h fAC （ 1）2 2在A, D断面之间列伯努力方程：22UApA - U2p2、2gz 2h fAD （2）上面两式相减:2U12表压P1 =h fAC -P2则有:02U12h fBCu(牙2(步)min = 3 9.8 - (0.032(也)min 二 1.97m / s2)min二 gz 2 一h fBC8 / 0.032 6.4)-PA0.82U12105J h f min = (0.03 28 / 0.032 + 6.4 +1) min所以二楼有水二 67.28m 2 / s 2 卫-a当二楼流量为 0.2L/s 时：U2=0.249m/s代入（3

17、）可得：ui=2.02m/s2.022AB 段流速为：uo=ui+U2=2.259m/s2.2592、hf ac 二 0.03 20 / 0.0322(0.03/ 0.0326.41)2.665m 2 / s 2PA0.8 105皿80.144m 2 / s 2p 998.2hf AC p A /故不需要增压水泵第五章质量传递5.1在一细管中，底部水在恒定温度 298K下向干空气 蒸发。干空气压力为O.IMPa、温度亦为298K。水 蒸气在管内的扩散距离（由液面到管顶部）L =20cm。在O.IMPa , 298K的温度时，水蒸气在空 气中的扩散系数为Dab = 2.5 X10-sm2/s，试

18、求稳态 扩散时的传质通量、浓度分布。已知：T=298K，水的饱和蒸气压pA,i=3.1684KPa ,水蒸气向干空气的扩散，p0=0,总压力 p=0.1MPa=100Pa ,L=0.2m单向扩散，P B , 0- p B ,i (P - P A, 0 )-( p - p A)P B，mP B , 0lnP B ,i3.168410 3lnP - P A,iInN A 二0.1 10 60.110 6 - 3.168410 3D ab pRTLp B , mP A,i P A, 0 )yAi0.984110 5 Pa1.6210 - 4 mol / m 2 sp A,i3.1684 / 1000

19、.31684化简得(")(1 yAi1)y A,0 Lz1 y A,iy a = 11.0335 z-1或y a 1 - 0.96831 5 z6.3粒径为76 ym的油珠在20 °C的常压空气中自由沉降，恒速阶段测得 20s内沉降高度为2.7m。已知20 C时，水的密度为998.2kg/m 3，黏度为1.005 xiO-3Pa s ;空气的密度为 1.205kg/m 3,黏度为 1.81 &0-5Pas。 求：(1) 油的密度(2) 相同的油珠注入20 C水中，20内运动的距离解(1) u=27/20 m/s=0.135m/sd pu二 0.68376 1&quo

20、t; 0.135 1.2Q5-51.81 10 5油珠得运动处于层流状态，则沉降速率为:Ut(p ) gd p218l18ut二 777.43kg / m3gd p2(2)利用无量纲判据法，代入相应数据判断油珠在水中的流态0.9436油珠在水中上浮处于层流状态，则沉降速率为( p )gdp2186.92 10 4 m / s20s内油珠运动距离L:L=u txt=i.38 xi0-2m6.6落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃桶组成，将被测液体 装入玻璃桶，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间， 即可以算出液体黏度。现已知钢球直径为 10mm，密度为 7900kg/m 3，待测某液体的密度为13

21、00kg/m 3，钢球在液体 中下落200mm，所用时间9.02s，试求该液体黏度。解：钢球在该液体中下落速度为：ut=200 X10-3/9.02 m/s=0.022m/s假设钢球在液体中运动为层流状态，则：ut二 16.33Pa sut代入雷诺数检验：Rep= 0.018 26.11用于例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含尘空气的 温度为200 °C,体积流量为3800m 3/h，粉尘密度2290kg/m 3，求旋风 分离器能分离粉尘的临界直径（旋风分离器的直径为650mm , 200 C空气的密度为0.746kg/m 3，黏度为2.60 xi0-5Pa*s ）解：进气

22、筒宽度 B=D/4=650 X10-3/4=162.5 X10-3m ,高度h=D/2=325 X10-3mu=qd c 二v/Bh=19.99m/s二 7.27 m.9 B .92.60 10-5 162.5 10-3p N3.14 19.9922905检验：rm=(D-B)/2=243.75 X0-3mut =(p p _ 卩)gd®18l0.42m / s二 0.087 2在层流区符合斯托克斯公式，计算正确 6.13原来用一个旋风分离器分离气体粉尘，现在改用三个相同的 并联的小旋风分离器代替，分离器的形式和各部分的比例不变， 并且气体的进口速度也不变，求每个小旋风分离器的直径是

23、原来 的几倍，分离的临界直径是原来的几倍。（1）设原来的入口体积流量为qv，现在每个旋风分离器的入口 流量为qv/3,入口气体速度不变，所以入口面积变为原来的 1/3 又：形式和各部分的比例不变，面积与直径的平方成正比。所以小旋风分离器直径的平方为原来的1/3，则直径为原来的V1/ 3 二 0.58(2)由 d c 二其中只有B变化，其余各量均不变。所以临界直径变为原来的：4质=亦厂0.767.1用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为V2+V=6 xiO-5A2t，式中t的单位为s。(1)如果30min内获得5m 3滤液，需要面积0.4m 2的滤框多少个？(2)求过滤常数K,q e,te?

24、解( 1)将V、t代入公式V2+V=6 x10-5A2t，得过滤所需总面积：A = 16.67m 2，则需 0.4m2的滤框：16.67/0.4=41.67(42)个(2)过滤方程：V2+V=6 x10-5A2t，两边同除以A2得如下方 程： q2+(1/A) q=6 X0-5A2t ,与过滤方程:q 2+2qq e=Kt比较，可得：K=6 x10-5m2/s , qe=1/2A=0.03m 3,7.7恒压操作下过滤实验测得的数据如下，求过滤常数K, qe第八章吸收作业.1在30 C,在常压下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的S02，已知气一液平衡关系为y* = 47.87x，入塔

25、混合气中S02的摩尔分数为0.05,出塔混合气SO2的摩尔分数为0.002 ,y2 = 0.002 ; X2 = 0 ； m = 47.87Ac出塔吸收液中每100g含有SO20.356g，豆分别计算塔顶和塔低处 的传质推动力，用、Ax> Ap 表示已知 yi = 0.05 ;求 Ay Ax Ap解：xi = (0.356/64)/ 100/18=0.001pi=0.05 X101.3 = 5.065kPap2 = 0.002 X101.3 = 0.203 (kPa)E=mP=47.87 X101.3 = 4.86 X103(kPa)C0=995.7/18=55.32(kmol/m 3)

26、H=C°/E = 55.32/4.85 X103=1.15 X10-2 kmol/m 3 kPa 求推动力：塔顶：y2*=mx2 = 0 y= y2 y2* = 0.002X2*=y2/m=0.002/47.7=4.1X10-5X2* X2 = 4.1X10-5p2* = EX2 = 0 p= p2 p2*= 0.203 kPa c C0 Xx= 55.32 M.1X10-5 = 2.31 X103(kmol/m 3)塔底:yi*=mxi=47.87 X).001=4.79 X10 2 y yi yi* = 0.05 4.79 X0 2 = 2.13 X10 3xi*=y i/m=0

27、.05/47.7=1.04 X10-3 x X1* X1 = 1.04 X10-3 0.001 = 4.45 X0P1* =Ex1 =4.5 X103 X0.0015 kPa第八章吸收作业0.205kPa p= p1 p1*=5.065 4.86 =(kmol/m 3) c= C0 Xx= 55.32 X4.45 X0 5 = 2.46 X0 38.6利用吸收分离两组气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相传质系数分别为 ky 3.77 X10-3kmol(m2s)、kx 3.06kmol/(m 2S) 气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为p* 1.067 X104X (p*的单 位时kP

28、a),计算(1)、总传质系数(2)、传质过程的阻力分析根据传质阻力分析，判断是否合适采取化学吸收，如果发生瞬时不 可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？解：已知 P= 310kPa, ky 3.77 X103kmol/(m 2 s)、kx 3.06kmol/(m 2s) , p* 1.067 X104x求总传质系数：m E/P=1.067 X104/310=34.42以气相、液相摩尔分数差为推动力的传质系数分别为Ky, Kx第八章吸收作业111 1或+Kxkx mk y11 mKy ky k x代入数据：Ky = 8.87 Xl0-6(kmol/m2 s)Kx 二 mKy = 3.05 Xl0-4(kmol/m 2 s)阻力分析:气相阻力：1Ky = 265.25(m 2s/kmol)液相阻力：m=1.12 X105(m2s/kmol) k x可知：液相阻力占总阻力的99.76 %，远远大于气相阻力 故，可以采用化学吸收。若采用化学吸收，由于发生瞬时不可逆反应，相界面上 不存在液相传质阻力Ca=0.气相总传质系数 Ky' =yk= 3.77 X10-3 kmol/ (m2 s)Na' /A=Ky' /K= 425 (倍)第八章吸收作业.10用一个吸收塔吸收混合废气中的气态污染物A，已知A在气、液相中的平衡关系为y* = x,气体入