环境工程原理课后习题答案2-8章

2.8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。《第二章质量衡算与能量衡算》smqV/0.331?/05.032smqV01解：取衡算系统如图所示。确定衡算对象为示踪剂。衡算的基准是s可判断为稳态非反应系统，对汇合前后示踪剂进行质量衡算：12mmqq0.05ρ=(3+0.05)×1.0ρ=61mg/L加入示踪剂的质量流量为：(61×10-3g)/(10-3m3)×0.05m3/s=3.05g/s单位要统一2.9假设某城市上方的空气为一长度均为100km、高为1.0km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边进入。假设某种空气污染物以10.0kg/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。求稳态情况下的污染物浓度。解：取衡算系统为空箱所占空间。确定衡算对象为污染物。衡算的基准是s。可判断为稳态反应系统。设稳态下污染物浓度为ρ，对空箱中混和前后污染物进行质量衡算：10.kg/s－4×100×1×106ρm3/s－(0.20/3600)×ρ×100×100×1×109m3/s=0ρ=1.05×10-2mg/m3《第二章质量衡算与能量衡算》120mmqqkV单位要统一2.13有一个4×3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/(m2h)，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1h。设取暖器的水升高的温度为ΔT，根据热量衡算方程，3000kJ/m2h×4×3m2×50%=0.8L/min×60min×4.183kJ/hk×ΔTΔT=89.65K《第二章质量衡算与能量衡算》pQmcT《第二章质量衡算与能量衡算》2.13有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量为冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自当地的一条河流，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，冷却水的水温会上升多少？解：输入给冷却水的热量为：MWMWQ6673/21000（1)以冷却水为衡算对象,该系统为开放系统。设冷却水的流量为Vq则冷却水热量的变化率为PFmpHHqcT《第二章质量衡算与能量衡算》333/10183.41010667mkJqKWVsmqV/94.153水的密度kg/m3水的比热kJ/kgK温度℃（2）以河流水为衡算对象，在100m3/s的流量下，吸收667MW能量后河水温度的变化为C59.1184.41010010667o33＝T3.3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34m3/h，求提升水所需要的功率，设水的温度为25℃解：第三章流体流动fehpgzuWpgzu222211212121——拓展的伯努利方程取调节池水面和沉淀池水面为1，2截面：大气压21210ppuu伯努利方程变为：kgJhzzgWfe/1.10241081.9)(12（各项单位为J/kg）WqWqWNmemee3.9643600/34101.1023解：截面1和截面2之间列伯努力方程:u12/2+P1/ρ＝u22/2+P2/ρ由题目知:u2=4u1则有:15u12=2(P1-P2)/ρ=2×（0.1-0.04)×103×9.81/1.2解得：u1=8.09m/s代入数据，解得qv=u1A=8.09×3.14×0.22=1.02m3/s3.4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形管压差计，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，试求管道的空气流量。3.6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。23282220mmmfudldlurlup（1）管长增加一倍：阻力损失增加一倍（2）管径增加一倍：um变为原来的1/4，μ和l不变，阻力损失变为原来的1/163.10用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图所示，水塔与大气相通，池和塔的水面高度差为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。泵出水管为两端管段串连，两端管分别为DN150、长23m和DN100、长100m，不同管径的管道经大小头相连，DN100的管道上有3个90°弯头和一个闸阀。泵和电机的总功率为60％。要求水的流量为140m3/h，如果当地电费为0.46元/kWh，则每天泵需要消耗多少电费？（水温为25℃，管道视为光滑管）解：内插法，25℃时，μ＝90.285×10－5Pasρ＝996.95kgm－3计算管道流速：泵进水管DN150:u1＝4qv/πd12=2.20（m/s）泵出水管:DN150:u2＝u1＝2.20（m/s）DN100:u3＝4.95（m/s）计算雷诺数，判断流动状态：DN150:Re1＝ρu1d1/μ＝996.95×2.2×0.15/90.285×10－5＝3.64×1054000DN100:Re2＝ρu2d2/μ＝996.95×4.95×0.1/90.285×10－5=5.47×1054000故，流体处在湍流区。对于光滑管，可以采用经验公式P79(3.4.20)(3.4.21)可以直接查图3.4.6：内插Re1＝3.64×105时，λ1＝0.014(0.022)Re2＝5.47×105时，λ2＝0.013(0.02)进口管段的管件阻力系数分别为：吸滤底阀ζ11.5，90度弯头ζ20.75，管入口ζ30.5.则进口管段的阻力为：∑Hf1＝λ1l1/d1×u12/2+(ζ1+2ζ2+ζ3)×u12/2=（1.5＋2×0.75＋0.5+0.014×60/0.15）×2.202/2=22.02（J/kg）进口管段的管件阻力系数分别为：大小头ζ10.3，90度弯头ζ20.75，闸阀ζ30.17，管出口口ζ41.则出口管段的阻力为：∑Hf2＝λ1l2/d2×u22/2＋（λ2l3/d3＋ζ1+3ζ2+ζ3+ζ4)×u32/2＝210.04（J/kg）在1－1和2－2之间建立伯努力方程：u12/2＋p1/ρ+gz1-We＝u22/2＋p2/ρ+gz2＋∑Hf其中，u1=u2则有：-We=(p2-p1)/ρ+g(z2-z1)＋∑Hf＝gh＋∑Hf＝9.81×60+22.02+210.04＝820.67（J/kg）WN=820.67/60%×140/3600×996.95=53.03kW电费：53.03×24×0.46=585.4(元)4.4某一φ60mm×3mm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，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、rm3mmrmmrmmrmmm99.736090ln3028.433060ln3047.282730ln3321第四章热量传递习题每米管段的热阻为：WKrbrbrbRmmm/348.299.7304.023028.4315.023047.284523222333222111每米管段的冷损失量：mWRTQ/85.46348.21055（2）WKrbrbrbRmmm/189.399.7315.023028.4304.023047.284523222333222111mWRTQ/50.34189.31055第四章热量传递习题RTTrrTTLQ211221ln2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3490W/m2k，煤油的对流传热系数为458W/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0.000176m2k/W和0.00026m2k/W，管壁的导热系数为45W/mk。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WKmrrbKss/1095.2000176.000026.03490145002.04581111232121KmWK2/9.338（1）将钢管视为薄管壁，则有：11112122211SSmbAAArrKAAAα1为管外流体对流传热系数27.1151912.19.16191519ln151919211AAAAmKmWK2/22.3223.12如图所示，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20mm，8mm和13mm(包括除阀门和管出口损失以外的所有局部阻力损失的当量长度)，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，是否需要增压水泵？需要的话，求增压水泵的扬程。解：以AC所在平面为基准面，在A，C断面之间列伯努力方程：fACAAhpupu121222在A，D断面之间列伯努力方程：fADAAhgzpupu2222222（1）（2）上面两式相减：0222212221fADfAChhgzppuu021pp则有：2)4.6032.0/803.0(8.93)2()2(21min212min21uuhgzufBC22min21/97.1)2(smu表压02222221fBDfBChhgzuuAfpsmuh22min21min/28.67)2()14.6032.0/2803.0(所以二楼有水（3）25/144.802.998108.02smpA当二楼流量为0.2L/s时：u2=0.249m/s代入（3）可得：u1=2.02m/sAB段流速为：u0=u1+u2=2.259m/s22/665.78202.2)14.6032.0/803.0(2259.2032.0/2003.022smhfAC25/144.802.998108.02smpA/AACphf故不需要增压水泵。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0.1MPa、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0.1MPa，298K的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为DAB＝2.5×10-5m2/s，试求稳态扩散时的传质通量、浓度分布。已知：T=298K，水的饱和蒸气压pA,i=3.1684KPa，水蒸气向干空气的扩散，p0=0，总压力p=0.1MPa=100Pa，L=0.2m单向扩散，smmol