華北理工大學(xué)環(huán)境工程原理習(xí)題及解答

1第一章緒論解:環(huán)境學(xué)科是隨著環(huán)境問題的日趨突出而產(chǎn)生的一門新興的綜合性邊緣學(xué)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)科的分支環(huán)境學(xué)科體系環(huán)境科學(xué)環(huán)境工程學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)環(huán)境規(guī)劃與管理解: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,和生存以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。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)21.3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、過濾(砂濾等)、過濾(篩網(wǎng)過濾)、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)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、氧化還解:土壤污染的危害及其作用途徑主要有以下幾個(gè)方面:①通過雨水淋溶作用,可能導(dǎo)致地下水和周圍地表水體的污染;②污染土壤通過土壤顆粒物等形式能直接或間接地為人或動(dòng)物所吸入;③通過植物吸收而進(jìn)入食物鏈,對(duì)食物鏈上的生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)化成無害物質(zhì)或易于分離的物質(zhì),從而使污染介質(zhì)得到凈化與處理。3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、自然到的具有共性的工程學(xué)基礎(chǔ)、基本過程和現(xiàn)象以及污染控制裝置的基本原理,為好的理論基礎(chǔ)。1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1.013×105Pa、25℃下,用μg/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V1=V0·P0T1/P1T0=22.4L×298K/273K=24.45L0.08×10-6mol×48g/mol×(24.45L)-1=157.05μg/m3(2)由題,在所給條件下,1mol空氣的體積為V1=V0·P0T1/P1T0=22.4L×1.013×105Pa×288K/(0.83×105Pa×273K)=28.82L0.08×10-6mol/28.82L=2.78×10-9mol/L若允許值為0.14×10-6,問是否符合要求?解:由題,在所給條件下,將測量的SO2質(zhì)量濃度換算成體積分?jǐn)?shù),即pMApAxxxxpMApAxxxxx10-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=密度:13.6g/cm3=gkg/m32壓力:35kgf/cm2=PaatmPammHgPa功率:10馬力=kWgK流量:2.5L/s=m3/h表面張力:70dyn/cm=N/mkgfmN/m解:質(zhì)量:1.5kgf·s2/m=14.709975kg密度:13.6g/cm3=13.6×103kg/m3壓力:35kg/cm2=3.43245×106Paatm=4.762275×105PammHg3244×104Pa功率:10馬力=7.4569kWK流量:2.5L/s=9m3/h表面張力:70dyn/cm=0.07N/mm2.4密度有時(shí)可以表示成溫度的線性函數(shù),如p=p0+At式中:p——溫度為t時(shí)的密度,lb/ft3;p0——溫度為t0時(shí)的密度,lb/ft3。t——溫度,中。如果此方程在因次上是一致的,在國際單位制中A的單位必須是什么?解:由題易得,A的單位為kg/(m3·K)32.5一加熱爐用空氣(含O20.21,N20.79)燃燒天然氣(不含O2與N2)。分?jǐn)?shù)為CO20.07,H2O0.14,O20.056,N20.734。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℃,爐解:假設(shè)燃燒過程為穩(wěn)態(tài)。煙道氣中的成分來自天然氣和空氣。取加熱爐為NN積為V2。根據(jù)質(zhì)量衡算方程,有0.79×P1V1/RT1=0.734×P2V2/RT2即0.79×100m3/303K=0.734×V2/573KV2=203.54m3(1)求下游的污染物濃度(2)求每天有多少kg污染物質(zhì)通過下游某一監(jiān)測點(diǎn)。解:(1)根據(jù)質(zhì)量衡算方程,下游污染物濃度為pm==mg/L=8.87mg/L(2)每天通過下游測量點(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5m3/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0.25d-1。假設(shè)污染物在湖中充分染物的濃度。解:設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)湖中污染物濃度為pm,則輸出的濃度也為pm則由質(zhì)量衡算,得4qm1-qm2-kpV=0即5×100mg/L-(5＋50)pmm3/s-10×106×0.25×pmm3/s=0pm=5.96mg/Lmsms。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)原河水和小溪解:設(shè)溪水中示蹤劑的最低濃度為p則根據(jù)質(zhì)量衡算方程,有0.05p=(3＋0.05)×1.0p=61mg/L為61×0.05g/s=3.05g/s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,(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p10.0kg/s-(0.20/3600)×p×100×100×1×109m3/s-4×100×1×106pm3/s=05p=1.05×10-2mg/m3(2)設(shè)空箱的長寬均為L,高度為h,質(zhì)量流量為qm,風(fēng)速為u。qm1-qm2-kpV=有帶入已知量,分離變量并積分,得p=1.15×10-2mg/m32.10某水池內(nèi)有1m3含總氮20mg/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10m3/min,總氮含量為2mg/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p0,池中總氮濃度為p由質(zhì)量衡算,得qVp0-qVp0-qVp=即dtdt=10x(2-p)dp積分,有t=0.18mint6mmu0=0.62(2gz)0.5解:設(shè)儲(chǔ)槽橫截面積為A1,小孔的面積為A2A2u0=-dV/dt,即u0=-dz/dt×A1/A2-dz/dt×(100/4)2=0.62(2gz)0.5-226.55×z-0.5dz=dtz0=3mz1=z0-1m3×(π×0.25m2)-1=1.73mt=189.8st2.12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)濃度各處解:設(shè)t時(shí)槽中的濃度為p,dt時(shí)間內(nèi)的濃度變化為dp由質(zhì)量衡算方程,可得30-120p=(100+60t)p時(shí)間也是變量,一下積分過程是否有誤?30×dt=(100＋60t)dC＋120Cdt即(30-120C)dt=(100＋60t)dCt=0,C=0t7積分計(jì)算得:當(dāng)t=1h時(shí)C=15.23%2.13有一個(gè)4×3m2的太陽能取暖器,太陽光的強(qiáng)度為3000kJ/(m2·h),有0.8L/min。求流過解:以取暖器為衡算系統(tǒng),衡算基準(zhǔn)取為1h。為3000×12×50%kJ/h=18000kJ/h設(shè)取暖器的水升高的溫度為(△T),水流熱量變化率為qmcpAT根據(jù)熱量衡算方程,有18000kJ/h=0.8×60×1×4.183×△TkJ/h.K△T=89.65K2.14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。冷卻水來自于當(dāng)?shù)氐囊粭l河流,河水的流量為100m3/s,(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,問河水的水溫會(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,設(shè)冷卻水的流量為qV,熱量變化率為qmcpAT。根據(jù)熱量衡算定律,有qV×4.183×10kJ/m3=667×103KWQ=15.94m3/s(2)由題,根據(jù)熱量衡算方程,得8100×103×4.183×△7kJ/m3=667×103KW△7=1.59K1三章流體流動(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6=1.5mm的油膜。當(dāng)圓盤以n=50r/min旋轉(zhuǎn)時(shí),測得扭矩解:在半徑方向上取dr,則有=r·pAr=u.=dM=u2πr.dr.r=u4π2r3drrM=rM=uπ2462.94×10一4N·m=.×(0.05m)4×p2×(50/60)s/(1.5×10一3m)2u=8.58×10一3Pa·s解:設(shè)邊界層厚度為6;空氣密度為p,空氣流速為u。由題,因?yàn)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)一般取5×105>6.7×104,對(duì)于層流層有Re0.56=4.6Re0.5xRe=pRe=xu4.641×Re0.5=u=0.012m/sgmh解:設(shè)所需得功率為Ne,污水密度為pNe=Weqvp=(g4z+yhf)qvp964.3W3.4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3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。解:在截面1-1′和2-2′之間列伯努利方程:u12/2+p1/p=u22/2+p2/pu2=4u1uu12/2+p1/p=16u12/2+p2/p即15u12=2×(p1-p2)/p/(1.2kg/m3)u1=8.09m/suu2=32.35m/sqv=u1A=8.09m/s×p×(200mm)2=1.02m3/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,水從包括出口的能量損失)可按8hf=6.5u2計(jì)算,式中u為水在管內(nèi)的流速,單位為4(1)若水槽中水位不變,試計(jì)算水的流量;水槽供水中斷,隨水的出流高位槽液面下降,試計(jì)算液面下降1m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nL?/?+dL/p+6zL=n??/?+d?/p+6z?+EV」p1=p2,且u1=09.81m/s2×(8m一2m)=u2/2+6.5u2u=2.90m/sb八=nY=2.90m/s×p×0.01m2/4=2.28×10一2m3/s(2)由伯努利方程,有nL?/?+6zL=n??/?+6z?+EV」即nL?/?+6zL=Ln??+6z?nLn0.1/1)2=0.01取微元時(shí)間dt,以向下為正方向5!=36.06s3.6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)水的黏度u=1.0×10-3Pa.s,管道中水流平均流速為nm根據(jù)平均流速的定義得:6um=3.7×10一2m/sumax=2umu=2um[1一(r/r0)2](1)當(dāng)r=5mm,且r0=6.5mm,代入上式得u=0.03m/s(2)umax=2um4pf’=umax’/umax.4pf=0.1/0.074×21N/m=28.38N/m3.8溫度為20℃的水,以2kg/h的質(zhì)量流量流過內(nèi)徑為10mm的水平圓管,試求算流動(dòng)充分發(fā)展以后:(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um=qm/pAkgs103kg/m3×p×0.012m2/4)=7.07×10一3m/sRe=4=282.8<2000管內(nèi)流動(dòng)為層流,故umax=2um=1.415×10一2m/s(2)流體在壁面距中心一半距離處的流速:7u=umax(1一r2/r02)u1/2=1.415×10一2m/s×3/4=1.06×10一2m/sr=-udr=rr=-udr=r02流體在壁面距中心一半距離處的剪應(yīng)力:r1/2=2.um/r0=2.83×10一3N/m2(3)壁面處的剪應(yīng)力:r0=2r1/2=5.66×10一3N/m23.9一鍋爐通過內(nèi)徑為3.5m的煙囪排除煙氣,排放量為3.5×105m3/h,在煙kgm煙低245Pa。問此煙囪需要多高?假設(shè)粗糙度為5mm。解:設(shè)煙囪的高度為h,由題可得u=qv/A=10.11m/sRe=dup/u=7.58×104e/d=5mm/3.5m=1.429×10一3i=0.028i8hf=λu12/2+p1/p+gz1=u22/2+p2/p+gz2+Ehfu1=u2,p1=p0一245Pa,p2=p0一p空gh8即(h×1.15kg/m3×9.8m/s2一245Pa)/(0.6kg/m3)=h×9.8m/s2+h×0.028/3.5m×h=47.64mh3.10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60m,連有兩個(gè)90°彎頭和一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140m3/h,如果當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)為0.46元/(kW·h),問每天泵需要消耗多少電費(fèi)?(水溫為25℃,管道視為光滑解:由題,在進(jìn)水口和出水口之間建立伯努利方程,有We=gh+Ehf25℃時(shí),水的密度為997.0kg/m3,粘度為0.9×10一3Pa·s管徑為100mm時(shí),u=4.95m/sRe=dup/u=5.48×105,為湍流為光滑管,查圖,λ=0.029u=2.20m/suRe=dup/u=3.66×105管道為光滑管,查圖,λ=0.022力系數(shù)分別為吸濾底閥c=1.5;90°彎頭c=0.75;管入口c=0.5Ehf1=(1.5+0.75×2+0.5+0.022×60/0.15)×(2.20m/s)2/2=29.76m2/s2力系數(shù)分別為大小頭c=0.3;90°彎頭c=0.75;閘閥c=0.17;管出口c=1Ehf2=(1+0.75×3+0.3+0.17+0.02×100/0.1)×(4.95m/s)2/2+=299.13m2/s2We=gh+Ehf=29.76m2/s2+299.13m2/s2+60m×9.81m/s2=917.49m2/s2=WN=(917.49J/kg/60%)×140m3/h×997.0kg/m3=5.93×104W59.3kW×0.46元/(kW·h)×24h/d=654.55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、第二車壓)?？偣軆?nèi)徑為50mm鋼管,管長為(30+z0),通向兩吸收塔的支管內(nèi)徑均為20mm,管長分別為28m和15m(以上各管長均已包括所有局部阻力當(dāng)量長度在間的吸收塔供應(yīng)1800kg/h的水,向第二車間的吸收塔供應(yīng)2400kg/h的水,試確IdReIIdReI解:總管路的流速為n0=bm0/(pzJ?)=0.594m/s為nL=bmL/(pzJ?)0kg/h/(1×103kg/m3×p×0.012m2)=1.592m/s為n?=bm?/(pzJ?)400kg/h/(1×103kg/m3×p×0.012m2)=2.122m/s則Ra0=pnp/u=29700λ0=0.1(ε/d+58/Re)0.23=0.0308RaL=pnp/u=31840λ1=0.1(ε/d+58/Re)0.23=0.036Ra?=pnp/u=42400λ2=0.1(ε/d+58/Re)0.23=0.0357以車間一為控制單元,有伯努利方程u12/2+gz1+p1/p+Ehf1=gz0+p0/pp1=p0,故(1.592m/s)2/2+9.8m/s2×3m+0.0308×(0.594m/s)2×(30+z0)m/(2×0.05m)+0.036×(1.592m/s)2×28m/(2×0.02m)=9.8m/s2×z0z0=10.09m以車間二為控制單元,有伯努利方程u22/2+gz2+p2/p+Ehf2=gz0+p0/p(2.122m/s)2/2+9.8m/s2×5m+20kPa/(1×103kg/m3)+0.0308×(0.594m/s)2×(30+z0)m/(2×0.05m)+0.0357×(2.122m/s)2×15m/(2×0.02m)=9.8m/s2×z0z0=13.91mz3.12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)λ均為0.03,閥門全開時(shí)的阻力系數(shù)為6.4,管段AB、BC、失的當(dāng)量長度),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,求增壓水泵的揚(yáng)程。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uA2/2+pA/p=u12/2+p1/p+gz2+EhfAC因?yàn)閡A=u1=0;p1=0pA/p=EhfAC(1)AD,即uA2/2+pA/p=u22/2+p2/p+gz2+EhfADuA=u2=0;p2=0;z2=3mpA/p=EhfAD+gz2(2)EhfBC=EhfBD+gz2(3)(0.03×8m/0.032m+6.4+1)×u12/2=(0.03×13m/0.032m+6.4+1)×u22/2+u1min2/2=1.97m2/s2Ehfmin=(0.03×28m/0.032m+6.4+1)×u1min2/2=67.28m2/s2<pA/p(2)當(dāng)二樓出口流量為0.2L/s時(shí),u2=0.249m/s代入(3)式(0.03×8m/0.032m+6.4+1)×u12/2=(0.03×13m/0.032m+6.4+1)×u22/2+msu1=2.02m/su0=2.259m/sxhfAC=0.03×20m/0.032m×(2.259m/s)2/2+(0.03×8m/0.032m+6.4+1)×(2.02m/s)2/2=48.266m2/s2+30.399m2/s2=78.665m2/s2pA/p=0.8×105Pa/(998.2kg/m3)=80.144m2/s2長度為900m,ON段管徑為250mm,長度為300m,各管路粗糙度均為0.4mm。解:由題,各支管粗糙度相同,且管徑相近,可近似認(rèn)為各支管的λ相等,取λ=0.02。對(duì)于并聯(lián)管路,滿足hfA=hfB,所以有d12d22d32λl1u=λl2ud12d22d32MOON,所以有u2×d22=u3×d32聯(lián)立上述兩式,則有2500u12=2744.16u22u1=1.048u2又qV=u1zd12/4+u2zd22/4u2=1.158m/s,u1=1.214m/sqVA=u1zd12/4=38.14L/sqVB=u2zd22/4=81.86L/shFmn=i×l1×u12/2d1=73.69m2/s23.14由水塔向車間供水,水塔水位不變。送水管徑為50mm,管路總長為l,水塔水面與送水管出口間的垂直距離為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;點(diǎn);(3)增加一根與原管子平行的長為l、內(nèi)徑為25mm的管;(4)增加一根與原管子平行的長為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:由題可得造前的Ehf為當(dāng)改造后的xhf’>xhf時(shí),改造不合理(1)d’=3/2duuEhf’=Y·l·u’2/2d’=8Ehf/27(2)對(duì)于前半段,u’1=1.5×u/2=3u/4Ehf’1=Y·lu’12/(2×2d)=9/32Ehf2=3/2Ehf’2=Y·l·u’22/(2×2d)=9/8Ehf顯然有Ehf’>Ehf(3)由題可得,平行管內(nèi)的阻力損失相等。1=d/u’1×d’12+u2×d2=(3u/2)×d2u’2=(48一62)u/31>uEhf’=Y·l·u’22/2d>Ehf(4)由題有u’1=u’2u’1+u’2=3/2uu’1=u’2=3/4uEhf’=Y·lu’12/2d=9/16Ehf3.15在內(nèi)徑為0.3m的管中心裝一畢托管,用來測量氣體流量。氣體溫度為℃,壓力為101.3kPa,粘度為2×10一5Pa·s,氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為60。在多少?解:由題,氣體的密度為d=PM/RT=101.3×103×60×10一3/(8.314×313)=2.336(kg/m3)取C=1pumax==15.85m/p qV=p0pf qV=p0pf-p=0.547qV0ppf-p0u/umax=0.86qv=u·zd2/4=0.96m3/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MPa問在同一高度下流量為多少?解:由理想氣體方程可得p=PM/RT20℃,0.1M空氣的密度p0=0.1×106×28.95×10一3/(8.314×293)=1.188(kg/m3)50℃,0.15M氯氣的密度p=0.15×106×70.91×10一3/(8.314×323)=3.96(kg/m3)qv=10m3/s×0.547=5.47m3/s10.020.02m2四章熱量傳遞4.1用平板法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù),即在平板的一側(cè)用電加熱器加熱,另一側(cè)以冷水通過夾層將熱量移走,同時(shí)板的兩側(cè)由熱電偶測量其表面溫度,電熱器mAV兩側(cè)的溫度分別為A114V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T解:設(shè)電熱器的電流和電壓為I和U,流經(jīng)平板的熱量流量為Q。Q=UI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Q=入0(1+aT)A.dTdbA2aA2a分別取邊界條件,則得根據(jù)題目所給條件,聯(lián)立方程組0.02m20.02m22a=2.24×10-3K-1解:由題意,根據(jù)傅立葉定律有q=-λ·dT/dy即q=-λ0(1＋aT)dT/dy(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0.0459W/(m·℃)。內(nèi)外壁溫度仍不變,問此時(shí)單位面積熱損失為多少?(1)由題易得3r3=0.272·m2K/Wq==214.5W/m2T1=1000℃T2=T1-QR1=923.4℃T3=T1-Q(R1＋R2)=108.3℃T4=50℃(2)由題,增加的熱阻為r0.436m2·K/Wq=4T/(r1＋r2＋r3＋r’)=195.3W/m24.4某一o60mm×3mm的鋁復(fù)合管,其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(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(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)每米管長的冷損失量為多少?rm1=mm=28.47mmrm2=mm=43.28mm4rm3=mm=73.99mmRL2urm1+2urm2+2urm3=2u×45×28.47=2u×45×28.47K.m/W+2u×0.15×43.28K.m/W+2u×0.04×73.99K.m/W=2.348K·m/WQ/L==46.84W/mRL2urm1+2urm2+2urm3 33030=2u×45×28.47W.m/K+2u×0.04×43.28W.m/K+2u× 33030Q/L==34.50W/m4.5某加熱爐為一厚度為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10W/(m2·K):爐內(nèi)熱解:設(shè)由耐火磚內(nèi)側(cè)表面和保溫材料外測表面的面積分別為A1和A4,耐火T。穩(wěn)態(tài)條件下,由題意得:600-35600-T =aAAm入2×Am2入3×Am3a2×A =aAAm入2×Am2入3×Am3a2×A4a1×A1入1×Am1(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400℃為合理)5 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。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)。d=0.020m,u=1m/s,4.7用內(nèi)徑為27mm的管子,將空氣從10℃加熱到100℃,空氣流量為由題意,得u=Q/(pA)=112.62m/sa=0.023·λ/d·Re0.8·Pr0.464T2=110K,4T1=20K4Tm=(4T2-4T1)/ln(4T2/4T1)=(110K-20K)/ln(110/20)=52.79KapdL4Tm=qmhcph4ThL=qmcph4Th/(apd4Tm)=4.44m流體的流速保持不變。問對(duì)流傳熱系數(shù)變?yōu)槎嗌?解:由題,該流動(dòng)為湍流。0.023入0.80.4da=Re.Prd1=121.11=121.1因?yàn)闉橥N流體,且流速不變,所以有0.274.9在換熱器中用冷水冷卻煤油。水在直徑為o19×2mm的鋼管內(nèi)流動(dòng),水的器使用一段時(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(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12 120.0022122212 120.00221222=m.K/W+m.K/W+m.K/W+0.00026m.K/W+0.000176m.K/W349045458=2.95×10-3m2.K/WK=338.9W/(m2·K)(2)產(chǎn)生污垢后增加的熱阻百分比為 rs1+rs2×100%=×100%==×100%=17.34%注:如不視為薄管壁,將有5%左右的數(shù)值誤差。3500kg/h。冷卻水在直徑為o180×10mm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2320W/(m2·K)。若忽略熱損失,且近似認(rèn)為kJkgK.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,并加以比較。解:(1)由熱量守恒可得qmccpcATc=qmhcphAThqmc=3500kg/h×50℃/10℃=17500kg/h8(2)并流時(shí)有4T2=80K,4T1=20KmAT80mAT80KA4Tm=qmhcph4Th即KpdL4Tm=qmhcph4Th4T2=70K,4T1=30KmAT70mAT70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o19×2mm、長為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L=2258.4kJ/kg4T2=85K,4T1=65KmAT85mAT85lnln659KA4Tm=qmL即A=qmL=黑體,試求火星的溫度為多少?解:由入mT=2.9×10-3(1)很大的紅磚屋內(nèi),磚墻壁溫度為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:解:(1)Q1-2=C1-2d1-2A(T14-T24)/1004由題有d1-2=1,C1-2=31C0,31=0.8Q1-2=31C0A(T14-T24)/1004(2)Q1-2=C1-2d1-2A(T14-T24)/1004由題有o1-2=1C1-2=C0/[1/31＋A1/A2(1/32-1)]Q1-2=C0/[1/31＋A1/A2(1/32-1)]A(T14-T24)/1004(5004K4-3004K4)/1004=1.42×103W4.14一個(gè)水加熱器的表面溫度為80℃,表面積為2m2,房間內(nèi)表面溫度為20℃。將其看成一個(gè)黑體,試求因輻射而引起的能量損失。解:由題,應(yīng)滿足以下等式1-21004且有p1-2=1:A=A1:C1-2=C0×e1又有A1=2m2:e1=11-244Q=C0A1(T14-T24)=5.67×2×(3534-29341-2441001001五章質(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0.1×106pa、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)L=20cm。在0.1×106Pa、298K的溫度時(shí),水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為DAB=解:由題得,298K下水蒸氣飽和蒸氣壓為3.1684×103Pa,則pA,i=3.1684×103Pa,pA,0=0(1)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)水蒸氣的傳質(zhì)通量:(2)傳質(zhì)分系數(shù):GG(3)由題有yA,i=3.1684/100=0.031684yA,0=0yaKAB子反向擴(kuò)散。當(dāng)組分A在兩端點(diǎn)處的分壓分別為pA,1=0.4×105Pa和pA,2=0.1×105Pa時(shí),由實(shí)驗(yàn)測得k0G=1.26×10-8kmol/(m2·s·Pa),試估算在同樣的條件下,解:由題有,等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量為25.3淺盤中裝有清水,其深度為5mm,水的分子依靠分子擴(kuò)散方式逐漸蒸發(fā)到大氣中,試求盤中水完全蒸干所需要的時(shí)間。假設(shè)擴(kuò)散時(shí)水的分子通過一層厚4mm、溫度為30℃的靜止空氣層,空氣層以外的空氣中水蒸氣的分壓為零。分解:由題,水的蒸發(fā)可視為單向擴(kuò)散飽和蒸氣壓為4.2474×103Pa,水的密度為995.7kg/m3故水的物質(zhì)的量濃度為995.7×103飽和蒸氣壓為4.2474×103Pa,水的密度為995.7kg/m3故水的物質(zhì)的量濃度為995.7×103/18=0.5532×105mol/m3數(shù)為DAB=0.11m2/hpA,i=4.2474×103Pa,pA,0=03c水V/(A·t)=DABp(pA,i-pA,0)/(RTpB,mz)t.8h5.4內(nèi)徑為30mm的量筒中裝有水,水溫為298K,周圍空氣溫度為30℃,壓力為1.01×105Pa,空氣中水蒸氣含量很低,可忽略不計(jì)。量筒中水面到上沿的距離為10mm,假設(shè)在此空間中空氣靜止,在量筒口上空氣流動(dòng),可以把蒸發(fā)出的水蒸氣很快帶走。試問經(jīng)過2d后,量筒中的水面降低多少?查表得298K時(shí)濃度c水為995.7×103/18=0.5532×105mol/m3數(shù)為DAB=D0(T/T0)1.75=0.26×10-4m2/s×(303/298)1.75=2.6768×10-5m2/spA,i=3.1684×103Pa,pA,0=0pB,m=(pB,0-pB,i)/ln(pB,0/pB,i)=0.99737×105Pa又有NA=c水dV/(A·dt)=c水dz/dtc水dz/dt=DABp(pA,i-pA,0)/(RTpB,mz)分離變量,取邊界條件t1=0,z1=z0=0.01及t2=2d,z2=z,積分有z77m4z=z-z0=0.0077m=7.7mm5.5一填料塔在大氣壓和295K下,用清水吸收氨-空氣混合物中的氨。傳4質(zhì)阻力可以認(rèn)為集中在1mm厚的靜止氣膜中。在塔內(nèi)某一點(diǎn)上,氨的分壓為6.6×103N/m2。水面上氨的平衡分壓可以忽略不計(jì)。已知氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)解:設(shè)pB,1,pB,2分別為氨在相界面和氣相主體的分壓,pB,m為相界面和氣相由題意得:5.6一直徑為2m的貯槽中裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1的氨水,因疏忽沒有加蓋,則氨以分子擴(kuò)散形式揮發(fā)。假定擴(kuò)散通過一層厚度為5mm的靜止空氣層。在1.01×105Pa、293K下,氨的分子擴(kuò)散系數(shù)為1.8×10-5m2/s,計(jì)算12h中氨的揮發(fā)損失量。計(jì)算中不考慮氨水濃度的變化,氨在20℃時(shí)的相平衡關(guān)系為P=2.69×105x(Pa),x為摩爾分?jǐn)?shù)。解:由題,設(shè)溶液質(zhì)量為agl故有氨的平衡分壓為p=0.1053×2.69×105Pa=0.2832×105PapA,i=0.2832×105Pa,PA0=05A4A45.7在溫度為25℃、壓力為1.013×105Pa下,一個(gè)原始直徑為0.1cm的氧氣泡浸沒于攪動(dòng)著的純水中,7min后,氣泡直徑減小為0.054cm,試求系統(tǒng)的傳質(zhì)解:對(duì)氧氣進(jìn)行質(zhì)量衡算,有-cA,GdV/dt=k(cA,s-cA)A即dr/dt=-k(cA,s-cA)/cA,GcA,s=1.5×10-3mol/LcA=0cA,G=p/RT=1.013×105/(8.314×298)mol/m3=40.89mol/m3dr=-0.03668k×dtt1=0,r1=5×10-4mt2=420s,r2=2.7×10-4m積分,解得k=1.49×10-5m/s5.8溴粒在攪拌下迅速溶解于水,3min后,測得溶液濃度為50%飽和度,初始水中溴含量為0,溴粒表面處飽和濃度為cA,S。解:設(shè)溴粒的表面積為A,溶液體積為V,對(duì)溴進(jìn)行質(zhì)量衡算,有d(VcA)/dt=k(cA,S-cA)A因?yàn)閍=A/V,則有dcA/dt=ka(cA,S-cA)6對(duì)上式進(jìn)行積分,由初始條件,t=0時(shí),cA=0,得cA/cAS=1-e-katAPaPAPamsAB的傳質(zhì)通量,并對(duì)所得的結(jié)果加以分析。(1)組分B不能穿過平面S;解:(1)由題,當(dāng)組分B不能穿過平面S時(shí),可視為A的單向擴(kuò)散。pB,1=p-pA,1=87.9kPapB,2=p-pA,2=94.6kPaDAB=1.85×10-5m2/s(2)由題,當(dāng)組分A和B都能穿過平面S,可視為等分子反向擴(kuò)散可見在相同條件下,單向擴(kuò)散的通量要大于等分子反向擴(kuò)散。1六章沉降6.1直徑60um的石英顆粒,密度為2600kg/m3,求在常壓下,其在20℃的水中和20℃的空氣中的沉降速度(已知該條件下,水的密度為998.2kg/m3,黏解:(1)在水中假設(shè)顆粒的沉降處于層流區(qū),由式(6.2.6)得:ePu1.005x10-3ePu1.005x10-3位于在層流區(qū),與假設(shè)相符,計(jì)算正確。(2)在空氣中應(yīng)用K判據(jù)法,得所以可判斷沉降位于層流區(qū),由斯托克斯公式,可得:克斯公式的最大顆粒直徑和服從牛頓公式的最小顆粒直徑(已知空氣的密度為解:如果顆粒沉降位于斯托克斯區(qū),則顆粒直徑最大時(shí),ReP==2所以u(píng)t=2,同時(shí)ut=2pp-pgdpp所以u(píng)t=1000,同時(shí)ut=1.74upp-pgdpp所以u(píng)t=1000,同時(shí)ut=1.74u同理,如果顆粒沉降位于牛頓區(qū),則顆粒直徑最小時(shí),ReP=所以dp=32.33p(),代入數(shù)值,解得dp=1.51x10-3m6.3粒徑為76um的油珠(不揮發(fā),可視為剛性)在20℃的常壓空氣中自由沉降,恒速階段測得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1.005×10-3Pa·s;空氣的密度為1.205kg/m3,黏度為1.81×10-5Pa·s。求:(1)油的密度;(2)相同的油珠注入20℃水中,20s內(nèi)油珠運(yùn)動(dòng)的距離。解:(1)油珠在空氣中自由沉降的速度為ut=L/s=2.7/20=0.135m/s t pppgd t18uppkgm屬于層流區(qū),計(jì)算正確。(2)假設(shè)油珠在水中自由上浮位于層流區(qū),由斯托克斯公式3屬于層流區(qū),假設(shè)正確,所以油珠在水中運(yùn)動(dòng)的距離為kgmPas深度為80cm,如果將密度為2650kg/m3、直徑為5mm的小球投入容器中,每隔3s投一個(gè),則:(1)如果油是靜止的,則容器中最多有幾個(gè)小球同時(shí)下降?(2)如果油以0.05m/s的速度向上運(yùn)動(dòng),則最多有幾個(gè)小球同時(shí)下降?解:(1)首先求小球在油中的沉降速度,假設(shè)沉降位于斯托克斯區(qū),則 (2)以上所求得的小球的沉降速度是小球與油的相對(duì)速度,當(dāng)油靜止時(shí),也就是相對(duì)于容器的速度。當(dāng)油以0.05m/s的速度向上運(yùn)動(dòng),小球與油的相對(duì)速 6.5設(shè)顆粒的沉降符合斯托克斯定律,顆粒的初速度為零,試推導(dǎo)顆粒的沉在20℃的水中自由沉降,試求小球加速到沉降速度的99%所需要的時(shí)間以及在mPas4解:(1)對(duì)顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)做受力分析Npdpdpdpdpdt檢驗(yàn)Red===1.9<2,符合題意,6.6落球黏度計(jì)是由一個(gè)鋼球和一個(gè)玻璃筒組成,將被測液體裝入玻璃筒,然后記錄下鋼球落下一定距離所需要的時(shí)間,即可以計(jì)算出液體黏度?，F(xiàn)在已知鋼球直徑為10mm,密度為7900kg/m3,待測某液體的密度為1300kg/m3,鋼球在液體中下落200mm,所用的時(shí)間為9.02s,試求該液體的黏度。5t()t()假設(shè)鋼球的沉降符合斯托克斯公式,則t檢驗(yàn):Rep===0.017<2,假設(shè)正確。6.7降塵室是從氣體中除去固體顆粒的重力沉降設(shè)備,氣體通過降塵室具有一定的停留時(shí)間,若在這個(gè)時(shí)間內(nèi)顆粒沉到室底,就可以從氣體中去除,如下圖所示?，F(xiàn)用降塵室分離氣體中的粉塵(密度為4500kg/m3),操作條件是:氣體解:設(shè)降塵室長為l,寬為b,高為h,則顆粒的停留時(shí)間為t停=l/ui,沉降時(shí)間為t沉=h/ut,當(dāng)t停2t沉?xí)r,顆?？梢詮臍怏w中完全去除,t停=t沉對(duì)應(yīng)的是假設(shè)沉降在層流區(qū),應(yīng)用斯托克斯公式,得9.81x4500-0.66pP-pgdPRe6p假設(shè)沉降符合艾倫公式,則ut=0.27所pP-pgdPRe6p假設(shè)沉降符合艾倫公式,則ut=0.27所2240kg/m3,沉淀池有效水深為1.2m,水力停留時(shí)間為1min,求能夠去除的顆粒最小粒徑(假設(shè)顆粒在水中自由沉降,污水的物性參數(shù)為密度1000kg/m3,黏度假設(shè)沉降符合斯克托斯公式,則ut= )檢驗(yàn)Rep===3.5,在艾倫區(qū),假設(shè)正確。6.9質(zhì)量流量為1.1kg/s、溫度為20℃的常壓含塵氣體,塵粒密度為1800kg/m3,需要除塵并預(yù)熱至400℃,現(xiàn)在用底面積為65m2的降塵室除塵,試問(1)先除塵后預(yù)熱,可以除去的最小顆粒直徑為多少?7(2)先預(yù)熱后除塵,可以除去的最小顆粒直徑是多少?如果達(dá)到與(1)相同的去除顆粒最小直徑,空氣的質(zhì)量流量為多少?(3)欲取得更好的除塵效果,應(yīng)如何對(duì)降塵室進(jìn)行改造?m假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū),由斯托克斯公式,全部去除最小顆粒的直徑為(2)預(yù)熱后空氣的密度和流量變化為同樣假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū),由斯托克斯公式,全部去除最小顆粒的直徑為qAutxm/s89uBπuippN 9uBπuippN c=d6.10用多層降塵室除塵,已知降塵室總高4m,每層高0.2m,長4m,寬2m,欲處理的含塵氣體密度為1kg/m3,黏度為3×10-5Pa·s,塵粒密度為3000kg/m3,要求完全去除的最小顆粒直徑為20um,求降塵室最大處理的氣體流量。解:假設(shè)顆粒沉降位于斯托克頓區(qū),則顆粒的沉降速度為6.11用與例題相同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器收集煙氣粉塵,已知含粉塵空氣的溫度為200℃,體積流量為3800m3/h,粉塵密度為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0.746直徑為(1)用底面積為60m2的降塵室除塵,能夠完全去除的最小顆粒直徑是多99uBπuipp9uBπuippN臨界粒徑dc=(2)用直徑為600mm的標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵,離心分離因數(shù)、臨界直徑和分割直徑是多少?解:(1)能完全去除的顆粒沉降速度為假設(shè)沉降符合斯托克斯公式,能夠完全去除的最小顆粒直徑為檢驗(yàn):Rep===0.064<2,假設(shè)正確。(2)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器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)口速度也的臨界直徑是原來的幾倍。解:(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,入口氣速不變,所以入口的面積為原來的1/3,又因?yàn)樾问胶统叽绫壤蛔?分離器入口面積與直徑的平方成比例,(2)由式(6.3.9)πuippN由題意可知:u、uπuippN由題意可知:u、ui、pp、N都保持不變,所以此時(shí)dcx倍知顆粒的密度為1480kg/m3,懸浮液進(jìn)料半徑位置為r1=0.05m,離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓壁面固體顆粒沉降到轉(zhuǎn)鼓壁面位置所需要的時(shí)間(水的密度為998.2kg/m3,黏度為解:先計(jì)算顆粒在離心機(jī)中的最大沉降速度檢驗(yàn),雷諾數(shù)Rep===0.327<2,符合斯托克斯K=rmo2=x(2πx1000/60)2=97.8cg9.81s18u18u6.15用離心沉降機(jī)去除懸濁液中的固體顆粒,已知顆粒直徑為50um,密度為1050kg/m3,懸濁液密度為1000kg/m3,黏度為1.2×10-3Pa·s,離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min,轉(zhuǎn)筒尺寸為h=300mm,r1=50mm,r2=80mm。求離心機(jī)完全去除顆粒。解:計(jì)算顆粒在離心機(jī)中的最大沉降速度沉降時(shí)間18u為6.16.水力旋流器的直徑對(duì)離心力的影響和離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的直徑對(duì)離心力的影響是否相同?解:參考答案:對(duì)旋流分離器,離心力Fc=m,進(jìn)口流速不變,離心力與直徑成反比,所以增大直徑,離心力減小。對(duì)離心機(jī),離心力Fc=mro2,轉(zhuǎn)速不變,離心力與直徑成正比,所以增大直徑,離心力增加。1第七章過濾7.1用板框壓濾機(jī)恒壓過濾某種懸浮液,過濾方程為式中:t的單位為s(1)如果30min內(nèi)獲得5m3濾液,需要面積為0.4m2的濾框多少個(gè)?(2)求過濾常數(shù)K,qe,te。解:(1)板框壓濾機(jī)總的過濾方程為V2＋V=6×10-5A2t在t=30×60=1800s內(nèi),V=5m3,則根據(jù)過濾方程A=16.67m2(2)恒壓過濾的基本方程為V2＋2VVe=KA2tte為過濾常數(shù),與qe相對(duì)應(yīng),可以稱為過濾介質(zhì)的比當(dāng)量過濾時(shí)間,te=7.2如例7.3.3中的懸浮液,顆粒直徑為0.1mm,顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.1,在9.81×103Pa的恒定壓差下過濾,過濾時(shí)形成不可壓縮的濾餅,空隙率為0.6,過濾介質(zhì)的阻力可以忽略,濾液黏度為1×10-3Pa·s。試求:(1)每平方米過濾面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時(shí)間;(2)若將此過濾時(shí)間延長一倍,可再得多少濾液?2解:(1)顆粒的比表面積為a=6×104m2/m37.3用過濾機(jī)處理某懸浮液,先等速過濾20min,得到濾液2m3,隨即保持當(dāng)時(shí)的壓差等壓過濾40min,則共得到多少濾液(忽略介質(zhì)阻力)?解:恒速過濾的方程式為式(7.2.18a)V12=此過濾常數(shù)為恒速過濾結(jié)束時(shí)的過濾常數(shù),也是恒壓過濾開始時(shí)的過濾常數(shù),在恒壓過濾過程中保持不變,所以由恒壓過濾方程式(7.2.15),V2-V2=V2-V2=KA2t●V2-V2=1A2t●V2-V2=1t11A2t121t12量為V=4.47m337.4有兩種懸浮液,過濾形成的濾餅比阻都是r0=6.75×1013m-2Pa-1,其中一種濾餅不可壓縮,另一種濾餅的壓縮系數(shù)為0.5,假設(shè)相對(duì)于濾液量濾餅層的體積分?jǐn)?shù)都是0.07,濾液的黏度都是1×10-3Pa·s,過濾介質(zhì)的比當(dāng)量濾液量為qe為0.005m3/m2。如果懸浮液都以1×10-4m3/(m2·s)的速率等速過濾,求過濾壓解:由題意可知,兩種濾餅f=0.07對(duì)不可壓縮濾餅,由s=0,r0=6.75×1013m-2Pa-1,I=1×10-3Pa·s,f=0.07,qe=0.005m3/m2,u=1×10-4m3/m2·s對(duì)可壓縮濾餅,由s=0.5,r0=6.75×1013m-2Pa-1,I=1×10-3Pa·s,f=0.07,qe=0.005m3/m2,u=1×10-4m3/m2·s機(jī)過濾某種懸浮液,以壓差150kPa恒壓過濾1.6h之后得到濾液25m3,忽略介質(zhì)壓力,則:(1)如果過濾壓差提高一倍,濾餅壓縮系數(shù)為0.3,則過濾1.6h后可以得到多少濾液;(2)如果將操作時(shí)間縮短一半,其他條件不變,可以得到多少濾液?解:(1)由恒壓過濾方程V2=KA2t=422(2)當(dāng)其他條件不變時(shí),過濾常數(shù)不變,所以由恒壓過濾方程,可以推得繼續(xù)過濾20min,共得到濾液0.287m3/m2,過濾壓差提高到196.2kPa時(shí),過濾20min得到濾液0.256m3/m2,試計(jì)算qe,r0,s以及兩壓差下的過濾常數(shù)K(濾解:依題意,可得由(1)、(2)得由(1)、(3)得qes(1)得r0=9.814×1012m-2所以,當(dāng)壓差為98.1kPa時(shí)5t/q1000800600400t/q100080060040020007.7恒壓操作下過濾試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如下,求過濾常數(shù)K、qe。 ts114.4228379.4q/m3·m-20.10.20.30.4解:由以上數(shù)據(jù),作t/q和q的直線圖y=1889x+193.5 00.20.4q0.6e227.8板框壓濾機(jī)有20個(gè)板框,框的尺寸為450mm×450mm×20mm,過濾過程中,濾餅體積與濾液體積之比為0.043m3/m3,濾餅不可壓縮。實(shí)驗(yàn)測得,在kPaqqtqt位分別是m3/m26(1)在50.5kPa恒壓過濾時(shí),框全充滿所需要的時(shí)間;(2)初始?jí)翰顬?0.5kPa恒速過濾,框全充滿的時(shí)間和過濾結(jié)束時(shí)的壓差;(3)操作從50.5kPa開始,先恒速過濾至壓差為151.5kPa,然后恒壓操作,間。解:(1)濾框全充滿時(shí),濾餅體積為0.45×0.45×0.02=0.00405m3(2)恒速過濾的條件下,dq/dt=常數(shù)由(7.2.12),dq/dt=為(3)先恒速過濾的情況為7KtKt7.9實(shí)驗(yàn)室小試中,在100kPa的恒壓下對(duì)某懸浮液進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn),測得qe為0.01m3/m2,過濾常數(shù)K為1.936×10-4m2/s,懸浮液中固體顆粒密度為2000kg/m3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07,濾餅不可壓縮,含水量為30%(質(zhì)量)。如果用一個(gè)直徑1.5m,長10m的轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)處理這種懸浮液,轉(zhuǎn)筒浸沒角為120°,轉(zhuǎn)速為0.5r/min,操作真空度為80kPa,其他條件與小試實(shí)驗(yàn)相同。求:(1)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力;(2)濾餅厚度。解:(1)在其它條件不變的情況下,KxApm量為(2)在1kg的懸浮液中對(duì)水進(jìn)行物料衡算8由上述三式,可得V餅/V濾=0.077.10用板框過濾機(jī)恒壓過濾料液,過濾時(shí)間為1800s時(shí),得到的總濾液量為8m3,當(dāng)過濾時(shí)間為3600s時(shí),過濾結(jié)束,得到的總濾液量為11m3,然后用3m3的清水進(jìn)行洗滌,試計(jì)算洗滌時(shí)間(介質(zhì)阻力忽略不計(jì))。dt=2V解:由(7.2.11)得dt=2V束時(shí)過濾速度相同介質(zhì)阻力可以忽略,濾餅不可壓縮,空隙率為0.6,懸浮液中固相的體積分?jǐn)?shù)為(1)如果忽略顆粒的沉降速度,求濾出一半水分所需的時(shí)間及當(dāng)時(shí)的濾餅厚度和懸浮液層的厚度;(2)如果顆粒沉降可在瞬間完成,求濾出一半水分所需的時(shí)間及當(dāng)時(shí)的濾厚度。解:(1)顆粒的比表面積為a=6×104m2/m39當(dāng)t=0時(shí),q=0,當(dāng)濾出一半水分,q=0.45m3/m2時(shí),t=t1,代入上式積分得(2)當(dāng)顆粒瞬時(shí)完成沉降時(shí),以1m2面積計(jì),濾餅層的厚度為同樣,當(dāng)t=0時(shí),q=0,當(dāng)濾出一半水分,q=0.45m3/m2時(shí),t=t1,代入上式t 1t7.12在直徑為10mm的砂濾器中裝滿150mm厚的細(xì)沙層,空隙率為0.375,砂層上方的水層高度保持為200mm,管底部滲出的清水流量為6mL/min,求砂層的比表面積(水溫為20℃,黏度為1.005×10-3Pa·s,密度為998.2kg/m3)。解:清水通過砂層的流速為由式(7.3.11)u=,可得顆粒的比表面積:7.13.溫度為38℃的空氣流過直徑為12.7mm的球形顆粒組成的固定床,已知床層的空隙率為0.38,床層直徑0.61m,高2.44m,空氣進(jìn)入床層時(shí)的絕對(duì)壓力為111.4kPa,質(zhì)量流量為0.358kg/s,求空氣通過床層的阻力。解:顆粒比表面積7.14用生物固定床反應(yīng)器處理廢氣,已知反應(yīng)器的內(nèi)徑為1.8m,填料層高3m,填料顆粒為高5mm、直徑3mm的柱體,空隙率為0.38。通過固定床的廢12.3kPa,求氣體的平均體積流量.(忽略填料上附著的生物膜對(duì)床層的影響)。解:由于顆粒是非球形顆粒,顆粒的比表面積為:7.15某固定床反應(yīng)器,內(nèi)徑為3m,填料層高度為4m,填料為直徑5mmkgm,反應(yīng)器內(nèi)填料的總質(zhì)量為3.2×104kg。已知通過mskgm.017×10-3Pa·s,求力降。 u.0042m/s由公式(7.3.11),得7.16.一個(gè)濾池由直徑為4mm的砂粒組成,砂礫球形度為0.8,濾層高度為0.8m,空隙率為0.4,每平方米濾池通過的水流量為12m3/h,求水流通過濾池的解:顆粒的比表面積為壓力降為1八章吸收8.1在30℃,常壓條件下,用吸收塔清水逆流吸收空氣-SO2混合氣體中的SO2,已知?dú)?液相平衡關(guān)系式為y*=47.87x,入塔混合氣中SO2摩爾分?jǐn)?shù)為0.05,出塔混合和塔底處的傳質(zhì)推動(dòng)力,用Ay、Ax、Ap、Ac表示。解:(1)塔頂x所以Ax2=x2*-x2=4.17x10-5-0=4.17x10-5Ay2=y2-y2*=0.002-0=0.002忽略吸收液中溶解的SO2,則摩爾濃度可計(jì)算為c=1000/18=55.6mol/L22Ac=55.6xAx=55.6x4.17x10-5=22(2)塔底入塔SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y1=0.05,出塔吸收液中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為x1==0.001x0010444所以Ax1=x1*-x1=0.0010444-0.001=4.44x10-5Ay1=y1-y1*=0.05-0.04787=0.002131AcxAxx4.44x10-5=