环境工程原理课后答案.doc
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1、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。1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0.0810-6(体积分数),求:(1)在1.013105Pa、25下,用g/m3表示该浓度;(2)在大气压力为0.83105Pa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V1V0P0T1/ P1T0 22.4L298K/273K 24.45L所以O3浓度可以表示为0.08106mol48g/mol(24.45L)1157.05g/m3(2)由题,在所给条件下,1mol空气的体积为V1V0P
2、0T1/ P1T0=22.4L1.013105Pa288K/(0.83105Pa273K) 28.82L所以O3的物质的量浓度为0.08106mol/28.82L2.78109mol/L2.2 假设在25和1.013105Pa的条件下,SO2的平均测量浓度为400g/m3,若允许值为0.1410-6,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:1.5kgfs2/m= kg密度:13.6g/cm3= kg/ m3压力:35kgf/cm2= Pa 4.7atm= Pa 670mmHg= P
3、a功率:10马力 kW比热容:2Btu/(lb)= J/(kgK) 3kcal/(kg)= J/(kgK)流量:2.5L/s= m3/h表面张力:70dyn/cm= N/m 5 kgf/m= N/m解:质量:1.5kgfs2/m=14.709975kg密度:13.6g/cm3=13.6103kg/ m3压力:35kg/cm2=3.43245106Pa 4.7atm=4.762275105Pa 670mmHg=8.93244104Pa功率:10马力7.4569kW比热容:2Btu/(lb)= 8.3736103J/(kgK) 3kcal/(kg)=1.25604104J/(kgK)流量:2.5L
4、/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0+At式中:温度为t时的密度, lb/ft3;0温度为t0时的密度, lb/ft3。t温度,。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/(m3K)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
5、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0.79P1V1/RT10.734P2V2/RT2即0.79100m3/303K0.734V2/573KV2203.54m32.6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(2)
6、每天通过下游测量点的污染物的质量为2.7某一湖泊的容积为10106m3,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0.25d1。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,则输出的浓度也为则由质量衡算,得即5100mg/L(550)m3/s 101060.25m3/s0解之得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
7、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则根据质量衡算方程,有0.05(30.05)1.0解之得61 mg/L加入示踪剂的质量流量为610.05g/s3.05g/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0.20h1。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
8、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则由质量衡算得10.0kg/s(0.20/3600)1001001109 m3/s 41001106m3/s0解之得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。根据质量衡算方程有带入已知量,分离变量并积分,得积分有1.1510-2mg/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
9、/L时,需要多少时间?解:设地表水中总氮浓度为0,池中总氮浓度为由质量衡算,得即积分,有求得t0.18 min2.11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u00.62(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A2u0dV/dt,即u0dz/dtA1/A2所以有dz/dt(100/4)20.62(2gz)0.5即有226.55z-0.5dzdtz03mz1z01m3(0.25m2)-11.73m积分计算得t189.8s2.12 给水处理中,需要将固体硫酸
10、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,dt时间内的浓度变化为d由质量衡算方程,可得时间也是变量,一下积分过程是否有误?30dt(10060t)dC120Cdt即(30120C)dt(10060t)dC由题有初始条件t0,C0积分计算得:当t1h时C15.232.13 有一个43m2的太阳能取暖器,太阳光的强度为3000kJ/(m2h),有50的
11、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30001250 kJ/h18000 kJ/h设取暖器的水升高的温度为(T),水流热量变化率为根据热量衡算方程,有18000 kJ/h 0.86014.183TkJ/h.K解之得T89.65K2.14 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
12、的水温会上升多少。解:输入给冷却水的热量为Q10002/3MW667 MW(1)以冷却水为衡算对象,设冷却水的流量为,热量变化率为。根据热量衡算定律,有1034.18310 kJ/m3667103KWQ15.94m3/s(2)由题,根据热量衡算方程,得1001034.183T kJ/m3667103KWT1.59K209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=1.5mm的油膜。当圆盘以n=50r/min旋转时,测得扭矩M=2.9410-4 Nm。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
13、方向上取dr,则有dMdFr由题有dFdA所以有两边积分计算得代入数据得2.94104Nm(0.05m)42 (50/60)s /(1.5103m)可得8.58103Pas3.2 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6.7104。求空气的外流速度。解:设边界层厚度为;空气密度为,空气流速为u。由题,因为湍流的临界雷诺数一般取51056.7104,所以此流动为层流。对于层流层有同时又有两式合并有即有4.641(6.7104)0.5u1103kg/m31.8mm /(1.81105Pas)u0.012m/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
14、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NeWeqv(gzhf)qv=(9.81m/s210m+4J/kg)1103kg/m334/3600m3/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
15、-2之间列伯努利方程:u12/2p1/u22/2p2/由题有u24u1所以有u12/2p1/16u12/2p2/即15 u122(p1- p2)/=2(0-)g(R1-R2)/ =2(1000-1.2)kg/m39.81m/s2(0.1m0.04m)/(1.2kg/m3)解之得u18.09m/s所以有u232.35m/sqvu1A8.09m/s(200mm)21.02m3/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)可按计算,式中u为水在管内的流速,单位为m/s。试计
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