华北理工大学环境工程原理教案

1次摘要本讲的要求及重点难点:【目的要求】通过本堂课的学习,掌握环境净化与污染控制技术及其作用原理,能够找出各类污染物可用的环境净化与污染控制技术及其作用原理。环境净化与污染控制技术及其作用原理。【本讲课程的引入】污染控制工程等所涉及的技术原理,提炼出具有共性的基本原理、现象和过程,加以研究和阐述。同时,本门课程也是对所学过的基础课程的一次初步应用,例如高数中的微积分、无机化学、分析化学等,【本讲课程的内容】第一章绪论、环境问题与环境学科的发展生人类生活在自然环境和社会环境中,不断与环境相互影响、相互作用,从而产生了环境问题。环境问题多种多样,归纳起来有两大类:一类是自然演变和自然灾害引起的原生环境问题,如地震、洪涝、干旱、台风、崩塌、滑坡、泥石流等。一类是人类活动引起的次生环境问题,如乱砍滥伐引人类社会早期的环境问题:因乱采、乱捕破坏人类聚居的局部地区的生物资源而引起生活资料缺乏甚至饥荒,或者因为用火不慎而烧毁大片森林和草地,迫使人们迁移以谋生存。以农业为主的奴隶社会和封建社会的环境问题:是在人口集中的城市,各种手工业作坊和居民抛弃生活垃圾,曾出现环境污染。产业革命以后,人类的生产力获得了飞速发展、技术水平迅速提高、人口迅速增长,人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展,人类与环境的矛盾以及由此带来的环境问题也日趋突出。(1)出现了大规模环境污染,局部地区的严重环境污染导致“公害”病和重大公害事件的出现。②、自然环境的破坏,造成资源稀缺甚至枯竭,开始出现区域性生态平衡失调现象。当前世界的环境问题:环境污染出现了范围扩大、难以防范、危害严重的特点,自然环境和自然资源难以承受高速工业化、人口剧增和城市化的巨大压力,世界自然灾害显著增加。2人类面临的环境问题生态破坏和环境污染是目前人类面临的两大类环境问题,它们已经成为影响社会可持续发展、到目前为止已经威胁人类生存并已被人类认识到的具体的环境问题主要有:全球变暖、臭氧层2灾、3环境学科的诞生“环境学科”是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了20世纪60年代的酝酿阶段,到20世纪70年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为环境学科是研究人类活动与环境质量关系的科学,其主要任务是研究人类其发展规律,从而保护环境并使其向于人类有利的方向与环境的对立统一关系,认识两者之间的作用与反作用,掌握演5环境学科的体系“环境学科”是一门正在蓬勃发展的科学,其研究范围和内涵不断扩展,所涉及的学科非常广泛,而且各个学科间又互相交叉和渗透,因此具有丰富的学科内涵。环境学科是本世纪推动科学发展的核心学科,是改造传统学科的生长点。境污染与环境工程学”的任务环境学科体系环境科学环境工程学环境生态学环境规划与管理利用环境学科与工程学的方法,研究环境污染控制理论、技术、措施和政策,以改善环境质量,存和社会的可持续发展。2“环境工程学”的研究对象水质净化与水污染控制技术、大气(包括室内空气)污染控制技术、固体废物处理处置与管理和资源化技术、物理性污染(热污染、辐射污染、噪声、振动)防治技术、自然资源的合理利用与保护、环境监测与环境质量评价等传统的内容,还包括生态修复与构建理论与技术、清洁生产理论境系统工程等。3环境工程学的学科体系原理理统工程质量评价三、环境净化与污染控制技术概述(一)水质净化与水污染控制技术1.水中的主要污染物及其危害3无机污染物可生物降解性污染物难生物降解性污染物悬浮固体(SS难生物降解性污染物悬浮固体(SS:粒径0.1-0.45微米以上)胶体性物质(粒径0.1-0.001微米)无机污染物:氮:大气中的氮污染物主要是氮氧化物,主要由工业与生活燃烧化石燃料产生。水体中的氮主要来自生物体的代谢和腐败以及工业废水、生活污水的排放、氮肥的流失等。动物和植物都暴露在化学元素氮的包围中。尽管这种元素是构成生命的关键成分,但是它也可以是一种严重的污染元素。在一万年前刚开始有农业的时候,地球上只有四百万人口。现在是六十亿。我们能有这么多人口的唯一原因就是我们有高度发展了的农业。我们呼吸的空气含氮量最多,但是这种气态的氮不能直接使用,它需要化学加工,就像把原油炼成汽油才能用于汽车一样。在大自然中,把大气中的氮进行提炼的是微生物,它能把氮转换成植物可以吸收的形式。但是现在,土地所需要的关键营养品不再由微生物,而是由化肥厂提供了。农民施加的化肥有一多半从来没有被植物吸收,而是渗透到地下水中,然后蒸发到空气中,或者通过小溪流入湖泊。在少见的情况下,水源被过量的氮严重污染而不适合人类使用。氮肥污染遭到过量的氮污染的水会流进大海,在浅海水域刺激海藻的生长。这些海藻死亡和分解时会消耗氧,会使鱼类因缺氧而死亡。2.水质净化与水污染控制技术根据水中污染物的不同性质和形态,可以用物理、化学、生物等方法进行处理。物理处理法物理法是利用物理作用分离水中污染物的一类方法,在处理过程中不改变污染物的化学性质。处理方法沉淀离心分离气浮过滤(砂滤等)过滤(筛网过滤)反渗透膜分离蒸发浓缩利用的主要原理重力沉降作用离心沉降作用浮力作用物理阻截作用物理阻截作用渗透压物理阻截等水与污染物的蒸发性差异主要去除对象比重大于1的颗粒比重大于1的颗粒比重小于1的颗粒悬浮物粗大颗粒、悬浮物无机盐等较大分子污染物化学处理法化学法是利用化学反应改变污染物在水中存在形式,使之从水中去除或转化为无害物质。4处理方法利用的主要原理主要去除对象处理方法酸碱反应沉淀反应、固液分离氧酸碱反应沉淀反应、固液分离氧化反应还原反应电解反应热分解、氧化还原反应、游离基反应等污染物在不同相间的分配污染物在不同相间的分配污染物在不同相间的分配界面吸附离子交换离子迁移电中和、吸附架桥作用法化学沉淀法氧化法还原法超临界分解法汽提法吹脱法萃取法吸附法离子交换法电渗析法混凝法无机污染物还原性污染物、有害微生物(消毒)氧化性污染物氧化、还原性污染物几乎所有的有机污染物有机污染物有机污染物有机污染物可吸附性污染物离子性污染物无机盐胶体性污染物、大分子污染物生物处理法生物法是利用生物特别是微生物的作用,使水中的污染物分解、转化成无害物质。处理方法利用的主要原理主要去除对象好氧处理法活性污泥法生物膜法好氧处理法生物吸附、生物降解生物降解性有机污染物、还生物吸附、生物降解生物吸附、生物降解原性无机污染物(NH4+等)生态技生态技术土地渗滤湿地系统生物吸附、生物降解生物降解、土壤吸附生物降解、土壤吸附、植物吸附有机污染物、氮、磷、磷有机污染物、氮、磷、重金属厌氧消化池厌氧接触法厌氧处理法厌氧生物滤池高效厌氧反应器(UASB等厌氧处理法生物吸附、生物降解可生物降解性有机污染物、氧化态无机污染物(NO3-,SO42-)厌氧-好氧联合工艺生物吸附、生物降解、硝化-反硝化、生物摄取与排出氮(硝化-反硝化)磷*UASB:UpflowAnaerobicSludgeBlanket(升流式厌氧污泥床反应器)(二)空气净化与大气污染控制技术1.空气中的污染物及其危害飞灰、雾等等,例如火力发电厂、钢铁厂、化工厂及水泥厂等工矿企业生产和燃料燃烧过程中所排气态污染物是指以分子状态存在的污染物,如含硫化合物、含氮化合物、碳氧化合物、挥发性污染大气污染物对人体有直接危害,如CO会引起急性中毒,直至死亡,有些则会引起慢性病恶化,甚至会引发癌症。另外对动植物也会产生危害,如SO2、氟化物等会使植物生理活动减退,生长缓5慢,农作物减产。对动物的影响主要是通过呼吸引起家畜生病。2.空气净化与大气污染控制技术利用的主要原理主要去除对象(三)土壤净化与污染控制技术1.土壤污染物及其危害土壤中的污染物:重金属、挥发性有机物、原油等。土壤污染的危害:可能导致地下水和周围地表水体的污染;物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入;等。2.污染土壤净化技术(四)固体废弃物处理处置与管理1.固体废弃物的种类及其危害固体废弃物的定义:6“工业固体废物(废渣)”、“城市垃圾”固体废弃物对环境的危害:(1)通过雨水的淋溶和地表径流的渗沥,污染土壤、地下水和地表水,从而危害人体健康;2.固体废弃物处理处置技术处理技术利用的主要原理主要去除对象压实压强(挤压)作用高孔隙率固体废弃物破碎冲击、剪切、挤压破碎大型固体废弃物选重力作用、磁力作用所有固体废弃物脱水/干燥过滤作用、干燥含水量高的固体废弃物反应酸性、碱性废渣氧化还原法氧化还原反应氧化还原性废渣(如铬渣)固化与隔离作用有毒有害固体废弃物堆肥生物降解作用有机垃圾烧燃烧反应有机固体废弃物填埋处理隔离作用无机等稳定性固体废弃物(五)物理性污染控制技术物理性污染的种类:噪声、电磁辐射、振动、热污染等物理性污染控制技术:隔离、屏蔽、吸收、消减技术等。(六)废物资源化技术废物的资源化途径:物质的再生利用、能源转化资源化技术主要原理应用对象焚烧燃烧反应有机固体废弃物的能源化堆肥生物降解作用城市垃圾还田离子交换离子交换工业废水、废液中金属的回收;废酸的再生利用溶剂萃取萃取工业废水、废液中金属的回收;废酸的再生利用电化学反应工业废水、废液中金属的回收;废酸的再生利用沉淀沉淀工业废水、废液中金属的回收蒸发浓缩挥发废酸的再生利用沼气发酵生物降解作用高浓度有机废水/废液利用7环境净化与污染控制隔离(扩散控制)分离(不同介质间的迁移)转化(化学、生物反应)利用隔离、分离、转化等技术原理,根据生产工艺和污染物的特点选取适宜的隔离/分离/转化方式,并把它们组合起来,通过工程手段,实现污染物的高效、快速去除。什么是工程的手段呢?这也就是我们环境工程专业学生要注意培养的"工程意识"。也就是说一个工艺理论上是可行的,但应用于实际就需要改进和调试,否则就达不到预期的处理效果或者工艺运营成本太高。所以要想实现污染物的高效(去除效率、能耗)、快速去除,我们希望物质和能量的迁移速率加快,这样反应速率才能得到强化。为此,就需要优化介质的混合状态和流体流态。怎样达到这个目的呢?这就需要工程手段了,主要有两个方面:装置的优化设计;操作方式和操作环境净化与污染控制工程的基本理论和技术原理(主要包括污染物分离与转化的宏观机理、微吸附、吸收、膜分离;转化包括化学转化和生物转化。要设计污染净化装置首先要明白宏观机理,要研究宏观机理,就要把宏观现象微观化,比如沉淀池内的固体颗粒怎样沉降下来,什么情况下沉降在池内,什么情况被水流带出沉淀池而不能沉降。(1)分析问题的基本思路要对污染净化装置进行设计计算,我们先要通过简单的现象看本质,我们把简单过程复杂化,一个宏观过程往往是一系列微观过程的串联,各个微观过程有不同的速率,我们把微观过程在科学合理假设的基础上,建立数学表达,过程的定量计算是工程设计计算的基础,同时科学、合理的简化可大大简化计算过程,提高设计计算效率。我们利用数学表达对微观过程中物质和能量的迁移转化过程作定量解析,那么我们会发现宏观过程的速率往往由某个关键的微观过程速率所决定。该过程称为“控制步骤”或“控速过程”。既然知道哪一步是控制步骤了,我们就可以有针对性地采取科学、合理的手段,提高控制步骤的速率,从而提高整个过程的速率,提高污染物的去除效率。(2)“量”与“变化速率”的数学计算物料与能量衡算(质量与能量守恒原理)微观过程解析(物质与能量的迁移过程、转化过程)变化速率的数学表达(为工程设计计算提供依据)例如:固相催化反应过程分析设某气固相催化反应(AP)主要发生在多孔催化剂的内表面8送及其在设备内的运动,所以有流体力学的内容;研究污染物的迁移转化,所以要进行污染物质量衡算和其中的能量转化;污染物从废水中去除而转移到了污泥中,这是从液相传递到了固相,所以还有传递过程原理;用微生物去除污染物又关系的微生物在此过程中的生长、生物量的增加等等,这是生物工程的内容。也就是说从这些领域里提炼出能为我们污染净化过程所应用的原理和方法,形成本课程的主要内容(1)环境工程原理基础:重点阐述工程学的基本概念和基本理论,主要内容有物料与能量守恒原理以及热量与质量传递过程的基本理论等,掌握流体流动和热量与质量传递过程的基础理论,对优化污染物的分离和转化过程,进而提高污染控制工程的效率有重要意义。(2)分离过程原理:主要阐述沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的机理和基本设计计算理论,也就是将污染物与污染介质或其他污染物分离开来,从而达到去除污染物或回收有用物质的目的。例如,在水处理中,需要从水中分离去除悬浮颗粒,各种化学污染物和病原微生物;在废气净化中,需要分离去除废气中的粉尘和各种气态污染物等。因此分离技术是去除(3)反应工程原理:利用化学和生物反应,使污染物转化成为无毒无害或易于分解的物质,从而使污染介质得到净化,这是去除污染物和净化环境的重要手段。将化学和生物反应原理用于污染控制工程,需要借助适宜的装置,即反应器。系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设计计算方对于优化反应器的结构形式,优化操作方法和工艺条件以及提高污染物去除效率有重要的意义。各类化学与生物反应器的解析与设计理论等。【本章小结】本堂课对环境净化与污染控制技术及其原理做了概述,并介绍了本门课程的研究目的、主要研究内容及研究方法,以及课程中常用的物理量和表示方法。要求学生对本门课程的研究内容有初步的认识,了解环境净化与污染控制技术的原理及基本方法,对环境工程整个学科体系有一个初步认】1.去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法?各种方法的技术原理是什么?2.空气中挥发性有机物(VOCs)的去除有哪些可能的技术?它们的技术原理是什么?3.环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类?它们的主要作用原理是什么?1课程名称:环境工程原理摘要念系统本讲的要求及重点难点:【目的要求】通过本章课程的学习,理解量纲和无量纲准数的概念,理解非稳态系统质量衡算的思路,能够进行简单非稳态系统的质量衡算,理解能量衡算方程和热量衡算方程。要求学生掌握不同单位制中对应单位之间的换算,掌握浓度、流量中不同表示方法之间的换算;掌握稳态质量衡算,掌握封闭系统和开放系统的热量衡算。【重点】同一物理量在的不同单位制之间的换算,常用物理量及其表示方法,稳态系统质量衡算,封闭系态系统的质量衡算和能量衡算。【本讲课程的引入】流体流动和热量、质量传递现象普遍存在于自然界和工程领域。在环境污染控制工程领域,无论是水处理、废气处理和固体废物处理处置,还是给水排水管道工程,都涉及流体流动和热量传递及质量传递现象。因此,系统掌握流体流动和热量与质量传递过程的基础理论,对优化污染物的分离和转化过程、提高污染控制工程的效率有重要意义。本篇主要讲述质量衡算、能量换算等环境工程中分析问题的基本方法,以及流体流动和热量、质量传递的基础【本讲课程的内容】1篇环境工程原理基础量衡算本章主要内容:第一节常用物理量,包括常用物理量及单位换算、常用物理量及其表示方法;第二节质量衡算,包括衡算系统的概念、总质量衡算方程;第三节能量衡算,包括方程。本节的主要内容:一、计量单位;二、物理量的单位换算;三、量纲和无量纲准数;四、物理量=数值×单位,计量单位是度量物理量的标准。1960年通过了国际单位制,符号为SI,规定了7个基本单位;2个辅助单位;导出单位。2若干具有专门名称的导出单位量的名称单位名称单位符号其他表示式例力:重力压力,压强:应力能量:功:热功率:辐射通量电荷量电位:电压:电动势电容电导磁通量磁通量密度,磁感应强度摄氏温度光通量光照度放射性活度吸收剂量剂量当量赫(兹)牛(顿)帕(斯卡)焦(耳)瓦(特)库(仑)伏(特)法(拉)欧(姆)西(门子)韦(伯)特(斯拉)亨(利)摄氏度流(明)勒(克斯)贝可(勒尔)戈(瑞)希(沃特)HzNPaJWCVFQSWbTH℃BqGySv1/sN/m2J/sW/AC/VV/AA/VWb/m2Wb/Alm/m21/sJ/kgJb/kg的单位换算同一物理量用不同单位制的单位度量时,其数值比称为换算因数【例题2.1.1】:已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算为N/m2。因数为9.80665,因此1kgf=9.80665N又1cm=0.01m所以:1.033kgf/cm2=1.033×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2、量纲和无量纲准数的可测量性质称为它的量纲。量纲与单位的区别:量纲是可测量的性质;单位是测量的标准,用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类:基本量和导出量。[速度]=Lt-1[密度]=ML-3[压强]=ML-1t-2[粘度]=ML-1t-1【物理量】表示该物理量的量纲,不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的3由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数,称为无量纲准数。标准提法是量纲为1。pn7/uM7_37t_17M7_1t_1=M070t0[p]=M7_3[n]=7t_1[u]=M7_1t_1无量纲准数既无量纲,又无单位,其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制,都可得到相同数值的无量纲准数。gLmgLkgmmolL,kmol/L4在水处理中,污水中的污染物浓度一般较低,1L污水的质量可以近似认为等于1000g,所以实际应用中,常常将质量浓度和质量分数加以换算,即mgLmg/1000g=1×10-6(质量分数)=1ppm1ug/L相当于1ug/1000g=1×10-9(质量分数)=1ppb当污染物的浓度过高,导致污水的比重发生变化时,上两式应加以修正,即mgL的密度(质量分数)ugL×污水的密度(质量分数)在大气污染控制工程中,常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3,则此气态污染1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积,因此可以用体积分数表示污染物质的浓度,在实际应用中非常方便;同时,该单位的最大优点是与温度、压力无关。例如,10-6(体积分数)表示每106体积空气中有1体积的污染物,这等价于每106摩尔数和质量浓度之间的关系根据质量浓度的定义pA==x10_3nV=x10_3n根据理想气体状态方程V根据理想气体状态方程VA=AV=dMApA【例题2.1.3】在1atm、25℃条件下,某室内空气一氧化碳的体积分数为9.0×10-6。用质体状态方程,1mol空气在1atm和25℃下的体积为V=1x0.082x298=24.4471一氧化碳(CO)的分子质量为28g/mol,所以CO的质量浓度为例:NH3的水溶液质量分数为0.3,摩尔分数为?NH3的水溶液摩尔分数为0.3,质量分数为?5当混合物为气液两相体系时,常以x表示液相中的摩尔分数,y表示气相中的摩尔分数dqm=qm=tVpum=A=A(主体)平均流速按体积流量相等的原则定义=圆形管道um==在管路设计中,选择适宜的流速非常重要!!!流速影响流动阻力和管径,因此直接影响系统的操作费用和基建费用。一般地,液体的流速取0.5~3.0m/s,气体则为10~30m/s。单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物1.单位时间内通过单位面积的热量,称为热量通量,单位为J/(m2·s);2.单位时间内通过单位面积的某组分的质量,成为该组分的质量通量,单位为kg/(m2·s);【本节小结】本节主要介绍了本课程中常用的物理量,以及相关物理量之间的转换,要求掌握浓度的换算关系,体积分数和质量浓度的换算,流速和体积流量的关系,质量流量和体积流量的关系,理解通量的概念。【本节思考题】(1)什么是量纲和无量纲准数?单位和量纲的区别是什么?(2)大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度,试说明该单位的优点,并阐述6qq(3)平均速度的涵义是什么?用管道输送水和空气时,较为经济的流速范围为多少?qq质量换算是环境工程中分析问题的基本方法,其依据是质量守恒定律。对于任何环境系统,都可以运用质量衡算方法,从理论上计算物料在这个系统中的输入、输出和积累量。因此,质量衡算提供了一个强有力的工具,可以定量跟踪污染物质在环境中的迁移。基本概念— 物 输出量? Vm输入量-输出量+降解量=积累量系统1、需要划定衡算的系统,即衡算的范围衡算系统可以使宏观上较大的范围,如一个反应池,一个车间或一个湖泊,一段河流,一个城市上方的空气,甚至可以是整个地球。衡算系统也可以取微元体,如管道或设备的一个微元断。因此衡算系统的大小和几何形状的选取可根据研究问题方便确定。如例题中想知道湖泊中污染物浓度是多少,就以湖泊为衡算系统。稳态系统是指系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数,而不随时间变化。当上述物理量不仅随位置变化,而且随时间变化时,则称为非稳态系统。在工程实际中,多数情况下常采用连续稳态操作,只有间歇操作系统或连续操作系统的开始与结束阶段为非稳态7qqqqqq质量衡算的对象可以是物料的全部组分,也可以是物料中关键组分。例中衡算对象应为以便于分析和计算为原则,选取衡算基准,可以是单位时间,某时间段内,或一个工作为了分析问题方便,第四步绘制衡算系统图,即画出系统的概念图或过程的流程图,明确衡算系统的边界,将所有输入项、输出项在图中标出。某种物质进入衡算系统后,通常有3种去向:①一部分物质没有发生变化而直接输出系统;②一部分物质在系统内积累;③一部分物质转化为其它物质。因此可以对衡算对象写出质量平衡关系式:将上面等式两边都除以时间间隔,则变为:率析计算各种衡算系统的质量衡算问题。注意:计算时(2.2.4)式中每一项单位要统一。反应系统【例题】一条河流的上游流量为10m3/s,氯化物的浓度为20mg/L,有一条支流汇入,流量为5m3/s,其氯化物浓度为40mg/L。视氯化物为不可降解物质,系统处于稳定状态,计算汇合点下游河水中的氯化物浓度,解:首先划定衡算系统,绘制质量平衡图 Vm Vm mp pqVpqV8【例题】某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池,沉淀池用于去除水中的悬浮物,浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩,浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5000m3/d,悬浮物含量为200mg/L,沉淀池出水中悬浮物浓度为20mg/L,沉淀污泥的含水率为99.8%,进入浓缩池停留一定时间后,排出的污泥含水率为96%,上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态,过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量,以及浓缩池上解:根据的系统污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比,因此污泥中悬浮物含量为以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统,悬浮物为衡算对象,因系统稳定运行,输入(2)浓缩池上清液量:取浓缩池为衡算系统,悬浮物为衡算对象9总之,解决此类问题,要按照质量衡算的步骤来,尤其是衡算系统图的绘制尤为重要。三、稳态反应系统反应速率污染物的生物降解经常被视为一级反应,即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布,则的受污染支流流入该湖泊.同时,还有一污水排放口将污水排入湖泊,污水流量为0.5m3/s,度。解:假设完全混合意味着湖泊中的污染物浓度等于流出水中的污染物浓度qmr=_kpV进入会议室的流量为1000m3/h,同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合完全,估分数)相比较。【例题2.2.5】一圆筒形储罐,直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源补充的情况下,求经过多长时间后,水位下降至1m?【本节小结】本讲课主要讲了质量衡算,质量衡算的步骤非常重要,由此可解决各种质量衡算问题,重点掌握稳态系统的质量衡算,对非稳态系统的质量衡算酌情掌握。【本节思考题】(1)进行质量衡算的三个要素是什么?(2)简述稳态系统和非稳态系统的特征。(3)质量衡算的基本关系是什么?(4)以全部组分为对象进行质量衡算时,衡算方程具有什么特征?(5)对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时,物质的转化速率如何表示?P46,7,9依据质量守恒定律写出的质量衡算方程是理解和分析物质流的基础,同样,依据能量守恒定律可以写出能量衡算方程,用于分析能量流。能量衡算是分析环境中涉及能量转移与转吸收热量温度升高用冷水吸收电厂的废热水吸收热量温度升高流体输送中,通过水泵对水做功,将水提升到高处;流体在管道中流动,由于粘性产生摩擦力,消耗机械能,两大类问题:主要涉及物料温度与热量变化的过程-冷却、加热、散热(热量衡算)系统对外做功,系统内各种能量相互转化-流体输送(机械能衡算)能量既不会消失也不能被创造。在给定的过程中,能量会发生形式上的改变能量输入输出的方式:——(2)系统与外界交换能量(热,任何系统经过某一过程时,其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差,即对于物料总能量:系统内部物料能量的变化;Q—物料从外界吸收的热量;W—物料对外界所作的功其中E为物料所具有的各种能量之和,即总能量=(输出系统的物料的总能量)-(输入系统的物料的总能量)+(系统内物料能量的积累)【例题2.3.1】热水器发热元件的功率是1.5kW,将水20L从15℃加热到65℃,试计算需要多少时间?假设所有电能都转化为水的热能,忽略水箱自身温度升高所消耗的能量和从水箱从298K加热到353K,液体的平均比热容为K。换热器向四周的散热速率为之二的化学能以废热的形式释放到环境中,其中有15%的废热从烟囱中排出,其余85%的余热随冷却水进入附近的河流中。如图所示。河流上游的流速为100m3/s,水温为20℃。试计算:(1)若冷却水的温度只升高了10℃,冷却水的流量为多少?(2)这些冷却水进入河流后,河水的温度将变化多少?【例题2.3.4】一污水池内有50m3的污水,温度为15℃,为加速消化过程,需将其加热到35℃。采用外循环法加热,使污水以5m3/h的流量通过换热器,换热器用水蒸气加热,其出口温度恒定为100℃。假设罐内污水混合均匀,污水的密度为1000kg/m3,不考虑池的散热,问污水加热到所需温度需要多少时间?解:池中污水混合均匀,因此任意时刻从池中排出的污水温度与池中相同,设其T0℃的污水为温度物态基准。【本节小结】本节主要讲了能量衡算中的热量衡算问题,掌握热量衡算问题,为学习热量传递打下基(1)物质的总能量由哪几部分组成?系统内部能量的变化与环境的关系如何?(2)什么是封闭系统和开放系统?(3)简述热量衡算方程的涵义。P,14【本章小结】理解量纲和无量纲准数的概念,理解非稳态系统质量衡算的思路,能够进行简单非稳态系统的质量衡算,理解能量衡算方程和热量衡算方程。要求学生掌握不同单位制中对应单位之间的换算,掌握浓度、流量中不同表示方法之间的换算;掌握稳态质量衡算,掌握封闭系统和开放系统的热量衡算。1课程名称:环境工程原理摘要流系统的质量衡算方程管流系统的能量衡算方程一、测速管(毕托管)本讲的要求及重点难点:【目的要求】要求学生理解雷诺数和流体流动状态的关系;理解流体内摩擦力的概念,理解边界层的形成、分离;理解流体流动阻力损失产生的原因和影响因素。要求学生掌握管流系统的质量、能量衡算,能够对常见系统进行总能量衡算和机械能衡算,掌握圆直管内层流、湍流流动的阻力损失相关计算和管道局部阻力损失的计算,掌握简单管路和复杂管路的相关计算;掌握常用的流量计的结构和原理,能够进行流速或流量的计算。【重点】管流系统的质量衡算方程和能量衡算方程,管内的沿程阻力损失和局部阻力损失,简单管路和复杂管路的算。【难点】流体的内摩擦力,边界层的形成过程,边界层分离,管流系统的机械能衡算方程,管内的沿程阻力损失和局部阻力损失的计算,简单管路和复杂管路的流速、流量、阻力损失、机械能等的相关计算。【本讲课程的引入】我们讲的能量衡算里说过,涉及到能量的问题主要有两大类问题:一是涉及物料温度与热量变化的过程-冷却、加热、散热(热量衡算):二是系统对外做功,系统内各种能量相互转化-流体输送(机械能衡算)。热量衡算与交换我们在第四章学习。环境工程中的大多数过程是在流体流动的状态下进行的,此外,在传热和传质过程中,为了强化传递效率,也使流体处于流动状态。这是为什么呢?下面我们来学习第三章,流体流动。2【本章课程的内容】【、管道系统的质量衡算方程对于不可压缩流体,p为常数,对于圆形管道um1d-um2dmmmm孔ms。解:设反应器和小孔中的流速分别为u1、u2,截面积分别为A1、A2,根据不可压缩流体的连续性方程,有u1A1=u2A2管道系统的能量衡算方程(输出系统的物质的总能量)-(输入系统的物质的总能量)=(从外界吸收的热量)-(对外界所作的功)(一)总能量衡算方程1.流体携带的能量量流体的各种能量,单位为kJ/kg。1内能:e,物质内部所具有的能量,是温度的函数2动能:流体流动时具有的能量3位能:流体质点受重力场的作用具有的能量,取决于它相对基准水平面的高度④静压能:流动着的流体内部任何位置上也具有一定的静压力。流体进入系统需要对抗压力做功,这部分功成为流体的静压能输入系统。3(pA)-pV这种功是在流体流动时产生的,故称为流动功。单位质量流体的静压能-pb——流体的比体积,或称流体的质量体积,单位为m3/kg能量为2.与外界交换的能量E能量为2.与外界交换的能量单位质量流体对输送机械的作功,We,为正值:若We为负值,则表示输送机械对系统内流单位质量流体在通过系统的过程中交换热量为Qe,吸热时为正值,放热时为负值。总能量衡算式e在这里u-um那么(IIu2)J│m-um2由于工程上常采用平均速度,为了应用方便,引入动能校正系数a,使(IIu2)J│m-aum2α的值与速度分布有关,可利用速度分布曲线计算得到。经证明,圆管层流时,α=2,湍流时,α=1.05。工程上的流体流动多数为湍流,因此α值通常近似取1。引入动能校正系数a后,A(e＋au＋gz＋pb)-Qe+引入动能校正系数a后,2】常温下的水稳态流过一绝热的水平直管道,实验测得水通过管道时产生的压力降为(p1-p2)=40kPa,其中p1与p2分别为进、出口处的压力。求由于压力降引起的水温升高值。解:依题意,4IIp1口流体的输送过程仅是各种机械能相互转换与消耗的过程口流体在管内流动过程中机械能的损失表现为沿程流体压力的降低,损失的这部分机械能不能转换为其它形式的机械能(动能、位能和功)口而是转换为内能,使流体的温度略有升高。因此,从流体输送的角度,这部分机械能"损失"了。换(二)机械能衡算方程假设流动为稳态过程。根据热力学第一定律:不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程单位质量流体的机械能衡算方程对于不可压缩流体,比体积v或密度p为常数,I2bdp- 2p22p5在流体输送过程中,流体的流态几乎都为湍流,令a=1u1＋gz1＋+We=u2＋gz2＋＋8hf—拓展的伯努利方程可压缩、处于稳态流动的流体解决什么问题?u1＋gz1＋+We=u2＋gz2＋＋8hf1判断流体的流动方向——流动过程中存在能量损失,如果无外功加入,系统的总机械能沿流动方向将逐渐减小:3选择输送机械——We是单位质量流体对泵或其它输送机械所作的有效功,是选择输送机械对于理想流体的流动,由于不存在因粘性引起的摩擦阻力,故伯努利(Bernoulli)方程伯努利(Bernoulli)方程理想流体在管路中作稳态流动而又无外功加入时,在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能相等,也就是说,各种机械能之间可以相互转化,但总量不变。当体系无外功,且处于静止状态时,u=0无流动则无阻力,即在均质、连续的液体中,水平面必然是等压面,即z1=z2时,p1=p2衡算基准时机械能衡算方程的型式以1N流体为基准各项单位为m66管道中流体的流量:管道中流体的压力:管道中流体的流向:管道中流体流动需要的功率:测量点合理确定衡算系统(不可压缩的连续稳定流动):合理选取计算截面(便于计算):。为50mm,压力为0.02MPa(表压),喉管(截面2-2)内径为15mm。当管中水的流量为7m3/h时,可否将药剂加入管道中?(忽略流动中的损失)解:先假设没有药剂被吸入管道,此时在截面1-1和截面2-2之间列伯努利方程:＋=＋压力以绝压表示,则基准面,假设支管内流体处于静止状态,则2-2和3-3截面的总能量分32E>327管道例题小结:遇到此类问题,我们往往先假设,假设一种比较简单的情况,通过计算来验证假设是否正确。在这我们还要注意一个知识点的应用,即沿着流体的流动方向,流体的总机械能是降低的,所以我们可以比较不同管道截面的机械能大小来确定流体的流向。【本节小结】本讲课主要讲了第三章流体流动中管流系统的质量和能量衡算,要求能够利用不可压缩流体管内流动的连续性方程进行流速变化情况的计算,能够利用总能量衡算方程和机械能衡算方【本堂课程的思考题】(1)用圆管道输送水,流量增加1倍,若流速不变或管径不变,则管径或流速如何变化?(2)当布水孔板的开孔率为30%时,流过布水孔的流速增加多少?(3)拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系,试简述这种关系,(4)在管流系统中,机械能的损耗转变为什么形式的能量?其宏观的表现形式是什么?(5)对于实际流体,流动过程中若无外功加入,则流体将向哪个方向流动?(6)如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率?P3,4【本讲课程的引入】流体流动时需要克服阻力,消耗机械能,归根结底是由于现实中的流体具有粘性,而我们通常所说的理想流体正是忽略了粘性的作用,但是工程中粘性往往是不能忽视的。下面我们就流动产生怎样的影响。的流动状态(一)流体流动的两种运动状态层流(滞流):不同径向位置的流体微团各以确定的速度沿轴向分层运动,层间流体互不掺湍流(紊流):各层流体相互掺混,流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化,流体微团以较高的频率发生各个方向的脉动。——当流体流速增大到某个值之后。这个值就是临界8(二)判别Re=雷诺数puL式中u—特征速度:L—Re=对于圆管内的流动:uRe<2000时,流动总是层流型态,称为层流区:Re>4000时,一般出现湍流型态,称为湍流区:2000<Re<4000时,有时层流,有时湍流,处于不稳定状态,称为过渡区:取决于外界干扰条件。流动的内摩擦力(一)实际流体具有粘性流体具有"粘滞性",使得流体具有“内摩擦”的作用,因而流动的流体内部存在内摩擦力,这种内摩擦力传递到固体壁面处,形成壁面摩擦力,即流动阻力。口内摩擦力是流体内部相邻两流体层的相互作用力,称为剪切力:口单位面积上所受到的剪力称为剪切应力。(二)粘性流体的内摩擦实验两平行平板间距为Y,初始状态为静止状态。当t=0时,上板以匀速u向右运动,由于流体对于固体壁面的"粘附性",紧贴上板表面的流体与上板不发生相对位移,因此紧贴上板的流体层和板一起以相同的速度u运动。由于流体粘性的作用,该层流体在带动相邻的下层流体一起9运动的同时,还受下层流体的曳制作用。结果就是,板间各层流体作平行于板的运动,各层流体的速度沿垂直于平板的方向逐层减慢,直至下板壁面处为0。紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对位移,称为无滑移。壁面处的摩擦力称为壁面抑制流动的力,也就是流体流动的阻力。流体内部:内摩擦力(剪切力)固体壁面:壁面摩擦力(剪切力)欲维持上板的运动,必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动,则Y例系数u称为流体的粘度。微分形式:牛顿粘性定律指出:相邻流体层之间的剪切应力,即流体流动时的内摩擦力T与该处垂直于流u=+dyu——动力粘性系数,或称动力粘度,粘度的物理性质因素粘度随流体种类不同而不同,并随压强、温度变化而变化(1)流体种类:一般地,相同条件下,液体的粘度大于气体的粘度。(2)压强:气体的粘度随压强的升高而增加,低密度气体和液体的粘度随压强的变化较小。对常见的流体,如水、空气等,粘度随压强的变化不大,一般可忽略不计。(3)温度:是影响粘度的主要因素。当温度升高时,液体的粘度减小,气体的粘度增加流体粘性具有较大差别,有一大类流体遵循牛顿定律-—牛顿流体所有气体和大多数低分子量的液体均属于此类流体,如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等【本节小结】本讲课主要讲了流体流动过程中阻力损失的起因及影响因素。本讲内容在刚学习时会感觉比较抽象,但随着学习的深入,我们能更好的理解流体流动的内摩擦力。题】(1)简述层流和湍流的流态特征。(2)什么是“内摩擦力”?简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。(3)流体流动时产生阻力的根本原因是什么?【本节课程的引入】环境工程中最主要的流体是水和空气。当流体流过壁面时,会在壁面附近形成速度分布,从而形成内摩擦力。因此不能用理想流体来描述壁面附近区域中的流动现象,尤其不能用来计算流体流动时的阻力。边界层理论揭示了壁面附近区域流体流动的特征,对于计算流动阻力以非常重要的意义。【本节课程的内容】实际流体的流动具有两个基本特征:(1)在固体壁面上,流体与固体壁面的相对速度为零,这一特征称为流动的无滑移(粘附)特征(2)当流体之间发生相对运动时,流体之间存在剪切力(摩擦力)流体流过壁面时,在壁面附近(2)当流体之间发生相对运动时,流体之间存在剪切力(摩擦力)流体流过壁面时,在壁面处存在摩擦力边界层理论是分析阻力机理、进行阻力计算的基础,是分析热量、质量传递机理和强化措施的1904年,普兰德(Prandtl)提出了"边界层"概念,认为即使对于空气、水这样粘性很低的流体,粘性也不能忽略,但其影响仅限于壁面附近的薄层,即边界层,离开表面较远的区域,流体以均匀来流速度u0向壁面流动,当液体到达平壁前缘时,紧靠壁面的流体因粘性作用而停留在壁面上,速度为0,这一层流体通过"内摩擦"作用使相邻的流体层受阻而减速,该层流体进而影响相邻的流体层,使之减速。随着流体向前流动,在垂直于壁面的法线方向上,流体逐层受到影响而相继减速,由壁面处的0逐层变化,最终达到来流速度u0.这一存在速度梯度普兰德边界层理论要点:(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,流体的流速很小,但速度梯度很大:(3)在边界层内,粘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)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:(5)流动分为两个区域。(一)绕平板流动的边界层厚边界层开始时厚度较小,速度梯度大,抑制扰动的粘性力也大,流体的流动主要为层流,。随着流动的发展,受层外流体加速作用,速度梯度减小,粘性力下降,扰动迅速发展,流动由层流转变为湍流,这一区域为湍流边界层。在层流区和湍流区之间有一个过渡区,在此区域边界层的厚度突然增加。xc临界距离,与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关,壁面越粗糙,前缘越钝,xc越短。边界层流态的判别:临界雷诺数通常,边界层的厚度约在10-3m的量级。在边界层内,粘性力和惯性力的数量级相当:边界层内速度梯度很大,因此粘性剪切力是很大的:边界层内流体速度减慢,其惯性力与层外相比小得多。流动边界层内特别是层流底层内,集中了绝大部分的传递阻力。因此,尽管边界层厚度很小,但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。工程上减少传热、传质阻力的方法:适当的增大流体的运动速度,使其呈湍流状态,以此降低边界层中层流部分的厚度,从而强化传热和传质,破坏边界层的形成,在流道内壁做矩形槽,或在管外壁放置翅片,以此破坏边界层和形成,力。(二)圆管内流动的边界层当u0较小时,进口段形成的边界层汇交时,边界层是层流,流动,速度分布呈抛物线型当u0较大,汇交时边界层流流动若已经发展为湍流,则的流动也为湍流。在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中,径向上也存在着三层流体,即层流底层、缓冲pdu0u,当pdu0u,当Re<2000时,管内流动维持层流。Re=充分发展段边界层的厚度等于管的半径,并且不再改变。离流动中产生大量旋涡D点之后:(1)壁面附近的流体速度方向相反,发生倒流(逆压梯度)(2)产生旋涡壁面附近的流体发生倒流并产生旋涡-尾流区边界层分离的条件:粘性作用和存在逆压梯度是流动分离的两个必要条件。流态的影响:层流边界层和紊流边界层都会发生分离在相同的逆压梯度下,层流边界层和紊流边界层哪个更容易发生分离?(由于层流边界层中近壁处速度随y的增长缓慢,逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点)湍流边界层的分离点延迟产生,Re值影响分离点的位置形体阻力:物体前后压强差引起的阻力成尾流区——形体阻力增加形成湍流边界层时,形体阻力大小?(较小,因为分离点靠后,尾流较小)【本节小结】本讲课主要讲了边界层的概念、形成过程和边界层的分离。本讲内容在刚学习时会感觉比较抽象,但随着学习的深入,我们能更好的理解流体流动的内摩擦力和边界层理论。题】(1)什么是流动边界层?边界层理论的要点是什么?(2)简述湍流边界层内的流态,以及流速分布和阻力特征。(3)边界层厚度是如何定义的?简述影响平壁边界层厚度的因素,并比较下列几组介质沿平壁面流动时,哪个边界层厚度较大:a.污水和污泥:b.水和油:c.流速大和流速小的同种流体(4)为什么管道进口段附近的摩擦系数最大?【本节讲课程的引入】在水处理工艺设计或者给排水管网设计中,阻力损失的计算是关系到整个工程的基建费用和运行操作费用的。上节课我们学习了流体流动过程中产生阻力损失的起因,这节课我们就来计算中的应用。【本节课程的内容】因素(一)阻力损失起因:(1)内摩擦造成的摩擦阻力(2)物体前后压强差造成的形体阻力(二)阻力损失的影响因素:摩擦阻力:受边界层内的流动状态、边界层厚度的影响。形体阻力:是指物体前后压强差,它受边界层分离情况以及尾流区域大小的影响。等。(1)流态的影响:湍流时,摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比,分离点后移,尾流区较小,形体阻力将减小:层流时摩擦阻力小,但尾流区较湍流时大,形体阻力较大。(2)物体表面的粗糙度的影响粗糙表面摩擦阻力大。但是,当表面粗糙促使边界层湍流化以后,造成分离点后移,形体阻力会大幅度下降,此时总阻力反而降低。(3)几何形状的影响2228Ahf=λ摩擦系数,是流体的物性和流动状态的函数,为无因次数λ摩擦系数,是流体的物性和流动状态的函数,为无因次数擦系数与Re和管道相对粗糙度s/d的关系力损失流体流经管路中的各类管件(弯头、三通、阀门)或管道突然缩小和扩大(设备进出口)等局部地方,流动方向和速度骤然变化,由于管道急剧变化使流体边界层分离,形成大量旋涡,导阻力系数法:近似认为局部阻力损失服从速度平方定律hf=单位为kJ/kg乙——局部阻力系数(无因次)当量长度法:近似认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管的阻力损失hf=λ——管件的当量长度(一)管道突然扩大(二)管道突然缩小往往复泵排出管(水一类液体)1.0~2.0【本节小结】本节主要讲了圆直管内的沿程阻力损失和局部阻力损失以及阻力损失的影响因素,要求能够用范宁公式计算沿程阻力损失,能够用阻力系数法和当量长度法计算管道截面变化及各种管。(1)简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时是否存在形体阻力?(3)分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响,举应用实例说明。P6,5【本节课程的引入】环境工程中常常采用管路输送流体,无论是城市或小区供水管网,建筑给水、供暖,还是各种水、气处理系统,都需要解决管道的计算问题。下面我们就来看一下管路计算的内容。【本讲课程的内容】实际工程中需要解决两大类管路计算问题:(1)设计问题:给定需要输送流体的流量,以及输送系统的布置——第一,当允许的压降为定值时,计算管路的管径:第二,当没有限定压降时,计算管径和阻力损失,确定输送设备的轴dd-44QπumApf-λ在总费用最少的条件下,选择适当的流速流速范围流体的类别及情况流速范围(m/s)自来水(3×105Pa左右)水及低粘度液体(1×105~1×106Pa左右)工业供水(8×105Pa以下)锅炉供水(8×105Pa以下)1~1.51.5~3.00.5~1.01.5~3.0>3.020~4030~50<1.012~1515~25 qqq qqqqqqqqqq一般气体(常压)离心泵吸入管(水一类液体)离心泵排出管(水一类液体)往复泵吸入管(水一类液体)液体自流速度(冷凝水等)10~2010~1515~201.5~2.02.5~300.75~1.010(2)操作问题:已知管路系统的布置、管径及允许压降,计算管道中流体的流速或流量——对管路的分类:(1)分支管路(2)并联管路 20(1)通过各管段的体积流量不变,对于不可压缩流体,有qV1-qV2-…-常数(2)整个管路的阻力损失等于各管段阻力损失之和,即8hf-hf1＋hf2＋…【例题3.5.1】水从水箱中经弯管流出。已知管径d=15cm,l1=30m,l2=60m,H2=15m。管道中沿程摩擦系数λ=0.023,弯头乙=0.9,40°开度蝶阀的乙=10.8。问(1)当H1=10m时,通过弯管的流量为多少?(2)如流量为60L/s,箱中水头H1应为多少?截面之间列机械能衡算方程,有p1=p2=0＋6z1＋-＋6z2＋＋8hf水箱流速u1=0:z1=H1,z2=0(2)21nnn166.77各支管的流动彼此影响,相互制约(一)分支管路损失(A)对于不可压缩流体,总管的流量等于各支管流量之和(B)主管内各段的流量不同,阻力损失需分段加以计算,即YVJVJ(C)流体在分支点处无论以后向何处分流,其总机械能为一定值,即:9J:9很J:很3-3:9J:9很J:很3-3＋V-3＋V衡算方程下接Ø33.5mm×3.25mm的水管,将水引向一楼和高于一楼6m的三楼用户。0m和28m,以上长度中包括除球心阀和管出在内。水槽水面距一楼垂直高度为17m,摩擦系数λ力系数分别为9.5和6.4。试求1.当一楼阀半开、三楼阀全开时,三楼的水流速度为多少m/s?2.当一楼阀全开时,三楼是否有水流出?思路:先选取衡算系统和基准面,然后建立伯努利方程,再来根据已知条件确定各项。解:(1)当一楼阀半开时,在截面1-1和管道出口流体所受静压力为大气压,如果我们用表压来表示压力,那么p1=p2=0保持水槽水面距一楼垂直高度为17m,所以水箱中水面下降的速度为n1=00.0272I0.027J20.0272I0.027J22p可见,Et3>EtA。因此,三楼没水流出的假设成立。总结:(1)先选取衡算系统和基准面,然后建立伯努利方程,再来根据已知条件确定各项。2p可见,Et3>EtA。因此,三楼没水流出的假设成立。总结:(1)先选取衡算系统和基准面,然后建立伯努利方程,再来根据已知条件确定各项。(2)遇到判断流体流向情况,我们都假设一种比较简单的情况,来进行计算,根据计算结果验证假设是否正确,即比较分支点和支管的机械能大小,如果与假设附和,说明假设合理,(二)并联管路 bbb(2)39n2＋8.7n2-(2)3整理得对分支点A作质量衡算,因为总管和支管管径相等,所以有u=u2+u3(3)联立(1)、(2)、(3)式,解得u=3.45m/su2=3.10m/su3=0.35m/s(2)由上述计算结果可以看出,u3很小,遇到此种情况,我们都假设一种比较简单的情况,来进行计算,根据计算结果验证假设是否正确,如果和假设附和,说明假设合理,反之则假设错误。因此先假设当一楼阀全开时,三楼没水,此时输水系统为简单管路。0.0272I0.027J20.0272I0.027J2解得u=3.49m/s是否正确。A所在截面的总机械能为2I0.027J22I0.027J222b23对于不可压缩流体,若忽略交叉点处的局部阻力损失,应有(1)总流量等于各支管流量之和,即qV-qV1＋qV2＋qV3(2)各支管中的阻力损失相等,即f1f2(2)各支管中的阻力损失相等,即f1f2f3(3)通过各支管的流量依据阻力损失相同的原则进行分配,即各管的流速大小应满足λ1-λ2-λ3各支管中的流量根据支管对流体的阻力自行分配,流动阻力大的支管,流体的流量小【例题3.5.3】有一并联管路,已知总管内水的流量为2m3/s,各支管的长度(l1、l2、l3)及管dddm500m、800m和0.6m、0.5m、0.8m。求各支管中水的流量。已又qV=2m3/s,因此可以分别求出各支管的流量和流速,qV1=0.49m3/s,u1=1.73m/sqV2=0.28m3/s,u2=1.42m/sqV3=1.23m3/s,u3=2.45m/s根据流速计算Re,验算λ值:Re1=1.04×106Re2=0.71×106Re3=1.96×106又e/d1=0.00033,e/d2=0.0004,e/d3=0.00025,查图得λ1=0.016,λ2=0.016,λ3=0.0155,可以认为近似相等,假设成立,计算结果基本正确。24【本讲小结】本讲课程主要讲了利用拓展的伯努利方程进行简单管路和复杂管路的计算问题,要求能够流速、管长、阻损、机械能等的相关计算。P【本讲课程的引入】在环境领域,无论是科学研究还是工程运行,都经常需要测定流体的流速或流量。流体流速和流量的测量统称为流体测量。实际应用的测量方法和仪器种类很多,例如孔板流量计、质量流量计、涡节流量计、电磁流量计、超声波流量计、齿轮流量计、面积式流量计、蹀轮式流。【本讲课程的内容】u=u=2gR(p0+p)度有关u=Cu=C通常,C=0.98~1.00。为了提高测量的准确度,C值应在仪表标定时确定。由此可见,用测速管测出的流速是管道截面上某一点的速度。25使用测速管应注意几个问题:(1)被测流体不应含有杂质,因为测速管的管径较小:(2)使测速管的管口正对着管道中流体的流动方向:(3)测速管应放置于流体均匀流段,测量点的上下游最好均有50倍直径长的直管段,至少应有8~12倍直径长的直管:(4)测速管的外径应不大于管道直径的1/50。流道缩小使流体的速度增大,压力降低。由于惯性的作用,流体通过孔口后实际流道将继续缩小,直至截面2-2。压力差作为测QuAC0A0对于给定的A0/A1值,当Re数超过某个值后,C0为定值,多在0.6~0.7之间。由于孔板的存在,装置的阻力损失比较大。26计避免出现边界层分离及旋涡,从而大大降低机械能损失。收缩段锥角通常取15°~25°QQ0=流体QQ0=流体扩大段锥角5°~7°Q=CAQ=CA2Rg(p0+p)p转子可由金属或其它材料制成,环隙处的流体速度较大,静压力减小,在转子的上下截面形成一个压差,使转子上浮,转子两端的压差造成的升力等于转子所受的重力和浮力之差时,转子将稳定在这个高度上,当流体的流量改变时,平衡被打破,转子到达新的位置,建立新的平衡。流量的大小有直接的关系流量计的工作原理子流量计的校核璃管上。如果被测流体的条件与标定的条件不符,转子流量计的刻度应进行校正。pp0(pf+p)p(pf+p0)27安装转子流量计时应注意:差。②转子流量计必须安装在垂直管路上,且流体流动的方向必须由下往上。总结:测速管(毕托管)【本讲小结】本讲主要介绍了以伯努利方程为基础的几种流体测量装置,要求掌握常用的流量计的结构和原理,能够进行流速或流量的计算。题】(3)使用转子流量计时读数为什么需要换算?(4)测定气体的流量计能否用来测量液体?P16本章重点难点总结:uA-uA管内流动的连续性方程uA-uA2、机械能衡算方程——拓展的伯努利方程u1＋gz1＋+We-u2＋gz2＋＋8hf层流:流体分层运动,各层不掺混湍流:流体微团以较高速率发生各个方向的无规则脉动判别:雷诺数Re5、边界层7、管路特点简单管路qV1-qV2-…-常数8hf-hf1＋hf2＋…28:9J:9很J:很3-3:9J:9很J:很3-3＋V-3＋VV-V-VJ1J2J31课程名称:环境工程原理摘要本讲的要求及重点难点:【目的要求】了解管内强制对流传热系数、大空间自然对流传热、蒸气冷凝传热系数的计算方法,了解气体辐射能力和理解傅立叶定律、牛顿冷却定律、导热系数和对流传热系数的概念,理解对流传热的机理和影响因素,理解辐射传热的基本概念和物理辐射能力的概念,理解和掌握强化换热器传热过程的途径°掌握单层平壁和多层平壁的稳定热传导,掌握圆管壁的稳定热传导;掌握间壁传热传热速率、传热系数、传热推动力及传热单元数等的相关计算;掌握保温层及临界直径的计算方法,掌握物体间辐射传热量的计算方法,掌握管式换热器和板式换热器的结构和工作原理°【重点】傅立叶定律,牛顿冷却定律,导热系数及工程中常用材料的导热性能,单层平壁和多层平壁的稳定热传导,圆管壁的稳定热传导,对流传热的机理和影响因素,对流传热速率的计算,保温层临界直径和临界厚度的相关计算,间壁传热的传热速率、总传热系数、总热阻等相关计算,辐射传热的基本概念,物体间辐射传热量的计算方法,管式换热器和板式换热器的结构和工作原理,强化换热器传热过程的途径°【难点】单层平壁和多层平壁的稳定热传导,圆管壁的稳定热传导,单层平壁和多层平壁的稳定热传导,圆管壁的稳定热传导,对流传热速率的计算,保温层临界直径和临界厚度的相关计算,间壁传热的传热速率、总传热系数、总热阻等相关计算,辐射传热的基本概念,物体间辐射传热量的计算方法°2【本讲课程的引入】传热是极普遍的过程:凡是有温差存在的地方,就必然有热量传递。在环境工程中,很多过程涉及到加热和冷却:4对水或污泥进行加热:4对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失:环境工程中涉及到的传热过程主要有两种情况:4强化传热过程,如各种热交换设备中的传热:4削弱传热过程,如对设备和管道的保温,以减少热量损失。本章将学习三种传热方式,以及环境工程中常用的换热设备。【本讲课程的内容】热量传递主要有三种方式:热传导、对流传热和辐射传热。传热可以以其中一种方式进行,也可以同时以两种或三种方式进行。根据传热机理的不同,热的传递主要有三种方式:热传导:物体各部分之间无宏观运动,通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相对流传热:流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程,仅发生在液体和气体中。间的热传递过程。辐射传热:物体由于热的原因而发出辐射能的过程。条件:物体各部分之间无宏观运动。机理:通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。在气态、液态和固态物质中都可以发生,但传递的方式和机理是不同的。体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果固体以两种方式传递热量:晶格振动和自由电子的迁移:液体的结构介于气体和固体之间,分子可作幅度不大的位移,热量的传递既由于分子的振动,又依靠分子间的相互碰撞。立叶定律3流量Q通过,才能维持温度差不变律温度梯度成正比律温度梯度成正比y方向上热量通量,即单位时间内通过单位面积传递的热量,又称为热流密度,W/m2负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反,热系数入热系数入=-d7dy导热物质在单位面积、单位温度梯度下的导热速率,表明物质导热性强弱即导热能力的大小,是物质的物理性质,与物质的种类、温度和压力有关,不同物质的导热系数差异较大(一)A的影响因素:(1)气体的导热系数随温度升高而增高,近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下,压力对其影响不大,但在高压(高于200MPa)或低压(低于2.7kPa)下,而增大。随温度升高而减小(水、甘油例外)经验公式:影响因素较多纯金属的导热系数随温度升高而减小:合金却相反,随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小,非晶体则相反。(二)工程中常用材料的导热系数4金属50~415W/(m·K),合金12~120W/(m·K)换热壁面材料液体0.17~0.7W/(m·K)水是工程上最常用的导热介质WmK多孔材料作为保温材料非金属中,石墨的导热系数最高,可达100~200[W/(m·K)],高于一般金属:同时,由于其具有耐腐蚀性能,因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。三、通过平壁的稳定热传导平壁厚度为b,壁面两侧温度分别为T1、T2,T1>T2,认为是一维稳态热传导(即热量传递的方向是垂直于壁面方向,dx把上式变化形式:Q=b=R把上式变化形式:Q=b=R入其中温差为传热的推动力。由傅立叶定律看出,传导距离越大,传热壁面和导热系数越小,则导热热阻越大。【例题4.2.1】某平壁厚度b为400mm,内表面温度T1=950℃,外表面温度T2=300℃,导热系数A=1.0+0.001T,式中A的单位为W/(m·K),T的单位为℃。若将导热系数分别按常量(取平均导热系数)和变量计算,试求导热热通量和平壁内的温度分布。解:())导热系数按平壁的平均温度,A取为常数以x表示沿壁厚方向上的距离,在x处等温面上的温度为5(1)导热系数取为变量J2(1.0＋0.0017)d7=-J0bqdx对于平壁上的稳态一维热传导,热量通量不变。因此=(950-300)＋(9502-3002)在x处整理,得7＋7-7＋7-1401＋2641x=02(二)多层平壁的热传导=AA(72-73)=A722b2R2bR3bR3热阻越大,通过该层的越大6实际生活中壁面之间不可能紧贴,层与层之间存在空气层,因此存在附加热阻,即接触热阻biibii(三)n层平壁的热传导T-TT-T T-TT-T 【例题4.2.2】某平壁炉的炉壁由三种材料组成,分别为耐火砖:,保温砖:,建筑砖:。温度为55℃,求单位面积炉壁的热损失及各层界面上的温度。采用圆柱坐标时,即为一维稳态热传导对于半径为r的等温圆柱面,根据傅立叶定律,有稳态导热时,径向的Q为常数,将上式分离变量并积分7系数为0.615W/(m·K)。若蒸汽管道外表面温度为177℃,保温层的外表面温度为38℃,试分布。【本节小结】本讲课主要讲了热传导的基本原理。要求能够计算通过平壁和圆管壁的稳定热传导的相关物理量,了解常用工程材料的导热性能,理解傅立叶定律的物理意义,为学习对流传热打题】因素。(3)为什么多孔材料具有保温性能?保温材料为什么需要防潮?(4)当平壁面的导热系数随温度变化时,若分别按变量和平均导热系数计算,导热热通量和平(5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温,试分析应如何布置效果最好。P3,4【本节课程的引入】流动对传热有很大贡献,比如搅拌杯中热水,可以加快热水冷却:人站在冷风里,与站在背风的地方相比感觉要冷得多:在高温的夏季里,打开电扇,人会感到凉快,而且电扇风速越大,感觉愈凉快些。总之,流体流动使对流传热速率加快。对流换热指流体流过与其温度不同的固体壁面时流体与壁面之间的热量交换。工程中常完成的。原理。【本讲课程的内容】())物性特征a.流体的密度或比热容越大,流体与壁面间的传热速率越大:b.导热系数越大,热量传递越迅速:c.流体的粘度越大,越不利于流动,会削弱与壁面的传热。(1)几何特征等。(2)流动特征a.流动起因(自然对流、强制对流)b.流动状态(层流、湍流)c.有无相变化(液体沸腾、蒸汽冷凝)d.流体对流方式(并流、逆流、错流)热壁面温度为TW,温度为T0的冷流体沿热壁面流动,TW>T0,两者发生热量传递。由于流体的粘性作用,在壁面附近形成流动边界层。由于流体的粘性作用,壁面处流体流速为零,与热壁面接触最充分,温度达到TW,越远离壁面流体温度越低,最后达到一个恒定值。也就是说在流动边界层中形成温度梯度。不同流动状