最新《环工原理》部分课后作业及答案.docx
- 文档编号:5190652
- 上传时间:2022-12-13
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:512.95KB
最新《环工原理》部分课后作业及答案.docx
《最新《环工原理》部分课后作业及答案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《最新《环工原理》部分课后作业及答案.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
最新《环工原理》部分课后作业及答案
第一篇
第二章质量衡算与能量衡算
6
2.1某室内空气中Q的浓度是0.08X10-(体积分数),求:
(1)在1.013xiO5Pa、25C下,用⑷/m3表示该浓度;
(2)在大气压力为0.83X105Pa和15C下,Q的物质的量浓度为多少?
解:
(1)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=V0P0T1/P1T0
=22.4LX298K/273K=24.45L
所以Q浓度可以表示为
_6一13
0.08X10molX48g/molX(24.45L)=157.05用/m
(2)由题,在所给条件下,1mol空气的体积为
V1=V0P0T1/P1T0
=22.4L
所以Q的物质的量浓度为
X1.013X105PaX288K/(0.83X105PaX273K)=28.82L
—6—9
0.08X10mol/28.82L=2.78X10mol/L
2.2
假设在25C和1.013X105Pa的条件下,SQ的平均测量浓度为400⑷/m3,若允许值0.14X10-6,问是否符合要求?
大于允许浓度,故不符合要求
为30mg/L。
假设完全混合。
求:
(2)每天通过下游测量点的污染物的质量为
m(CV1CV2)8.87(3600010000)103kg/d
408.02kg/d
2.7某一湖泊容积10X106ni,上游有一未被污染的河流流入该湖泊,流量为50m/s。
一工厂以5m3/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0.25d“。
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
由质量衡算,得qm1qm2kV0
363
即5X100mg/L—(5+50)mm/s—10X10>0.25xmm/s=0
解得m=5.96mg/L
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
uo与槽内水面高度z的关系为:
uo=0.62(2gz)0.5,试求放出1ni水所需的时间。
解:
设储槽横截面积为Ai,小孔的面积为A2
由题得A2Uo=—dV/dt
即uo=—dz/dtXWA2
所以有—dz/dtx(100/4)2=0.62(2gz)0.5
-0.5
即有—226.55xz-0.5dz=dt①
又z0=3mz1=zo—imx(nX25m2)-1=1.73m
对①式积分得t=189.8s
2.14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100R1/S,水温为20C。
(1)如果水温只允许上升10C,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C。
解:
输入给冷却水的热量为Q=1000X2/3MW=667MW
(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qmcpT
333
根据热量衡算定律,有qV>10X4.183x10kJ/m=667X10KW
3
得Q=15.94m3/s
333
(2)由题,根据热量衡算方程,得100X10“.183心TkJ/m=667X10KW
得△T=1.59K
第三章流体流动
3.2常压、20C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刈04。
求空气的外流速度。
解:
设边界层厚度为S;空气密度为p,空气流速为u。
由题,因为湍流的临界雷诺数一般取5X105>6.7X104,
卄40533—5
即4.641X(6.7X10)=uX1X10kg/mX1.8mm/(1.81X10Pas)
解得u=0.012m/s
3.5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
位为m/s。
试计算:
(1)若水槽中水位不变,试计算水的流量;
hf6.5u2计算,式中u为水在管内的流速,单
1m所需的时间。
(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
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
22u1/2+pdp+gz1=u2/2+p2/p+gz2+习if
由题意得p1=p2,且u1=0
222
所以9.81m/sX(8m—2m)=u/2+6.5u
解得u=2.90m/s
2—23
qv=uA=2.90m/sXn0.01m/4=2.28X0m/s
22
(2)由伯努利方程,有u1/2+gz1=u2/2+gz2+2hf
即u12/2+gz1=7u22+gz2
、,2
由题意得U〃U2=(0.1/1)=0.01
取微元时间dt,以向下为正方向
则有ui=dz/dt
22
所以(dz/dt)/2+gzi=7(100dz/dt)/2+gz2
积分解得t=36.06s
53
3.9一锅炉通过内径为3.5m的烟囱排除烟气,排放量为3.5X10m/h,在烟气平均温度为260C时,其平均密度为0.6
kg/m3,平均粘度为2.8x10_4Pas。
大气温度为20C,在烟囱高度范围内平均密度为1.15kg/m3。
为克服煤灰阻力,
烟囱底部压力较地面大气压低245Pa。
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
4
u=qv/A=10.11m/sRe=dup尸7.58X10
相对粗糙度为如=5mm/3.5m=1.429X10「3
查表得入=0.028
所以摩擦阻力hf
22
建立伯努利方程有u1/2+p1/p+gz1=U2/2+p2/p+gz2+习v由题意得u1=U2,p1=po—245Pa,p2=po—p空gh
即
(hX1.15kg/m3x9.8m/s2—245Pa)/(0.6kg/m3)=hX9.8m/s2+hX0.028/3.5mx(10.11m/s)2/2
解得h=47.64m
3.10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DN15Q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100m,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140m/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25C,管道视为光滑管)
解:
由题,在进水口和出水口之间建立伯努利方程,有
We=gh+
25C时,水的密度为997.0kg/m3,粘度为0.9X1O「3Pas
管径为100mm时u=4.95m/s
5
Re=dup尸5.48X10,为湍流
查表得X=0.02
管径为150mm时u=2.20m/s
5
Re=dup尸3.66X10,为湍流
查表得入=0.022
泵的进水口段的管件阻力系数分别为:
吸滤底阀Z=1.590。
弯头Z=0.75管入口Z=0.5
222
2hfi=(1.5+0.75X2+0.5+0.022X60/0.15)X(2.20m/s)/2=29.76m/s
泵的出水口段的管件阻力系数分别为:
大小头Z=0.3;90°弯头=0.75;闸阀Z=0.17;管出口Z=1
22
Ihf2=(1+0.75X3+0.3+0.17+0.02X100/0.1)X(4.95m/s)/2+(0.023X23/0.15)X(2.20m/s)/2
22
=299.13m/s
2222222
W=gh+2hf=29.76m/s+299.13m/s+60nX9.81m/s=917.49m/s=917.49J/kg
334
WN=(917.49J/kg/60%)X140m/hX997.0kg/m=5.93X10W
总消耗电费为59.3kWX0.46元/(kWh)X24h/d=654.55元/d
第四章热量传递
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。
其入值依次为1.40W/(mK),
0.10W/(mK)及0.92W/(mK)。
传热面积A为1甫。
已知耐火砖内壁温度为1000C,普通砖外壁温度为50C。
求:
(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0.0459W/(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「1、「2、rs。
(1)由题易得
b0.5m小小2
r1==11=0.357mK/W
1.4Wm1K1
2
「2=3.8mK/W
2
「3=0.272mK/W
所以q=
T2
=214.5W/m
「1「2「3
由题意得T1=1000C
T2=T1—QR=923.4C
T3=Ti—Q(R+R2)=108.3C
T4=50C
(2)由题,增加的热阻为
2
r'0.436mK/W
2
q=AT/(r1+r2+r3+r')=195.3W/m
4.4某一①60mm3mm的铝复合管,其导热系数为45W/(mK),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/(mK)和0.04W/(mK)。
试求:
(1)如已知管内壁温度为-105C,软木外侧温度为5C,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
=3.73X10—4Km/W+0.735Km/W+1.613Km/W
=2.348Km/W
Q/L=——=46.84W/m
R/L
=3.73X10—4Km/W+2.758Km/W+0.430Km/W
=3.189Km/W
4.7用内径为27mm的管子,将空气从10C加热到100C,空气流量为250kg/h,管外侧用120C的饱和水蒸气加热(未
液化)。
求所需要的管长。
解:
以平均温度55C查空气的物性常数,得
一53
入=0.0287W/(mK)尸1.99X10Pascp=1.005kJ/(kgK)p=1.077kg/m
由题意得u=Q/(pA)=112.62m/s
一5、5
Re=dup/尸0.027X112.62X1.077/(1.99X10)=1.65X10
所以此流动为湍流
一5
Pr=^Cp/入=(1.99X10)X1.005/0.0287=0.697
a=0.023Re0.8Pr*=315.88W/(vaK)
△T2=110KAT1=20K
ATn=(AT2-AT)/In(AT2/△「)=(110K-20K)/In(110/20)=52.79K
由热量守恒可得anLATm=qmhCphATh
L=qmcphATh/(anATm)
=250kg/hX1.005kJ/(kgK)X90K/:
315.88W/(niK)n0.027m52.79K:
=4.44m
4.9在换热器中用冷水冷却煤油。
水在直径为机9X2mm的钢管内流动,水的对流传热系数为3490W/(卅K),煤油的对
2
流传热系数为458W/(mK)。
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
22
0.000176mK/W和0.00026mK/W,管壁的导热系数为45W/(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
120.00221222
m2K/Wm2K/Wm2K/W0.00026m2K/W0.000176m2K/W
349045458
2.95103m2K/W
/2
K=338.9W/(mK)
(2)产生污垢后增加的热阻百分比为
一」100%
1
Q「S2
K
0.1760.26
100%17.34%
2.950.1760.26
主:
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将100C的热水冷却到50C,热水的质量流量为3500kg/h。
冷却水在直径为创80X10mm的
管内流动,温度从20C升至30C。
已知基于管外表面的总传热系数为2320W/(nfK)。
若忽略热损失,且近似认
为冷水和热水的比热相等,均为4.18kJ/(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)由热量寸"恒可得qmcCpcATc=qmhCphATh
qmc=3500kg/hX50C/10C=17500kg/h
(2)并流时有AT2=80KAT=20K
T2T1
T1
80K20K
43.28K
.80
In-
20
由热量守恒可得KAATm=qmhcphATh
即KTidLATm=qmhcphATh
.qmhCphTh3500kg/h4.18kJ/(kgK)50K
L23.58m
KdTm2320W/(m2K)0.18m43.28K
逆流时有AT2=70KAT=30K
Tm
T2_T170K30K
T;
In
ln70
30
47.21K
qmhcphTh3500kg/h4.18kJ/(kgK)50K
同上得LkdTm2320W/(m2K)0.18m47.21K3.28m
比较得逆流所需的管路短,故逆流得传热效率较高。
4.12火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为
13.2丽若将火星看作一个黑体,求火星的温度为多少?
329103
解:
由^T=2.9X10—3得T29
空空219.70K
13.2106
4.13若将一外径70mm长3m外表温度为
227C的钢管放置于:
(1)很大的红砖屋内,砖墙壁温度为
27C;
(2)截面为0.3X0.3m2的砖槽内,砖壁温度为27C。
0.8和0.93。
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
444
解:
(1)Q-2=C1-2如—2A(T1—T2)/100
由题有沏—2=1,C1—2=aCO,a=0.8
444
Q—2=aCcA(T1—T2)/100
=0.8X5.67W/(m^K4)X3mx0.07mXu>C5004K"—3004^)/1004
3
=1.63X10W
/1004
(2)Q—2=G—2鬲—2A(T1—T2)
由题有沏—2=1
C—2=C/[1/a+A1/A2(1/
Q—2=Cg/[1/a+A1/A2(1/
S2—1)]
&—1)]A(T14—T24)/1004
244444
=5.67W/(mK)[1/0.8+(3>0.07X/0.3>0.3X3)(1/0.93—1)]X3m>Q.07mXn^500K-300K)
/100
3
=1.42X10W
第五章质量传递
5.2在总压为2.026X05Pa、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
55082
6
别为pA,1=0.4X0Pa和pA,2=0.1x10Pa时,由实验测得kG=1.26X10-kmol/(msPa),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2。
所以NakGPa,1Pa,2
pB,m
NakGPa,1Pa,20.44molm2
间。
假设扩散时水的分子通过一层厚4mm温度为30C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CAb=0.11m2/h.水温可视为与空气相同。
当地大气压力为1.01x105Pa。
故水的物质的量浓度为995.7X103/18=0.5532X05mol/m3
30C时的分子扩散系数为Dab=0.11m2/h
3
pA,i=4.2474X10Papa,0=0
又有NA=c水V/(At)(4mm的静止空气层厚度认为不变)
所以有C水V/(At)=D\Bp(pA,i—pA,0)/(RTpB,mZ)
可得t=5.8h
故需5.8小时才可完全蒸发。
6.5一填料塔在大气压和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6.6xiO3N/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
0.236x10-4m/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,mPb,2Pb,10.97963105Pa
lnPb,2JPb,1
NADabPPa'1空6.57102molm2s
RTpB.mL
6.6一直径为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1.01X105Pa、293K下,氨的分子扩散系数为1.8X10-5ni/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20C时的相平衡关系为P=2.69X105x(Pa),x为摩尔分数。
解:
由题,设溶液质量为ag
贝叽氨的物质的量为0.1a/17mol,总物质的量为(0.9a/18+0.1a/17)mol
01a17
所以,氨的摩尔分数为x0.1053
0.9a'180.1a,‘17
故,氨的平衡分压为p=0.1053X2.69X105Pa=0.2832X105Pa
5
即有pA,i=0.2832X10PaPA,0=0
pB,mPb,0PB,i0.8608105Pa
lnPB,0/PB,i
5
5.9在稳态下气体A和B混合物进行稳态扩散,总压力为1.013X10Pa、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=1.34X104Pa和Pa2=0.67X104Pa。
混合物的扩散系数为1.85X10-5ni/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=87.9kPapb,2=p—pA,2=94.6kPa
0.9121105Pa
小pB,2pB,1
PB,m■
InPb2,‘;Pb,i
-52
DAb=1.85X10m/s
DABppA,1pA,24「2
NA5.9610mol.ms
RTpB,mL'
(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
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
第二篇
第六章沉降
6.2密度为2650kg/m3的球形颗粒在20C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1.81X10-5Pas)。
解:
如果颗粒沉降位于斯托克斯区,则颗粒直径最大时,艮卩虫」2
gdP2
gdp
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7900kg/m3,待测某液体的密度为1300kg/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utL/s200103/9.020.022m/s
假设钢球的沉降符合斯托克斯公式,则
检验:
RepUtdp
3
0.02210101300
0.0172,假设正确。
16.35
6.7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3.0X10-5Pas,降尘室高2m,宽2m长5m>求能被完全去除的最小
尘粒的直径。
净化气
降尘
习题6.7图示
粒可以从气体中完全去除,
解:
设降尘室长为I,宽为b,高为h,则颗粒的停留时间为t停丨/口,沉降时间为t沉h/q,当
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环工原理 最新 原理 部分 课后 作业 答案