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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流环境工程原理课后答案(2-9章)【精品文档】第 71 页第二章 质量衡算与能量衡算2.1 某室内空气中O3的浓度是0.0810-6（体积分数），求：（1）在1.013105Pa、25下，用g/m3表示该浓度；（2）在大气压力为0.83105Pa和15下，O3的物质的量浓度为多少？解：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V1V0P0T1/ P1T0 22.4L298K/273K 24.45L所以O3浓度可以表示为0.08106mol48g/mol（24.45L）1157.05g/m3（2）由题，在所给条件下，1m
2、ol空气的体积为V1V0P0T1/ P1T0=22.4L1.013105Pa288K/(0.83105Pa273K） 28.82L所以O3的物质的量浓度为0.08106mol/28.82L2.78109mol/L2.2 假设在25和1.013105Pa的条件下，SO2的平均测量浓度为400g/m3，若允许值为0.1410-6，问是否符合要求？ 解：由题，在所给条件下，将测量的SO2质量浓度换算成体积分数，即大于允许浓度，故不符合要求2.3 试将下列物理量换算为SI制单位：质量：1.5kgfs2/m= kg密度：13.6g/cm3= kg/ m3压力：35kgf/cm2= Pa 4.7atm=
3、Pa 670mmHg= Pa功率：10马力 kW比热容：2Btu/(lb)= J/（kgK） 3kcal/（kg）= J/（kgK）流量：2.5L/s= m3/h表面张力：70dyn/cm= N/m 5 kgf/m= N/m解：质量：1.5kgfs2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6103kg/ m3压力：35kg/cm2=3.43245106Pa 4.7atm=4.762275105Pa 670mmHg=8.93244104Pa功率：10马力7.4569kW比热容：2Btu/(lb)= 8.3736103J/（kgK） 3kcal/（kg）=1.25604104J
4、/（kgK）流量：2.5L/s=9m3/h表面张力：70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m2.4 密度有时可以表示成温度的线性函数，如0+At式中：温度为t时的密度， lb/ft3；0温度为t0时的密度， lb/ft3。t温度，。如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中A的单位必须是什么？解：由题易得，A的单位为kg/（m3K）2.5 一加热炉用空气（含O2 0.21, N2 0.79）燃烧天然气（不含O2与N2）。分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为CO2 0.07，H2O 0.14，O2 0.056，N2 0.734。求每通入100m3、30的空气能产
5、生多少m3烟道气？烟道气温度为300，炉内为常压。解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为衡算系统。以N2为衡算对象，烟道气中的N2全部来自空气。设产生烟道气体积为V2。根据质量衡算方程，有0.79P1V1/RT10.734P2V2/RT2即0.79100m3/303K0.734V2/573KV2203.54m32.6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
6、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5.96mg/L2.8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
7、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。解：设溪水中示踪剂的最低浓度为则根据质量衡算方程，有0.05（30.05）1.0解之得61 mg/L加入示踪剂的质量流量为610.05g/s3.05g/s2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100 km、高为1.0 km的空箱模型。干净的空气以4 m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0 kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h1。假设完全混合，（1）求稳态情况下的污染物
8、浓度； （2）假设风速突然降低为1m/s，估计2h以后污染物的浓度。解：（1）设稳态下污染物的浓度为则由质量衡算得10.0kg/s（0.20/3600）1001001109 m3/s 41001106m3/s0解之得1.05 10-2mg/m3（2）设空箱的长宽均为L，高度为h，质量流量为qm，风速为u。根据质量衡算方程有带入已知量，分离变量并积分，得积分有1.1510-2mg/m32.10 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
9、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由题得A2u0dV/dt，即u0dz/dtA1/A2所以有dz/dt（100/4）20.62（2gz）0.5即有226.55z-0.5dzdtz03mz1z01m3（0.25m2）-11.73m积分计算得t189.8s2.12
10、给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以150kg/h和30kg/h的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，以120kg/h的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。开始时槽内预先已盛有100kg纯水。试计算1h后由槽中流出的溶液浓度。解：设t时槽中的浓度为，dt时间内的浓度变化为d由质量衡算方程，可得时间也是变量，一下积分过程是否有误？30dt（10060t）dC120Cdt即（30120C）dt（10060t）dC由题有初始条件t0，C0积分计算得：当t1h时C15.232.13 有一个43m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000
11、kJ/（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，衡算基准取为1h。输入取暖器的热量为30001250 kJ/h18000 kJ/h设取暖器的水升高的温度为（T），水流热量变化率为根据热量衡算方程，有18000 kJ/h 0.86014.183TkJ/h.K解之得T89.65K2.14 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
12、加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少。解：输入给冷却水的热量为Q10002/3MW667 MW（1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为，热量变化率为。根据热量衡算定律，有1034.18310 kJ/m3667103KWQ15.94m3/s（2）由题，根据热量衡算方程，得1001034.183T kJ/m3667103KWT1.59K第三章 流体流动3.1 如图3-1所示，直径为10cm的圆盘由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度=1.5mm的油膜。当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.9410-4 Nm。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的黏度。图3-1 习题
13、3.1图示解：在半径方向上取dr，则有dMdFr由题有dFdA所以有两边积分计算得代入数据得2.94104Nm（0.05m）42 （50/60）s /（1.5103m）可得8.58103Pas3.2 常压、20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6.7104。求空气的外流速度。解：设边界层厚度为；空气密度为，空气流速为u。由题，因为湍流的临界雷诺数一般取51056.7104，所以此流动为层流。对于层流层有同时又有两式合并有即有4.641（6.7104）0.5u1103kg/m31.8mm /（1.81105Pas）u0.012m/s3.3 污水处理厂中，将污水从调节池提
14、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3-2 习题3.4图示
15、解：在截面1-1和2-2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（1000-1.2）kg/m39.81m/s2（0.1m0.04m）/（1.2kg/m3）解之得u18.09m/s所以有u232.35m/sqvu1A8.09m/s（200mm）21.02m3/s3.5 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）可按计算，式中u为水在管内的流速
16、，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2-2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
17、向则有u1dz/dt所以有（dz/dt）2/2gz17（100dz/dt）2/2gz2积分解之得t36.06s3.6 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。解：因为对于圆管层流流动的摩擦阻力，有（1）当管长增加一倍时，流量不变，则阻力损失引起的压降增加1倍（2）当管径增加一倍时，流量不变，则um,2um,1/4d2=2d1=/16即压降变为原来的十六分之一。3.7 水在20下层流流过内径为13mm、长为3m的管道。若流经该管段的压降为21N/m2。求距管中心5mm处的流速为多少？又当管中心速度为0
18、.1m/s时，压降为多少？解：设水的黏度=1.010-3Pa.s，管道中水流平均流速为um根据平均流速的定义得：所以代入数值得21N/m281.010-3Pasum3m/（13mm/2）2解之得um3.7102m/s又有umax2 um所以u2um1（r/r0）2（1）当r5mm，且r06.5mm，代入上式得u0.03m/s（2）umax2 umpf umax/ umaxpf 0.1/0.07421N/m28.38N/m3.8 温度为20的水，以2kg/h的质量流量流过内径为10mm的水平圆管，试求算流动充分发展以后：（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力；（2）流体在壁面距中心一半距离处的流
19、速和剪应力（3）壁面处的剪应力解：（1）由题有umqm/A 2/3600kg/s/（1103kg/m30.012m2/4） 7.07103m/s282.82000管内流动为层流，故管截面中心处的流速umax2 um1.415102m/s管截面中心处的剪应力为0（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：uumax（1r2/r02）u1/21.415102m/s3/4 1.06102m/s由剪应力的定义得流体在壁面距中心一半距离处的剪应力：1/22um/r0 2.83103N/m2（3）壁面处的剪应力：021/25.66103N/m23.9 一锅炉通过内径为3.5m的烟囱排除烟气，排放量为3.510
20、5m3/h，在烟气平均温度为260时，其平均密度为0.6 kg/m3，平均粘度为2.8104Pas。大气温度为20，在烟囱高度范围内平均密度为1.15 kg/m3。为克服煤灰阻力，烟囱底部压力较地面大气压低245 Pa。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uqv/A10.11m/s Redu/7.58104相对粗糙度为/d5mm/3.5m1.429103查表得0.028所以摩擦阻力建立伯努利方程有u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由题有u1u2，p1p0245Pa，p2p0空gh即（h1.15 kg/m39.8m/s2245Pa）/（0.6kg/m
21、3）h9.8m/s2h0.028/3.5m（10.11m/s）2/2解之得h47.64m3.10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？（
22、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，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
23、；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）140m3/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20
24、kPa（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多高？已知20水的粘度为1.0103 Pas，摩擦系数可由式计算。图3-5 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
25、/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（/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（1.592
26、m/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/（20.02m）9.8m/s2z0解之得z013.91m故水塔需距离地面13.91m3.12 如图3-6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
27、，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3-6 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
28、；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。（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/shfAC
29、0.0320m/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，选用耐热钢板；2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。4.6水以1m/s的速度在长为3m的252.5mm管内，由20加热到40。试求水与管壁之间的对流传热系数。解：由题，取平均水温30以确定水的物理性质。d0.020 m，u1 m/s，995.7 kg/m
30、3，80.0710-5 Pas。流动状态为湍流所以得4.7用内径为27mm的管子，将空气从10加热到100，空气流量为250kg/h，管外侧用120的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。解：以平均温度55查空气的物性常数，得0.0287W/（mK），1.99105Pas，cp1.005kJ/（kgK），1.077kg/m3由题意，得uQ/（A）112.62m/sRedu/0.027112.621.077/（1.99105）1.65105所以流动为湍流。Prcp/（1.99105）1.005/0.02870.6970.023/dRe0.8Pr0.4 315.88W/（m2K）T2110K，T120KTm（T2T1）/ln（T2/T1） （110K20K）/ln（110/20） 52.79K由热量守恒可得dLTmqmhcphThLqmcphTh/（dTm）250kg/h1.005kJ/（kgK）90K/315.88W/（m2K）0.027m52.79K 4.44m4.8某流体通过内径为50mm的圆管时，雷诺数Re为1105，对流传热系数为100 W /（m2K）。若改用