(整理)环境工程原理习题解答

精品文档精品文档《环境工程原理》习题解答第三章流体流动习题3.3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：（1）根据流体输送能量方程（3.1.18）：fmmhpgzuWepgzu222211212121因2池均为敞口池，且池面很宽广，故p1=p2=0，um1=um2=0。根据题意：z2-z1=10m，因此有：fhzzgWe)(12=9.8×10+4=102J/kg“-”号表示流体机械给水做功，即为水泵。（2）查附录5知：ρ20=998.2kg/m3，ρ30=995.7kg/m3，则25时水的密度：ρ25=（998.2+995.7）/2=997.0kg/m3故提升水所需功率为：N=We×ρQ=102×997.0×34=3.46×106J/h=961w(J/s)=0.96kw习题3.5如图所示，有一直径为1m的高位水槽，其水面高于地面8m，精品文档精品文档水从内径为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∑hf=6.5u2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。解：（1）按图示选取计算断面，基准面0-0取在地面，则有：p1=p2=0，um1=0，z1=8m，z2=2m按单位重量的能量方程（3.1.24）进行计算：fmmhgpzugpzu222211212g12g1其中上式中的∑hf=6.5um22/g将已知条件代入可得：22225.6022g1080mmugu解之得：smgum/9.214/122则出流流量：Q1=0.785×0.12×2.9=0.0228m3/s=82.0m3/h（2）设某一时刻水池液位高度为z，则能量方程可写为：22225.622g1mmuguz整理得：精品文档精品文档14)2(22zgum经时间dt后，水流从管内流出的水量为：dQ=0.785×d2×um2dt=0.785×0.12×14)2(2zg=9.3×10-32zdt此时，水池中的液位下降了dz=dQ/(0.785×D2)=11.85×10-32zdt则:dzzdt24.84当z从8m降为7m时所需时间：T=36s习题3.10题略解：（1）因Q=140m3/h=0.0389m3/s则150mm和100mm管内的流速为：u150=2.20m/s，u100=4.96m/s其：Re150=997×2.2×0.15/(90.3×10-5)=3.64×105Re100=997×4.96×0.10/(90.3×10-5)=5.48×105（2）查莫迪图可得摩阻系数λ150=0.014,λ100=0.013查P87表3.4.4得局部阻力系数：精品文档精品文档90度弯头ξw=0.75，底阀ξd=1.5，闸阀ξf=0.17（全开）入口ξe=0.5，出口ξo=1.0，变径头ξb=0.32（d2/D2=0.45）（3）则所需水泵扬程gudLgudLZHp2)(2)(222122211111=60+{0.014×(60+23)/0.15+(0.5+1.5+2×0.75)}×2.22/(2×9.81)+{0.013×100/0.1+(3×0.75+0.17+0.32+1)}×4.962/(2×9.81)=60+3.05+23.08=86.1m（4）所需水泵理论功率Ne=Hp×Q×ρg=86.1×0.0389×997×9.81=32.8×103w=32.8kw（5）水泵实际功率Ns=Ne/η=32.8/60%=54.7kw（6）水泵每天所需电费Fd=54.7×24×0.46=603.9≈604元/日习题3.13题略解：（1）全部按长管计算，忽略局部损失，且均按完全湍流计算管段管长L(m)管径d(mm)相对粗糙度(e/d)摩阻系数λ比阻R{22)4(211dgd}MAN10002000.0020.0266.73MBO9003000.00130.0230.784ON3002500.00160.0242.03精品文档精品文档（2）设A管段流量为QA，B管段流量为QB，可列出如下方程组：RMANLMANQA2=(RMBOLMBO+RONLON)QB2QA+QB=Q将已知数据代入：6.73×1000×QA2=（0.784×900+2.03×300）QB2QA+QB=0.12解之得：QA=0.0368m3/s=36.8L/sQB=0.12-0.0368=0.0832m3/s=83.2L/s（3）MN之间的阻力损失为：HMN=RMANLMANQA2=6.73×1000×0.03682=9.11m精品文档精品文档第四章热量传递习题4.4某一DN60×3mm的铝复合管，其导热系数为45W/(m.K)，外包一层厚30mm的石棉后，又包了一层厚为30mm的软木，石棉和软木的导热系数分别为0.15W/(m.K)和0.04W/(m.K)。试求：（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2层保温材料互换，假设互换后石棉外侧温度仍为5℃，则此时每米管长的冷损失量为多少？解：（1）该问题为一串连传热问题，现采用表格法计算。材料铝复合管石棉软木导热系数λ(W/m.K)450.150.04壁厚b(mm)33030内半径r1（mm）273060外半径r2(mm)306090单位管长导热热阻R1(K/W/m)0.00040.73581.6141串联总热阻R(K/W)2.3503单位管长冷损失Q1(W/m)-46.80上表中单位管长热阻：212ln1rrR（2）计算同上材料铝复合管软木石棉导热系数λ(W/m.K)450.040.15壁厚b(mm)33030内半径r1（mm）273060外半径r2(mm)306090单位管长导热热阻R1(K/W/m)0.00042.75930.4304串联总热阻R(K/W)3.1901单位管长冷损失Q1(W/m)-34.48精品文档精品文档由此可见，保温层顺序不同，热损失也不相同。习题4.8某流体通过内径为50mm的圆管时，雷诺数Re为1×105，对流传热系数为100W/(m2.K)。若改用周长与圆管相同，高与宽之比等于1:3的矩形扁管，流体的流速保持不变，则对流传热变为多少？解：由题意可知，扁管的高度为：2(h+3h)=3.14d即：h=0.3925d扁管的当量直径为：de=4S/x=4*h*3h/(2h+6h)=1.5h=0.58875d当扁管内的流速与圆管相同时，其雷诺数为：Reb=Re*de/d=0.58875Re=0.58875×105根据对流传热系数公式：精品文档精品文档fdPrRe023.08.0得：αb=αd/de*(Reb/Re)0.8=100/0.58875*0.588750.8=100*0.58875-0.2=111.2W/(m2.K)习题4.10在套管换热器中用冷水将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DN180×10mm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2320W/(m2.K)。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/(kg.K)，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）由于忽略热损失，根据热平衡原理：热水损失的热量应等于冷水获得的热量，即：Qh=Qc又：Qh=qhch(Th2-Th1)=3500kg/h*4.18kJ/kg*50=731500kJ/h=203194J/s=203194WQc=qccc(Tc2-Tc1)所以：qc=qhch(Th2-Th1)/{cc(Tc2-Tc1)}=3500*(100-50)/(30-20)=17500kg/h（2）并流时的平均温差为：精品文档精品文档29.43386.1602080ln)3050()20100(ln1212TTTTTmb℃则并流传热所需面积：Ab=Qh/(K*△Tmb)=203194/(2320*43.29)=2.02m2并流冷却时需管长：Lb=Ab/πd=2.02/(3.14*0.18)=3.57m同理，逆流时的平均温差为：23.47847.0403070ln)2050()30100(ln1212TTTTTmn℃则逆流传热所需面积：An=Qh/(K*△Tmn)=203194/(2320*47.23)=1.85m2逆流冷却时需管长：Ln=An/πd=1.85/(3.14*0.18)=3.27m可见采用逆流冷却比并流冷却所需要的管长要少些。精品文档精品文档第五章质量传递习题5.3浅盘中装有清水，深度5mm，水分子依靠分子扩散方式逐渐蒸发到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚4mm、温度30℃的静止空气层，空气层以外的空气中的水蒸气的分压为0。分子扩散系数为0.11m2/h。水温可视为与空气相同，当地大气压为101kPa。解：（仿例题5.3.1）水的蒸发可看作是水蒸气分子的单向分子扩散过程，其静止状态下的气体扩散方程为：)(AoAiBmABAppRTzppDN已知：p=101kPa，DAB=0.11m2/h，R=8.314kJ/(kmol.K)T=30+273=303K，z=0.004m30℃时水的饱和蒸汽压为：pbz=4.25kPa则：pAi=4.25kPa，pAO=0pBi=101-4.25=96.75kPa，pBO=101kPa84.98043.025.475.96101ln75.96101lnBiBOBiBOBmpppppkPa因这一过程为稳定过程，则有：25.484.98004.0303314.810111.0)(AoAiBmABAppRTzppDN=0.0474kmol/m2.h精品文档精品文档蒸发掉5mm的水相当于每平米蒸发：q=0.005*995.7=4.98kg/m2=4.98/18=0.277kmol/m2因此，蒸发所用时间为：t=q/NA=0.277/0.0474=5.84h精品文档精品文档第六章沉淀习题6.8采用平流式沉沙池去除污水中的较大颗粒物，如果颗粒的平均密度为2240kg/m3，沉沙池有效水深为1.2m，水力停留时间为1min，求能去除的颗粒最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水密度1000kg/m3，黏度1.2*10-3Pa.s）。解：已知h=1.2m，沉淀时间t=1min=60s，则最小沉速u=1.2/60=0.02m/s因：43.202.01000381.91000-2240102.143)(4Re32-3321）（ugCpD查图6.2.2得Re=3.2则：d=Re*0.0012/1000/0.02=0.000192m=0.192mm精品文档精品文档第七章过滤习题7.12在直径为10mm的砂滤器中装满150mm厚的细沙层，空隙率为0.375，沙层上方的水层高度保持为200mm，管底部渗出的清水流量为6mL/min，求沙层的比表面积（水温为20℃）。解：此题涉及到水头损失问题，故可采用清洁滤层水头损失计算公式LuaKgh32210)1((7.3.13)求解。已知：D=10mm，L=150mm，ε=0.375，q=6mL/minh0=150+200=350mm，μ20=100.5*10-5Pa.sρ20=998.2kg/m3则：ν20=μ20/ρ20=100.5*10-5/998.2=0.101*10-5m2/su=q/(0.785D2)=(6*10-6/60)/(0.785*0.012)