谁能提供下《环境工程原理ppt》与《环境影响评价》本科
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时间：2018-01-13 16:50
导读：环境监测是环境监测机构按照有关的法律法规和技术规定要求运用科学技术方法对表征生态，对表征生态环境质量的各种指标进行间或连续地监视、测试和解释的活动，是环境管理的技术手段和基础，31.环境标准定义，环境标准时环境管理目标和效果的表示，是环境管理的基础性数据，他是环境管理由定性转入定量，32.环境保护目标责任制度，将环境目标和任务层层分解到具体的责任人（地方长官、政府部门首脑、工厂厂长），协议书/环境监测是环境监测机构按照有关的法律法规和技术规定要求 运用科学技术方法 对表征生态环境质 技术规定要求，运用科学技术方法，对表征生态环境质量的各种指标进行间或连续地监视、测试和解释的活动。是环境管理的技术手段和基础。 31. 环境标准 定义 环境标准时环境管理目标和效果的表示，是环境管理的基础性数据。他是环境管理由定性转入定量，更加科学化的显示。 32. 环境保护目标责任制度 以签订责任书的形式，将环境目标和任务层层分解到具体的责任人（地方长官、政府部门首脑、工厂厂长），并作为政绩评价的一个正式的依据。协议书/责任书阐明了在规定时间内必须满足的环境保护目标。 33. 中国环境管理的“老三项”和“新五项”制度 老三项; 环境影响评价制度
“三同时”制度
排污收费制度 新五项：环境保护目标责任制制度、城市环境综合治
理定量考核制度 排污许可证制度 污染集中控制制度 污染限期治理制度 34. 排污许可证制度 排污许可证制度是指凡是需要向环境排放各种污染物的单位或个人,都必须事先向环境保护部门办理申领排污许可证手续,经环境保护部门批准后获得排污许可证后方能向环境排放污染物的制度。 35. 环境监察
环境监察是指环境监察部门受环境行政管理部门的委托，依法在环境现场履行环境行政职能，进行监督处理的执法活动。突出的是“现场”和“处理”两个概念 36. 中国环境保护的三大基本政策 预防为主、防治结合；谁污染、谁治理；强化环境管理 37. 环境管理政策主要有哪些？
⑴命令型和控制型的政策方法： 法律手段： 中国的资源环境保护法律体系：《宪法》是制定其他环境保护法律法规的基础，《中华人民共和国环境保护法》是中国环境保护的基本法，环境保护单行法，环境保护条例和部门规章，环境标准以及我国缔结或参加的有关保护环境资源的国际条约、国际公约。 行政手段： 主要是以制定行政控制措施为主要内容的法律法规和相应的环境标准，以强制实施的方式，来实现国家确定的环境保护要求，因此是一种典型命令型和控制型的环境管理手段。主要有环境标准、行政审批或许可证、环境监测处罚、环境影响评价和其他手段。 ⑵经济型和激励型的政策方法： 经济手段： 现行经济手段包括排污收费制度、减免税制度、补贴政策、贷款优惠政策。 宣传教育手段： 发挥政府在环境宣传教育中的主导作用； 特别注意对我国重点地区和重点人群的特殊环境宣传和教育； 注重非政府环境保护组织的参与； 加大新闻媒体的宣传报道； 加强相关政策和法律法规的建设。 科学技术手段： 对政府是指国家建立合理的制度，制定有关的法律法规，鼓励科研人员积极提高环境保护的科学技术工作，鼓励有利于环境保护的科技成果的应用； 对企业是企业采用先进的清洁生产工艺和技术，减少或消除废弃物的排放；应用产业生态学和循环经济的理念和方法构建循环经济体系；尝试和创造适合于工农服务业的先进管理体系和技术； 对公众应尽可能支持有利于环境保护的科学技术及产品的推广。 ⑶鼓励型和自愿型的政策方法： 环境信息公开： 环境信息公开可以从政府、企业和公众三个环境管理主体来进行。 政府：环境几个环境要素的基本状况信息；对环境产生影响的活动信息；政府为保护和改善环境而采取的措施和活动。 企业：根据政府要求公开的信息和企业自愿公开的信息。 公众和非政府组织环境信息公开 环境信息公开作为一种政府、企业和公众共同参与环境管理的手段，为扩大公众的知情权、参与权和监督权，督促企业加强环境管理、提高资源利用和治污水平，及促进法治政府、公开政府的建立起到了重要作用。 环境绩效管理： 环境绩效是组织通过一系列环境管理措施或生态保护措施所取得的环境改善的成效。环境绩效管理，就是以改善和提高各组织的环境绩效为目标的一种环境管理方法。实际上是对环境信息的二次加工，其成果是对政府、企业和公众环境行为的评价。 企业：根据ISO14000标准进行自主管理；企业和政府之间的协商管理 38. 环境管理的实证方法有哪些？ 包括实验、调查问卷、案例研究、实地研究、无干扰文本分析等在内的实证研究方法。 39. 环境影响评价制度 概念：指在某地区进行可能影响环境的工程建设，在规划或其他活动之前，对其活动可能造成的周围地区环境影响进行调查、预测和评价，并提出防治环境污染和破坏的对策，以及制定相应方案。 是有关EIA的范围、内容、程序和法律后果等事项的一套法定规则。包括两个方面，建设项目环评和规划环评。 ? 处罚：规定了规划编制机关、规划审批机关、建设单位、建设项目审批单位、环评机构、环评审批机关和主管机关违反《环评法》所要承担的行政责任和刑事责任。 ? 发展：1979法律确认，2003EIA法，2009规划环境影响条例。 制度的产生 ?美国1936年《防洪法》通过，大型工程，费用效益分析，经济效益 ?环境问题的关注，1969年《国家环境政策法》提出环境影响评价制度 ?瑞典、澳大利亚于1969年、1974年在环境保护法中规定了环境影响评价制度 ?其他国家纷纷效法美国的做法，规定了环境影响评价制度。 中国的情况 ? 1979年《环境保护法（试行）》 ? 1986年《建设项目环境保护管理办法》 ? 1998年《建设项目环境保护管理条例》 ? 2002年《中华人民共和国环境影响评价法》，自2003年9 月1日起实施 ? 2009《规划环境影响条例》 ? 其他相关的环境保护法律都对环境影响评价做出原则性规定 《环境影响评价法》 ?结构 第一章总则 第二章规划的环境影响评价 第三章建设项目的环境影响评价 第四章法律责任 第五章附则 40. 环境影响评价的基本程序 环境影响评价的程序，一般是：①由开发者首先进行环境调查和综合预测（有的委托专门顾问机构或大学、科研单位进行），提出环境影响报告书。②公布报告书，广泛听取公众和专家的意见。对于不同意见，有的国家规定要举行“公众意见听证会”。③根据专家和公众意见，对方案进行必要的修改。④主管当局最后审批 41. “三同时”制度 内容：根据我国《环境保护法》第26条规定：“建设项目中防治污染的措施，必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用。防治污染的设施必须经原审批环境影响报告书的环保部门验收合格后，该建设项目方可投入生产或者使用。”这一规定在我国环境立法中通称为“三同时”制度 特点：提出时间1973，先于环境行政机构的建立，是我国独创的环境管理制度，贯彻“预防为主”的环境政策。 42. 排污收费制度 概念：是重要的运用经济手段控制污染的一项制度。能够为进一步消除污染和加快技术进步提供持续不断的压力。体现污染者负担原则。也就是“谁污染谁治理”政策的体现。 提出：1978年提出，1979法律确认 发展趋势 （1）由超标收费转向排污收费，实行“排污收费、超标罚款” （2）部分收费项目由浓度收费转向总量与浓度收费相结合的收费形式 （3）单因子收费转向多因子收费 （4）收费标准设计转向高于污染治理成本 制度特点：收支两条线、专款专用、强制执行 43. 水环境管理的发展趋势 从单项规划向流域综合性和系统性的规划转变 从偏重水资源规划向水资源、水环境与水生态综合规划的转变 从重视工程方案向综合政策、管理的流域综合管理模式转变 社会经济系统被逐步纳入流域环境规划的分析框架之中 生态管理与流域分析思想在研究中逐步得到深入 模型集成、系统优化、GIS应用是目前的热点 44. TMDL概念 TMDLs（Total Maximum Daily Loads）为最大日负荷总量，是在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量。TMDL 计划由美国环保局于1972 年《清洁水法》中提出，该计划的目标之一就是将可分配的污染负荷分配到各个污染源（包括点源和非点源），同时要考虑安全临界值和季节性变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准。
TMDL计划包括污染负荷在点源和非点源之间的分配，同时还要考虑安全临界值和季节性的变化。TMDL计划的总目标是识别具体的污染区域和污染来源，并且对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和数量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划。TMDL计划的执行过程包括：识别水质受限制的水体，按优先顺序确定水质指标，最大日负荷总量的确定及分配，执行控制措施，评价水质控制措施。随着TMDL计划的实施，在实际中存在一些迫切解决的问题：TMDL计划应与其他控制管理措施相结合，有效地控制水体污染的恶化；TMDL计划需要进行成本一效益定量评估及技术与制度上可行性评价，选取社会效益最大的执行标准和实施方案；TMDL计划中的公众参与；不同类型水体实施TMDL计划，确保水质安全；TMDL计划的执行情况评估体系等也在进行相关的研究。
1制定TMDL计划
针对一个特定的目标水体，制定TMDL计划采用的方法通常包括以下5个步骤：①主要污染物的筛选；②目标水体同化容量的估算；③通过各种途径排入目标水体的污染物的总量的估算；④水体污染的预测性分析，确定水体允许的污染负荷总量；⑤在保证水体达到水质标准的前提下，同时考虑安全临界值，将水体允许的污染负荷分配到各个污染源。 45. 超级基金法全称，定义 美国《综合环境反应、赔偿和责任法》(Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act)是美国针对危险物质不当处置引起的土壤污染和自然资源损害进行的联邦环境立法，该法案因其中的环保超级基金而闻名，因此，通常又被称为超级基金法。 46. 德国固废二元回收体系的特点，回收的固废类型？ 这个题大家再看一下，PPT上没有多少内容 德国固废二元回收体系是生产商和销售商为享受《包装条例》规定的免除义务政策而组建的非盈利性质非政府组织，
“送”和“取”两大回收系统 ? “取”系统（Kerbside System）――黄色垃圾桶/袋：轻包装 ? “送”系统（Bring System）――回收站：如玻璃类包装 绿点费用的征收立足于：材料、重量、体积、塑料最高，玻璃最低 47. 我国公众参与环境管理的主要渠道 被动参与渠道（以EIA公众参与为例） 1、参与问卷调查 2、座谈会和论证会 3、听证会 主动参与渠道 1、组织环境保护项目 2、信息披露：媒体监督；特殊渠道的意见反映，如网络（个人博客、BBS），或写举报信等等(P93)；非政府组织的环境报告 3、环境诉讼 4、环境信访 5、集会游行示威 48. 企业环境管理的主要方法有哪些？ 常见的企业环境管理方法有： 1、绿色营销：绿色营销是用生态、环境的理念和方法对企业传统的营销方式进行变革和创新，如在广告中处理强调产品的高性能，还要强调产品的无污染和节能。更进一步，采取诸如以租代售、以旧换新等销售方式。
阅读：210页阅读材料 2、企业环境信息公开/企业环境报告：（课本92页、213页） 企业环境信息公开：被动公开、主动公开。 企业环境报告：企业环境信息公开的有效方式。企业在日常核算的基础上，提供给政府、环保部门、管理者、职工、消费者、公众等信息使用者的有关企业环境行为和环境绩效的书面年度报告。它反映了企业在经营活动中产生的环境影响，以及为了减轻和消除负面环境影响而进行的努力和成果。 3、环境绩效、环境会计、环境审计：（课本94、100、101页） 环境绩效：企业在生产经营活动中在环境保护方面取得的成效。是对企业环境信息的评价。 环境会计：利用会计手段标识企业环境信息和环境绩效的一种方式。传统会计没有把环境支出和收益纳入其核算体系，没有提供企业生态效益方面的信息。企业同过实施环境会计核算系统，收集本企业与环境有关的费用，支出以及由此环境行为带来的环境收益与经济效益等数据信息，通过确认与计量，以环境会计报告书的形式对上述三方公布，给政府，投资者、公众的行为施加影响，并进而对企业的运营产生影响。 环境审计：由相对独立的审计人员，对企业用会计信息反映的与环境有关的经济活动进行监督、鉴别和评价。 4、生态工业园/产业共生体系/产业生态学 产业生态学：将工业生态系统与生物生态系统概念进行类比，设想一个工业生态系统可以像一个自然生态系统那样循环，并且也有类似的食物链，大部分物质会在系统内循环，同时尽可能少地利用外部资源补给系统内不可避免的能量耗散。研究这样工业生态系统的学说叫“产业生态学”或“工业生态学”。这些相互关联的不同产业称为产业共生体系。在地域上可能聚集的形成特定地域共同体，称为生态工业园。 核心理论：工业代谢，以产业生态系统的物质流和能量流为研究视角，建立物质和能量结算表，揭示产业活动中纯物质的数量和质量规模，展示构成产业活动全部物质和能量流的过程与规律 5、环境管理体系/ISO14000 同49题答案 49. 什么是ISO14000标准环境管理体系？ 老师说此题是重点，所以我就不在此叙述了，《环境管理学》P214，大家好好学习一下吧~ 就是一个以“组织”为单位，以标准体系的形式规范和约束组织活动，特别是在产业活动方面的环境管理体系。 包含总结汇报、人文社科、旅游景点、党团工作、资格考试、办公文档、教程攻略、专业文献、考试资料以及环境工程原理总结等内容。本文共3页
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iframe(src='//www.googletagmanager.com/ns.html?id=GTM-T947SH', height='0', width='0', style='display: visibility:')环境工程原理习题集060813-完整答案_学霸学习网
环境工程原理习题集060813-完整答案
“十五”国家级规划教材《环境工程原理》配套教材环境工程原理习题集胡洪营 黄霞 张旭 等编著高等教育出版社 2006年8月1 内容提要本书是“十五”国家级规划教材《环境工程原理》的配套教材，内容包括习题 解答、思考题和综合练习题 3 部分。习题解答部分对《环境工程原理》教材中的 习题进行了较为详细的解答， 其主要目的是训练学生的基本设计计算能力并为学 生自学提供参考；思考题部分的主要目的是加强学生对基本概念、基本原理和基 本过程的理解； 综合习题部分的主要目的是训练学生的知识综合应用能力和解决 问题的能力。 本教材适用于环境工程、 环境科学、 给水排水工程以及其他相关专业本科生， 也可作为相关专业研究生参考书。2 前言《环境工程原理习题解答》是“十五”国家级规划教材《环境工程原理》的配 套教材。“环境工程原理”课程是教育部“高等学校环境工程教学指导委员会”规定 的高等学校环境工程专业新的核心课程。 《环境工程原理》教材是与该课程配套 的国内第一本本科教材， 由清华大学从事“环境工程原理”课程教学的一线教师在 讲义的基础上编写而成，已经于 2005 年 8 月由高等教育出版社正式出版。 “环境工程原理”课程自 2003 年在清华大学首次开设以来，开设该课程的院 校逐步增加。 《环境工程原理习题解答》是为了适应日益增长的“环境工程原理” 课程教学需要而编写的。本教材适用于环境工程、环境科学、给水排水工程及其 它相关专业本科生， 也可作为研究生参考。 也可作为研究生考试的复习参考资料。 本教材的主要内容包括以下三部分， 所用符号与 《环境工程原理》 教材相同： 第一篇： 《环境工程原理》教材各章后的习题解答（参考答案） 第二篇：思考题 第三篇：综合练习题 本教材第一篇和第二篇的主要编写人员如下： 第一章、第十一章～第十五章 ：胡洪营、吴乾元、王丽莎 第二章～第五章 第六章～第十章 第三篇的编写人员为： 一、环境工程原理基础：张 二、分离工程原理 三、反应工程原理 ：黄 旭 霞 ：张 ：黄 旭、王 霞、刘 灿、陆松柳 春：胡洪营高等教育出版社的陈文副编审、陈海柳编辑为该教材的出版付出了大量心 血。在此对参与、支持和关心该教材编写工作的老师、同学表示衷心感谢！ 由于编者的知识水平有限，加之时间仓促，不妥和错误之处在所难免，欢迎 读者批评指正。 编者 2006 年 8 月 于清华园3 目 录第 I 篇 习题解答 第一章 绪论 ................................................................................................................. 6 第二章 质量衡算与能量衡算 ..................................................................................... 9 第三章 流体流动 ....................................................................................................... 17 第四章 热量传递 ....................................................................................................... 33 第五章 质量传递 ....................................................................................................... 43 第六章 沉降 ............................................................................................................... 49 第七章 过滤 ............................................................................................................... 61 第八章 吸收 ............................................................................................................. 73 第九章 吸附 ............................................................................................................. 87 第十章 其他分离过程 ............................................................................................... 94 第十一章 反应动力学基础 ..................................................................................... 104 第十二章 反应动力学的解析方法 ......................................................................... 111 第十三章 均相化学反应器 ..................................................................................... 123 第十四章 非均相化学反应器 ................................................................................. 136 第十五章 微生物反应器 ......................................................................................... 143第 II 篇 思考题 第一章 绪论 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第二章 质量衡算与能量衡算 ................................................... 错误！未定义书签。 第三章 流体流动 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第四章 热量传递 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第五章 质量传递 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第六章 沉降 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第七章 过滤 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第八章 吸收 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第九章 吸附 ............................................................................... 错误！未定义书签。4 第十章 其他分离过程 ............................................................. 错误！未定义书签。 第十一章 反应动力学基础 ....................................................... 错误！未定义书签。 第十二章 反应动力学的解析方法 ........................................... 错误！未定义书签。 第十三章 均相化学反应器 ....................................................... 错误！未定义书签。 第十四章 非均相化学反应器 ................................................... 错误！未定义书签。 第十五章 微生物反应器 ........................................................... 错误！未定义书签。第 III 篇 综合练习题 一、环境工程原理基础 ........................................................................................... 152 二、分离过程原理 ................................................................................................... 165 三、反应工程原理 ................................................................................................... 1775 第 I 篇 习题解答 第一章 绪论1.1 简要概述环境学科的发展历史及其学科体系。 解： 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一门独立的新兴学科。 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，因此目前有关环境学科的分支 学科还没有形成统一的划分方法。图 1-1 是环境学科的分科体系。环境科学 环境工程学 环境学科体系 环境生态学 环境规划与管理图 1-1 环境学科体系1.2 简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。 解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以 及工程学的方法， 研究环境污染控制理论、 技术、 措施和政策， 以改善环境质量， 保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展。 图 1-2 是环境工程学的学科体系。水质净化与水污染控制工程 空气净化与大气污染控制工程 固体废弃物处理处置与管理 环境净化与污染控制技术及原理 生态修复与构建技术及原理 环境工程学 清洁生产理论及技术原理 环境规划管理与环境系统工程 环境工程监测与环境质量评价 物理性污染控制工程 土壤净化与污染控制技术 废物资源化技术图 1-2环境工程学的学科体系6 1.3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？ 解：去除水中悬浮物的方法主要有：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、蒸发浓缩等。 上述方法对应的技术原理分别为：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、物理截留等、水与污染物的蒸发性差异。1.4 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？ 解：去除空气中挥发性有机物（VOCs）的主要技术有：物理吸收法、化学 吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。 上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化还 原反应、生物降解作用、燃烧反应。1.5 简述土壤污染可能带来的危害及其作用途径。 解：土壤污染的危害及其作用途径主要有以下几个方面：①通过雨水淋溶作 用,可能导致地下水和周围地表水体的污染;②污染土壤通过土壤颗粒物等形式能 直接或间接地为人或动物所吸入;③通过植物吸收而进入食物链,对食物链上的生 物产生毒害作用等。1.6 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？ 解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为“隔离技术”、 “分离技术”和“转化技术”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切 断污染物向周围环境的扩散，防止污染近一步扩大。分离技术是利用污染物与污 染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离， 从而达到 污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化 成无害物质或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。7 1.7 《环境工程原理》课程的任务是什么？ 解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化 与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与 管理和资源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、 自然资源的合理利用与保护工程、 生态修复与构建工程以及其它污染控制工程中 涉及到的具有共性的工程学基础、基本过程和现象以及污染控制装置的基本原 理，为相关的专业课程打下良好的理论基础。8 第二章 质量衡算与能量衡算 2.1 某室内空气中 O3 的浓度是 0.08× 10-6（体积分数） ，求： （1）在 1.013× 105Pa、25℃下，用 μg/m3 表示该浓度； （2）在大气压力为 0.83× 105Pa 和 15℃下，O3 的物质的量浓度为多少？ 解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等 由题，在所给条件下，1mol 空气混合物的体积为 V1＝V0? P0T1/ P1T0 ＝22.4L× 298K/273K ＝24.45L 所以 O3 浓度可以表示为 0.08× 10－6mol× 48g/mol× （24.45L）－1＝157.05μg/m3 （2）由题，在所给条件下，1mol 空气的体积为 V1＝V0? P0T1/ P1T0 =22.4L× 1.013× 105Pa× 288K/(0.83× 105Pa× 273K） ＝28.82L 所以 O3 的物质的量浓度为 0.08× 10－6mol/28.82L＝2.78× 10－9mol/L2.2 假设在 25℃和 1.013× 105Pa 的条件下， SO2 的平均测量浓度为 400μg/m3， 若允许值为 0.14× 10-6，问是否符合要求？ 解：由题，在所给条件下，将测量的 SO2 质量浓度换算成体积分数，即RT ?103 8.314 ? 298 ?103 ?A ? ? 400 ? 10?9 ? 0.15 ? 10?6 5 pM A 1.013 ?10 ? 64大于允许浓度，故不符合要求2.3 试将下列物理量换算为 SI 制单位： 质量：1.5kgf? s2/m= 密度：13.6g/cm3= kg kg/ m39 压力：35kgf/cm2= 4.7atm= 670mmHg= 功率：10 马力＝ 比热容：2Btu/(lb? H)= 3kcal/（kg? ℃）= 流量：2.5L/s= 表面张力：70dyn/cm= 5 kgf/m= 解： 质量：1.5kgf? s2/m=14.709975kgPa Pa Pa kW J/（kg? K） J/（kg? K） m3/h N/m N/m密度：13.6g/cm3=13.6× 103kg/ m3 压力：35kg/cm2=3.43245× 106Pa 4.7atm=4.762275× 105Pa 670mmHg=8.93244× 104Pa 功率：10 马力＝7.4569kW 比热容：2Btu/(lb? H)= 8.3736× 103J/（kg? K） 3kcal/（kg? ℃）=1.25604× 104J/（kg? K） 流量：2.5L/s=9m3/h 表面张力：70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m2.4 密度有时可以表示成温度的线性函数，如 ρ＝ρ0+At 式中：ρ――温度为 t 时的密度， lb/ft3； ρ0――温度为 t0 时的密度， lb/ft3。 t――温度，H。 如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中 A 的单位必须是什么？ 解：由题易得，A 的单位为 kg/（m3? K）10 2.5 一加热炉用空气（含 O2 0.21, N2 0.79）燃烧天然气（不含 O2 与 N2） 。分 析燃烧所得烟道气， 其组成的摩尔分数为 CO2 0.07， H2O 0.14， O2 0.056， N2 0.734。 求每通入 100m3、30℃的空气能产生多少 m3 烟道气？烟道气温度为 300℃，炉 内为常压。 解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为 衡算系统。以 N2 为衡算对象，烟道气中的 N2 全部来自空气。设产生烟道气体积 为 V2。根据质量衡算方程，有 0.79× P1V1/RT1＝0.734× P2V2/RT2 即 0.79× 100m3/303K＝0.734× V2/573K V2＝203.54m32.6 某一段河流上游流量为 36000m3/d，河水中污染物的浓度为 3.0mg/L。有 一支流流量为 10000 m3/d，其中污染物浓度为 30mg/L。假设完全混合。 （1）求下游的污染物浓度 （2）求每天有多少 kg 污染物质通过下游某一监测点。 解： （1）根据质量衡算方程，下游污染物浓度为?m ??1qV 1 ? ? 2qV 2qV 1 ? qV 2?3.0 ? 36000 ? 30 ?10000 mg / L ? 8.87mg / L 36000 ? 10000（2）每天通过下游测量点的污染物的质量为?m ? (qV 1 ? qV 2 ) ? 8.87 ? (36000 ? 10000) ?10?3 kg / d? 408.02kg / d2.7 某一湖泊的容积为 10× 106m3，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流 量为 50m3/s。一工厂以 5 m3/s 的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物， 浓度为 100mg/L。污染物降解反应速率常数为 0.25d－1。假设污染物在湖中充分 混合。求稳态时湖中污染物的浓度。 解：设稳态时湖中污染物浓度为 ? m ，则输出的浓度也为 ? m 则由质量衡算，得11 qm1 ? qm2 ? k ?V ? 0即 5× 100mg/L－（5＋50） ? m m3/s －10× 106× 0.25×? m m3/s＝0 解之得?m ＝5.96mg/L2.8 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。 解：设溪水中示踪剂的最低浓度为 ρ 则根据质量衡算方程，有 0.05ρ＝（3＋0.05）× 1.0 解之得 ρ＝61 mg/L 加入示踪剂的质量流量为 61× 0.05g/s＝3.05g/s2.9 假设某一城市上方的空气为一长宽均为 100 km、 高为 1.0 km 的空箱模型。 干净的空气以 4 m/s 的流速从一边流入。 假设某种空气污染物以 10.0 kg/s 的总排 放速率进入空箱，其降解反应速率常数为 0.20h－1。假设完全混合， （1）求稳态情况下的污染物浓度； （2）假设风速突然降低为 1m/s，估计 2h 以后污染物的浓度。 解： （1）设稳态下污染物的浓度为 ρ 则由质量衡算得 10.0kg/s－（0.20/3600）× ρ× 100× 100× 1× 109 m3/s －4× 100× 1× 106ρm3/s＝0 解之得12 ρ＝1.05× 10-2mg/m3 （2）设空箱的长宽均为 L，高度为 h，质量流量为 qm，风速为 u。 根据质量衡算方程qm1 ? qm 2 ? k ?V ? dm dt有qm ? uLh? ? k ? L2h ? d 2 ? L h? ? dt带入已知量，分离变量并积分，得?积分有36000dt ? ??1.05?10?2d? 10 ? 6.6 ?10-5 ?-6ρ＝1.15× 10-2mg/m32.10 某水池内有 1 m3 含总氮 20 mg/L 的污水，现用地表水进行置换，地表 水进入水池的流量为 10 m3/min，总氮含量为 2 mg/L，同时从水池中排出相同的 水量。假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为 5 mg/L 时，需要多少时间？ 解：设地表水中总氮浓度为 ρ0，池中总氮浓度为 ρ 由质量衡算，得qV ? 0 ? qV ? ? d ?V ? ? dt即dt ? 1 d? 10 ? (2 ? ? )积分，有? dt ? ?0t1 d? 20 10 ? (2 ? ? )5求得 t＝0.18 min13 2.11 有一装满水的储槽，直径 1m、高 3m。现由槽底部的小孔向外排水。小 孔的直径为 4cm，测得水流过小孔时的流速 u0 与槽内水面高度 z 的关系 u0＝0.62（2gz）0.5 试求放出 1m3 水所需的时间。 解：设储槽横截面积为 A1，小孔的面积为 A2 由题得 A2u0＝－dV/dt，即 u0＝－dz/dt×A1/A2 所以有－dz/dt× （100/4）2＝0.62（2gz）0.5即有 －226.55× z-0.5dz＝dt z0＝3m z1＝z0－1m3× （π×0.25m2）-1＝1.73m 积分计算得 t＝189.8s2.12给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中， 水和固体硫酸铝分别以 150kg/h 和 30kg/h 的流量加入搅拌 槽中，制成溶液后，以 120kg/h 的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处 均匀。开始时槽内预先已盛有 100kg 纯水。试计算 1h 后由槽中流出的溶液浓度。 解：设 t 时槽中的浓度为 ρ，dt 时间内的浓度变化为 dρ 由质量衡算方程，可得30 ? 120 ? ? d ??100 ? 60t ? ? ? ? dt ?时间也是变量，一下积分过程是否有误？ 30× dt＝（100＋60t）dC＋120Cdt 即 （30－120C）dt＝（100＋60t）dC 由题有初始条件 t＝0，C＝014 积分计算得： 当 t＝1h 时 C＝15.23％2.13 有一个 4× 3m2 的太阳能取暖器，太阳光的强度为 3000kJ/（m2? 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，衡算基准取为 1h。 输入取暖器的热量为 3000× 12× 50％ kJ/h＝18000 kJ/h 设取暖器的水升高的温度为（△T） ，水流热量变化率为 qmcp?T 根据热量衡算方程，有 18000 kJ/h ＝0.8× 60× 1× 4.183× △TkJ/h.K 解之得△T＝89.65K2.14 有一个总功率为 1000MW 的核反应堆， 其中 2/3 的能量被冷却水带走， 不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量为 100m3/s， 水温为 20℃。 （1）如果水温只允许上升 10℃，冷却水需要多大的流量； （2）如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少℃。 解：输入给冷却水的热量为 Q＝1000× 2/3MW＝667 MW （1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为 qV ，热量变化率为 qmcp?T 。 根据热量衡算定律，有 103× 4.183× 10 kJ/m3＝667× 103KW qV × Q＝15.94m3/s （2）由题，根据热量衡算方程，得15 3 100× 103× 4.183× △T kJ/m ＝667× 103KW△T＝1.59K16 第三章 流体流动3.1 如图 3-1 所示，直径为 10cm 的圆盘由轴带动在一平台上旋转，圆盘与 平台间充有厚度 δ=1.5mm 的油膜。当圆盘以 n=50r/min 旋转时，测得扭矩 M=2.94× 10-4 N? m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的黏度。图 3-1习题 3.1 图示解：在半径方向上取 dr，则有 dM＝dF? r 由题有 dF＝τ?dA? =? ?du dydA=? (r ? dr )2 ? ? r 2 ? 2? r ? drdu 2? nr = dy ?所以有dM=? du n 2? r ? dr ? r ? ? 4? 2 r 3dr dy ?两边积分计算得M=?? 2 n?r4代入数据得 2.94× 10－4N? m＝μ×（0.05m）4×π2 × （50/60）s /（1.5× 10－3m） 可得17 μ＝8.58× 10－3Pa? s3.2 常压、 20℃的空气稳定流过平板壁面， 在边界层厚度为 1.8mm 处的雷诺 数为 6.7× 104。求空气的外流速度。 解：设边界层厚度为 δ；空气密度为 ρ，空气流速为 u。 由题，因为湍流的临界雷诺数一般取 5× 105＞6.7× 104， 所以此流动为层流。对于层流层有?=同时又有4.641x Re x 0.5Re x =? xu ??? u ?两式合并有4.641 ? Re0.5 =即有 4.641× （6.7× 104）0.5＝u× 1× 103kg/m3× 1.8mm /（1.81× 10－5Pa? s） u＝0.012m/s3.3 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 34 m3/h。求提升水所需要的功率。设水的温度为 25℃。 解：设所需得功率为 Ne，污水密度为 ρ Ne＝Weqvρ＝（gΔz＋∑hf）qvρ =(9.81m/s2× 10m+4J/kg)× 1× 103kg/m3× 34/3600m3/s = 964.3W3.4 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 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18 能量损失可以忽略，管道中空气的密度为 1.2kg/m3，试求管道中的空气流量。图 3-2习题 3.4 图示解：在截面 1-1′和 2-2′之间列伯努利方程： u12/2＋p1/ρ＝u22/2＋p2/ρ 由题有 u2＝4u1 所以有 u12/2＋p1/ρ＝16u12/2＋p2/ρ 即 15 u12＝2×(p1- p2)/ρ =2×(ρ0-ρ)g(R1-R2)/ρ =2× （） kg/m3× 9.81m/s2× （0.1m－0.04m） /（1.2kg/m3） 解之得 u1＝8.09m/s 所以有 u2＝32.35m/s qv＝u1A＝8.09m/s×π×（200mm）2＝1.02m3/s3.5 如图 3-3 所示，有一直径为 1m 的高位水槽，其水面高于地面 8m，水从 内径为 100mm 的管道中流出， 管路出口高于地面 2m， 水流经系统的能量损失 （不 包括出口的能量损失）可按 ? h f ? 6.5u 2 计算，式中 u 为水在管内的流速，单位为 m/s。试计算19 （1）若水槽中水位不变，试计算水的流量； （2） 若高位水槽供水中断， 随水的出流高位槽液面下降， 试计算液面下降 1m 所需的时间。图 3-3习题 3.5 图示解： （1）以地面为基准，在截面 1-1′和 2-2′之间列伯努利方程，有 u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf 由题意得 p1＝p2，且 u1＝0 所以有 9.81m/s2× （8m－2m）＝u2/2＋6.5u2 解之得 u＝2.90m/s qv＝uA＝2.90m/s×π×0.01m2/4＝2.28× 10－2m3/s （2）由伯努利方程，有 u12/2＋gz1＝u22/2＋gz2＋Σhf 即 u12/2＋gz1＝7u22＋gz2 由题可得 u1/u2＝（0.1/1）2＝0.01 取微元时间 dt，以向下为正方向 则有 u1＝dz/dt 所以有20 （dz/dt）2/2＋gz1＝7（100dz/dt）2/2＋gz2积分解之得 t＝36.06s3.6 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； （2）管径增加一倍。 解：因为对于圆管层流流动的摩擦阻力，有?p f ?8?uml 32?uml ? r02 d2（1）当管长增加一倍时，流量不变，则阻力损失引起的压降增加 1 倍 （2）当管径增加一倍时，流量不变，则 um,2＝um,1/4 d2=2d1?p f ,2 = ?p f ,1 /16即压降变为原来的十六分之一。3.7 水在 20℃下层流流过内径为 13mm、长为 3m 的管道。若流经该管段的 压降为 21N/m2。求距管中心 5mm 处的流速为多少？又当管中心速度为 0.1m/s 时，压降为多少？ 解：设水的黏度 μ=1.0× 10-3Pa.s，管道中水流平均流速为 um 根据平均流速的定义得：? r04 dp f q 1 dp f 2 8? dl um = v ? ? ?? r0 2 A ? r0 8? dl所以?p f ? ? 8?uml r02代入数值得 21N/m2＝8× 1.0× 10-3Pa? s× um× 3m/（13mm/2）221 解之得 um＝3.7× 10－2m/s 又有 umax＝2 um 所以 u＝2um[1－（r/r0）2] （1）当 r＝5mm，且 r0＝6.5mm，代入上式得 u＝0.03m/s （2）umax＝2 um Δpf’＝ umax’/ umax? Δpf ＝0.1/0.074× 21N/m ＝28.38N/m3.8 温度为 20℃的水，以 2kg/h 的质量流量流过内径为 10mm 的水平圆管， 试求算流动充分发展以后： （1）流体在管截面中心处的流速和剪应力； （2）流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力 （3）壁面处的剪应力 解： （1）由题有 um＝qm/ρA ＝2/3600kg/s/（1× 103kg/m3×π×0.012m2/4） ＝7.07× 10－3m/sRe ? 4? um d ＝282.8＜2000 ?管内流动为层流，故 管截面中心处的流速 umax＝2 um＝1.415× 10－2m/s 管截面中心处的剪应力为 0 （2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：22 u＝umax（1－r2/r02） u1/2＝1.415× 10－2m/s× 3/4 ＝1.06× 10－2m/s 由剪应力的定义得du ?umr ?4 2 dr r0? ? ??流体在壁面距中心一半距离处的剪应力： τ1/2＝2μum/r0 ＝2.83× 10 3N/m2－（3）壁面处的剪应力： τ0＝2τ1/2＝5.66× 10－3N/m23.9 一锅炉通过内径为 3.5m 的烟囱排除烟气，排放量为 3.5× 105m3/h，在烟 气平均温度为 260℃时，其平均密度为 0.6 kg/m3，平均粘度为 2.8× 10－4Pa? s。大 气温度为 20℃，在烟囱高度范围内平均密度为 1.15 kg/m3。为克服煤灰阻力，烟 囱底部压力较地面大气压低 245 Pa。问此烟囱需要多高？假设粗糙度为 5mm。 解：设烟囱的高度为 h，由题可得 u＝qv/A＝10.11m/s Re＝duρ/μ＝7.58× 104 相对粗糙度为 ε/d＝5mm/3.5m＝1.429× 10－3 查表得 λ＝0.028 所以摩擦阻力? hf ? ?建立伯努利方程有h u2 d 2u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf 由题有 u1＝u2，p1＝p0－245Pa，p2＝p0－ρ 空 gh23 即 （ h× 1.15 kg/m3× 9.8m/s2 － 245Pa ） / （ 0.6kg/m3 ） ＝ h× 9.8m/s2 ＋ h× 0.028/3.5m× （10.11m/s）2/2 解之得 h＝47.64m3.10 用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图 3-4 所示。水塔和大气相通，池 和塔的水面高差为 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。泵出水管为两段管段串联，两段分别为 DN150、长 23m 和 DN100、 长 100 m，不同管径的管道经大小头相联，DN100 的管道上有 3 个 90° 弯头和一 个闸阀。泵和电机的总效率为 60％。要求水的流量为 140 m3/h，如果当地电费 为 0.46 元/（kW? h） ，问每天泵需要消耗多少电费？（水温为 25℃，管道视为光 滑管）图 3-4习题 3.10 图示解：由题，在进水口和出水口之间建立伯努利方程，有 We＝gh＋Σhf 25℃时，水的密度为 997.0kg/m3，粘度为 0.9× 10－3Pa? s 管径为 100mm 时， u＝4.95m/s Re＝duρ/μ＝5.48× 105，为湍流 为光滑管，查图，λ＝0.0224 管径为 150mm 时 u＝2.20m/s Re＝duρ/μ＝3.66× 105 管道为光滑管，查图，λ＝0.022 泵的进水口段的管件阻力系数分别为 吸滤底阀 δ＝1.5；90° 弯头 δ＝0.75；管入口 δ＝0. 5 Σhf1＝（1.5＋0.75× 2＋0.5＋0.022× 60/0.15）× （2.20m/s）2/2 ＝29.76m2/s2 泵的出水口段的管件阻力系数分别为 大小头 δ＝0.3；90° 弯头 δ＝0.75；闸阀 δ＝0.17；管出口 δ＝1 Σhf2＝(1＋0.75× 3＋0.3＋0.17＋0.02× 100/0.1)× (4.95m/s)2/2＋ (0.023× 23/0.15)× (2.20m/s)2/2 ＝299.13m2/s2 We＝gh＋Σhf =29.76m2/s2＋299.13m2/s2＋60m× 9.81m/s2＝917.49 m2/s2＝ 917.49J/kg WN＝（917.49J/kg/60％）× 140m3/h× 997.0kg/m3＝5.93× 104W 总消耗电费为 59.3kW× 0.46 元/（kW? h）× 24h/d＝654.55 元/d3.11 如图 3-5 所示，某厂计划建一水塔，将 20℃水分别送至第一、第二车 间的吸收塔中。 第一车间的吸收塔为常压， 第二车间的吸收塔内压力为 20kPa （表 压） 。总管内径为 50mm 钢管，管长为（30＋z0） ，通向两吸收塔的支管内径均为 20mm，管长分别为 28m 和 15m（以上各管长均已包括所有局部阻力当量长度在 内） 。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度为 0.2mm。现要求向第一车 间的吸收塔供应 1800kg/h 的水，向第二车间的吸收塔供应 2400kg/h 的水，试确 定水塔需距离地面至少多高？已知 20℃水的粘度为 1.0× 10－3 Pa? s， 摩擦系数可由? 式 ? ? 0.1? ??d ? 58 ? ? Re ?0.23计算。25 图 3-5 解：总管路的流速为习题 3.11 图示u0＝qm0/（ρπr2） ＝4200 kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.0252m2） ＝0.594m/s 第一车间的管路流速为 u1＝qm1/（ρπr2） ＝1800kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.012m2） ＝1.592m/s 第二车间的管路流速为 u2＝qm2/（ρπr2） ＝2400 kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.012m2） ＝2.122m/s 则 Re0＝duρ/μ＝29700 λ0＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0308 Re1＝duρ/μ＝31840 λ1＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.036 Re2＝duρ/μ＝42400 λ2＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0357 以车间一为控制单元，有伯努利方程26 u12/2＋gz1＋p1/ρ＋Σhf1＝gz0＋p0/ρ p1= 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× z0 解之得 z0＝10.09m 以车间二为控制单元，有伯努利方程 u22/2＋gz2＋p2/ρ＋Σhf2＝gz0＋p0/ρ （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× z0 解之得 z0＝13.91m 故水塔需距离地面 13.91m3.12 如图 3-6 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℃） 。已知管网压力为 0.8× 105Pa（表压） ，支管管径 均为 32mm， 摩擦系数 λ 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 20m、8m 和 13m（包括除阀门和管出口损失以外的所有局部损 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，求增压水泵的扬程。图 3-6习题 3.12 图示解： （1）假设二楼有水，并设流速为 u2，此时一楼的流速为 u1 以 AC 所在平面为基准面，在 A、C 断面之间建立伯努利方程，有27 uA2/2＋pA/ρ＝u12/2＋p1/ρ＋gz2＋ΣhfAC 因为 uA＝u1＝0；p1＝0 则有 pA/ρ＝ΣhfAC 在 A、D 断面之间建立伯努利方程，即 uA2/2＋pA/ρ＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋ΣhfAD uA＝u2＝0；p2＝0；z2＝3m pA/ρ＝ΣhfAD＋gz2 联立两式得 ΣhfBC＝ΣhfBD＋gz2 （3） （2） （1）（0.03× 8m/0.032m＋6.4＋1）× u12/2＝（0.03× 13m/0.032m＋6.4＋1）× u22/2＋ 3m× 9.8m/s2 所以有 u1min2/2＝1.97m2/s2 Σhfmin＝（0.03× 28m/0.032m＋6.4＋1）× u1min2/2＝67.28 m2/s2＜pA/ρ 所以二楼有水。 （2）当二楼出口流量为 0.2L/s 时，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 ＋ 3m× 9.8m/s2 可得 u1＝2.02m/s 此时 AB 段流速为 u0＝2.259m/s2 ΣhfAC＝0.03× 20m/0.032m× （2.259m/s） /2＋ （0.03× 8m/0.032m＋6.4＋1） × （2.02m/s） 2/2＝48.266 m2/s2＋30.399 m2/s2 ＝78.665 m2/s2 pA/ρ＝0.8× 105Pa/（998.2kg/m3）＝80.144 m2/s2 因为 ΣhfAC& pA/ρ28 所以不需要增压水泵。3.13 某管路中有一段并联管路，如图 3-7 所示。已知总管流量为 120L/s。支 管 A 的管径为 200mm， 长度为 1000m； 支管 B 分为两段， MO 段管径为 300mm， 长度为 900m，ON 段管径为 250mm，长度为 300m，各管路粗糙度均为 0.4mm。 试求各支管流量及 M、N 之间的阻力损失。图 3-7习题 3.13 图示解：由题，各支管粗糙度相同，且管径相近，可近似认为各支管的 λ 相等， 取 λ＝0.02。 将支管 A、MO、ON 段分别用下标 1、2、3 表示 对于并联管路，满足 hfA＝hfB，所以有?l1 u12 l u2 l u2 ?? 2 2 ?? 3 3 d1 2 d2 2 d3 2又因为 MO 和 ON 段串联，所以有 u2×d22＝u3×d32 联立上述两式，则有 44.16 u22 u1＝1.048u2 又 qV＝u1πd12/4＋u2πd22/4 解之得 u2＝1.158m/s，u1＝1.214m/s qVA＝u1πd12/4＝38.14L/s qVB＝u2πd22/4＝81.86L/s hFmn＝λ×l1×u12/2d1＝73.69m2/s229 3.14 由水塔向车间供水，水塔水位不变。送水管径为 50mm，管路总长为 l， 水塔水面与送水管出口间的垂直距离为 H，流量为 qv。因用水量增加 50％，需 对管路进行改装。有如下不同建议： （1）将管路换为内径 75mm 的管子； （2）在原管路上并联一长 l/2、内径为 50mm 的管子，其一端接到原管线中 点； （3）增加一根与原管子平行的长为 l、内径为 25mm 的管； （4）增加一根与原管子平行的长为 l、内径为 50mm 的管； 试对这些建议作出评价，是否可用？ 假设在各种情况下摩擦系数变化不大，局部阻力可以忽略。 解：由题可得 改造前的 Σhf 为 Σhf＝λ? l? u2/2d 当改造后的 Σhf’＞Σhf 时，改造不合理 （1）d’＝3/2d u’＝1.5/1.52u＝2/3u Σhf’＝λ?l?u’2/2d’＝8Σhf/27改造可行 （2）对于前半段， u’1＝1.5×u/2＝3u/4 Σhf’1＝λ?lu’12/（2×2d）＝9/32Σhf对于后半段 u’2＝3/2u Σhf’2＝λ?l? u’22/（2×2d）＝9/8Σhf显然有 Σhf’＞ Σhf 改造不可行30 （3）由题可得，平行管内的阻力损失相等。 所以有方程组 d’1＝d/2 u’1×d’12＋u2×d2＝（3 u /2）×d2 λ?l?u’12/ d’12＝λ?l?u’22/2 d 解之可得 u’2＝（48－6 2 ）u /31＞u Σhf’＝λ?l?u’22/2 d＞ Σhf 即改造不可行 （4）由题有 u’1＝u’2 且有 u’1＋u’2＝3/2u 即有 u’1＝u’2＝3/4u Σhf’＝λ?l u’12/2 d＝9/16Σhf所以改造可行。3.15 在内径为 0.3m 的管中心装一毕托管，用来测量气体流量。气体温度为 40℃，压力为 101.3kPa，粘度为 2× 10－5Pa? s，气体的平均相对分子质量为 60。在 同一管道截面测得毕托管的最大度数为 30mmH2O。问此时管道中气体的流量为 多少？ 解：由题，气体的密度为 ρ＝PM/RT ＝101.3× 103× 60× 10－3/（8.314× 313） ＝2.336（kg/m3） 取 C＝1 umax＝2 gR( ?0 ? ? )?＝15.85m/s31 Remax＝dumaxρ/μ＝5.55× 105 查图有 u/umax＝0.86 所以有 qv＝u?πd2/4 ＝0.96m3/s3.16 一转子流量计，其转子材料为铝。出厂时用 20℃，压力为 0.1MPa 的 空气标定， 得转子高度为 100mm 时， 流量为 10m3/h。 今将该流量计用于测量 50℃， 压力为 0.15MPa 下的氯气。问在同一高度下流量为多少？ 解：由理想气体方程可得 ρ＝PM/RT 所以有 20℃，0.1M 空气的密度 ρ0=0.1× 106× 28.95× 10－3/（8.314× 293）＝1.188（kg/m3） 50℃，0.15M 氯气的密度 ρ=0.15× 106× 70.91× 10－3/（8.314× 323）＝3.96（kg/m3） 又因为有?0 ? ? f ? ? ? qV ＝0.547 ? qV 0 ? ? ? f ? ?0 ?qv＝10m3/s× 0.547＝5.47m3/s32 第四章 热量传递4.1 用平板法测定材料的导热系数，即在平板的一侧用电加热器加热，另一 侧以冷水通过夹层将热量移走，同时板的两侧由热电偶测量其表面温度，电热器 流经平板的热量为电热器消耗的功率。 设某材料的加热面积 A 为 0.02m2， 厚度 b 为 0.01m，当电热器的电流和电压分别为 2.8A 和 140V 时，板两侧的温度分别为 300℃和 100℃；当电热器的电流和电压分别为 2.28A 和 114V 时，板两侧的温度 分别为 200℃和 50℃。如果该材料的导热系数与温度的关系为线性关系，即? ? ?0 (1 ? aT) ，式中 T 的单位为℃。试确定导热系数与温度关系的表达式。解：设电热器的电流和电压为 I 和 U，流经平板的热量流量为 Q。 由题有 Q＝UI 且有Q?? A ? ?Tb对于薄板，取 db 厚度，有Q?? A ? dTdb又因为导热系数与温度存在线性关系，所以有Q??0 (1 ? aT ) A ? dTdb分别对 db 和 dT 进行积分得Q 1 b? ? ?0 (1 ? aT ) 2 ? C A 2a分别取边界条件，则得Q a b ? ?0 [(T2 ? T1 ) ? (T2 2 ? T12 )] A 2根据题目所给条件，联立方程组2.8 A ?140V a ? 0.01m ? ?0 [(300℃ ? 100℃) ? (300℃2 ? 100℃2 )] 2 0.02m 2 2.28 A ?114V a ? 0.01m ? ?0 [(200℃ ? 50℃) ? (200℃2 ? 50℃2 )] 2 0.02m 2解之得33 a＝2.24× 10-3K－1 λ0＝0.677W/（m? K） 因此，导热系数与温度的关系式为 λ＝0.677（1+2.24× 10-3T）4.2 某平壁材料的导热系数 ? ? ?0 (1 ? aT) W/(m? K)， T 的单位为℃。若已 知通过平壁的热通量为 q W/m2，平壁内表面的温度为 T1 。试求平壁内的温度分 布。 解：由题意，根据傅立叶定律有 q＝－λ?dT/dy 即 q＝－λ0（1＋αT）dT/dy 分离变量并积分?TT1?0 (1 ? aT )dT ? ?? qdy0y?0 (T1 ? T ) ?整理得a?0 2 (T1 ? T 2 ) ? qy 2a?0T 2 ? 2?0T ? 2?0 (T1 ? T12 ) ? 2qy ? 0此即温度分布方程4.3 某燃烧炉的炉壁由 500mm 厚的耐火砖、380mm 厚的绝热砖及 250mm 厚的普通砖砌成。其 λ 值依次为 1.40 W/(m? K)，0.10 W/(m? K)及 0.92 W/(m? K)。 传热面积 A 为 1m2。已知耐火砖内壁温度为 1000℃，普通砖外壁温度为 50℃。 （1）单位面积热通量及层与层之间温度； （2）若耐火砖与绝热砖之间有一 2cm 的空气层，其热传导系数为 0.0459 W/(m? ℃)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？ 解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为 r1、r2、r3。 （1）由题易得 r1 ＝b 0.5m ＝0.357 m2? K/W 1.4Wm ?1K ?1?＝r2＝3.8 m2? K/W34 r3＝0.272? m2 K /W 所以有 q＝ 由题 T1＝1000℃ T2＝T1－QR1 ＝923.4℃ T3＝T1－Q（R1＋R2） ＝108.3℃ T4＝50℃ （2）由题，增加的热阻为 r’＝0.436 m2? K/W q＝ΔT/（r1＋r2＋r3＋r’） ＝195.3W/m2?T ＝214.5W/m2 r1 ? r2 ? r34.4 某一 Φ60 mm× 3mm 的铝复合管， 其导热系数为 45 W/(m? K)， 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/(m? K)和 0.04 W/(m? K)。试求 （1）如已知管内壁温度为-105℃，软木外侧温度为 5℃，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℃，则此时每 米管长的冷损失量为多少？ 解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为 rm1、rm2、rm3。 由题有 rm1＝3 mm＝28.47mm 30 ln 27 30 rm2＝ mm＝43.28mm 60 ln 3035 rm3＝30 mm＝73.99mm 90 ln 60b3（1）R/L＝ ＝2??1rm1b1?2??2rm 2b2?2??3rm33 30 30 K ? m/W ? K ? m/W ? K ? m/W 2? ? 45 ? 28.47 2? ? 0.15 ? 43.28 2? ? 0.04 ? 73.99＝3.73× 10－4K? m/W＋0.735K? m/W＋1.613K? m/W ＝2.348K? m/W Q/L＝?T ＝46.84W/m R/L（2）R/L＝ ＝2??1rm1b1?2??2rm 2b2?2??3rm3b33 30 30 W ? m/K ? W ? m/K ? W ? m/K 2? ? 45 ? 28.47 2? ? 0.04 ? 43.28 2? ? 0.15 ? 73.99＝3.73× 10－4K? m /W＋2.758K? m /W＋0.430K? m /W ＝3.189K? m /W Q/L＝?T ＝34.50W/m R/L4.5 某加热炉为一厚度为 10mm 的钢制圆筒，内衬厚度为 250mm 的耐火砖， 外包一层厚度为 250mm 的保温材料，耐火砖、钢板和保温材料的导热系数分别 为 0.38 W/ （m? K） 、 45 W/ （m? K） 和 0.10 W/ （m? K） 。 钢板的允许工作温度为 400℃。 已知外界大气温度为 35℃，大气一侧的对流传热系数为 10 W/（m2? K） ；炉内热 气体温度为 600℃，内侧对流传热系数为 100 W/（m2? K） 。试通过计算确定炉体 设计是否合理； 若不合理， 提出改进措施并说明理由。 （补充条件： 有效管径 2.0m） 解：设由耐火砖内侧表面和保温材料外测表面的面积分别为 A1 和 A4，耐火 砖、钢筒和保温材料的对数平均面积分别为 Am1 、Am2 、Am3。钢板内侧温度为 T。稳态条件下，由题意得：600 ? 35 600 ? T ＝ 1 b1 b2 b3 1 1 b1 ? ? ? ? ? a1 ? A1 ?1 ? Am1 ?2 ? Am2 ?3 ? Am3 a 2 ? A4 a1 ? A1 ?1 ? Am1（因为钢板内侧温度较高，所以应该以内侧温度不超过 400℃为合理） 有效管径 R=2.0 m36 带入已知条件，解得 T＝463.5℃&400℃ 计算结果表明该设计不合理 改进措施： 1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板； 2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。4.6 水以 1m/s 的速度在长为 3m 的 φ25×2.5mm 管内，由 20℃加热到 40℃。 试求水与管壁之间的对流传热系数。 解：由题，取平均水温 30℃以确定水的物理性质。d＝0.020 m，u＝1 m/s， ρ＝995.7 kg/m3，μ＝80.07× 10-5 Pa? s。Re ? du ???0.020 ?1? 995.7 ? 2.49 ?104 ?5 80.07 ?10流动状态为湍流Pr ??C p 80.07 ?10?5 ? 4.174 ?103 ? ? 5.41 ? 0.61760.023? ? 4.59 ?103W /(m2 ? K ) d ? Re0.8 ? Pr 0.4所以得??4.7 用内径为 27mm 的管子，将空气从 10℃加热到 100℃，空气流量为 250kg/h，管外侧用 120℃的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。 解： 以平均温度 55℃查空气的物性常数， 得 λ＝0.0287W/ （m? K） ， μ＝1.99× 10－5Pa? s，cp＝1.005kJ/（kg? K） ，ρ＝1.077kg/m3 由题意，得 u＝Q/（ρA）＝112.62m/s Re＝duρ/μ＝0.027× 112.62× 1.077/（1.99× 10－5）＝1.65× 105 所以流动为湍流。 Pr＝μcp/λ＝（1.99× 10－5）× 1.005/0. α＝0.023? λ/d? Re0.8? Pr0.4 ＝315.88W/（m2? K）37 ΔT2＝110K，ΔT1＝20K ΔTm＝（ΔT2－ΔT1）/ln（ΔT2/ΔT1） ＝（110K－20K）/ln（110/20） ＝52.79K 由热量守恒可得 απdLΔTm＝qmhcphΔTh L＝qmcphΔTh/（απdΔTm） ＝ 250kg/h× 1.005kJ/ （ kg? K ） × 90K/ ［ 315.88W/ （m2? K）? π? 0.027m? 52.79K］ ＝4.44m4.8 某流体通过内径为 50mm 的圆管时，雷诺数 Re 为 1× 105，对流传热系数 为 100 W /（m2? K） 。若改用周长与圆管相同、高与宽之比等于 1：3 的矩形扁管， 流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少？ 解：由题，该流动为湍流。0.023? 0.8 0.4 Re ? Pr d ?1 0.023?1d 2 Re10.8 ? Pr10.4 ? ? 2 0.023?2d1 Re20.8 ? Pr20.4??因为为同种流体，且流速不变，所以有?1 Re10.8 ? d2 ? ? 2 Re20.8 ? d1由 Re ? 可得du ???1 d10.8 ? d2 d ? 0.8 ? ( 2 )0.2 ? 2 d2 ? d1 d1矩形管的高为 19.635mm，宽为 58.905mm，计算当量直径，得d2＝29.452mm?2 ? (d1 0.2 50 0.2 ) ? ?1 ? ( ) ?100W /(m2 ? K ) ? 111.17W /(m2 ? K ) d2 29.45238 4.9 在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为 φ19×2mm 的钢管内流动，水 的对流传热系数为 3490 W/（m2? K） ，煤油的对流传热系数为 458 W/（m2? K） 。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.? K/W 和 0.00026m2? K/W，管壁的导热系数为 45 W/（m? K） 。试求 （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。 解： （1）将钢管视为薄管壁 则有1 1 b 1 ? ? ? ? rs1 ? rs 2 K ?1 ? ? 2 1 0.002 2 1 m 2 ? K/W ? m ? K/W ? m 2 ? K/W ? 0.00026m 2 ? K/W ? 0. ? K/W
? 2.95 ? 10?3 m 2 ? K/W ?K＝338.9W/（m2? K） （2）产生污垢后增加的热阻百分比为?100% 1 ? rs1 ? rs 2 K 0.176 ? 0.26 ? ?100% ? 17.34% 2.95 ? 0.176 ? 0.26注：如不视为薄管壁，将有 5％左右的数值误差。rs1 ? rs 24.10 在套管换热器中用冷水将 100℃的热水冷却到 50℃， 热水的质量流量为 3500kg/h。冷却水在直径为 φ180×10mm 的管内流动，温度从 20℃升至 30℃。已 知基于管外表面的总传热系数为 2320 W/（m2? K） 。若忽略热损失，且近似认为 冷水和热水的比热相等，均为 4.18 kJ/（kg? K）.试求 （1）冷却水的用量； （2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。 解： （1）由热量守恒可得 qmccpcΔTc＝qmhcphΔTh qmc＝3500kg/h× 50℃/10℃＝17500kg/h39 （2）并流时有 ΔT2＝80K，ΔT1＝20K?Tm ? ?T2 ? ?T1 80 K ? 20 K ? ? 43.28K ?T 80 ln ln 2 20 ?T1由热量守恒可得 KAΔTm＝qmhcphΔTh 即 KπdLΔTm＝qmhcphΔThL?逆流时有qmhc ph ?Th K? d ?Tm?3500kg / h ? 4.18kJ /(kg ? K ) ? 50K ? 3.58m 2320W /(m2 ? K ) ? ? ? 0.18m ? 43.28KΔT2＝70K，ΔT1＝30K?Tm ? ?T2 ? ?T1 70 K ? 30 K ? ? 47.21K ?T2 70 ln ln 30 ?T1同上得L?qmhc ph ?Th K? d ?Tm?3500kg / h ? 4.18kJ /(kg ? K ) ? 50K ? 3.28m 2320W /(m2 ? K ) ? ? ? 0.18m ? 47.21K比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.11 列管式换热器由 19 根 φ19×2mm、长为 1.2m 的钢管组成，拟用冷水将 质量流量为 350kg/h 的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分 别为 15℃和 35℃。已知基于管外表面的总传热系数为 700 W/（m2? K） ，试计算 该换热器能否满足要求。 解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为 100℃。饱和水蒸 气的潜热 L＝2258.4kJ/kg ΔT2＝85K，ΔT1＝65K?Tm ? ?T2 ? ?T1 85K ? 65K ? ? 74.55K ?T2 85 ln ln 65 ?T140 由热量守恒可得 KAΔTm＝qmL 即A? qm L 350kg / h ? 2258.4kJ / kg ? ? 4.21m2 2 K ?Tm 700W /(m ? K ) ? 74.55K列管式换热器的换热面积为 A 总＝19×19mm×π×1.2m ＝1.36m2＜4.21m2 故不满足要求。4.12 火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为 13.2μm。若将火星看作一个 黑体，试求火星的温度为多少？ 解：由 λmT＝2.9× 10－3 得T ?2.9 ?10?3?m2.9 ?10?3 ? ? 219.70K 13.2 ?10?64.13 若将一外径 70mm、长 3m、外表温度为 227℃的钢管放置于： （1）很大的红砖屋内，砖墙壁温度为 27℃； （2）截面为 0.3× 0.3m2 的砖槽内，砖壁温度为 27℃。 试求此管的辐射热损失。 （假设管子两端的辐射损失可忽略不计）补充条件： 钢管和砖槽的黑度分别为 0.8 和 0.93 解： （1）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有 φ1－2＝1，C1－2＝ε1C0，ε1＝0.8 Q1－2＝ε1C0 A（T14－T24）/1004 ＝0.8× 5.67W/（m2? K4）×3m×0.07m×π×（04K4）/1004 ＝1.63× 103W （2）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有 φ1－2＝1 C1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] Q1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] A（T14－T24）/1004 ＝5.67W/ （m2 ? K4） [1/0.8＋ （3×0.07×π/0.3×0.3×3） （1/0.93－1） ]×3m×0.07m×π×41 （04K4）/1004 ＝1.42× 103W4.14 一个水加热器的表面温度为 80℃，表面积为 2m2，房间内表面温度为 20℃。将其看成一个黑体，试求因辐射而引起的能量损失。 解：由题，应满足以下等式Q1?2 ? C1?2?1?2 A(T14 ? T24 ) 1004且有 φ1－2＝1；A＝A1；C1－2＝C0×ε1 又有 A1＝2m2；ε1＝1 所以有Q1?2 ? C0 A1 (T14 ? T24 ) 5.67 ? 2 ? (3534 ? 2934 ) ? ? 925.04W 42 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 0.1× 106pa、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 0.1× 106Pa 、 298K 的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为 DAB ＝ 2.50× 10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸气的传质通量、传质分系数及浓度分布。 解：由题得，298K 下水蒸气饱和蒸气压为 3.1684× 103Pa，则 pA,i＝3.1684× 103Pa，pA,0＝0pB,m ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 - pB,i? 0.9841 ? 105Pa（1） 稳态扩散时水蒸气的传质通量：NA ? DAB p ? pA,i - pA,0 ? RTpB ,m L ? 1.62 ? 10?4 mol ? cm 2 ? s ?（2） 传质分系数：kG ?（3）由题有NA ? 5.11 ? 10?8 mol ? cm2 ? s ? Pa ? ? pA,i ? pA,0 ?? 1 ? y A,0 ? 1 ? y A ? ?1 ? y A,i ? ? ? 1? y ? ? A,i ? ?zLyA,i＝3..031684 yA,0＝0 简化得yA ? 1 ? 0.z)5.2 在总压为 2.026× 105Pa、温度为 298K 的条件下，组分 A 和 B 进行等分 子反向扩散。当组分 A 在两端点处的分压分别为 pA,1 ＝ 0.4× 105Pa 和 pA,2 ＝ 0.1× 105Pa 时， 由实验测得 k0G＝1.26× 10-8kmol/(m2? s? Pa)， 试估算在同样的条件下， 组分 A 通过停滞组分 B 的传质系数 kG 以及传质通量 NA。 解：由题有，等分子反向扩散时的传质通量为43 0 0 NA ? kG ? pA,1 ? pA,2 ? ?DAB ? pA,1 ? pA,2 ? RTLDAB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTpB ,m L单向扩散时的传质通量为N A ? kG ? pA,1 ? p A,2 ? ?所以有0 N A ? kG ? pA,1 ? pA,2 ?p pB,m又有pB,m ?即可得ln ? pB,2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 1.75 ?105Pa0 kG ? kGp pB ,m=1.44× 10-5mol/(m2? s? Pa)N A ? kG ? p A,1 ? p A,2 ? ? 0.44 mol ? m 2 ? s ?5.3 浅盘中装有清水，其深度为 5mm，水的分子依靠分子扩散方式逐渐蒸发 到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚 4mm、温度为 30℃的静止空气层，空气层以外的空气中水蒸气的分压为零。分 子扩散系数 DAB＝0.11m2/h.水温可视为与空气相同。 当地大气压力为 1.01× 105Pa。 解：由题，水的蒸发可视为单向扩散NA ? DAB p ? p A,i ? pA,0 ? RTpB ,m z30℃下的水饱和蒸气压为 4.2474× 103Pa ，水的密度为 995.7kg/m3 故水的物质的量浓度为 995.7 × 103/18＝0.5532× 105mol/m3 30℃时的分子扩散系数为 DAB＝0.11m2/h pA,i＝4.2474× 103Pa ，pA,0＝044 pB,m ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 ? pB,i? 0.9886 ? 105Pa又有 NA＝c 水 V/(A? t)(4mm 的静止空气层厚度认为不变) 所以有 c 水 V/(A? t)＝DABp(pA,i－pA,0)/(RTpB,m z) 可得 t＝5.8h 故需 5.8 小时才可完全蒸发。5.4 内径为 30mm 的量筒中装有水，水温为 298K，周围空气温度为 30℃， 压力为 1.01× 105Pa，空气中水蒸气含量很低，可忽略不计。量筒中水面到上沿的 距离为 10mm，假设在此空间中空气静止，在量筒口上空气流动，可以把蒸发出 的水蒸气很快带走。试问经过 2d 后，量筒中的水面降低多少？查表得 298K 时 水在空气中的分子扩散系数为 0.26× 10-4m2/s。 解： 由题有， 25℃下的水饱和蒸气压为 3.1684× 103Pa， 水的密度为 995.7kg/m3 故水的物质的量浓度 c 水为 995.7× 103/18＝0.5532× 105mol/m3 30℃时的分子扩散系数为 DAB＝D0(T/T0)1.75＝0.26× 10-4m2/s× (303/298)1.75＝2.6768× 10-5m2/s pA,i＝3.1684× 103Pa，pA,0＝0 pB,m＝(pB,0－pB,i)/ln(pB,0/pB,i)＝0.99737× 105Pa 又有 NA＝c 水 dV/(A? dt)＝c 水 dz/dt 所以有 c 水 dz/dt＝DABp(pA,i－pA,0)/(RT pB,m z) 分离变量，取边界条件 t1＝0，z1＝z0＝0.01 及 t2＝2d, z2＝z，积分有?可得 z＝0.0177mz0.01zdz ? ?2?24?3600DAB p( pa,i ? pa ,0 ) RTpB,mc水0dtΔz＝z－z0＝0.0077m＝7.7mm5.5 一填料塔在大气压和 295K 下，用清水吸收氨－空气混合物中的氨。传45 质阻力可以认为集中在 1mm 厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为 6.6× 103N/m2。水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数 为 0.236× 10-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。 解：设 pB,1,pB,2 分别为氨在相界面和气相主体的分压，pB,m 为相界面和气相 主体间的对数平均分压 由题意得：pB,m ?ln ? pB,2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 0.9PaNA ?D AB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTp B,m L? ?6.57 ? 10?2 mol ? m 2 ? s ?5.6 一直径为 2m 的贮槽中装有质量分数为 0.1 的氨水，因疏忽没有加盖， 则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为 5mm 的静止空气层。在 1.01× 105Pa、293K 下，氨的分子扩散系数为 1.8× 10-5m2/s，计算 12h 中氨的挥发 损 失 量 。 计 算 中 不 考 虑 氨 水 浓 度 的 变 化 ， 氨 在 20℃ 时 的 相 平 衡 关 系 为 P=2.69× 105x(Pa)，x 为摩尔分数。 解：由题，设溶液质量为 a g 氨的物质的量为 0.1a/17mol 总物质的量为(0.9a/18＋0.1a/17)mol 所以有氨的摩尔分数为 x ?0.1a 17 ? 0.a 18 ? 0.1a 17故有氨的平衡分压为 p＝0.1053× 2.69× 105Pa＝0.2832× 105Pa 即有 pA,i＝0.2832× 105Pa，PA0＝0pB,m ?所以NA ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 ? pB,i? 0.PaD AB p ? p A,i ? p A,0 ? RTp B,m L? 4.91 ? 10?2 mol ? m 2 ? s ?46 n=N A ?? d24? t ? 6.66 ?103mol5.7 在温度为 25℃、压力为 1.013× 105Pa 下，一个原始直径为 0.1cm 的氧气 泡浸没于搅动着的纯水中，7min 后，气泡直径减小为 0.054cm，试求系统的传质 系数。水中氧气的饱和浓度为 1.5× 10-3mol/L。 解：对氧气进行质量衡算，有－cA,GdV/dt＝k(cA,s－cA)A即 dr/dt＝－k(cA,s－cA)/cA,G 由题有 cA,s＝1.5× 10-3mol/L cA＝0 cA,G＝p/RT＝1.013× 105/(8.314× 298)mol/m3＝40.89mol/m3 所以有 dr＝－0.03668k× dt 根据边界条件 t1＝0，r1＝5× 10-4m t2＝420s，r2＝2.7× 10-4m 积分，解得 k＝1.49× 10-5m/s5.8 溴粒在搅拌下迅速溶解于水，3min 后，测得溶液浓度为 50％饱和度， 试求系统的传质系数。 假设液相主体浓度均匀， 单位溶液体积的溴粒表面积为 a， 初始水中溴含量为 0，溴粒表面处饱和浓度为 cA,S。 解：设溴粒的表面积为 A，溶液体积为 V，对溴进行质量衡算,有 d(VcA)/dt＝k(cA,S－cA)A 因为 a＝A/V，则有 dcA/dt＝ka（cA,S－cA）47 对上式进行积分，由初始条件，t＝0 时，cA＝0，得 cA/cAS＝1－e-kat 所以有? cA ? ?1 ? 0.5 ? ?3 ?1 ka= ? t ?1 ln ? 1 ? 1? ? ? 3.85 ? 10 s ? c ? ? ? ? ?180s ? ln ? 1 ? ? A,S ? ?5.9 在稳态下气体 A 和 B 混合物进行稳态扩散，总压力为 1.013× 105Pa、温 度为 278K。气相主体与扩散界面 S 之间的垂直距离为 0.1m，两平面上的分压分 别为 PA1=1.34× 104Pa 和 PA2=0.67× 104Pa。混合物的扩散系数为 1.85× 10-5m2/s，试 计算以下条件下组分 A 和 B 的传质通量，并对所得的结果加以分析。 （1）组分 B 不能穿过平面 S； （2）组分 A 和 B 都能穿过平面 S。 解： （1）由题，当组分 B 不能穿过平面 S 时，可视为 A 的单向扩散。pB,1＝p－pA,1＝87.9kPa pB,2＝p－pA,2＝94.6kPapB,m ?ln ? pB2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 0.PaDAB＝1.85× 10-5m2/sNA ? D AB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTp B,m L ? 5.96 ? 10?4 mol ? m 2 ? s ?（2）由题，当组分 A 和 B 都能穿过平面 S，可视为等分子反向扩散NA ?DAB ? pA,1 ? pA,2 ? RTL? 5.36 ?10?4 mol ? m2 ? s ?可见在相同条件下，单向扩散的通量要大于等分子反向扩散。48 第六章 沉降 6.1 直径 60μm 的石英颗粒，密度为 2600kg/m3，求在常压下，其在 20℃的 水中和 20℃的空气中的沉降速度（已知该条件下，水的密度为 998.2kg/m3，黏 度为 1.005× 10-3Pa? s；空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。 解： （1）在水中 假设颗粒的沉降处于层流区，由式（6.2.6）得：ut?6 ? P ? ? ? gd P 2 ? 2600 ? 998.2 ? ? 9.81? ? 60 ?10 ? ? ? ? 218?18 ?1.005 ?10?3? 3.13 ?10?3 m/s检验： ReP ?d Put ???60 ?10?6 ? 3.13 ?10?3 ? 998.2 ? 0.186 ? 2 1.005 ?10?3位于在层流区，与假设相符，计算正确。 （2）在空气中 应用 K 判据法，得K? d P3 g ? ? ? P ? ? ??2? 60 ?10 ? ? 9.81?1.205 ? 2600 ? 20.3 ? 36 ? ?1.81?10 ??6 3 ?5 2所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：ut? ? ? ? ? gd P 2 ? P18??2600 ? 9.81? ? 60 ?10?6 ? 18 ?1.81?10?52? 0.28 m/s6.2 密度为 2650kg/m3 的球形颗粒在 20℃的空气中自由沉降，计算符合斯托 克斯公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径（已知空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。 解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，则颗粒直径最大时， ReP ?d P ut ???2所以 ut ? 2 所以 d p ?? ? ? ? ? gd P ? ，同时 ut ? P dP ? 18?232 ?18? 2 ，代入数值，解得 d p ? 7.22 ?10?5 m ? ??p ? ? ? g49 同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，则颗粒直径最小时， ReP ?d P ut ??? 1000所以 ut ? 1000? ，同时 ut ? 1.74 dP ???p? ? ? gd p?所以 d p ? 32.3 3?2 ，代入数值，解得 d p ? 1.51?10?3 m ? ??p ? ? ?6.3 粒径为 76μm 的油珠（不挥发，可视为刚性）在 20℃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℃时，水的密度为 998.2kg/m3 ， 黏 度 为 1.005× 10-3Pa? s ； 空 气 的 密 度 为 1.205kg/m3 ， 黏 度 为 1.81× 10-5Pa? s。求： （1）油的密度； （2）相同的油珠注入 20℃水中，20s 内油珠运动的距离。 解： （1）油珠在空气中自由沉降的速度为 ut ? L / s ? 2.7 / 20 ? 0.135m / s 假设油珠在空气中自由沉降位于层流区，由斯托克斯公式ut ???p? ? ?gd p 18?2?p ?18?ut gd p2?? ?18 ? 1.81? 10?5 ? 0.135 9.81? 76 ? 10d put ???6 2?? 1.205 ? 777.4kg/m3检验油珠的雷诺数为 Re p ? 属于层流区，计算正确。??76 ?10?6 ? 0.135 ?1.205 ? 0.68 ? 2 1.81?10?5（2）假设油珠在水中自由上浮位于层流区，由斯托克斯公式ut? ? ? ? ? gd ?p2 p18??? 998.2 ? 777.4? ? 9.81? ? 76 ?10?6 ?18 ?1.005 ?10?32? 6.92 ?10?4 m/s?4计算油珠的雷诺数 Re p ?d put ??? 76 ?10 ? ? 6.92 ?10 ??6? 998.21.005 ?10?3? 0.052 ? 2属于层流区，假设正确，所以油珠在水中运动的距离为L ? ut t ? 6.92?10?4 ? 20 ? 0.0138 m50 6.4 容器中盛有密度为 890kg/m3 的油，黏度为 0.32Pa? s，深度为 80cm，如果 将密度为 2650kg/m3、直径为 5mm 的小球投入容器中，每隔 3s 投一个，则： （1）如果油是静止的，则容器中最多有几个小球同时下降？ （2）如果油以 0.05m/s 的速度向上运动，则最多有几个小球同时下降？ 解： （1）首先求小球在油中的沉降速度，假设沉降位于斯托克斯区，则ut?3 ? P ? ? ? gd P 2 ? 2650 ? 890 ? ? 9.81? ? 5 ?10 ? ? ? ? 218?18 ? 0.32? 7.49 ?10?2 m/s检验 Re p ?d put ???5 ?10?3 ? 7.49 ?10?2 ? 890 ? 1.04 ? 2 0.32沉降速度计算正确。 小球在 3s 内下降的距离为 7.49 ?10?2 ? 3 ? 22.47 ?10?2 m?80 ?10 ? / ? 22.47 ?10 ? ? 3.56?2 ?2所以最多有 4 个小球同时下降。 （2）以上所求得的小球的沉降速度是小球与油的相对速度，当油静止时， 也就是相对于容器的速度。当油以 0.05m/s 的速度向上运动，小球与油的相对速 度仍然是 ut ? 7.49 ?10?2 m/s，但是小球与容器的相对速度为 u ' ? 2.49 ?10?2 m/s 所以，小球在 3s 内下降的距离为 2.49 ?10?2 ? 3 ? 7.47 ?10?2 m?80 ?10 ? / ? 7.47 ?10 ? ? 10.7?2 ?2所以最多有 11 个小球同时下降。6.5 设颗粒的沉降符合斯托克斯定律，颗粒的初速度为零，试推导颗粒的沉 降速度与降落时间的关系。现有颗粒密度为 1600kg/m3，直径为 0.18mm 的小球， 在 20℃的水中自由沉降，试求小球加速到沉降速度的 99%所需要的时间以及在 这段时间内下降的距离（已知水的密度为 998.2kg/m3，黏度为 1.005× 10-3Pa? s） 。 解： （1）对颗粒在水中的运动做受力分析F ? Fg ? Fb ? FD ??6d p3 ? p g ??6d p 3 ? g ? 3?? d pu51 所以，( ? p ? ? ) g 18? u du F F ? ? ? ? 2 dt m ? d 3 ? ?p dp ?p p p 6t ut对上式积分得， ? dt ? ?00du ( ? p ? ? ) g 18?u ? 2 ?p dp ?p18 ?? u 得t ? ? ln ?1 ? 18? ? ututd p2 ? p? 2 t ? ? ? dp ?p ? ? ，其中 Ut 为终端沉降速度， 或 u ? u 1 ? e ? t ? ? ? ? ?2?? ?p? ? ? gd p 2 18???1600 ? 998.2 ? ? 9.81? ? 0.18 ?10?3 ?18 ?1.005 ?10?3? 1.06 ?10?2 m/s检验 Re p ?ut d p ???1.06 ?10?2 ? 0.18 ?10?3 ? 998.2 ? 1.9 ? 2 ，符合题意， 1.005 ?10?3所以小球加速到沉降速度 99%的时间为? u t?? ln ?1 ? 18? ? utd p2 ? p0.18 ?10?3 ? ?1600 ? ? ln ?1 ? 0.99 ? ? 1.32 ?10?2 s ??? ?3 18 ? 1.005 ? 10 ?218 ? ? 2 t ? ? dL dp ?p ? （2）由 u ? ? ut ?1 ? e ? ? dt ? ?18 ? ? d 2? ? 2 t ? ? dp ?p ? ? dt ? ut ?t ? p p 所以 L ? ut ? 1 ? e 0? ? 18? ? ? ? ? t? t ? ? d18 ?? 2 p ?p ?e ? 1? ? ? ?? ? ???3 ? ? ? 18?1.005?210 ?1.32?10?2 ? ? ?3 2 ? 3 ? 0.18 ?10 ? ?1600 ? e ?0.18?10 ? ?1600 ? ?? L ? 1.06 ?10?2 ? ?1.32 ?10?2 ? ? 1? ? ? 1.1?10?4 m ?3 ? 18 ?1.005 ?10 ? ?? ? ? ?? ?6.6 落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃筒组成，将被测液体装入玻璃筒， 然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间，即可以计算出液体黏度。现在已知 钢球直径为 10mm，密度为 7900 kg/m3，待测某液体的密度为 1300 kg/m3，钢球 在液体中下落 200mm，所用的时间为 9.02s，试求该液体的黏度。 解：钢球在液体中的沉降速度为 ut ? L / s ? 200 ?10?3 / 9.02 ? 0.022 m/s 假设钢球的沉降符合斯托克斯公式，则52 ?? ??p? ? ? gd p 2 18ut?? 7900 ? 1300 ? ? 9.81? ?10 ?10?3 ?18 ? 0.0222s ? 16.35 Pa?检验： Re p ?ut d p ???0.022 ?10 ?10?3 ?1300 ? 0.017 ? 2 ，假设正确。 16.356.7 降尘室是从气体中除去固体颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有 一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除，如下图 所示。现用降尘室分离气体中的粉尘（密度为 4500kg/m3） ，操作条件是：气体 体积流量为 6m3/s，密度为 0.6kg/m3，黏度为 3.0× 10-5Pa? s，降尘室高 2m，宽 2m， 长 5m。求能被完全去除的最小尘粒的直径。含尘气体ui净化气体ut降尘室图 6-1习题 6.7 图示解：设降尘室长为 l，宽为 b，高为 h，则颗粒的停留时间为 t停 ? l / ui ，沉降 时间为 t沉 ? h / ut ，当 t停 ? t沉 时，颗粒可以从气体中完全去除， t停 ? t沉 对应的是 能够去除的最小颗粒，即 l / ui ? h / ut 因为 ui ?qV hu hq q 6 ? 0.6 m/s ，所以 ut ? i ? V ? V ? hb l lhb lb 5 ? 2假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得d p min ? 18?ut 18 ? 3 ?10?5 ? 0.6 ? ? 8.57 ?10?5 m ? 85.7 μm 9.81? ? 4500 ? 0.6 ? g ??p ? ? ?检验雷诺数Re p ?d put ???8.57 ?10?5 ? 0.6 ? 0.6 ? 1.03 ? 2 ，在层流区。 3 ?10?5所以可以去除的最小颗粒直径为 85.7μm53 6.8 采用平流式沉砂池去除污水中粒径较大的颗粒。如果颗粒的平均密度为 2240kg/m3，沉淀池有效水深为 1.2m，水力停留时间为 1min，求能够去除的颗粒 最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水的物性参数为密度 1000kg/m3，黏度 为 1.2 × 10-3Pa? s） 。 解：能够去除的颗粒的最小沉降速度为 ut ? h / t沉 ? 1.2 / 60 ? 0.02 m/s 假设沉降符合斯克托斯公式，则 ut ? 所以 d P ?18?ut ? ? ?P ? ? ? g? ?P ? ? ? gd P 218?18 ?1.2 ?10?3 ? 0.02 ? 1.88 ?10?4 m ? 2240 ? 1000 ? ? 9.81检验 Re p ?d put ??1.88 ?10?4 ? 0.02 ?1000 ? ? 3.13 ? 2 ，假设错误。 1.2 ?10?3假设沉降符合艾伦公式，则 ut ? 0.27 所dp ? 1 ut1 ? ? ?1 0.27 2 ? ? p ? ? ? g? ? P ? ? ? gd P Re0.6 p?以?00?1 2????3 0??????????2??4.m..检验 Re p ?d put ??2.12 ?10?4 ? 0.02 ?1000 ? ? 3.5 ，在艾伦区，假设正确。 1.2 ?10?3所以能够去除的颗粒最小粒径为 2.12× 10-4m。6.9质量流量为 1.1kg/s 、温度为 20℃的常压含尘气体，尘粒密度为1800kg/m3，需要除尘并预热至 400℃，现在用底面积为 65m2 的降尘室除尘，试 问 （1）先除尘后预热，可以除去的最小颗粒直径为多少？ （2）先预热后除尘，可以除去的最小颗粒直径是多少？如果达到与（1）相 同的去除颗粒最小直径，空气的质量流量为多少？ （3）欲取得更好的除尘效果，应如何对降尘室进行改造？54 （假设空气压力不变，20℃空气的密度为 1.2kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s，400℃ 黏度为 3.31× 10-5Pa? s。 ）1.1 ? 0.917m 3 /s ， 降尘室的底面积为 65m2 1.2 q 0.917 ? 0.0141m/s 所以，可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 ut ? V ? A 65解： （1） 预热前空气体积流量为 qV ?假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为d p ,min ? 18?u t 18 ? 1.81? 10?5 ? 0.0141 ? ? 1.61? 10?5 m ? 16.1μm ?? p ? ? ?g ?? ? 9.81检验雷诺数Re p ?? d put 1.2 ?1.61?10?5 ? 0.0141 ? ? 0.015 ? 2 假设正确 ? 1.81?10?5（2）预热后空气的密度和流量变化为293 1.1 ? 0.522 kg/m 3 ，体积流量为 qV ? ? 2.11m3 /s 273 ? 400 0.522 qV 2.11 ? ? 0.0325m/s 可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 ut ? A 65? ? 1.2 ?同样假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为d p ,min ? 18?u t 18 ? 3.31? 10?5 ? 0.0325 ? ? 3.31? 10?5 m ? 33.1μm ?? p ? ? ?g ?? ? 9.81检验雷诺数? d put 0.522 ? 3.31?10?5 ? 0.0325 Re p ? ? ? 0.017 ? 2 假设正确 ? 3.31?10?5d p ? 16.1μm 的颗粒在 400℃空气中的沉降速度为ut ???p? ? ?gd p 18?22 ? ? ? 9.81? ?1.61? 10?5 ? ?18? 3.31? 10?5? 0.00768 m/s要将颗粒全部除去，气体流量为 qV ? Aut ? 65? 0.00768 ? 0.5m3/skg/s 质量流量为 0.5 ? 0.522 ? 0.261（3）参考答案：将降尘室分层，增加降尘室的底面积，可以取得更好的除 尘效果。55 6.10 用多层降尘室除尘， 已知降尘室总高 4m， 每层高 0.2m， 长 4m， 宽 2m， 欲处理的含尘气体密度为 1 kg/m3，黏度为 3× 10-5Pa? s，尘粒密度为 3000 kg/m3， 要求完全去除的最小颗粒直径为 20μm，求降尘室最大处理的气体流量。 解：假设颗粒沉降位于斯托克顿区，则颗粒的沉降速度为ut?? ?p? ? ? gd p 2 18??? 3000 ? 1? ? 9.81? ? 20 ?10?6 ?18 ? 3 ?10?52? 0.0218m/s检验 Re p ?? d put 1? 2.0 ?10?5 ? 0.0218 ? ? 0.0145 ? 2 ，假设正确 ? 3 ?10?5降尘室总沉降面积为 A ? 20 ? 4 ? 2 ? 160 m2 所以最大处理流量为 qV ? Aut ? 160 ? 0.0218 ? 3.488 m3/s6.11 用与例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含粉尘空气的 温度为 200℃，体积流量为 3800 m3/h，粉尘密度为 2290 kg/m3，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℃空气的密度为 0.746 kg/m3，黏度为 2.60× 10-5 Pa? s） 。 解：标准旋风分离器进口宽度 B ? D / 4 ? 0.65 / 4 ? 0.1625 m， 进口高度 hi ? D / 2 ? 0.65/ 2 ? 0.325 m， 进口气速 ui ? qV / Bhi ? ?? / ?0.1625 ? 0.325? ? 19.99 m/s 所以分离粉尘的临界直径为dc ? 9? B 9 ? 2.60 ?10?5 ? 0.1625 ? ? 7.27 ?10?6 m=7.27μm ? ui ? p N 3.14 ?19.99 ? 2290 ? 56.12 体积流量为 1m3/s 的 20℃常压含尘空气， 固体颗粒的密度为 1800 kg/m3 （空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。则 （1）用底面积为 60m2 的降尘室除尘，能够完全去除的最小颗粒直径是多 少？ （2）用直径为 600mm 的标准旋风分离器除尘，离心分离因数、临界直径和 分割直径是多少？56 解： （1）能完全去除的颗粒沉降速度为ut ? qV 1 ? ? 0.0167 m/s A 60假设沉降符合斯托克斯公式，能够完全去除的最小颗粒直径为d p ,min ? 18?ut 18 ?1.81?10?5 ? 0.0167 ? ? 1.76 ?10?5 m ? 17.6μm ?1800 ? 1.205? ? 9.81 ??p ? ? ? g检验： Re p ?? d put 1.205 ?1.76 ?10?5 ? 0.0167 ? ? 0.064 ? 2 ，假设正确。 ? 1.81?10?5（2）标准旋风分离器 进口宽度 B ? D / 4 ? 0.6 / 4 ? 0.15 m，进口高度 hi ? D / 2 ? 0.6 / 2 ? 0.3 m，进口 气速 ui ? qV / Bhi ? 1/ ? 0.15 ? 0.3? ? 22.22 m/s 分离因数 K c ?ui2 ui2 22.222 ? ? ? 224 gr g D ? B 9.81? 0.6 ? 0.375 29? B 9 ?1.81?10?5 ? 0.15 ? ? 6.24 ?10?6 m=6.24μm ? ui ? p N 3.14 ? 22.22 ?1800 ? 5临界粒径 dc ? 分割直径?D 1.81?10?5 ? 0.6 d50 ? 0.27 ? 0.27 ? ? 4.45 ?10?6 m=4.45μm ? p ui 1800 ? 22.226.13 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}
“三同时”制度
排污收费制度 新五项：环境保护目标责任制制度、城市环境综合治
理定量考核制度 排污许可证制度 污染集中控制制度 污染限期治理制度 34. 排污许可证制度 排污许可证制度是指凡是需要向环境排放各种污染物的单位或个人,都必须事先向环境保护部门办理申领排污许可证手续,经环境保护部门批准后获得排污许可证后方能向环境排放污染物的制度。 35. 环境监察
环境监察是指环境监察部门受环境行政管理部门的委托，依法在环境现场履行环境行政职能，进行监督处理的执法活动。突出的是“现场”和“处理”两个概念 36. 中国环境保护的三大基本政策 预防为主、防治结合；谁污染、谁治理；强化环境管理 37. 环境管理政策主要有哪些？
⑴命令型和控制型的政策方法： 法律手段： 中国的资源环境保护法律体系：《宪法》是制定其他环境保护法律法规的基础，《中华人民共和国环境保护法》是中国环境保护的基本法，环境保护单行法，环境保护条例和部门规章，环境标准以及我国缔结或参加的有关保护环境资源的国际条约、国际公约。 行政手段： 主要是以制定行政控制措施为主要内容的法律法规和相应的环境标准，以强制实施的方式，来实现国家确定的环境保护要求，因此是一种典型命令型和控制型的环境管理手段。主要有环境标准、行政审批或许可证、环境监测处罚、环境影响评价和其他手段。 ⑵经济型和激励型的政策方法： 经济手段： 现行经济手段包括排污收费制度、减免税制度、补贴政策、贷款优惠政策。 宣传教育手段： 发挥政府在环境宣传教育中的主导作用； 特别注意对我国重点地区和重点人群的特殊环境宣传和教育； 注重非政府环境保护组织的参与； 加大新闻媒体的宣传报道； 加强相关政策和法律法规的建设。 科学技术手段： 对政府是指国家建立合理的制度，制定有关的法律法规，鼓励科研人员积极提高环境保护的科学技术工作，鼓励有利于环境保护的科技成果的应用； 对企业是企业采用先进的清洁生产工艺和技术，减少或消除废弃物的排放；应用产业生态学和循环经济的理念和方法构建循环经济体系；尝试和创造适合于工农服务业的先进管理体系和技术； 对公众应尽可能支持有利于环境保护的科学技术及产品的推广。 ⑶鼓励型和自愿型的政策方法： 环境信息公开： 环境信息公开可以从政府、企业和公众三个环境管理主体来进行。 政府：环境几个环境要素的基本状况信息；对环境产生影响的活动信息；政府为保护和改善环境而采取的措施和活动。 企业：根据政府要求公开的信息和企业自愿公开的信息。 公众和非政府组织环境信息公开 环境信息公开作为一种政府、企业和公众共同参与环境管理的手段，为扩大公众的知情权、参与权和监督权，督促企业加强环境管理、提高资源利用和治污水平，及促进法治政府、公开政府的建立起到了重要作用。 环境绩效管理： 环境绩效是组织通过一系列环境管理措施或生态保护措施所取得的环境改善的成效。环境绩效管理，就是以改善和提高各组织的环境绩效为目标的一种环境管理方法。实际上是对环境信息的二次加工，其成果是对政府、企业和公众环境行为的评价。 企业：根据ISO14000标准进行自主管理；企业和政府之间的协商管理 38. 环境管理的实证方法有哪些？ 包括实验、调查问卷、案例研究、实地研究、无干扰文本分析等在内的实证研究方法。 39. 环境影响评价制度 概念：指在某地区进行可能影响环境的工程建设，在规划或其他活动之前，对其活动可能造成的周围地区环境影响进行调查、预测和评价，并提出防治环境污染和破坏的对策，以及制定相应方案。 是有关EIA的范围、内容、程序和法律后果等事项的一套法定规则。包括两个方面，建设项目环评和规划环评。 ? 处罚：规定了规划编制机关、规划审批机关、建设单位、建设项目审批单位、环评机构、环评审批机关和主管机关违反《环评法》所要承担的行政责任和刑事责任。 ? 发展：1979法律确认，2003EIA法，2009规划环境影响条例。 制度的产生 ?美国1936年《防洪法》通过，大型工程，费用效益分析，经济效益 ?环境问题的关注，1969年《国家环境政策法》提出环境影响评价制度 ?瑞典、澳大利亚于1969年、1974年在环境保护法中规定了环境影响评价制度 ?其他国家纷纷效法美国的做法，规定了环境影响评价制度。 中国的情况 ? 1979年《环境保护法（试行）》 ? 1986年《建设项目环境保护管理办法》 ? 1998年《建设项目环境保护管理条例》 ? 2002年《中华人民共和国环境影响评价法》，自2003年9 月1日起实施 ? 2009《规划环境影响条例》 ? 其他相关的环境保护法律都对环境影响评价做出原则性规定 《环境影响评价法》 ?结构 第一章总则 第二章规划的环境影响评价 第三章建设项目的环境影响评价 第四章法律责任 第五章附则 40. 环境影响评价的基本程序 环境影响评价的程序，一般是：①由开发者首先进行环境调查和综合预测（有的委托专门顾问机构或大学、科研单位进行），提出环境影响报告书。②公布报告书，广泛听取公众和专家的意见。对于不同意见，有的国家规定要举行“公众意见听证会”。③根据专家和公众意见，对方案进行必要的修改。④主管当局最后审批 41. “三同时”制度 内容：根据我国《环境保护法》第26条规定：“建设项目中防治污染的措施，必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用。防治污染的设施必须经原审批环境影响报告书的环保部门验收合格后，该建设项目方可投入生产或者使用。”这一规定在我国环境立法中通称为“三同时”制度 特点：提出时间1973，先于环境行政机构的建立，是我国独创的环境管理制度，贯彻“预防为主”的环境政策。 42. 排污收费制度 概念：是重要的运用经济手段控制污染的一项制度。能够为进一步消除污染和加快技术进步提供持续不断的压力。体现污染者负担原则。也就是“谁污染谁治理”政策的体现。 提出：1978年提出，1979法律确认 发展趋势 （1）由超标收费转向排污收费，实行“排污收费、超标罚款” （2）部分收费项目由浓度收费转向总量与浓度收费相结合的收费形式 （3）单因子收费转向多因子收费 （4）收费标准设计转向高于污染治理成本 制度特点：收支两条线、专款专用、强制执行 43. 水环境管理的发展趋势 从单项规划向流域综合性和系统性的规划转变 从偏重水资源规划向水资源、水环境与水生态综合规划的转变 从重视工程方案向综合政策、管理的流域综合管理模式转变 社会经济系统被逐步纳入流域环境规划的分析框架之中 生态管理与流域分析思想在研究中逐步得到深入 模型集成、系统优化、GIS应用是目前的热点 44. TMDL概念 TMDLs（Total Maximum Daily Loads）为最大日负荷总量，是在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量。TMDL 计划由美国环保局于1972 年《清洁水法》中提出，该计划的目标之一就是将可分配的污染负荷分配到各个污染源（包括点源和非点源），同时要考虑安全临界值和季节性变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准。
TMDL计划包括污染负荷在点源和非点源之间的分配，同时还要考虑安全临界值和季节性的变化。TMDL计划的总目标是识别具体的污染区域和污染来源，并且对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和数量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划。TMDL计划的执行过程包括：识别水质受限制的水体，按优先顺序确定水质指标，最大日负荷总量的确定及分配，执行控制措施，评价水质控制措施。随着TMDL计划的实施，在实际中存在一些迫切解决的问题：TMDL计划应与其他控制管理措施相结合，有效地控制水体污染的恶化；TMDL计划需要进行成本一效益定量评估及技术与制度上可行性评价，选取社会效益最大的执行标准和实施方案；TMDL计划中的公众参与；不同类型水体实施TMDL计划，确保水质安全；TMDL计划的执行情况评估体系等也在进行相关的研究。
1制定TMDL计划
针对一个特定的目标水体，制定TMDL计划采用的方法通常包括以下5个步骤：①主要污染物的筛选；②目标水体同化容量的估算；③通过各种途径排入目标水体的污染物的总量的估算；④水体污染的预测性分析，确定水体允许的污染负荷总量；⑤在保证水体达到水质标准的前提下，同时考虑安全临界值，将水体允许的污染负荷分配到各个污染源。 45. 超级基金法全称，定义 美国《综合环境反应、赔偿和责任法》(Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act)是美国针对危险物质不当处置引起的土壤污染和自然资源损害进行的联邦环境立法，该法案因其中的环保超级基金而闻名，因此，通常又被称为超级基金法。 46. 德国固废二元回收体系的特点，回收的固废类型？ 这个题大家再看一下，PPT上没有多少内容 德国固废二元回收体系是生产商和销售商为享受《包装条例》规定的免除义务政策而组建的非盈利性质非政府组织，
“送”和“取”两大回收系统 ? “取”系统（Kerbside System）――黄色垃圾桶/袋：轻包装 ? “送”系统（Bring System）――回收站：如玻璃类包装 绿点费用的征收立足于：材料、重量、体积、塑料最高，玻璃最低 47. 我国公众参与环境管理的主要渠道 被动参与渠道（以EIA公众参与为例） 1、参与问卷调查 2、座谈会和论证会 3、听证会 主动参与渠道 1、组织环境保护项目 2、信息披露：媒体监督；特殊渠道的意见反映，如网络（个人博客、BBS），或写举报信等等(P93)；非政府组织的环境报告 3、环境诉讼 4、环境信访 5、集会游行示威 48. 企业环境管理的主要方法有哪些？ 常见的企业环境管理方法有： 1、绿色营销：绿色营销是用生态、环境的理念和方法对企业传统的营销方式进行变革和创新，如在广告中处理强调产品的高性能，还要强调产品的无污染和节能。更进一步，采取诸如以租代售、以旧换新等销售方式。
阅读：210页阅读材料 2、企业环境信息公开/企业环境报告：（课本92页、213页） 企业环境信息公开：被动公开、主动公开。 企业环境报告：企业环境信息公开的有效方式。企业在日常核算的基础上，提供给政府、环保部门、管理者、职工、消费者、公众等信息使用者的有关企业环境行为和环境绩效的书面年度报告。它反映了企业在经营活动中产生的环境影响，以及为了减轻和消除负面环境影响而进行的努力和成果。 3、环境绩效、环境会计、环境审计：（课本94、100、101页） 环境绩效：企业在生产经营活动中在环境保护方面取得的成效。是对企业环境信息的评价。 环境会计：利用会计手段标识企业环境信息和环境绩效的一种方式。传统会计没有把环境支出和收益纳入其核算体系，没有提供企业生态效益方面的信息。企业同过实施环境会计核算系统，收集本企业与环境有关的费用，支出以及由此环境行为带来的环境收益与经济效益等数据信息，通过确认与计量，以环境会计报告书的形式对上述三方公布，给政府，投资者、公众的行为施加影响，并进而对企业的运营产生影响。 环境审计：由相对独立的审计人员，对企业用会计信息反映的与环境有关的经济活动进行监督、鉴别和评价。 4、生态工业园/产业共生体系/产业生态学 产业生态学：将工业生态系统与生物生态系统概念进行类比，设想一个工业生态系统可以像一个自然生态系统那样循环，并且也有类似的食物链，大部分物质会在系统内循环，同时尽可能少地利用外部资源补给系统内不可避免的能量耗散。研究这样工业生态系统的学说叫“产业生态学”或“工业生态学”。这些相互关联的不同产业称为产业共生体系。在地域上可能聚集的形成特定地域共同体，称为生态工业园。 核心理论：工业代谢，以产业生态系统的物质流和能量流为研究视角，建立物质和能量结算表，揭示产业活动中纯物质的数量和质量规模，展示构成产业活动全部物质和能量流的过程与规律 5、环境管理体系/ISO14000 同49题答案 49. 什么是ISO14000标准环境管理体系？ 老师说此题是重点，所以我就不在此叙述了，《环境管理学》P214，大家好好学习一下吧~ 就是一个以“组织”为单位，以标准体系的形式规范和约束组织活动，特别是在产业活动方面的环境管理体系。 包含总结汇报、人文社科、旅游景点、党团工作、资格考试、办公文档、教程攻略、专业文献、考试资料以及环境工程原理总结等内容。本文共3页
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固体废物处理与处置
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iframe(src='//www.googletagmanager.com/ns.html?id=GTM-T947SH', height='0', width='0', style='display: visibility:')环境工程原理习题集060813-完整答案_学霸学习网
环境工程原理习题集060813-完整答案
“十五”国家级规划教材《环境工程原理》配套教材环境工程原理习题集胡洪营 黄霞 张旭 等编著高等教育出版社 2006年8月1 内容提要本书是“十五”国家级规划教材《环境工程原理》的配套教材，内容包括习题 解答、思考题和综合练习题 3 部分。习题解答部分对《环境工程原理》教材中的 习题进行了较为详细的解答， 其主要目的是训练学生的基本设计计算能力并为学 生自学提供参考；思考题部分的主要目的是加强学生对基本概念、基本原理和基 本过程的理解； 综合习题部分的主要目的是训练学生的知识综合应用能力和解决 问题的能力。 本教材适用于环境工程、 环境科学、 给水排水工程以及其他相关专业本科生， 也可作为相关专业研究生参考书。2 前言《环境工程原理习题解答》是“十五”国家级规划教材《环境工程原理》的配 套教材。“环境工程原理”课程是教育部“高等学校环境工程教学指导委员会”规定 的高等学校环境工程专业新的核心课程。 《环境工程原理》教材是与该课程配套 的国内第一本本科教材， 由清华大学从事“环境工程原理”课程教学的一线教师在 讲义的基础上编写而成，已经于 2005 年 8 月由高等教育出版社正式出版。 “环境工程原理”课程自 2003 年在清华大学首次开设以来，开设该课程的院 校逐步增加。 《环境工程原理习题解答》是为了适应日益增长的“环境工程原理” 课程教学需要而编写的。本教材适用于环境工程、环境科学、给水排水工程及其 它相关专业本科生， 也可作为研究生参考。 也可作为研究生考试的复习参考资料。 本教材的主要内容包括以下三部分， 所用符号与 《环境工程原理》 教材相同： 第一篇： 《环境工程原理》教材各章后的习题解答（参考答案） 第二篇：思考题 第三篇：综合练习题 本教材第一篇和第二篇的主要编写人员如下： 第一章、第十一章～第十五章 ：胡洪营、吴乾元、王丽莎 第二章～第五章 第六章～第十章 第三篇的编写人员为： 一、环境工程原理基础：张 二、分离工程原理 三、反应工程原理 ：黄 旭 霞 ：张 ：黄 旭、王 霞、刘 灿、陆松柳 春：胡洪营高等教育出版社的陈文副编审、陈海柳编辑为该教材的出版付出了大量心 血。在此对参与、支持和关心该教材编写工作的老师、同学表示衷心感谢！ 由于编者的知识水平有限，加之时间仓促，不妥和错误之处在所难免，欢迎 读者批评指正。 编者 2006 年 8 月 于清华园3 目 录第 I 篇 习题解答 第一章 绪论 ................................................................................................................. 6 第二章 质量衡算与能量衡算 ..................................................................................... 9 第三章 流体流动 ....................................................................................................... 17 第四章 热量传递 ....................................................................................................... 33 第五章 质量传递 ....................................................................................................... 43 第六章 沉降 ............................................................................................................... 49 第七章 过滤 ............................................................................................................... 61 第八章 吸收 ............................................................................................................. 73 第九章 吸附 ............................................................................................................. 87 第十章 其他分离过程 ............................................................................................... 94 第十一章 反应动力学基础 ..................................................................................... 104 第十二章 反应动力学的解析方法 ......................................................................... 111 第十三章 均相化学反应器 ..................................................................................... 123 第十四章 非均相化学反应器 ................................................................................. 136 第十五章 微生物反应器 ......................................................................................... 143第 II 篇 思考题 第一章 绪论 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第二章 质量衡算与能量衡算 ................................................... 错误！未定义书签。 第三章 流体流动 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第四章 热量传递 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第五章 质量传递 ....................................................................... 错误！未定义书签。 第六章 沉降 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第七章 过滤 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第八章 吸收 ............................................................................... 错误！未定义书签。 第九章 吸附 ............................................................................... 错误！未定义书签。4 第十章 其他分离过程 ............................................................. 错误！未定义书签。 第十一章 反应动力学基础 ....................................................... 错误！未定义书签。 第十二章 反应动力学的解析方法 ........................................... 错误！未定义书签。 第十三章 均相化学反应器 ....................................................... 错误！未定义书签。 第十四章 非均相化学反应器 ................................................... 错误！未定义书签。 第十五章 微生物反应器 ........................................................... 错误！未定义书签。第 III 篇 综合练习题 一、环境工程原理基础 ........................................................................................... 152 二、分离过程原理 ................................................................................................... 165 三、反应工程原理 ................................................................................................... 1775 第 I 篇 习题解答 第一章 绪论1.1 简要概述环境学科的发展历史及其学科体系。 解： 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一门独立的新兴学科。 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，因此目前有关环境学科的分支 学科还没有形成统一的划分方法。图 1-1 是环境学科的分科体系。环境科学 环境工程学 环境学科体系 环境生态学 环境规划与管理图 1-1 环境学科体系1.2 简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。 解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以 及工程学的方法， 研究环境污染控制理论、 技术、 措施和政策， 以改善环境质量， 保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展。 图 1-2 是环境工程学的学科体系。水质净化与水污染控制工程 空气净化与大气污染控制工程 固体废弃物处理处置与管理 环境净化与污染控制技术及原理 生态修复与构建技术及原理 环境工程学 清洁生产理论及技术原理 环境规划管理与环境系统工程 环境工程监测与环境质量评价 物理性污染控制工程 土壤净化与污染控制技术 废物资源化技术图 1-2环境工程学的学科体系6 1.3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？ 解：去除水中悬浮物的方法主要有：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、蒸发浓缩等。 上述方法对应的技术原理分别为：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、物理截留等、水与污染物的蒸发性差异。1.4 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？ 解：去除空气中挥发性有机物（VOCs）的主要技术有：物理吸收法、化学 吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。 上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化还 原反应、生物降解作用、燃烧反应。1.5 简述土壤污染可能带来的危害及其作用途径。 解：土壤污染的危害及其作用途径主要有以下几个方面：①通过雨水淋溶作 用,可能导致地下水和周围地表水体的污染;②污染土壤通过土壤颗粒物等形式能 直接或间接地为人或动物所吸入;③通过植物吸收而进入食物链,对食物链上的生 物产生毒害作用等。1.6 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？ 解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为“隔离技术”、 “分离技术”和“转化技术”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切 断污染物向周围环境的扩散，防止污染近一步扩大。分离技术是利用污染物与污 染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离， 从而达到 污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化 成无害物质或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。7 1.7 《环境工程原理》课程的任务是什么？ 解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化 与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与 管理和资源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、 自然资源的合理利用与保护工程、 生态修复与构建工程以及其它污染控制工程中 涉及到的具有共性的工程学基础、基本过程和现象以及污染控制装置的基本原 理，为相关的专业课程打下良好的理论基础。8 第二章 质量衡算与能量衡算 2.1 某室内空气中 O3 的浓度是 0.08× 10-6（体积分数） ，求： （1）在 1.013× 105Pa、25℃下，用 μg/m3 表示该浓度； （2）在大气压力为 0.83× 105Pa 和 15℃下，O3 的物质的量浓度为多少？ 解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等 由题，在所给条件下，1mol 空气混合物的体积为 V1＝V0? P0T1/ P1T0 ＝22.4L× 298K/273K ＝24.45L 所以 O3 浓度可以表示为 0.08× 10－6mol× 48g/mol× （24.45L）－1＝157.05μg/m3 （2）由题，在所给条件下，1mol 空气的体积为 V1＝V0? P0T1/ P1T0 =22.4L× 1.013× 105Pa× 288K/(0.83× 105Pa× 273K） ＝28.82L 所以 O3 的物质的量浓度为 0.08× 10－6mol/28.82L＝2.78× 10－9mol/L2.2 假设在 25℃和 1.013× 105Pa 的条件下， SO2 的平均测量浓度为 400μg/m3， 若允许值为 0.14× 10-6，问是否符合要求？ 解：由题，在所给条件下，将测量的 SO2 质量浓度换算成体积分数，即RT ?103 8.314 ? 298 ?103 ?A ? ? 400 ? 10?9 ? 0.15 ? 10?6 5 pM A 1.013 ?10 ? 64大于允许浓度，故不符合要求2.3 试将下列物理量换算为 SI 制单位： 质量：1.5kgf? s2/m= 密度：13.6g/cm3= kg kg/ m39 压力：35kgf/cm2= 4.7atm= 670mmHg= 功率：10 马力＝ 比热容：2Btu/(lb? H)= 3kcal/（kg? ℃）= 流量：2.5L/s= 表面张力：70dyn/cm= 5 kgf/m= 解： 质量：1.5kgf? s2/m=14.709975kgPa Pa Pa kW J/（kg? K） J/（kg? K） m3/h N/m N/m密度：13.6g/cm3=13.6× 103kg/ m3 压力：35kg/cm2=3.43245× 106Pa 4.7atm=4.762275× 105Pa 670mmHg=8.93244× 104Pa 功率：10 马力＝7.4569kW 比热容：2Btu/(lb? H)= 8.3736× 103J/（kg? K） 3kcal/（kg? ℃）=1.25604× 104J/（kg? K） 流量：2.5L/s=9m3/h 表面张力：70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m2.4 密度有时可以表示成温度的线性函数，如 ρ＝ρ0+At 式中：ρ――温度为 t 时的密度， lb/ft3； ρ0――温度为 t0 时的密度， lb/ft3。 t――温度，H。 如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中 A 的单位必须是什么？ 解：由题易得，A 的单位为 kg/（m3? K）10 2.5 一加热炉用空气（含 O2 0.21, N2 0.79）燃烧天然气（不含 O2 与 N2） 。分 析燃烧所得烟道气， 其组成的摩尔分数为 CO2 0.07， H2O 0.14， O2 0.056， N2 0.734。 求每通入 100m3、30℃的空气能产生多少 m3 烟道气？烟道气温度为 300℃，炉 内为常压。 解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为 衡算系统。以 N2 为衡算对象，烟道气中的 N2 全部来自空气。设产生烟道气体积 为 V2。根据质量衡算方程，有 0.79× P1V1/RT1＝0.734× P2V2/RT2 即 0.79× 100m3/303K＝0.734× V2/573K V2＝203.54m32.6 某一段河流上游流量为 36000m3/d，河水中污染物的浓度为 3.0mg/L。有 一支流流量为 10000 m3/d，其中污染物浓度为 30mg/L。假设完全混合。 （1）求下游的污染物浓度 （2）求每天有多少 kg 污染物质通过下游某一监测点。 解： （1）根据质量衡算方程，下游污染物浓度为?m ??1qV 1 ? ? 2qV 2qV 1 ? qV 2?3.0 ? 36000 ? 30 ?10000 mg / L ? 8.87mg / L 36000 ? 10000（2）每天通过下游测量点的污染物的质量为?m ? (qV 1 ? qV 2 ) ? 8.87 ? (36000 ? 10000) ?10?3 kg / d? 408.02kg / d2.7 某一湖泊的容积为 10× 106m3，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流 量为 50m3/s。一工厂以 5 m3/s 的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物， 浓度为 100mg/L。污染物降解反应速率常数为 0.25d－1。假设污染物在湖中充分 混合。求稳态时湖中污染物的浓度。 解：设稳态时湖中污染物浓度为 ? m ，则输出的浓度也为 ? m 则由质量衡算，得11 qm1 ? qm2 ? k ?V ? 0即 5× 100mg/L－（5＋50） ? m m3/s －10× 106× 0.25×? m m3/s＝0 解之得?m ＝5.96mg/L2.8 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。 解：设溪水中示踪剂的最低浓度为 ρ 则根据质量衡算方程，有 0.05ρ＝（3＋0.05）× 1.0 解之得 ρ＝61 mg/L 加入示踪剂的质量流量为 61× 0.05g/s＝3.05g/s2.9 假设某一城市上方的空气为一长宽均为 100 km、 高为 1.0 km 的空箱模型。 干净的空气以 4 m/s 的流速从一边流入。 假设某种空气污染物以 10.0 kg/s 的总排 放速率进入空箱，其降解反应速率常数为 0.20h－1。假设完全混合， （1）求稳态情况下的污染物浓度； （2）假设风速突然降低为 1m/s，估计 2h 以后污染物的浓度。 解： （1）设稳态下污染物的浓度为 ρ 则由质量衡算得 10.0kg/s－（0.20/3600）× ρ× 100× 100× 1× 109 m3/s －4× 100× 1× 106ρm3/s＝0 解之得12 ρ＝1.05× 10-2mg/m3 （2）设空箱的长宽均为 L，高度为 h，质量流量为 qm，风速为 u。 根据质量衡算方程qm1 ? qm 2 ? k ?V ? dm dt有qm ? uLh? ? k ? L2h ? d 2 ? L h? ? dt带入已知量，分离变量并积分，得?积分有36000dt ? ??1.05?10?2d? 10 ? 6.6 ?10-5 ?-6ρ＝1.15× 10-2mg/m32.10 某水池内有 1 m3 含总氮 20 mg/L 的污水，现用地表水进行置换，地表 水进入水池的流量为 10 m3/min，总氮含量为 2 mg/L，同时从水池中排出相同的 水量。假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为 5 mg/L 时，需要多少时间？ 解：设地表水中总氮浓度为 ρ0，池中总氮浓度为 ρ 由质量衡算，得qV ? 0 ? qV ? ? d ?V ? ? dt即dt ? 1 d? 10 ? (2 ? ? )积分，有? dt ? ?0t1 d? 20 10 ? (2 ? ? )5求得 t＝0.18 min13 2.11 有一装满水的储槽，直径 1m、高 3m。现由槽底部的小孔向外排水。小 孔的直径为 4cm，测得水流过小孔时的流速 u0 与槽内水面高度 z 的关系 u0＝0.62（2gz）0.5 试求放出 1m3 水所需的时间。 解：设储槽横截面积为 A1，小孔的面积为 A2 由题得 A2u0＝－dV/dt，即 u0＝－dz/dt×A1/A2 所以有－dz/dt× （100/4）2＝0.62（2gz）0.5即有 －226.55× z-0.5dz＝dt z0＝3m z1＝z0－1m3× （π×0.25m2）-1＝1.73m 积分计算得 t＝189.8s2.12给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中， 水和固体硫酸铝分别以 150kg/h 和 30kg/h 的流量加入搅拌 槽中，制成溶液后，以 120kg/h 的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处 均匀。开始时槽内预先已盛有 100kg 纯水。试计算 1h 后由槽中流出的溶液浓度。 解：设 t 时槽中的浓度为 ρ，dt 时间内的浓度变化为 dρ 由质量衡算方程，可得30 ? 120 ? ? d ??100 ? 60t ? ? ? ? dt ?时间也是变量，一下积分过程是否有误？ 30× dt＝（100＋60t）dC＋120Cdt 即 （30－120C）dt＝（100＋60t）dC 由题有初始条件 t＝0，C＝014 积分计算得： 当 t＝1h 时 C＝15.23％2.13 有一个 4× 3m2 的太阳能取暖器，太阳光的强度为 3000kJ/（m2? 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，衡算基准取为 1h。 输入取暖器的热量为 3000× 12× 50％ kJ/h＝18000 kJ/h 设取暖器的水升高的温度为（△T） ，水流热量变化率为 qmcp?T 根据热量衡算方程，有 18000 kJ/h ＝0.8× 60× 1× 4.183× △TkJ/h.K 解之得△T＝89.65K2.14 有一个总功率为 1000MW 的核反应堆， 其中 2/3 的能量被冷却水带走， 不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量为 100m3/s， 水温为 20℃。 （1）如果水温只允许上升 10℃，冷却水需要多大的流量； （2）如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少℃。 解：输入给冷却水的热量为 Q＝1000× 2/3MW＝667 MW （1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为 qV ，热量变化率为 qmcp?T 。 根据热量衡算定律，有 103× 4.183× 10 kJ/m3＝667× 103KW qV × Q＝15.94m3/s （2）由题，根据热量衡算方程，得15 3 100× 103× 4.183× △T kJ/m ＝667× 103KW△T＝1.59K16 第三章 流体流动3.1 如图 3-1 所示，直径为 10cm 的圆盘由轴带动在一平台上旋转，圆盘与 平台间充有厚度 δ=1.5mm 的油膜。当圆盘以 n=50r/min 旋转时，测得扭矩 M=2.94× 10-4 N? m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的黏度。图 3-1习题 3.1 图示解：在半径方向上取 dr，则有 dM＝dF? r 由题有 dF＝τ?dA? =? ?du dydA=? (r ? dr )2 ? ? r 2 ? 2? r ? drdu 2? nr = dy ?所以有dM=? du n 2? r ? dr ? r ? ? 4? 2 r 3dr dy ?两边积分计算得M=?? 2 n?r4代入数据得 2.94× 10－4N? m＝μ×（0.05m）4×π2 × （50/60）s /（1.5× 10－3m） 可得17 μ＝8.58× 10－3Pa? s3.2 常压、 20℃的空气稳定流过平板壁面， 在边界层厚度为 1.8mm 处的雷诺 数为 6.7× 104。求空气的外流速度。 解：设边界层厚度为 δ；空气密度为 ρ，空气流速为 u。 由题，因为湍流的临界雷诺数一般取 5× 105＞6.7× 104， 所以此流动为层流。对于层流层有?=同时又有4.641x Re x 0.5Re x =? xu ??? u ?两式合并有4.641 ? Re0.5 =即有 4.641× （6.7× 104）0.5＝u× 1× 103kg/m3× 1.8mm /（1.81× 10－5Pa? s） u＝0.012m/s3.3 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 34 m3/h。求提升水所需要的功率。设水的温度为 25℃。 解：设所需得功率为 Ne，污水密度为 ρ Ne＝Weqvρ＝（gΔz＋∑hf）qvρ =(9.81m/s2× 10m+4J/kg)× 1× 103kg/m3× 34/3600m3/s = 964.3W3.4 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 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18 能量损失可以忽略，管道中空气的密度为 1.2kg/m3，试求管道中的空气流量。图 3-2习题 3.4 图示解：在截面 1-1′和 2-2′之间列伯努利方程： u12/2＋p1/ρ＝u22/2＋p2/ρ 由题有 u2＝4u1 所以有 u12/2＋p1/ρ＝16u12/2＋p2/ρ 即 15 u12＝2×(p1- p2)/ρ =2×(ρ0-ρ)g(R1-R2)/ρ =2× （） kg/m3× 9.81m/s2× （0.1m－0.04m） /（1.2kg/m3） 解之得 u1＝8.09m/s 所以有 u2＝32.35m/s qv＝u1A＝8.09m/s×π×（200mm）2＝1.02m3/s3.5 如图 3-3 所示，有一直径为 1m 的高位水槽，其水面高于地面 8m，水从 内径为 100mm 的管道中流出， 管路出口高于地面 2m， 水流经系统的能量损失 （不 包括出口的能量损失）可按 ? h f ? 6.5u 2 计算，式中 u 为水在管内的流速，单位为 m/s。试计算19 （1）若水槽中水位不变，试计算水的流量； （2） 若高位水槽供水中断， 随水的出流高位槽液面下降， 试计算液面下降 1m 所需的时间。图 3-3习题 3.5 图示解： （1）以地面为基准，在截面 1-1′和 2-2′之间列伯努利方程，有 u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf 由题意得 p1＝p2，且 u1＝0 所以有 9.81m/s2× （8m－2m）＝u2/2＋6.5u2 解之得 u＝2.90m/s qv＝uA＝2.90m/s×π×0.01m2/4＝2.28× 10－2m3/s （2）由伯努利方程，有 u12/2＋gz1＝u22/2＋gz2＋Σhf 即 u12/2＋gz1＝7u22＋gz2 由题可得 u1/u2＝（0.1/1）2＝0.01 取微元时间 dt，以向下为正方向 则有 u1＝dz/dt 所以有20 （dz/dt）2/2＋gz1＝7（100dz/dt）2/2＋gz2积分解之得 t＝36.06s3.6 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； （2）管径增加一倍。 解：因为对于圆管层流流动的摩擦阻力，有?p f ?8?uml 32?uml ? r02 d2（1）当管长增加一倍时，流量不变，则阻力损失引起的压降增加 1 倍 （2）当管径增加一倍时，流量不变，则 um,2＝um,1/4 d2=2d1?p f ,2 = ?p f ,1 /16即压降变为原来的十六分之一。3.7 水在 20℃下层流流过内径为 13mm、长为 3m 的管道。若流经该管段的 压降为 21N/m2。求距管中心 5mm 处的流速为多少？又当管中心速度为 0.1m/s 时，压降为多少？ 解：设水的黏度 μ=1.0× 10-3Pa.s，管道中水流平均流速为 um 根据平均流速的定义得：? r04 dp f q 1 dp f 2 8? dl um = v ? ? ?? r0 2 A ? r0 8? dl所以?p f ? ? 8?uml r02代入数值得 21N/m2＝8× 1.0× 10-3Pa? s× um× 3m/（13mm/2）221 解之得 um＝3.7× 10－2m/s 又有 umax＝2 um 所以 u＝2um[1－（r/r0）2] （1）当 r＝5mm，且 r0＝6.5mm，代入上式得 u＝0.03m/s （2）umax＝2 um Δpf’＝ umax’/ umax? Δpf ＝0.1/0.074× 21N/m ＝28.38N/m3.8 温度为 20℃的水，以 2kg/h 的质量流量流过内径为 10mm 的水平圆管， 试求算流动充分发展以后： （1）流体在管截面中心处的流速和剪应力； （2）流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力 （3）壁面处的剪应力 解： （1）由题有 um＝qm/ρA ＝2/3600kg/s/（1× 103kg/m3×π×0.012m2/4） ＝7.07× 10－3m/sRe ? 4? um d ＝282.8＜2000 ?管内流动为层流，故 管截面中心处的流速 umax＝2 um＝1.415× 10－2m/s 管截面中心处的剪应力为 0 （2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：22 u＝umax（1－r2/r02） u1/2＝1.415× 10－2m/s× 3/4 ＝1.06× 10－2m/s 由剪应力的定义得du ?umr ?4 2 dr r0? ? ??流体在壁面距中心一半距离处的剪应力： τ1/2＝2μum/r0 ＝2.83× 10 3N/m2－（3）壁面处的剪应力： τ0＝2τ1/2＝5.66× 10－3N/m23.9 一锅炉通过内径为 3.5m 的烟囱排除烟气，排放量为 3.5× 105m3/h，在烟 气平均温度为 260℃时，其平均密度为 0.6 kg/m3，平均粘度为 2.8× 10－4Pa? s。大 气温度为 20℃，在烟囱高度范围内平均密度为 1.15 kg/m3。为克服煤灰阻力，烟 囱底部压力较地面大气压低 245 Pa。问此烟囱需要多高？假设粗糙度为 5mm。 解：设烟囱的高度为 h，由题可得 u＝qv/A＝10.11m/s Re＝duρ/μ＝7.58× 104 相对粗糙度为 ε/d＝5mm/3.5m＝1.429× 10－3 查表得 λ＝0.028 所以摩擦阻力? hf ? ?建立伯努利方程有h u2 d 2u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf 由题有 u1＝u2，p1＝p0－245Pa，p2＝p0－ρ 空 gh23 即 （ h× 1.15 kg/m3× 9.8m/s2 － 245Pa ） / （ 0.6kg/m3 ） ＝ h× 9.8m/s2 ＋ h× 0.028/3.5m× （10.11m/s）2/2 解之得 h＝47.64m3.10 用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图 3-4 所示。水塔和大气相通，池 和塔的水面高差为 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。泵出水管为两段管段串联，两段分别为 DN150、长 23m 和 DN100、 长 100 m，不同管径的管道经大小头相联，DN100 的管道上有 3 个 90° 弯头和一 个闸阀。泵和电机的总效率为 60％。要求水的流量为 140 m3/h，如果当地电费 为 0.46 元/（kW? h） ，问每天泵需要消耗多少电费？（水温为 25℃，管道视为光 滑管）图 3-4习题 3.10 图示解：由题，在进水口和出水口之间建立伯努利方程，有 We＝gh＋Σhf 25℃时，水的密度为 997.0kg/m3，粘度为 0.9× 10－3Pa? s 管径为 100mm 时， u＝4.95m/s Re＝duρ/μ＝5.48× 105，为湍流 为光滑管，查图，λ＝0.0224 管径为 150mm 时 u＝2.20m/s Re＝duρ/μ＝3.66× 105 管道为光滑管，查图，λ＝0.022 泵的进水口段的管件阻力系数分别为 吸滤底阀 δ＝1.5；90° 弯头 δ＝0.75；管入口 δ＝0. 5 Σhf1＝（1.5＋0.75× 2＋0.5＋0.022× 60/0.15）× （2.20m/s）2/2 ＝29.76m2/s2 泵的出水口段的管件阻力系数分别为 大小头 δ＝0.3；90° 弯头 δ＝0.75；闸阀 δ＝0.17；管出口 δ＝1 Σhf2＝(1＋0.75× 3＋0.3＋0.17＋0.02× 100/0.1)× (4.95m/s)2/2＋ (0.023× 23/0.15)× (2.20m/s)2/2 ＝299.13m2/s2 We＝gh＋Σhf =29.76m2/s2＋299.13m2/s2＋60m× 9.81m/s2＝917.49 m2/s2＝ 917.49J/kg WN＝（917.49J/kg/60％）× 140m3/h× 997.0kg/m3＝5.93× 104W 总消耗电费为 59.3kW× 0.46 元/（kW? h）× 24h/d＝654.55 元/d3.11 如图 3-5 所示，某厂计划建一水塔，将 20℃水分别送至第一、第二车 间的吸收塔中。 第一车间的吸收塔为常压， 第二车间的吸收塔内压力为 20kPa （表 压） 。总管内径为 50mm 钢管，管长为（30＋z0） ，通向两吸收塔的支管内径均为 20mm，管长分别为 28m 和 15m（以上各管长均已包括所有局部阻力当量长度在 内） 。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度为 0.2mm。现要求向第一车 间的吸收塔供应 1800kg/h 的水，向第二车间的吸收塔供应 2400kg/h 的水，试确 定水塔需距离地面至少多高？已知 20℃水的粘度为 1.0× 10－3 Pa? s， 摩擦系数可由? 式 ? ? 0.1? ??d ? 58 ? ? Re ?0.23计算。25 图 3-5 解：总管路的流速为习题 3.11 图示u0＝qm0/（ρπr2） ＝4200 kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.0252m2） ＝0.594m/s 第一车间的管路流速为 u1＝qm1/（ρπr2） ＝1800kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.012m2） ＝1.592m/s 第二车间的管路流速为 u2＝qm2/（ρπr2） ＝2400 kg/h/（1× 103kg/m3×π×0.012m2） ＝2.122m/s 则 Re0＝duρ/μ＝29700 λ0＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0308 Re1＝duρ/μ＝31840 λ1＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.036 Re2＝duρ/μ＝42400 λ2＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0357 以车间一为控制单元，有伯努利方程26 u12/2＋gz1＋p1/ρ＋Σhf1＝gz0＋p0/ρ p1= 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× z0 解之得 z0＝10.09m 以车间二为控制单元，有伯努利方程 u22/2＋gz2＋p2/ρ＋Σhf2＝gz0＋p0/ρ （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× z0 解之得 z0＝13.91m 故水塔需距离地面 13.91m3.12 如图 3-6 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℃） 。已知管网压力为 0.8× 105Pa（表压） ，支管管径 均为 32mm， 摩擦系数 λ 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 20m、8m 和 13m（包括除阀门和管出口损失以外的所有局部损 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，求增压水泵的扬程。图 3-6习题 3.12 图示解： （1）假设二楼有水，并设流速为 u2，此时一楼的流速为 u1 以 AC 所在平面为基准面，在 A、C 断面之间建立伯努利方程，有27 uA2/2＋pA/ρ＝u12/2＋p1/ρ＋gz2＋ΣhfAC 因为 uA＝u1＝0；p1＝0 则有 pA/ρ＝ΣhfAC 在 A、D 断面之间建立伯努利方程，即 uA2/2＋pA/ρ＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋ΣhfAD uA＝u2＝0；p2＝0；z2＝3m pA/ρ＝ΣhfAD＋gz2 联立两式得 ΣhfBC＝ΣhfBD＋gz2 （3） （2） （1）（0.03× 8m/0.032m＋6.4＋1）× u12/2＝（0.03× 13m/0.032m＋6.4＋1）× u22/2＋ 3m× 9.8m/s2 所以有 u1min2/2＝1.97m2/s2 Σhfmin＝（0.03× 28m/0.032m＋6.4＋1）× u1min2/2＝67.28 m2/s2＜pA/ρ 所以二楼有水。 （2）当二楼出口流量为 0.2L/s 时，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 ＋ 3m× 9.8m/s2 可得 u1＝2.02m/s 此时 AB 段流速为 u0＝2.259m/s2 ΣhfAC＝0.03× 20m/0.032m× （2.259m/s） /2＋ （0.03× 8m/0.032m＋6.4＋1） × （2.02m/s） 2/2＝48.266 m2/s2＋30.399 m2/s2 ＝78.665 m2/s2 pA/ρ＝0.8× 105Pa/（998.2kg/m3）＝80.144 m2/s2 因为 ΣhfAC& pA/ρ28 所以不需要增压水泵。3.13 某管路中有一段并联管路，如图 3-7 所示。已知总管流量为 120L/s。支 管 A 的管径为 200mm， 长度为 1000m； 支管 B 分为两段， MO 段管径为 300mm， 长度为 900m，ON 段管径为 250mm，长度为 300m，各管路粗糙度均为 0.4mm。 试求各支管流量及 M、N 之间的阻力损失。图 3-7习题 3.13 图示解：由题，各支管粗糙度相同，且管径相近，可近似认为各支管的 λ 相等， 取 λ＝0.02。 将支管 A、MO、ON 段分别用下标 1、2、3 表示 对于并联管路，满足 hfA＝hfB，所以有?l1 u12 l u2 l u2 ?? 2 2 ?? 3 3 d1 2 d2 2 d3 2又因为 MO 和 ON 段串联，所以有 u2×d22＝u3×d32 联立上述两式，则有 44.16 u22 u1＝1.048u2 又 qV＝u1πd12/4＋u2πd22/4 解之得 u2＝1.158m/s，u1＝1.214m/s qVA＝u1πd12/4＝38.14L/s qVB＝u2πd22/4＝81.86L/s hFmn＝λ×l1×u12/2d1＝73.69m2/s229 3.14 由水塔向车间供水，水塔水位不变。送水管径为 50mm，管路总长为 l， 水塔水面与送水管出口间的垂直距离为 H，流量为 qv。因用水量增加 50％，需 对管路进行改装。有如下不同建议： （1）将管路换为内径 75mm 的管子； （2）在原管路上并联一长 l/2、内径为 50mm 的管子，其一端接到原管线中 点； （3）增加一根与原管子平行的长为 l、内径为 25mm 的管； （4）增加一根与原管子平行的长为 l、内径为 50mm 的管； 试对这些建议作出评价，是否可用？ 假设在各种情况下摩擦系数变化不大，局部阻力可以忽略。 解：由题可得 改造前的 Σhf 为 Σhf＝λ? l? u2/2d 当改造后的 Σhf’＞Σhf 时，改造不合理 （1）d’＝3/2d u’＝1.5/1.52u＝2/3u Σhf’＝λ?l?u’2/2d’＝8Σhf/27改造可行 （2）对于前半段， u’1＝1.5×u/2＝3u/4 Σhf’1＝λ?lu’12/（2×2d）＝9/32Σhf对于后半段 u’2＝3/2u Σhf’2＝λ?l? u’22/（2×2d）＝9/8Σhf显然有 Σhf’＞ Σhf 改造不可行30 （3）由题可得，平行管内的阻力损失相等。 所以有方程组 d’1＝d/2 u’1×d’12＋u2×d2＝（3 u /2）×d2 λ?l?u’12/ d’12＝λ?l?u’22/2 d 解之可得 u’2＝（48－6 2 ）u /31＞u Σhf’＝λ?l?u’22/2 d＞ Σhf 即改造不可行 （4）由题有 u’1＝u’2 且有 u’1＋u’2＝3/2u 即有 u’1＝u’2＝3/4u Σhf’＝λ?l u’12/2 d＝9/16Σhf所以改造可行。3.15 在内径为 0.3m 的管中心装一毕托管，用来测量气体流量。气体温度为 40℃，压力为 101.3kPa，粘度为 2× 10－5Pa? s，气体的平均相对分子质量为 60。在 同一管道截面测得毕托管的最大度数为 30mmH2O。问此时管道中气体的流量为 多少？ 解：由题，气体的密度为 ρ＝PM/RT ＝101.3× 103× 60× 10－3/（8.314× 313） ＝2.336（kg/m3） 取 C＝1 umax＝2 gR( ?0 ? ? )?＝15.85m/s31 Remax＝dumaxρ/μ＝5.55× 105 查图有 u/umax＝0.86 所以有 qv＝u?πd2/4 ＝0.96m3/s3.16 一转子流量计，其转子材料为铝。出厂时用 20℃，压力为 0.1MPa 的 空气标定， 得转子高度为 100mm 时， 流量为 10m3/h。 今将该流量计用于测量 50℃， 压力为 0.15MPa 下的氯气。问在同一高度下流量为多少？ 解：由理想气体方程可得 ρ＝PM/RT 所以有 20℃，0.1M 空气的密度 ρ0=0.1× 106× 28.95× 10－3/（8.314× 293）＝1.188（kg/m3） 50℃，0.15M 氯气的密度 ρ=0.15× 106× 70.91× 10－3/（8.314× 323）＝3.96（kg/m3） 又因为有?0 ? ? f ? ? ? qV ＝0.547 ? qV 0 ? ? ? f ? ?0 ?qv＝10m3/s× 0.547＝5.47m3/s32 第四章 热量传递4.1 用平板法测定材料的导热系数，即在平板的一侧用电加热器加热，另一 侧以冷水通过夹层将热量移走，同时板的两侧由热电偶测量其表面温度，电热器 流经平板的热量为电热器消耗的功率。 设某材料的加热面积 A 为 0.02m2， 厚度 b 为 0.01m，当电热器的电流和电压分别为 2.8A 和 140V 时，板两侧的温度分别为 300℃和 100℃；当电热器的电流和电压分别为 2.28A 和 114V 时，板两侧的温度 分别为 200℃和 50℃。如果该材料的导热系数与温度的关系为线性关系，即? ? ?0 (1 ? aT) ，式中 T 的单位为℃。试确定导热系数与温度关系的表达式。解：设电热器的电流和电压为 I 和 U，流经平板的热量流量为 Q。 由题有 Q＝UI 且有Q?? A ? ?Tb对于薄板，取 db 厚度，有Q?? A ? dTdb又因为导热系数与温度存在线性关系，所以有Q??0 (1 ? aT ) A ? dTdb分别对 db 和 dT 进行积分得Q 1 b? ? ?0 (1 ? aT ) 2 ? C A 2a分别取边界条件，则得Q a b ? ?0 [(T2 ? T1 ) ? (T2 2 ? T12 )] A 2根据题目所给条件，联立方程组2.8 A ?140V a ? 0.01m ? ?0 [(300℃ ? 100℃) ? (300℃2 ? 100℃2 )] 2 0.02m 2 2.28 A ?114V a ? 0.01m ? ?0 [(200℃ ? 50℃) ? (200℃2 ? 50℃2 )] 2 0.02m 2解之得33 a＝2.24× 10-3K－1 λ0＝0.677W/（m? K） 因此，导热系数与温度的关系式为 λ＝0.677（1+2.24× 10-3T）4.2 某平壁材料的导热系数 ? ? ?0 (1 ? aT) W/(m? K)， T 的单位为℃。若已 知通过平壁的热通量为 q W/m2，平壁内表面的温度为 T1 。试求平壁内的温度分 布。 解：由题意，根据傅立叶定律有 q＝－λ?dT/dy 即 q＝－λ0（1＋αT）dT/dy 分离变量并积分?TT1?0 (1 ? aT )dT ? ?? qdy0y?0 (T1 ? T ) ?整理得a?0 2 (T1 ? T 2 ) ? qy 2a?0T 2 ? 2?0T ? 2?0 (T1 ? T12 ) ? 2qy ? 0此即温度分布方程4.3 某燃烧炉的炉壁由 500mm 厚的耐火砖、380mm 厚的绝热砖及 250mm 厚的普通砖砌成。其 λ 值依次为 1.40 W/(m? K)，0.10 W/(m? K)及 0.92 W/(m? K)。 传热面积 A 为 1m2。已知耐火砖内壁温度为 1000℃，普通砖外壁温度为 50℃。 （1）单位面积热通量及层与层之间温度； （2）若耐火砖与绝热砖之间有一 2cm 的空气层，其热传导系数为 0.0459 W/(m? ℃)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？ 解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为 r1、r2、r3。 （1）由题易得 r1 ＝b 0.5m ＝0.357 m2? K/W 1.4Wm ?1K ?1?＝r2＝3.8 m2? K/W34 r3＝0.272? m2 K /W 所以有 q＝ 由题 T1＝1000℃ T2＝T1－QR1 ＝923.4℃ T3＝T1－Q（R1＋R2） ＝108.3℃ T4＝50℃ （2）由题，增加的热阻为 r’＝0.436 m2? K/W q＝ΔT/（r1＋r2＋r3＋r’） ＝195.3W/m2?T ＝214.5W/m2 r1 ? r2 ? r34.4 某一 Φ60 mm× 3mm 的铝复合管， 其导热系数为 45 W/(m? K)， 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/(m? K)和 0.04 W/(m? K)。试求 （1）如已知管内壁温度为-105℃，软木外侧温度为 5℃，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℃，则此时每 米管长的冷损失量为多少？ 解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为 rm1、rm2、rm3。 由题有 rm1＝3 mm＝28.47mm 30 ln 27 30 rm2＝ mm＝43.28mm 60 ln 3035 rm3＝30 mm＝73.99mm 90 ln 60b3（1）R/L＝ ＝2??1rm1b1?2??2rm 2b2?2??3rm33 30 30 K ? m/W ? K ? m/W ? K ? m/W 2? ? 45 ? 28.47 2? ? 0.15 ? 43.28 2? ? 0.04 ? 73.99＝3.73× 10－4K? m/W＋0.735K? m/W＋1.613K? m/W ＝2.348K? m/W Q/L＝?T ＝46.84W/m R/L（2）R/L＝ ＝2??1rm1b1?2??2rm 2b2?2??3rm3b33 30 30 W ? m/K ? W ? m/K ? W ? m/K 2? ? 45 ? 28.47 2? ? 0.04 ? 43.28 2? ? 0.15 ? 73.99＝3.73× 10－4K? m /W＋2.758K? m /W＋0.430K? m /W ＝3.189K? m /W Q/L＝?T ＝34.50W/m R/L4.5 某加热炉为一厚度为 10mm 的钢制圆筒，内衬厚度为 250mm 的耐火砖， 外包一层厚度为 250mm 的保温材料，耐火砖、钢板和保温材料的导热系数分别 为 0.38 W/ （m? K） 、 45 W/ （m? K） 和 0.10 W/ （m? K） 。 钢板的允许工作温度为 400℃。 已知外界大气温度为 35℃，大气一侧的对流传热系数为 10 W/（m2? K） ；炉内热 气体温度为 600℃，内侧对流传热系数为 100 W/（m2? K） 。试通过计算确定炉体 设计是否合理； 若不合理， 提出改进措施并说明理由。 （补充条件： 有效管径 2.0m） 解：设由耐火砖内侧表面和保温材料外测表面的面积分别为 A1 和 A4，耐火 砖、钢筒和保温材料的对数平均面积分别为 Am1 、Am2 、Am3。钢板内侧温度为 T。稳态条件下，由题意得：600 ? 35 600 ? T ＝ 1 b1 b2 b3 1 1 b1 ? ? ? ? ? a1 ? A1 ?1 ? Am1 ?2 ? Am2 ?3 ? Am3 a 2 ? A4 a1 ? A1 ?1 ? Am1（因为钢板内侧温度较高，所以应该以内侧温度不超过 400℃为合理） 有效管径 R=2.0 m36 带入已知条件，解得 T＝463.5℃&400℃ 计算结果表明该设计不合理 改进措施： 1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板； 2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。4.6 水以 1m/s 的速度在长为 3m 的 φ25×2.5mm 管内，由 20℃加热到 40℃。 试求水与管壁之间的对流传热系数。 解：由题，取平均水温 30℃以确定水的物理性质。d＝0.020 m，u＝1 m/s， ρ＝995.7 kg/m3，μ＝80.07× 10-5 Pa? s。Re ? du ???0.020 ?1? 995.7 ? 2.49 ?104 ?5 80.07 ?10流动状态为湍流Pr ??C p 80.07 ?10?5 ? 4.174 ?103 ? ? 5.41 ? 0.61760.023? ? 4.59 ?103W /(m2 ? K ) d ? Re0.8 ? Pr 0.4所以得??4.7 用内径为 27mm 的管子，将空气从 10℃加热到 100℃，空气流量为 250kg/h，管外侧用 120℃的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。 解： 以平均温度 55℃查空气的物性常数， 得 λ＝0.0287W/ （m? K） ， μ＝1.99× 10－5Pa? s，cp＝1.005kJ/（kg? K） ，ρ＝1.077kg/m3 由题意，得 u＝Q/（ρA）＝112.62m/s Re＝duρ/μ＝0.027× 112.62× 1.077/（1.99× 10－5）＝1.65× 105 所以流动为湍流。 Pr＝μcp/λ＝（1.99× 10－5）× 1.005/0. α＝0.023? λ/d? Re0.8? Pr0.4 ＝315.88W/（m2? K）37 ΔT2＝110K，ΔT1＝20K ΔTm＝（ΔT2－ΔT1）/ln（ΔT2/ΔT1） ＝（110K－20K）/ln（110/20） ＝52.79K 由热量守恒可得 απdLΔTm＝qmhcphΔTh L＝qmcphΔTh/（απdΔTm） ＝ 250kg/h× 1.005kJ/ （ kg? K ） × 90K/ ［ 315.88W/ （m2? K）? π? 0.027m? 52.79K］ ＝4.44m4.8 某流体通过内径为 50mm 的圆管时，雷诺数 Re 为 1× 105，对流传热系数 为 100 W /（m2? K） 。若改用周长与圆管相同、高与宽之比等于 1：3 的矩形扁管， 流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少？ 解：由题，该流动为湍流。0.023? 0.8 0.4 Re ? Pr d ?1 0.023?1d 2 Re10.8 ? Pr10.4 ? ? 2 0.023?2d1 Re20.8 ? Pr20.4??因为为同种流体，且流速不变，所以有?1 Re10.8 ? d2 ? ? 2 Re20.8 ? d1由 Re ? 可得du ???1 d10.8 ? d2 d ? 0.8 ? ( 2 )0.2 ? 2 d2 ? d1 d1矩形管的高为 19.635mm，宽为 58.905mm，计算当量直径，得d2＝29.452mm?2 ? (d1 0.2 50 0.2 ) ? ?1 ? ( ) ?100W /(m2 ? K ) ? 111.17W /(m2 ? K ) d2 29.45238 4.9 在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为 φ19×2mm 的钢管内流动，水 的对流传热系数为 3490 W/（m2? K） ，煤油的对流传热系数为 458 W/（m2? K） 。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.? K/W 和 0.00026m2? K/W，管壁的导热系数为 45 W/（m? K） 。试求 （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。 解： （1）将钢管视为薄管壁 则有1 1 b 1 ? ? ? ? rs1 ? rs 2 K ?1 ? ? 2 1 0.002 2 1 m 2 ? K/W ? m ? K/W ? m 2 ? K/W ? 0.00026m 2 ? K/W ? 0. ? K/W
? 2.95 ? 10?3 m 2 ? K/W ?K＝338.9W/（m2? K） （2）产生污垢后增加的热阻百分比为?100% 1 ? rs1 ? rs 2 K 0.176 ? 0.26 ? ?100% ? 17.34% 2.95 ? 0.176 ? 0.26注：如不视为薄管壁，将有 5％左右的数值误差。rs1 ? rs 24.10 在套管换热器中用冷水将 100℃的热水冷却到 50℃， 热水的质量流量为 3500kg/h。冷却水在直径为 φ180×10mm 的管内流动，温度从 20℃升至 30℃。已 知基于管外表面的总传热系数为 2320 W/（m2? K） 。若忽略热损失，且近似认为 冷水和热水的比热相等，均为 4.18 kJ/（kg? K）.试求 （1）冷却水的用量； （2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。 解： （1）由热量守恒可得 qmccpcΔTc＝qmhcphΔTh qmc＝3500kg/h× 50℃/10℃＝17500kg/h39 （2）并流时有 ΔT2＝80K，ΔT1＝20K?Tm ? ?T2 ? ?T1 80 K ? 20 K ? ? 43.28K ?T 80 ln ln 2 20 ?T1由热量守恒可得 KAΔTm＝qmhcphΔTh 即 KπdLΔTm＝qmhcphΔThL?逆流时有qmhc ph ?Th K? d ?Tm?3500kg / h ? 4.18kJ /(kg ? K ) ? 50K ? 3.58m 2320W /(m2 ? K ) ? ? ? 0.18m ? 43.28KΔT2＝70K，ΔT1＝30K?Tm ? ?T2 ? ?T1 70 K ? 30 K ? ? 47.21K ?T2 70 ln ln 30 ?T1同上得L?qmhc ph ?Th K? d ?Tm?3500kg / h ? 4.18kJ /(kg ? K ) ? 50K ? 3.28m 2320W /(m2 ? K ) ? ? ? 0.18m ? 47.21K比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.11 列管式换热器由 19 根 φ19×2mm、长为 1.2m 的钢管组成，拟用冷水将 质量流量为 350kg/h 的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分 别为 15℃和 35℃。已知基于管外表面的总传热系数为 700 W/（m2? K） ，试计算 该换热器能否满足要求。 解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为 100℃。饱和水蒸 气的潜热 L＝2258.4kJ/kg ΔT2＝85K，ΔT1＝65K?Tm ? ?T2 ? ?T1 85K ? 65K ? ? 74.55K ?T2 85 ln ln 65 ?T140 由热量守恒可得 KAΔTm＝qmL 即A? qm L 350kg / h ? 2258.4kJ / kg ? ? 4.21m2 2 K ?Tm 700W /(m ? K ) ? 74.55K列管式换热器的换热面积为 A 总＝19×19mm×π×1.2m ＝1.36m2＜4.21m2 故不满足要求。4.12 火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为 13.2μm。若将火星看作一个 黑体，试求火星的温度为多少？ 解：由 λmT＝2.9× 10－3 得T ?2.9 ?10?3?m2.9 ?10?3 ? ? 219.70K 13.2 ?10?64.13 若将一外径 70mm、长 3m、外表温度为 227℃的钢管放置于： （1）很大的红砖屋内，砖墙壁温度为 27℃； （2）截面为 0.3× 0.3m2 的砖槽内，砖壁温度为 27℃。 试求此管的辐射热损失。 （假设管子两端的辐射损失可忽略不计）补充条件： 钢管和砖槽的黑度分别为 0.8 和 0.93 解： （1）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有 φ1－2＝1，C1－2＝ε1C0，ε1＝0.8 Q1－2＝ε1C0 A（T14－T24）/1004 ＝0.8× 5.67W/（m2? K4）×3m×0.07m×π×（04K4）/1004 ＝1.63× 103W （2）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有 φ1－2＝1 C1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] Q1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] A（T14－T24）/1004 ＝5.67W/ （m2 ? K4） [1/0.8＋ （3×0.07×π/0.3×0.3×3） （1/0.93－1） ]×3m×0.07m×π×41 （04K4）/1004 ＝1.42× 103W4.14 一个水加热器的表面温度为 80℃，表面积为 2m2，房间内表面温度为 20℃。将其看成一个黑体，试求因辐射而引起的能量损失。 解：由题，应满足以下等式Q1?2 ? C1?2?1?2 A(T14 ? T24 ) 1004且有 φ1－2＝1；A＝A1；C1－2＝C0×ε1 又有 A1＝2m2；ε1＝1 所以有Q1?2 ? C0 A1 (T14 ? T24 ) 5.67 ? 2 ? (3534 ? 2934 ) ? ? 925.04W 42 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 0.1× 106pa、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 0.1× 106Pa 、 298K 的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为 DAB ＝ 2.50× 10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸气的传质通量、传质分系数及浓度分布。 解：由题得，298K 下水蒸气饱和蒸气压为 3.1684× 103Pa，则 pA,i＝3.1684× 103Pa，pA,0＝0pB,m ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 - pB,i? 0.9841 ? 105Pa（1） 稳态扩散时水蒸气的传质通量：NA ? DAB p ? pA,i - pA,0 ? RTpB ,m L ? 1.62 ? 10?4 mol ? cm 2 ? s ?（2） 传质分系数：kG ?（3）由题有NA ? 5.11 ? 10?8 mol ? cm2 ? s ? Pa ? ? pA,i ? pA,0 ?? 1 ? y A,0 ? 1 ? y A ? ?1 ? y A,i ? ? ? 1? y ? ? A,i ? ?zLyA,i＝3..031684 yA,0＝0 简化得yA ? 1 ? 0.z)5.2 在总压为 2.026× 105Pa、温度为 298K 的条件下，组分 A 和 B 进行等分 子反向扩散。当组分 A 在两端点处的分压分别为 pA,1 ＝ 0.4× 105Pa 和 pA,2 ＝ 0.1× 105Pa 时， 由实验测得 k0G＝1.26× 10-8kmol/(m2? s? Pa)， 试估算在同样的条件下， 组分 A 通过停滞组分 B 的传质系数 kG 以及传质通量 NA。 解：由题有，等分子反向扩散时的传质通量为43 0 0 NA ? kG ? pA,1 ? pA,2 ? ?DAB ? pA,1 ? pA,2 ? RTLDAB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTpB ,m L单向扩散时的传质通量为N A ? kG ? pA,1 ? p A,2 ? ?所以有0 N A ? kG ? pA,1 ? pA,2 ?p pB,m又有pB,m ?即可得ln ? pB,2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 1.75 ?105Pa0 kG ? kGp pB ,m=1.44× 10-5mol/(m2? s? Pa)N A ? kG ? p A,1 ? p A,2 ? ? 0.44 mol ? m 2 ? s ?5.3 浅盘中装有清水，其深度为 5mm，水的分子依靠分子扩散方式逐渐蒸发 到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚 4mm、温度为 30℃的静止空气层，空气层以外的空气中水蒸气的分压为零。分 子扩散系数 DAB＝0.11m2/h.水温可视为与空气相同。 当地大气压力为 1.01× 105Pa。 解：由题，水的蒸发可视为单向扩散NA ? DAB p ? p A,i ? pA,0 ? RTpB ,m z30℃下的水饱和蒸气压为 4.2474× 103Pa ，水的密度为 995.7kg/m3 故水的物质的量浓度为 995.7 × 103/18＝0.5532× 105mol/m3 30℃时的分子扩散系数为 DAB＝0.11m2/h pA,i＝4.2474× 103Pa ，pA,0＝044 pB,m ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 ? pB,i? 0.9886 ? 105Pa又有 NA＝c 水 V/(A? t)(4mm 的静止空气层厚度认为不变) 所以有 c 水 V/(A? t)＝DABp(pA,i－pA,0)/(RTpB,m z) 可得 t＝5.8h 故需 5.8 小时才可完全蒸发。5.4 内径为 30mm 的量筒中装有水，水温为 298K，周围空气温度为 30℃， 压力为 1.01× 105Pa，空气中水蒸气含量很低，可忽略不计。量筒中水面到上沿的 距离为 10mm，假设在此空间中空气静止，在量筒口上空气流动，可以把蒸发出 的水蒸气很快带走。试问经过 2d 后，量筒中的水面降低多少？查表得 298K 时 水在空气中的分子扩散系数为 0.26× 10-4m2/s。 解： 由题有， 25℃下的水饱和蒸气压为 3.1684× 103Pa， 水的密度为 995.7kg/m3 故水的物质的量浓度 c 水为 995.7× 103/18＝0.5532× 105mol/m3 30℃时的分子扩散系数为 DAB＝D0(T/T0)1.75＝0.26× 10-4m2/s× (303/298)1.75＝2.6768× 10-5m2/s pA,i＝3.1684× 103Pa，pA,0＝0 pB,m＝(pB,0－pB,i)/ln(pB,0/pB,i)＝0.99737× 105Pa 又有 NA＝c 水 dV/(A? dt)＝c 水 dz/dt 所以有 c 水 dz/dt＝DABp(pA,i－pA,0)/(RT pB,m z) 分离变量，取边界条件 t1＝0，z1＝z0＝0.01 及 t2＝2d, z2＝z，积分有?可得 z＝0.0177mz0.01zdz ? ?2?24?3600DAB p( pa,i ? pa ,0 ) RTpB,mc水0dtΔz＝z－z0＝0.0077m＝7.7mm5.5 一填料塔在大气压和 295K 下，用清水吸收氨－空气混合物中的氨。传45 质阻力可以认为集中在 1mm 厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为 6.6× 103N/m2。水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数 为 0.236× 10-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。 解：设 pB,1,pB,2 分别为氨在相界面和气相主体的分压，pB,m 为相界面和气相 主体间的对数平均分压 由题意得：pB,m ?ln ? pB,2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 0.9PaNA ?D AB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTp B,m L? ?6.57 ? 10?2 mol ? m 2 ? s ?5.6 一直径为 2m 的贮槽中装有质量分数为 0.1 的氨水，因疏忽没有加盖， 则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为 5mm 的静止空气层。在 1.01× 105Pa、293K 下，氨的分子扩散系数为 1.8× 10-5m2/s，计算 12h 中氨的挥发 损 失 量 。 计 算 中 不 考 虑 氨 水 浓 度 的 变 化 ， 氨 在 20℃ 时 的 相 平 衡 关 系 为 P=2.69× 105x(Pa)，x 为摩尔分数。 解：由题，设溶液质量为 a g 氨的物质的量为 0.1a/17mol 总物质的量为(0.9a/18＋0.1a/17)mol 所以有氨的摩尔分数为 x ?0.1a 17 ? 0.a 18 ? 0.1a 17故有氨的平衡分压为 p＝0.1053× 2.69× 105Pa＝0.2832× 105Pa 即有 pA,i＝0.2832× 105Pa，PA0＝0pB,m ?所以NA ?ln ? pB,0 pB,i ?pB,0 ? pB,i? 0.PaD AB p ? p A,i ? p A,0 ? RTp B,m L? 4.91 ? 10?2 mol ? m 2 ? s ?46 n=N A ?? d24? t ? 6.66 ?103mol5.7 在温度为 25℃、压力为 1.013× 105Pa 下，一个原始直径为 0.1cm 的氧气 泡浸没于搅动着的纯水中，7min 后，气泡直径减小为 0.054cm，试求系统的传质 系数。水中氧气的饱和浓度为 1.5× 10-3mol/L。 解：对氧气进行质量衡算，有－cA,GdV/dt＝k(cA,s－cA)A即 dr/dt＝－k(cA,s－cA)/cA,G 由题有 cA,s＝1.5× 10-3mol/L cA＝0 cA,G＝p/RT＝1.013× 105/(8.314× 298)mol/m3＝40.89mol/m3 所以有 dr＝－0.03668k× dt 根据边界条件 t1＝0，r1＝5× 10-4m t2＝420s，r2＝2.7× 10-4m 积分，解得 k＝1.49× 10-5m/s5.8 溴粒在搅拌下迅速溶解于水，3min 后，测得溶液浓度为 50％饱和度， 试求系统的传质系数。 假设液相主体浓度均匀， 单位溶液体积的溴粒表面积为 a， 初始水中溴含量为 0，溴粒表面处饱和浓度为 cA,S。 解：设溴粒的表面积为 A，溶液体积为 V，对溴进行质量衡算,有 d(VcA)/dt＝k(cA,S－cA)A 因为 a＝A/V，则有 dcA/dt＝ka（cA,S－cA）47 对上式进行积分，由初始条件，t＝0 时，cA＝0，得 cA/cAS＝1－e-kat 所以有? cA ? ?1 ? 0.5 ? ?3 ?1 ka= ? t ?1 ln ? 1 ? 1? ? ? 3.85 ? 10 s ? c ? ? ? ? ?180s ? ln ? 1 ? ? A,S ? ?5.9 在稳态下气体 A 和 B 混合物进行稳态扩散，总压力为 1.013× 105Pa、温 度为 278K。气相主体与扩散界面 S 之间的垂直距离为 0.1m，两平面上的分压分 别为 PA1=1.34× 104Pa 和 PA2=0.67× 104Pa。混合物的扩散系数为 1.85× 10-5m2/s，试 计算以下条件下组分 A 和 B 的传质通量，并对所得的结果加以分析。 （1）组分 B 不能穿过平面 S； （2）组分 A 和 B 都能穿过平面 S。 解： （1）由题，当组分 B 不能穿过平面 S 时，可视为 A 的单向扩散。pB,1＝p－pA,1＝87.9kPa pB,2＝p－pA,2＝94.6kPapB,m ?ln ? pB2 pB,1 ?pB,2 ? pB,1? 0.PaDAB＝1.85× 10-5m2/sNA ? D AB p ? p A,1 ? p A,2 ? RTp B,m L ? 5.96 ? 10?4 mol ? m 2 ? s ?（2）由题，当组分 A 和 B 都能穿过平面 S，可视为等分子反向扩散NA ?DAB ? pA,1 ? pA,2 ? RTL? 5.36 ?10?4 mol ? m2 ? s ?可见在相同条件下，单向扩散的通量要大于等分子反向扩散。48 第六章 沉降 6.1 直径 60μm 的石英颗粒，密度为 2600kg/m3，求在常压下，其在 20℃的 水中和 20℃的空气中的沉降速度（已知该条件下，水的密度为 998.2kg/m3，黏 度为 1.005× 10-3Pa? s；空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。 解： （1）在水中 假设颗粒的沉降处于层流区，由式（6.2.6）得：ut?6 ? P ? ? ? gd P 2 ? 2600 ? 998.2 ? ? 9.81? ? 60 ?10 ? ? ? ? 218?18 ?1.005 ?10?3? 3.13 ?10?3 m/s检验： ReP ?d Put ???60 ?10?6 ? 3.13 ?10?3 ? 998.2 ? 0.186 ? 2 1.005 ?10?3位于在层流区，与假设相符，计算正确。 （2）在空气中 应用 K 判据法，得K? d P3 g ? ? ? P ? ? ??2? 60 ?10 ? ? 9.81?1.205 ? 2600 ? 20.3 ? 36 ? ?1.81?10 ??6 3 ?5 2所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：ut? ? ? ? ? gd P 2 ? P18??2600 ? 9.81? ? 60 ?10?6 ? 18 ?1.81?10?52? 0.28 m/s6.2 密度为 2650kg/m3 的球形颗粒在 20℃的空气中自由沉降，计算符合斯托 克斯公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径（已知空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。 解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，则颗粒直径最大时， ReP ?d P ut ???2所以 ut ? 2 所以 d p ?? ? ? ? ? gd P ? ，同时 ut ? P dP ? 18?232 ?18? 2 ，代入数值，解得 d p ? 7.22 ?10?5 m ? ??p ? ? ? g49 同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，则颗粒直径最小时， ReP ?d P ut ??? 1000所以 ut ? 1000? ，同时 ut ? 1.74 dP ???p? ? ? gd p?所以 d p ? 32.3 3?2 ，代入数值，解得 d p ? 1.51?10?3 m ? ??p ? ? ?6.3 粒径为 76μm 的油珠（不挥发，可视为刚性）在 20℃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℃时，水的密度为 998.2kg/m3 ， 黏 度 为 1.005× 10-3Pa? s ； 空 气 的 密 度 为 1.205kg/m3 ， 黏 度 为 1.81× 10-5Pa? s。求： （1）油的密度； （2）相同的油珠注入 20℃水中，20s 内油珠运动的距离。 解： （1）油珠在空气中自由沉降的速度为 ut ? L / s ? 2.7 / 20 ? 0.135m / s 假设油珠在空气中自由沉降位于层流区，由斯托克斯公式ut ???p? ? ?gd p 18?2?p ?18?ut gd p2?? ?18 ? 1.81? 10?5 ? 0.135 9.81? 76 ? 10d put ???6 2?? 1.205 ? 777.4kg/m3检验油珠的雷诺数为 Re p ? 属于层流区，计算正确。??76 ?10?6 ? 0.135 ?1.205 ? 0.68 ? 2 1.81?10?5（2）假设油珠在水中自由上浮位于层流区，由斯托克斯公式ut? ? ? ? ? gd ?p2 p18??? 998.2 ? 777.4? ? 9.81? ? 76 ?10?6 ?18 ?1.005 ?10?32? 6.92 ?10?4 m/s?4计算油珠的雷诺数 Re p ?d put ??? 76 ?10 ? ? 6.92 ?10 ??6? 998.21.005 ?10?3? 0.052 ? 2属于层流区，假设正确，所以油珠在水中运动的距离为L ? ut t ? 6.92?10?4 ? 20 ? 0.0138 m50 6.4 容器中盛有密度为 890kg/m3 的油，黏度为 0.32Pa? s，深度为 80cm，如果 将密度为 2650kg/m3、直径为 5mm 的小球投入容器中，每隔 3s 投一个，则： （1）如果油是静止的，则容器中最多有几个小球同时下降？ （2）如果油以 0.05m/s 的速度向上运动，则最多有几个小球同时下降？ 解： （1）首先求小球在油中的沉降速度，假设沉降位于斯托克斯区，则ut?3 ? P ? ? ? gd P 2 ? 2650 ? 890 ? ? 9.81? ? 5 ?10 ? ? ? ? 218?18 ? 0.32? 7.49 ?10?2 m/s检验 Re p ?d put ???5 ?10?3 ? 7.49 ?10?2 ? 890 ? 1.04 ? 2 0.32沉降速度计算正确。 小球在 3s 内下降的距离为 7.49 ?10?2 ? 3 ? 22.47 ?10?2 m?80 ?10 ? / ? 22.47 ?10 ? ? 3.56?2 ?2所以最多有 4 个小球同时下降。 （2）以上所求得的小球的沉降速度是小球与油的相对速度，当油静止时， 也就是相对于容器的速度。当油以 0.05m/s 的速度向上运动，小球与油的相对速 度仍然是 ut ? 7.49 ?10?2 m/s，但是小球与容器的相对速度为 u ' ? 2.49 ?10?2 m/s 所以，小球在 3s 内下降的距离为 2.49 ?10?2 ? 3 ? 7.47 ?10?2 m?80 ?10 ? / ? 7.47 ?10 ? ? 10.7?2 ?2所以最多有 11 个小球同时下降。6.5 设颗粒的沉降符合斯托克斯定律，颗粒的初速度为零，试推导颗粒的沉 降速度与降落时间的关系。现有颗粒密度为 1600kg/m3，直径为 0.18mm 的小球， 在 20℃的水中自由沉降，试求小球加速到沉降速度的 99%所需要的时间以及在 这段时间内下降的距离（已知水的密度为 998.2kg/m3，黏度为 1.005× 10-3Pa? s） 。 解： （1）对颗粒在水中的运动做受力分析F ? Fg ? Fb ? FD ??6d p3 ? p g ??6d p 3 ? g ? 3?? d pu51 所以，( ? p ? ? ) g 18? u du F F ? ? ? ? 2 dt m ? d 3 ? ?p dp ?p p p 6t ut对上式积分得， ? dt ? ?00du ( ? p ? ? ) g 18?u ? 2 ?p dp ?p18 ?? u 得t ? ? ln ?1 ? 18? ? ututd p2 ? p? 2 t ? ? ? dp ?p ? ? ，其中 Ut 为终端沉降速度， 或 u ? u 1 ? e ? t ? ? ? ? ?2?? ?p? ? ? gd p 2 18???1600 ? 998.2 ? ? 9.81? ? 0.18 ?10?3 ?18 ?1.005 ?10?3? 1.06 ?10?2 m/s检验 Re p ?ut d p ???1.06 ?10?2 ? 0.18 ?10?3 ? 998.2 ? 1.9 ? 2 ，符合题意， 1.005 ?10?3所以小球加速到沉降速度 99%的时间为? u t?? ln ?1 ? 18? ? utd p2 ? p0.18 ?10?3 ? ?1600 ? ? ln ?1 ? 0.99 ? ? 1.32 ?10?2 s ??? ?3 18 ? 1.005 ? 10 ?218 ? ? 2 t ? ? dL dp ?p ? （2）由 u ? ? ut ?1 ? e ? ? dt ? ?18 ? ? d 2? ? 2 t ? ? dp ?p ? ? dt ? ut ?t ? p p 所以 L ? ut ? 1 ? e 0? ? 18? ? ? ? ? t? t ? ? d18 ?? 2 p ?p ?e ? 1? ? ? ?? ? ???3 ? ? ? 18?1.005?210 ?1.32?10?2 ? ? ?3 2 ? 3 ? 0.18 ?10 ? ?1600 ? e ?0.18?10 ? ?1600 ? ?? L ? 1.06 ?10?2 ? ?1.32 ?10?2 ? ? 1? ? ? 1.1?10?4 m ?3 ? 18 ?1.005 ?10 ? ?? ? ? ?? ?6.6 落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃筒组成，将被测液体装入玻璃筒， 然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间，即可以计算出液体黏度。现在已知 钢球直径为 10mm，密度为 7900 kg/m3，待测某液体的密度为 1300 kg/m3，钢球 在液体中下落 200mm，所用的时间为 9.02s，试求该液体的黏度。 解：钢球在液体中的沉降速度为 ut ? L / s ? 200 ?10?3 / 9.02 ? 0.022 m/s 假设钢球的沉降符合斯托克斯公式，则52 ?? ??p? ? ? gd p 2 18ut?? 7900 ? 1300 ? ? 9.81? ?10 ?10?3 ?18 ? 0.0222s ? 16.35 Pa?检验： Re p ?ut d p ???0.022 ?10 ?10?3 ?1300 ? 0.017 ? 2 ，假设正确。 16.356.7 降尘室是从气体中除去固体颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有 一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除，如下图 所示。现用降尘室分离气体中的粉尘（密度为 4500kg/m3） ，操作条件是：气体 体积流量为 6m3/s，密度为 0.6kg/m3，黏度为 3.0× 10-5Pa? s，降尘室高 2m，宽 2m， 长 5m。求能被完全去除的最小尘粒的直径。含尘气体ui净化气体ut降尘室图 6-1习题 6.7 图示解：设降尘室长为 l，宽为 b，高为 h，则颗粒的停留时间为 t停 ? l / ui ，沉降 时间为 t沉 ? h / ut ，当 t停 ? t沉 时，颗粒可以从气体中完全去除， t停 ? t沉 对应的是 能够去除的最小颗粒，即 l / ui ? h / ut 因为 ui ?qV hu hq q 6 ? 0.6 m/s ，所以 ut ? i ? V ? V ? hb l lhb lb 5 ? 2假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得d p min ? 18?ut 18 ? 3 ?10?5 ? 0.6 ? ? 8.57 ?10?5 m ? 85.7 μm 9.81? ? 4500 ? 0.6 ? g ??p ? ? ?检验雷诺数Re p ?d put ???8.57 ?10?5 ? 0.6 ? 0.6 ? 1.03 ? 2 ，在层流区。 3 ?10?5所以可以去除的最小颗粒直径为 85.7μm53 6.8 采用平流式沉砂池去除污水中粒径较大的颗粒。如果颗粒的平均密度为 2240kg/m3，沉淀池有效水深为 1.2m，水力停留时间为 1min，求能够去除的颗粒 最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水的物性参数为密度 1000kg/m3，黏度 为 1.2 × 10-3Pa? s） 。 解：能够去除的颗粒的最小沉降速度为 ut ? h / t沉 ? 1.2 / 60 ? 0.02 m/s 假设沉降符合斯克托斯公式，则 ut ? 所以 d P ?18?ut ? ? ?P ? ? ? g? ?P ? ? ? gd P 218?18 ?1.2 ?10?3 ? 0.02 ? 1.88 ?10?4 m ? 2240 ? 1000 ? ? 9.81检验 Re p ?d put ??1.88 ?10?4 ? 0.02 ?1000 ? ? 3.13 ? 2 ，假设错误。 1.2 ?10?3假设沉降符合艾伦公式，则 ut ? 0.27 所dp ? 1 ut1 ? ? ?1 0.27 2 ? ? p ? ? ? g? ? P ? ? ? gd P Re0.6 p?以?00?1 2????3 0??????????2??4.m..检验 Re p ?d put ??2.12 ?10?4 ? 0.02 ?1000 ? ? 3.5 ，在艾伦区，假设正确。 1.2 ?10?3所以能够去除的颗粒最小粒径为 2.12× 10-4m。6.9质量流量为 1.1kg/s 、温度为 20℃的常压含尘气体，尘粒密度为1800kg/m3，需要除尘并预热至 400℃，现在用底面积为 65m2 的降尘室除尘，试 问 （1）先除尘后预热，可以除去的最小颗粒直径为多少？ （2）先预热后除尘，可以除去的最小颗粒直径是多少？如果达到与（1）相 同的去除颗粒最小直径，空气的质量流量为多少？ （3）欲取得更好的除尘效果，应如何对降尘室进行改造？54 （假设空气压力不变，20℃空气的密度为 1.2kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s，400℃ 黏度为 3.31× 10-5Pa? s。 ）1.1 ? 0.917m 3 /s ， 降尘室的底面积为 65m2 1.2 q 0.917 ? 0.0141m/s 所以，可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 ut ? V ? A 65解： （1） 预热前空气体积流量为 qV ?假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为d p ,min ? 18?u t 18 ? 1.81? 10?5 ? 0.0141 ? ? 1.61? 10?5 m ? 16.1μm ?? p ? ? ?g ?? ? 9.81检验雷诺数Re p ?? d put 1.2 ?1.61?10?5 ? 0.0141 ? ? 0.015 ? 2 假设正确 ? 1.81?10?5（2）预热后空气的密度和流量变化为293 1.1 ? 0.522 kg/m 3 ，体积流量为 qV ? ? 2.11m3 /s 273 ? 400 0.522 qV 2.11 ? ? 0.0325m/s 可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 ut ? A 65? ? 1.2 ?同样假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为d p ,min ? 18?u t 18 ? 3.31? 10?5 ? 0.0325 ? ? 3.31? 10?5 m ? 33.1μm ?? p ? ? ?g ?? ? 9.81检验雷诺数? d put 0.522 ? 3.31?10?5 ? 0.0325 Re p ? ? ? 0.017 ? 2 假设正确 ? 3.31?10?5d p ? 16.1μm 的颗粒在 400℃空气中的沉降速度为ut ???p? ? ?gd p 18?22 ? ? ? 9.81? ?1.61? 10?5 ? ?18? 3.31? 10?5? 0.00768 m/s要将颗粒全部除去，气体流量为 qV ? Aut ? 65? 0.00768 ? 0.5m3/skg/s 质量流量为 0.5 ? 0.522 ? 0.261（3）参考答案：将降尘室分层，增加降尘室的底面积，可以取得更好的除 尘效果。55 6.10 用多层降尘室除尘， 已知降尘室总高 4m， 每层高 0.2m， 长 4m， 宽 2m， 欲处理的含尘气体密度为 1 kg/m3，黏度为 3× 10-5Pa? s，尘粒密度为 3000 kg/m3， 要求完全去除的最小颗粒直径为 20μm，求降尘室最大处理的气体流量。 解：假设颗粒沉降位于斯托克顿区，则颗粒的沉降速度为ut?? ?p? ? ? gd p 2 18??? 3000 ? 1? ? 9.81? ? 20 ?10?6 ?18 ? 3 ?10?52? 0.0218m/s检验 Re p ?? d put 1? 2.0 ?10?5 ? 0.0218 ? ? 0.0145 ? 2 ，假设正确 ? 3 ?10?5降尘室总沉降面积为 A ? 20 ? 4 ? 2 ? 160 m2 所以最大处理流量为 qV ? Aut ? 160 ? 0.0218 ? 3.488 m3/s6.11 用与例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含粉尘空气的 温度为 200℃，体积流量为 3800 m3/h，粉尘密度为 2290 kg/m3，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℃空气的密度为 0.746 kg/m3，黏度为 2.60× 10-5 Pa? s） 。 解：标准旋风分离器进口宽度 B ? D / 4 ? 0.65 / 4 ? 0.1625 m， 进口高度 hi ? D / 2 ? 0.65/ 2 ? 0.325 m， 进口气速 ui ? qV / Bhi ? ?? / ?0.1625 ? 0.325? ? 19.99 m/s 所以分离粉尘的临界直径为dc ? 9? B 9 ? 2.60 ?10?5 ? 0.1625 ? ? 7.27 ?10?6 m=7.27μm ? ui ? p N 3.14 ?19.99 ? 2290 ? 56.12 体积流量为 1m3/s 的 20℃常压含尘空气， 固体颗粒的密度为 1800 kg/m3 （空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81× 10-5Pa? s） 。则 （1）用底面积为 60m2 的降尘室除尘，能够完全去除的最小颗粒直径是多 少？ （2）用直径为 600mm 的标准旋风分离器除尘，离心分离因数、临界直径和 分割直径是多少？56 解： （1）能完全去除的颗粒沉降速度为ut ? qV 1 ? ? 0.0167 m/s A 60假设沉降符合斯托克斯公式，能够完全去除的最小颗粒直径为d p ,min ? 18?ut 18 ?1.81?10?5 ? 0.0167 ? ? 1.76 ?10?5 m ? 17.6μm ?1800 ? 1.205? ? 9.81 ??p ? ? ? g检验： Re p ?? d put 1.205 ?1.76 ?10?5 ? 0.0167 ? ? 0.064 ? 2 ，假设正确。 ? 1.81?10?5（2）标准旋风分离器 进口宽度 B ? D / 4 ? 0.6 / 4 ? 0.15 m，进口高度 hi ? D / 2 ? 0.6 / 2 ? 0.3 m，进口 气速 ui ? qV / Bhi ? 1/ ? 0.15 ? 0.3? ? 22.22 m/s 分离因数 K c ?ui2 ui2 22.222 ? ? ? 224 gr g D ? B 9.81? 0.6 ? 0.375 29? B 9 ?1.81?10?5 ? 0.15 ? ? 6.24 ?10?6 m=6.24μm ? ui ? p N 3.14 ? 22.22 ?1800 ? 5临界粒径 dc ? 分割直径?D 1.81?10?5 ? 0.6 d50 ? 0.27 ? 0.27 ? ? 4.45 ?10?6 m=4.45μm ? p ui 1800 ? 22.226.13 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}
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