第02章质量衡算与能量衡算060529ppt

第I篇环境工程原理基础第I篇环境工程原理基础在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道工程，都涉及流体流动和热量、质量传递现象。流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物，污染物的过滤分离等热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等第I篇环境工程原理基础本篇主要讲述质量衡算、能量衡算等环境工程中分析问题的基本方法，以及流体流动和热量、质量传递的基础理论。系统掌握流体流动和热量、质量传递过程的基础理论，对优化污染物的分离和转化过程、提高污染控制工程的效率具有重要意义。本篇主要内容第二章质量衡算与能量衡算第三章流体流动第四章热量传递第五章质量传递第I篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量常用物理量及单位换算常用物理量及其表示方法第二节质量衡算衡算系统的概念总质量衡算方程第三节能量衡算总能量衡算方程热量衡算方程本章主要内容一、计量单位二、物理量的单位换算三、量纲和无量纲准数四、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节常用物理量计量单位是度量物理量的标准物理量＝数值×单位国际单位制，符号为SI7个基本单位；2个辅助单位；导出单位。第一节常用物理量一、计量单位国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度质量时间电流热力学温度物质的量发光强度米千克（公斤）秒安（培）开（尔文）摩（尔）坎（德拉）MKgsAKmolcdmkg表2.1.1国际单位制的基本单位7个基本单位2个辅助单位表2.1.2国际单位制的辅助单位量的名称单位名称单位符号平面角立体角弧度球面度radsr第一节常用物理量按照定义式由基本单位相乘或相除求得，并且其导出单位的定义式中的比例系数永远取1。导出单位当采用其它单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。2tmSktukmkmaF式中F——力；m——质量；a——加速度；u——速度；t——时间；S——距离；k——比例系数。力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即2smkg按照国际单位制规定，取k=1，则力的导出单位为第一节常用物理量导出单位表2.1.3国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位量的名称单位名称单位符号其他表示式例频率力；重力压力，压强；应力能量；功；热功率；辐射通量电荷量电位；电压；电动势电容电阻电导磁通量磁通量密度，磁感应强度电感摄氏温度光通量光照度放射性活度吸收剂量剂量当量赫（兹）牛（顿）帕（斯卡）焦（耳）瓦（特）库（仑）伏（特）法（拉）欧（姆）西（门子）韦（伯）特（斯拉）亨（利）摄氏度流（明）勒（克斯）贝可（勒尔）戈（瑞）希（沃特）HzNPaJWCVFΩSWbTH℃lmlxBqGySv1/skg·m/s2N/m2N·mJ/sA·sW/AC/VV/AA/VV·sWb/m2Wb/Acd·srlm/m21/sJ/kgJb/kg第一节常用物理量同一物理量用不同单位制的单位度量时，其数值比称为换算因数例如1m长的管用英尺度量时为3.2808ft，则英尺与米的换算因数为3.2808。解：按照题意，将kgf/cm2中力的单位kgf换算为N，cm2换算为m2。查表，N与kgf的换算因数为9.80665，因此1kgf＝9.80665N又1cm＝0.01m所以：1.033kgf/cm2＝1.033×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2【例题2.1.1】:已知1atm＝1.033kgf/cm2，将其换算为N/m2。二、物理量的单位换算第一节常用物理量——设备周围空气流动速度，cm/s【例题2.1.2】设备壁面因强制对流和辐射作用向周围环境中散失的热量可用下式表示，即ua036.03.5式中：a——对流-辐射联合传热系数，kcal/（m2·h·℃）ua若将的单位改为W/(m2·K),u的单位改为m/s，试将上式加以变换。第一节常用物理量解：根据附录，1kcal＝4186.8W·s，1h=3600s；1℃表示温差为1℃，用K表示温度时，温差为1K。因此1kcal/（m2·h·℃）＝4186.8/3600W/(m2·K)＝1.163W/(m2·K)1cm/s＝0.01m/s整理上式，并略去上标，得将上两式带入原式中，得)100(036.03.5163.1uaua19.416.6W/(m2·K)au()afa()ufu令为以W/(m2·K)为单位的传热系数，为以m/s为单位的速度163.1aauuu10001.0？第一节常用物理量(一)量纲用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。量纲与单位的区别：量纲是可测量的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。三、量纲和无量纲准数第一节常用物理量基本量纲:质量、长度、时间、温度的量纲，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT量纲体系。【物理量】表示该物理量的量纲，不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的关系是定性的而不是定量的。其它物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其量纲:[速度]=[密度]=[压强]=[粘度]=Lt－1ML－3ML－1t－2ML－1t－1第一节常用物理量(二)无量纲准数由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数。无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制，都可得到相同数值的无量纲准数。准数符号定义雷诺数(Reynold)3][MLρ1][LtuLL][11][tML0001113[Re]tLMtMLLLtMLRe=标准提法是量纲为1第一节常用物理量uL通过对影响某一过程和现象的各种因素（物理量）进行量纲分析，将物理量表示成为若干个无量纲准数，然后借助实验数据，建立这些无量纲变量之间的关系式。【例题】流体在管路中流动时由于摩擦力而产生压降，影响压降fp的因素为管径d、管长L、平均速度u、流体密度ρ、粘度μ和管壁绝对粗糙度ε（代表壁面凸出部分的平均高度）。表示为物理方程，即),,,,,(uLdpf采用幂指数形式表达这一关系，可以写成hfecbafuLKdp（2.3.5）式中常数K和指数a、b、c、e、f、h均为待定值。3121ScRe332.0Shxx第一节常用物理量参考内容:量纲分析法【例1】根据对摩擦阻力的分析及相关的实验研究可知，流体在管路中流动时由于摩擦力而产生压降，影响压降fp的因素为管径d、管长L、平均速度u、流体密度ρ、粘度μ和管壁绝对粗糙度ε（代表壁面凸出部分的平均高度）。表示为物理方程，即),,,,,(uLdpf（2.3.4）采用幂指数形式表达这一关系，可以写成hfecbafuLKdp（2.3.5）式中常数K和指数a、b、c、e、f、h均为待定值。hgbafc2fe1将上三式代入（2.3.5）中，得hfffbhgbfuLKdp12（2.3.8）将指数相同的物理量合并，得hfbfddudLKup2（2.3.9）式（2.3.9）即成为具有四个准数的关系式。第一节常用物理量参考内容:量纲分析法写成一般形式，则为ddudLupf,,2雷诺数，代表惯性力与粘性力的比值，反映流动特性；欧拉数，代表阻力损失引起的压降与惯性力之比。管路的长径比，反映几何尺寸的特性绝对粗糙度与管径之比，称为相对粗糙度通过实验，回归求取关联式中的待定系数“黑箱”模型法第一节常用物理量参考内容:量纲分析法例如：氨的水溶液的浓度1．质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2.质量分数与摩尔分数%mg/kgmmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3．质量比与摩尔比mmol/kmolmg/kg氨的质量/水的质量氨的物质的量/水的物质的量四、常用物理量第一节常用物理量(一)浓度1．质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度ρA，ρ（2）物质的量浓度cA，c组分A的摩尔质量VmAAVncAAAAAMc第一节常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.质量分数与摩尔分数（1）质量分数和体积分数AmAmxm组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量(2.1.6)在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L相当于1mg/1000g＝1×10-6（质量分数）=1ppm1μg/L相当于1μg/1000g＝1×10-9（质量分数）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的比重发生变化时，上两式应加以修正，即1mg/L相当于1/污水的密度（质量分数）1μg/L相当于1/污水的密度（质量分数）ppm————ppb————μg/g，10-6μg/kg，10-9（质量分数）第一节常用物理量在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3，则此气态污染物质浓度为10-6。1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。第一节常用物理量例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的污染物，这等价于每106摩尔空气中有1摩尔污染物质。又因为任何单位摩尔的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的分子量有关。对于理想气体，可以用理想气体状态方程表示，即：式中：p——绝对压力，atm；VA——体积，m3；nA——物质的摩尔数，mol；R——理想气体常数，0.082L·atm·K-1·mol-1；T——绝对温度，K。RTnpVAA第一节常用物理量(2.1.9)根据质量浓度的定义pRTnVAA310VMnVmAAAAAAApMRTVV310根据理想气体状态方程310AAAMnV体积分数和质量浓度之间的关系AAVV？第一节常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)【例题2.1.3】在1atm、25℃条件下，某室内空气一氧化碳的体积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。解：根据理想气体状态方程，1mol空气在1atm和25℃下的体积为LV44.241298082.01一氧化碳（CO）的分子质量为28g/mol，所以CO的质量浓度为3.101000/44.241000281096mg/m3第一节常用物理量（2）摩尔分数nnxAA组分A的摩尔分数混合物的总摩尔数组分A的摩尔数当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数，1//mAAANmiiixMxxM1AAmANiiixMxxM组分A的质量分数与摩尔分数的关系第一节常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)3．质量比与摩尔比AmAAmXmm组分A的质量比混合物中惰性物质的质量组分A的质量（当混合物中除组分A外，其余为情性组分时）组分A与惰性组分的关系第一节常用物理量(2.1.16)质量比与质量分数的关系mAmAmAxxX1(2.1.17)组分A与惰性组分的关系3．质量比与摩尔比（当混合物中除组分A外，其余为情性组分时）第一节常用物理量AAAnnnX组分A的摩尔比混合物中惰性物质的摩尔数组分A的摩尔数(2.1.18)摩尔比与摩尔分数的关系AAAxxX1AAApppY(2.1.19)(2.1.20)体积流量VVqt质量流量mVqt