質(zhì)量衡算與能量衡算

質(zhì)量衡算與能量衡算第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)在環(huán)境污染控制工程領(lǐng)域，無論是水處理、廢氣處理和固體廢棄物處理處置，還是給水排水管道工程，都涉及流體流動、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。流體流動：輸送流體、沉降分離流體中顆粒物，污染物的過濾分離等熱量傳遞：加熱、冷卻、干燥、蒸發(fā)以及管道、設(shè)備的保溫等質(zhì)量傳遞：吸收、吸附、吹脫、膜分離以及生物、化學(xué)反應(yīng)等第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)本篇主要講述質(zhì)量衡算、能量衡算等環(huán)境工程中分析問題的基本方法，以及流體流動和熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的基礎(chǔ)理論。系統(tǒng)掌握流體流動和熱量傳遞、質(zhì)量傳遞過程的基礎(chǔ)理論，對優(yōu)化污染物的分離和轉(zhuǎn)化過程、提高污染控制工程的效率具有重要意義。第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一本篇主要內(nèi)容第二章質(zhì)量衡算與能量衡算第三章流體流動第四章熱量傳遞第五章質(zhì)量傳遞第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第二章質(zhì)量衡算與能量衡算

第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第二章質(zhì)量衡算與能量衡算第一節(jié)常用物理量常用物理量及單位換算常用物理量及其表示方法第二節(jié)質(zhì)量衡算衡算系統(tǒng)的概念總質(zhì)量衡算方程第三節(jié)能量衡算總能量衡算方程熱量衡算方程本章主要內(nèi)容第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一一、計(jì)量單位二、物理量的單位換算三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)四、常用物理量及其表示方法本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)常用物理量第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一國際單位制的基本單位

量的名稱

單位名稱

單位符號

長度

質(zhì)量

時(shí)間

電流

熱力學(xué)溫度

物質(zhì)的量

發(fā)光強(qiáng)度

米

千克（公斤）

秒

安[培]

開[爾文]

摩[爾]

坎[德拉]

M

Kg

s

A

K

mol

cd

計(jì)量單位是度量物理量的標(biāo)準(zhǔn)

物理量＝數(shù)值×單位國際單位制，符號為SI7個(gè)基本單位；2個(gè)輔助單位；導(dǎo)出單位

。第一節(jié)常用物理量一、計(jì)量單位mkg表2.1.1國際單位制的基本單位7個(gè)基本單位第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2個(gè)輔助單位表2.1.2國際單位制的輔助單位

量的名稱

單位名稱

單位符號

平面角

立體角

弧度

球面度

rad

sr

第一節(jié)常用物理量按照定義式由基本單位相乘或相除求得，并且其導(dǎo)出單位的定義式中的比例系數(shù)永遠(yuǎn)取1。導(dǎo)出單位第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)采用其他單位制時(shí)，將各物理量的單位代入定義式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距離的單位為cm，則k=0.01。式中F——力；

m——質(zhì)量；

a——加速度；

u——速度；

t——時(shí)間；

s——距離；

k——比例系數(shù)。力的導(dǎo)出單位，按牛頓運(yùn)動定律寫出力的定義式，即按照國際單位制規(guī)定，取k=1，則力的導(dǎo)出單位為第一節(jié)常用物理量導(dǎo)出單位第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一表2.1.3國際單位制中規(guī)定了若干具有專門名稱的導(dǎo)出單位第一節(jié)常用物理量量的名稱

單位名稱

單位符號

其他表示式例

頻率

力；重力

壓力，壓強(qiáng)；應(yīng)力

能量；功；熱

功率；輻射通量

電荷量

電位；電壓；電動勢

電容

電阻

電導(dǎo)

磁通量

磁通量密度，磁感應(yīng)強(qiáng)度

電感

攝氏溫度

光通量

光照度

放射性活度

吸收劑量

劑量當(dāng)量

赫[茲]

牛[頓]

帕[斯卡]

焦[耳]

瓦[特]

庫[侖]

伏[特]

法[拉]

歐[姆]

西[門子]

韋[伯]

特[斯拉]

亨[利]

攝氏度

流[明]

勒[克斯]

貝可[勒爾]

戈[瑞]

希[沃特]

Hz

N

Pa

J

W

C

V

F

Ω

S

Wb

T

H

℃

lm

lx

Bq

Gy

Sv

1/s

kg·m/s2

N/m2

N·m

J/s

A·s

W/A

C/V

V/A

A/V

V·s

Wb/m2

Wb/A

cd·sr

lm/m2

1/s

J/kg

Jb/kg

第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一同一物理量用不同單位制的單位度量時(shí)，其數(shù)值比稱為換算因數(shù)。

例如1m長的管用英尺度量時(shí)為3.28084ft，則英尺與米的換算因數(shù)為3.28084。解：按照題意，將kgf/cm2中力的單位kgf換算為N，cm2換算為m2。查表，N與kgf的換算因數(shù)為9.80665，因此

1kgf＝9.80665N又1cm＝0.01m所以1.03323kgf/cm2＝1.03323×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2【例題2.1.1】已知1atm＝1.03323kgf/cm2，將其換算為N/m2。二、物理量的單位換算第一節(jié)常用物理量第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一——設(shè)備周圍空氣流動速度，cm/s【例題2.1.2】設(shè)備壁面因強(qiáng)制對流和輻射作用向周圍環(huán)境中散失的熱量可用下式表示，即式中——對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）若將的單位改為W/(m2·K),u的單位改為m/s，試將上式加以變換。第一節(jié)常用物理量第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一解：根據(jù)附錄，1kcal＝4186.8W·s，1h=3600s；1℃表示溫差為1℃，用K表示溫度時(shí)，溫差為1K。因此1kcal/（m2·h·℃）＝4186.8/3600W/(m2·K)＝1.163W/(m2·K)1cm/s＝0.01m/s整理上式，并略去上標(biāo)，得將上兩式帶入原式中，得W/(m2·K)令為以W/(m2·K)為單位的傳熱系數(shù)，為以m/s為單位的速度？第一節(jié)常用物理量第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一(一)量綱用來描述物體或系統(tǒng)物理狀態(tài)的可測量性質(zhì)稱為它的量綱。量綱與單位的區(qū)別：量綱是可測量的性質(zhì)；單位是測量的標(biāo)準(zhǔn)，用這些標(biāo)準(zhǔn)和確定的數(shù)值可以定量地描述量綱?？蓽y量物理量可以分為兩類：基本量和導(dǎo)出量。三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)第一節(jié)常用物理量第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一基本量綱:質(zhì)量、長度、時(shí)間、溫度的量綱，分別以M、L、t和T表示，簡稱MLtT量綱體系。【物理量】表示該物理量的量綱，不指具有確定數(shù)值的某一物理量。利用量綱所建立起來的關(guān)系是定性的而不是定量的。其他物理量均可以以M、L、t和T的組合形式表示其量綱:[速度]=[密度]=[壓強(qiáng)]=[黏度]=Lt－1ML－3ML－1t－2ML－1t－1第一節(jié)常用物理量第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一(二)無量綱準(zhǔn)數(shù)由各種變量和參數(shù)組合而成的沒有單位的群數(shù)，稱為無量綱準(zhǔn)數(shù)。無量綱準(zhǔn)數(shù)既無量綱，又無單位，其數(shù)值大小與所選單位制無關(guān)。只要組合群數(shù)的各個(gè)量采用同一單位制，都可得到相同數(shù)值的無量綱準(zhǔn)數(shù)。準(zhǔn)數(shù)符號定義雷諾數(shù)(Reynold)Re標(biāo)準(zhǔn)提法是量綱為1第一節(jié)常用物理量第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一通過對影響某一過程和現(xiàn)象的各種因素（物理量）進(jìn)行量綱分析，將物理量表示成為若干個(gè)無量綱準(zhǔn)數(shù)，然后借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立這些無量綱變量之間的關(guān)系式。第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法【例題】流體在管路中流動時(shí)由于摩擦力而產(chǎn)生壓降，影響壓降ΔPf的因素為管徑d、管長L、平均速度u、流體密度ρ、黏度μ和管壁絕對粗糙度ε（代表壁面凸出部分的平均高度）。表示為物理方程，即第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法

hfffbhgbfuLKdpemr-----=D12

將指數(shù)相同的物理量合并，得

式（2.3.9）成為具有四個(gè)準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系式。

采用冪指數(shù)形式表達(dá)這一關(guān)系，可以寫成

hfecbafuLKdpemr=D

式中常數(shù)K和指數(shù)a、b、c、e、f、h均為待定值第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一雷諾數(shù)，代表慣性力與黏性力的比值，反映流動特性歐拉數(shù)，代表阻力損失引起的壓降與慣性力之比管路的長徑比，反映幾何尺寸的特性絕對粗糙度與管徑之比，稱為相對粗糙度通過實(shí)驗(yàn)，回歸求取關(guān)聯(lián)式中的待定系數(shù)“黑箱”模型法第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一例如：氨的水溶液的濃度1．質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度mg/Lmol/L氨的質(zhì)量或物質(zhì)的量/溶液體積2.質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)%kg/kgkmol/kmol氨的質(zhì)量/溶液的質(zhì)量氨的物質(zhì)的量/溶液的物質(zhì)的量3．質(zhì)量比與摩爾比kmol/kmolkg/kg氨的質(zhì)量/水的質(zhì)量氨的物質(zhì)的量/水的物質(zhì)的量四、常用物理量第一節(jié)常用物理量(一)濃度第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一1．質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度（1）質(zhì)量濃度ρA

，ρ（2）物質(zhì)的量濃度cA，c組分A的摩爾質(zhì)量第一節(jié)常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合物的總質(zhì)量組分A的質(zhì)量(2.1.6)第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一在水處理中，污水中的污染物濃度一般較低，1L污水的質(zhì)量可以近似認(rèn)為等于1000g，所以實(shí)際應(yīng)用中，常常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即1mg/L相當(dāng)于1mg/1000g

＝1×10-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppm1μg/L相當(dāng)于1μg/1000g＝1×10-9（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppb當(dāng)污染物的濃度過高，導(dǎo)致污水的密度發(fā)生變化時(shí)，上兩式應(yīng)加以修正，即1mg/L=1×10-6×混合物的密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1μg/L=1×10-9×混合物的密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）ppm————ppb————

μg/g，10-6

μg/kg，10-9

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）第一節(jié)常用物理量第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度。例如mL/m3，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。1mol任何理想氣體在相同的壓強(qiáng)和溫度下有著同樣的體積，因此可以用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度，在實(shí)際應(yīng)用中非常方便；同時(shí)，該單位的最大優(yōu)點(diǎn)是與溫度、壓力無關(guān)。第一節(jié)常用物理量例如，10-6（體積分?jǐn)?shù)）表示每106體積空氣中有1體積的污染物，這等價(jià)于每106mol空氣中有1mol污染物質(zhì)。又因?yàn)槿魏螁挝晃镔|(zhì)的量的物質(zhì)有著相同數(shù)量的分子，10-6（體積分?jǐn)?shù)）也就相當(dāng)于每106個(gè)空氣分子中有1個(gè)污染物分子。第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一對于氣體，體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系和壓力、溫度以及污染物質(zhì)的相對分子質(zhì)量有關(guān)。對于理想氣體，可以用理想氣體狀態(tài)方程表示，即：

式中：p——絕對壓力，Pa；

VA——體積，m3；

nA——物質(zhì)的量，mol；

R——摩爾氣體常數(shù)，8.314Pa·m3·K-1·mol-1；

T——熱力學(xué)溫度，K。第一節(jié)常用物理量(2.1.9)0.082atm?L/(mol?K)第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)質(zhì)量濃度的定義根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系？第一節(jié)常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題2.1.3】在101.325KPa、25℃條件下，某室內(nèi)空氣一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.0×10-6。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，1mol空氣在101325Pa和25℃下的體積為一氧化碳（CO）的摩爾質(zhì)量為28g/mol，所以CO的質(zhì)量濃度為mg/m3第一節(jié)常用物理量第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一（2）摩爾分?jǐn)?shù)組分A的摩爾分?jǐn)?shù)混合物的總物質(zhì)的量組分A的物質(zhì)的量當(dāng)混合物為氣液兩相體系時(shí)，常以x表示液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，y表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)，組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系第一節(jié)常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一3．質(zhì)量比與摩爾比組分A的質(zhì)量比混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量

組分A的質(zhì)量（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為惰性組分時(shí)）組分A與惰性組分的關(guān)系第一節(jié)常用物理量(2.1.16)質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系(2.1.17)第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一組分A與惰性組分的關(guān)系3．質(zhì)量比與摩爾比（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為惰性組分時(shí)）第一節(jié)常用物理量組分A的摩爾比混合物中惰性物質(zhì)的物質(zhì)的量

組分A的物質(zhì)的量(2.1.18)摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系(2.1.19)(2.1.20)第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一體積流量質(zhì)量流量一維流動二維流動三維流動速度分布平均速度(二)流量(三)流速第一節(jié)常用物理量(2.1.21)(2.1.22)在x,y,z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的投影分別為ux，uy，uz第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一圓形管道在管路設(shè)計(jì)中，選擇適宜的流速非常重要!!!一般地，液體的流速取0.5~3.0m/s，氣體則為10~30m/s。

速度分布流速影響流動阻力和管徑，因此直接影響系統(tǒng)的操作費(fèi)用和基建費(fèi)用。第一節(jié)常用物理量（主體）平均流速按體積流量相等的原則定義(2.1.24)(2.1.25)第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的物理量稱為該物理量的通量。通量是表示傳遞速率的重要物理量。單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，稱為熱量通量，單位為J/（m2·s）；單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的某組分的質(zhì)量，成為該組分的質(zhì)量通量，單位為kmol/（m2·s）；單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的動量，稱為動量通量，單位為N/m2。(四)通量第一節(jié)常用物理量第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)常用物理量（1）什么是換算因數(shù)？英尺和米的換算因數(shù)是多少？（2）什么是量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)？單位和量綱的區(qū)別是什么？（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比的區(qū)別和關(guān)系如何？試舉出質(zhì)量比的應(yīng)用實(shí)例。（4）大氣污染控制工程中經(jīng)常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物的濃度，試說明該單位的優(yōu)點(diǎn)，并闡述與質(zhì)量濃度的關(guān)系。（5）平均速度的涵義是什么？用管道輸送水和空氣時(shí)，較為經(jīng)濟(jì)的流速范圍為多少？本節(jié)思考題第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一一、衡算的基本概念二、總質(zhì)量衡算本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)質(zhì)量衡算第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分離、反應(yīng)——分析物質(zhì)流遷移轉(zhuǎn)化

?某污染物生物降解輸入量－輸出量＋轉(zhuǎn)化量=積累量輸入量1輸入量2輸出量降解量積累量第二節(jié)質(zhì)量衡算一、衡算的基本概念第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一輸入速率－輸出速率＋轉(zhuǎn)化速率=積累速率質(zhì)量衡算的一般方程轉(zhuǎn)化速率或反應(yīng)速率——單位時(shí)間因生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為生成物時(shí)為正值，質(zhì)量增加單位時(shí)間：以某種元素或某種物質(zhì)為衡算對象第二節(jié)質(zhì)量衡算(2.2.4)一、衡算的基本概念第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一(2.2.8)污染物的生物降解經(jīng)常被視為一級反應(yīng)，即污染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積V中可降解物質(zhì)的濃度均勻分布，則反應(yīng)速率常數(shù)，s-1或d-1物質(zhì)質(zhì)量濃度負(fù)號表示污染物隨時(shí)間的增加而減少體積反應(yīng)速率第二節(jié)質(zhì)量衡算第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一各種情況下的質(zhì)量衡算穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)

組分發(fā)生反應(yīng)組分不發(fā)生反應(yīng)以某組分為對象以全部組分為對象以總質(zhì)量表示以單位時(shí)間質(zhì)量表示第二節(jié)質(zhì)量衡算二、總質(zhì)量衡算第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一質(zhì)量衡算方程的應(yīng)用1.需要劃定衡算的系統(tǒng)2.要確定衡算的對象3.確定衡算的基準(zhǔn)4.繪制質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖5.注意單位要統(tǒng)一劃定衡算的系統(tǒng)確定衡算的對象某組分衡算的范圍某組分，和全部組分單位時(shí)間，某時(shí)間段內(nèi)，或一個(gè)周期總衡算和微分衡算第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一——用來分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即衡算的空間范圍環(huán)境設(shè)備或管道中一個(gè)微元體——微分衡算一個(gè)反應(yīng)池、一個(gè)車間，或者一個(gè)湖泊、一段河流、一座城市上方的空氣，甚至可以是整個(gè)地球——總衡算(一)衡算系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖單位要統(tǒng)一第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題2.2.3】一個(gè)湖泊的容積為10.0×106m3。有一流量為5.0m3/s、污染物濃度為10.0mg/L的受污染支流流入該湖泊.同時(shí)，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為0.5m3/s，質(zhì)量濃度為100mg/L。污染物的降解速率常數(shù)為0.20d-1。假設(shè)污染物質(zhì)在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸發(fā)等原因增加或者減少。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的質(zhì)量濃度。解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物質(zhì)量濃度等于流出水中的污染物質(zhì)量濃度

(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物質(zhì)量濃度等于流出水中的污染物質(zhì)量濃度輸入速率輸出速率

降解速率第二節(jié)質(zhì)量衡算(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題】一條河流的上游流量為10.0m3/s，氯化物的質(zhì)量濃度為20.0mg/L，有一條支流匯入，流量為5.0m3/s，其氯化物質(zhì)量濃度為40.0mg/L。視氯化物為不可降解物質(zhì)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算匯合點(diǎn)下游河水中的氯化物質(zhì)量濃度，假設(shè)在該點(diǎn)流體完全混合。解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖

第二節(jié)質(zhì)量衡算(三)穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一氯化物的輸出速率為氯化物的輸入速率為第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一解：根據(jù)質(zhì)量衡算方程【例題2.2.5】一圓筒形儲罐，直徑為0.8m。罐內(nèi)盛有2m深的水。在無水源補(bǔ)充的情況下，打開底部閥門放水。已知水流出的質(zhì)量流量與水深Z的關(guān)系為kg/s，求經(jīng)過多長時(shí)間后，水位下降至1m？kg/skgt=1518s

第二節(jié)質(zhì)量衡算≠0(2.2.3)(二)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學(xué)特征：當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)；當(dāng)上述物理量不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。對于穩(wěn)態(tài)過程，內(nèi)部無物料積累穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一ρ0ρ1ρ2ρ4ρ3【例題2.2.2】某污水處理工藝中含有沉淀池和濃縮池，沉淀池用于去除水中的懸浮物，濃縮池用于將沉淀的污泥進(jìn)一步濃縮，濃縮池的上清液返回到沉淀池中。污水流量為5000m3/d，懸浮物含量為200mg/L，沉淀池出水中懸浮物質(zhì)量濃度為20mg/L，沉淀污泥的含水率為99.8%，進(jìn)入濃縮池停留一定時(shí)間后，排出的污泥含水率為96%，上清液中的懸浮物含量為100mg/L。假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程中沒有生物作用。求整個(gè)系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量和排水量，以及濃縮池上清液回流量。污水的密度為1000kg/m3。

？？？根據(jù)需要劃定衡算的系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一已知=5000m3/d，＝200mg/L，＝20mg/L，＝(100-96)/(100/1000)＝40g/L＝40000mg/L＝(100-99.8)/(100/1000)＝2g/L＝2000mg/L＝100mg/L污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為

第二節(jié)質(zhì)量衡算(1)求污泥產(chǎn)量以沉淀池和濃縮池的整個(gè)過程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量。第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一輸入速率輸出速率=22.5m3/d＝4977.5m3/dρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一(2)濃縮池上清液量取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象污泥含水率從99.8％降至96％,污泥體積由472.5m3/d減少為22.5m3/d,相差20倍。輸入速率輸出速率=450m3/d＝472.5m3/dρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題2.2.4】在一個(gè)大小為500m3的會議室里面有50個(gè)吸煙者，每人每小時(shí)吸兩支香煙。每支香煙散發(fā)1.4mg的甲醛。甲醛轉(zhuǎn)化為二氧化碳的反應(yīng)速率常數(shù)為k＝0.40h-1。新鮮空氣進(jìn)入會議室的流量為1000m3/h，同時(shí)室內(nèi)的原有空氣以相同的流量流出。假設(shè)混合完全，估計(jì)在25℃、101.3KPa的條件下，甲醛的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量濃度。并與造成眼刺激的起始體積分?jǐn)?shù)0.05×10-6相比較。第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一輸入速率輸出速率降解速率＝50×2×1.4＝140mg/h＝1000×ρ＝1000ρmg/h第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)質(zhì)量衡算（1）進(jìn)行質(zhì)量衡算的三個(gè)要素是什么？（2）簡述穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的特征。（3）質(zhì)量衡算的基本關(guān)系是什么？（4）以全部組分為對象進(jìn)行質(zhì)量衡算時(shí)，衡算方程具有什么特征？（5）對存在一級反應(yīng)過程的系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量衡算時(shí)，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率如何表示？本節(jié)思考題第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一一、能量衡算方程二、熱量衡算方程三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算方程四、開放系統(tǒng)的熱量衡算方程本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié)能量衡算第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一水預(yù)熱系統(tǒng)用熱水或蒸汽加熱水或污泥用冷水吸收電廠的廢熱——水或污泥吸收熱量溫度升高——冷卻水吸收熱量溫度升高用量？加熱時(shí)間？流量？溫度？第三節(jié)能量衡算一、能量衡算方程第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析能量流流體輸送中，通過水泵對水做功，將水提升到高處？流體在管道中流動，由于黏性產(chǎn)生摩擦力，消耗機(jī)械能，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?？？？兩大類問題：主要涉及物料溫度與熱量變化的過程－冷卻、加熱、散熱

系統(tǒng)對外做功，系統(tǒng)內(nèi)各種能量相互轉(zhuǎn)化－流體輸送機(jī)械能衡算熱量衡算第三節(jié)能量衡算第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一（1）流體攜帶能量進(jìn)出系統(tǒng)熱量

做功能量既不會消失也不能被創(chuàng)造。在給定的過程中，能量會發(fā)生形式上的改變——開放系統(tǒng)——封閉系統(tǒng)能量輸入輸出的方式：（2）系統(tǒng)與外界交換能量（熱，功）第三節(jié)能量衡算第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一任何系統(tǒng)經(jīng)過某一過程時(shí)，其內(nèi)部能量的變化等于該系統(tǒng)從環(huán)境吸收的熱量與它對外所作的功之差，即物料所具有的各種能量之和，即總能量物料從外界吸收的熱量物料對外界所作的功系統(tǒng)內(nèi)部物料能量的變化

系統(tǒng)內(nèi)能量的變化＝（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)物料能量的積累）對于物料總質(zhì)量：靜壓能位能動能內(nèi)能＋EEEEE++=第三節(jié)能量衡算(2.3.1)第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)能量的積累）＝（系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（對外界所作的功）對于單位時(shí)間：（單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料帶出的總能量）－（單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的物料帶入的總能量）＋（單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累）＝（單位時(shí)間系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（單位時(shí)間對外界所作的功）第三節(jié)能量衡算第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一對于單位質(zhì)量物料：第三節(jié)能量衡算＝0能量可用焓表示(2.3.1)冷卻、加熱、散熱

－涉及物料溫度與熱量變化的過程

－熱量衡算第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶出的能量總和單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶入的能量總和單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累

單位時(shí)間環(huán)境輸入系統(tǒng)的熱量，即系統(tǒng)的吸熱量

對于單位時(shí)間：第三節(jié)能量衡算(2.3.4)二、熱量衡算方程第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一物質(zhì)的焓定義為焓值是溫度與物態(tài)的函數(shù)，因此進(jìn)行衡算時(shí)除選取時(shí)間基準(zhǔn)外，還需要選取物態(tài)與溫度基準(zhǔn)，通常以273K物質(zhì)的液態(tài)為基準(zhǔn)。單位質(zhì)量物質(zhì)的焓單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能物質(zhì)所處的壓強(qiáng)單位質(zhì)量物質(zhì)的體積第三節(jié)能量衡算(2.3.5)第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一封閉系統(tǒng)——與環(huán)境沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)

大氣層、封閉的系統(tǒng)等系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于內(nèi)部能量的積累對物料總質(zhì)量進(jìn)行衡算內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為？第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算(2.3.4)第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一物料的比定壓熱容

物料溫度改變物料的質(zhì)量無相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化（1）恒壓過程中，體系所吸收的熱量全部用于焓的增加，即（2）恒容、不做非體積功的條件下，體系所吸收的熱量全部用于增加體系的內(nèi)能，即物料的比定容熱容

第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一物質(zhì)的潛熱對于固體或液體：熱量衡算方程無相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算有相變情況下吸收或放出的潛熱第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題2.3.1】熱水器發(fā)熱元件的功率是1.5kW，將水20L從15℃加熱到65℃，試計(jì)算需要多少時(shí)間？假設(shè)所有電能都轉(zhuǎn)化為水的熱能，忽略水箱自身溫度升高所消耗的能量和從水箱向環(huán)境中散失掉的能量。

系統(tǒng)吸收的熱量來自發(fā)熱元件，加熱時(shí)間為，輸入的熱量為

Q＝1.5×Δt＝1.5ΔtkW·h水中能量的變化為＝20×1×4.18×（65－15）＝4180kJ輸入的能量等于水中能量的變化水＝0.77h第三節(jié)能量衡算解：以熱水器中水所占的體積為衡算系統(tǒng)，為封閉系統(tǒng)。第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一kJ℃℃℃第三節(jié)能量衡算【題2.3.2】據(jù)估計(jì)，每年全球的降水如果均勻分布在5.10×1014m2的地球表面，則平均降水量為1m。求每年使這些水汽化所需要的能量，與1987年世界的能源消耗（3.3×1017kJ）以及與地球表面對太陽能的平均吸收率（168W/m2）進(jìn)行比較。

解：全球水體的平均表層溫度接近15，因此選用15作為起始溫度。水在15下的汽化熱為2457.7kJ/kg。所有水汽化的總能量需求為：

這是人類社會所消耗能量的將近4000倍。在全球范圍內(nèi)，推動全球水循環(huán)的平均能量為：

該數(shù)值約為地球表面對太陽能的平均吸收率的一半。

KJ第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一——與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換的系統(tǒng)對于單位時(shí)間物料進(jìn)行衡算對于穩(wěn)態(tài)過程第三節(jié)能量衡算四、開放系統(tǒng)的熱量衡算(2.3.12)開放系統(tǒng)第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一【例題2.3.3】在一列管式換熱器中用373K的飽和水蒸氣加熱某液體，液體流量為1000kg/h。從298K加熱到353K，液體的平均比熱容為3.56kJ/(kg·K)。飽和水蒸氣冷凝放熱后以373K的飽和水排出。換熱器向四周的散熱速率為10000kJ/h。試求穩(wěn)定操作下加熱所需的蒸氣量。解：取整個(gè)換熱器為衡算系統(tǒng)，時(shí)間基準(zhǔn)為1h，物態(tài)溫度基準(zhǔn)為273K液體。第三節(jié)能量衡算四、開放系統(tǒng)的熱量衡算第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一373K飽和水的焓：353K的液體：第三節(jié)能量衡算輸入系統(tǒng)的物料的焓值包括：設(shè)飽和水蒸氣用量為Gkg/h，查得373K的飽和水蒸氣的焓為2677kJ/kg，飽和水的焓為418.68kJ/kg輸出系統(tǒng)的物料的焓值包括：=－10000kJ/h解得G＝91.1kg/h飽和水蒸氣的焓：298K的液體：飽和水蒸氣的焓298K的液體353K的液體373K飽和水的焓第七十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一Q【例題2.3.4】一污水池內(nèi)有50m3的污水，溫度為15℃，為加速消化過程，需將其加熱到35℃。采用外循環(huán)法加