环境工程原理计算题.doc
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1、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。2.6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
2、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)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.
3、96mg/L2.10 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
4、题得A2u0dV/dt,即u0dz/dtA1/A2所以有dz/dt(100/4)20.62(2gz)0。5即有226。55z0。5dzdtz03mz1z01m3(0.25m2)-11。73m积分计算得t189.8s3。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20
5、0mm。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32 习题3.4图示解:在截面11和22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(10001.2)kg/m39。81m/s2(0。1m0.04m)/(1.2kg/m3)解之得u18.09m/s所以有u232。35m/sqvu1A8.0
6、9m/s(200mm)21.02m3/s3.5 如图33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。试计算(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22之间列伯努利方程,有u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由题意得p1p2,且u10所以有9。81m/s2(8m2m)u2/26.5u2解之
7、得u2。90m/sqvuA2。90m/s0.01m2/42。28102m3/s(2)由伯努利方程,有u12/2gz1u22/2gz2hf即u12/2gz17u22gz2由题可得u1/u2(0。1/1)20.01取微元时间dt,以向下为正方向则有u1dz/dt所以有(dz/dt)2/2gz17(100dz/dt)2/2gz2积分解之得t36.06s3.10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
8、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/(kWh),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Weghhf25时,水的密度为997.0kg/m3,粘度为0。9103Pas管径为100mm时,u4。95m/sRedu/5.48105,为湍流为光滑管,查图,0.02管径为150mm时u2.20m/sRedu/3。66105管道为光滑管
9、,查图,0。022泵的进水口段的管件阻力系数分别为吸滤底阀1。5;90弯头0。75;管入口0. 5hf1(1。50。7520。50。02260/0.15)(2.20m/s)2/229.76m2/s2泵的出水口段的管件阻力系数分别为大小头0.3;90弯头0。75;闸阀0。17;管出口1hf2(10.7530.30.170.02100/0。1)(4。95m/s)2/2(0。02323/0.15)(2.20m/s)2/2299。13m2/s2Weghhf =29。76m2/s2299。13m2/s260m9。81m/s2917.49 m2/s2917.49J/kgWN(917。49J/kg/60)1
10、40m3/h997.0kg/m35。93104W总消耗电费为59.3kW0.46元/(kWh)24h/d654。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(30z0),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
11、多高?已知20水的粘度为1.0103 Pas,摩擦系数可由式计算。图35 习题3。11图示解:总管路的流速为u0qm0/(r2)4200 kg/h/(1103kg/m30.0252m2) 0.594m/s第一车间的管路流速为u1qm1/(r2) 1800kg/h/(1103kg/m30。012m2) 1。592m/s第二车间的管路流速为u2qm2/(r2) 2400 kg/h/(1103kg/m30。012m2) 2。122m/s则Re0du/2970000。1(/d58/Re)0。230。0308Re1du/3184010.1(/d58/Re)0.230.036Re2du/4240020.1
12、(/d58/Re)0。230.0357以车间一为控制单元,有伯努利方程u12/2gz1p1/hf1gz0p0/p1= p0,故(1。592m/s)2/29.8m/s23m0。0308(0。594m/s)2(30z0)m/(20。05m)0.036(1。592m/s)228m/(20。02m)9.8m/s2z0解之得z010。09m以车间二为控制单元,有伯努利方程u22/2gz2p2/hf2gz0p0/(2。122m/s)2/29.8m/s25m20kPa/(1103kg/m3)0.0308(0.594m/s)2(30z0)m/(20。05m)0。0357(2.122m/s)215m/(20。0
13、2m)9。8m/s2z0解之得z013.91m故水塔需距离地面13。91m3。12 如图36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0.8105Pa(表压),支管管径均为32mm,摩擦系数均为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36 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
14、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uA2/2pA/u12/2p1/gz2hfAC因为 uAu10;p10则有 pA/hfAC (1)在A、D断面之间建立伯努利方程,即uA2/2pA/u22/2p2/gz2hfADuAu20;p20;z23m pA/hfADgz2 (2)联立两式得 hfBChfBDgz2 (3)(0.038m/0。032m6.41)u12/2(0。0313m/0。032m6。41)u22/23m9。8m/s2所以有u1min2/21。97m2/s2hfmin(0。0328m/0。032m6.41)u1min2/267.28 m2/s2pA/所以二楼有水。
15、(2)当二楼出口流量为0.2L/s时,u20.249m/s代入(3)式(0.038m/0.032m6.41)u12/2(0.0313m/0.032m6.41)u22/23m9。8m/s2可得u12。02m/s此时AB段流速为 u02。259m/shfAC0。0320m/0.032m(2。259m/s)2/2(0。038m/0。032m6。41)(2。02m/s)2/248。266 m2/s230。399 m2/s278.665 m2/s2pA/0.8105Pa/(998。2kg/m3)80.144 m2/s2因为hfAC400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
16、板;2、增加耐火砖厚度,或改用导热系数更小的耐火砖。4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为192mm的钢管内流动,水的对流传热系数为3490 W/(m2K),煤油的对流传热系数为458 W/(m2K).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。000176 m2K/W和0。00026m2K/W,管壁的导热系数为45 W/(mK)。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K338.9W/(m2K)(2)产生污垢后增加的热阻百分比为注:如不视为薄管壁,将有5左右的数值误差。4.10在套管换热器中用冷水
17、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18010mm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/(m2K)。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/(kgK).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qmccpcTcqmhcphThqmc3500kg/h50/1017500kg/h(2)并流时有T280K,T120K 由热量守恒可得KATmqmhcphTh即KdLTmqmhcphTh逆流时有T270K,T130K同上得比较得逆流所需的
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