环境工程原理计算题

环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类？它们的主要作用原理是什么？解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为“隔离技术”、“分离技术”和“转化技术”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切断污染物向周围环境的扩散，防止污染近一步扩大。分离技术是利用污染物与污染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离，从而达到污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化成无害物质或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。2.6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10000m3/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）根据质量衡算方程，下游污染物浓度为1122123.0360003010000/8.87/3600010000VVmVVqqmgLmgLqq（2）每天通过下游测量点的污染物的质量为312()8.87(3600010000)10/408.02/mVVqqkgdkgd2.7某一湖泊的容积为10×106m3，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为0.25d－1。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则由质量衡算，得120mmqqkV即5×100mg/L－（5＋50）mm3/s－10×106×0.25×mm3/s＝0解之得m＝5.96mg/L2.10某水池内有1m3含总氮20mg/L的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为10m3/min，总氮含量为2mg/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，求水池中总氮含量变为5mg/L时，需要多少时间？解：设地表水中总氮浓度为ρ0，池中总氮浓度为ρ由质量衡算，得0tVVdVqqd即1t10(2)dd积分，有50201t10(2)tdd求得t＝0.18min2.11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u0＝0.62（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A2u0＝－dV/dt，即u0＝－dz/dt×A1/A2所以有－dz/dt×（100/4）2＝0.62（2gz）0.5即有－226.55×z-0.5dz＝dtz0＝3mz1＝z0－1m3×（π×0.25m2）-1＝1.73m积分计算得t＝189.8s3.3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：设所需得功率为Ne，污水密度为ρNe＝Weqvρ＝（gΔz＋∑hf）qvρ=(9.81m/s2×10m+4J/kg)×1×103kg/m3×34/3600m3/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图示解：在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程：u12/2＋p1/ρ＝u22/2＋p2/ρ由题有u2＝4u1所以有u12/2＋p1/ρ＝16u12/2＋p2/ρ即15u12＝2×(p1-p2)/ρ=2×(ρ0-ρ)g(R1-R2)/ρ=2×（1000-1.2）kg/m3×9.81m/s2×（0.1m－0.04m）/（1.2kg/m3）解之得u1＝8.09m/s所以有u2＝32.35m/sqv＝u1A＝8.09m/s×π×（200mm）2＝1.02m3/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25.6uhf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。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u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf由题意得p1＝p2，且u1＝0所以有9.81m/s2×（8m－2m）＝u2/2＋6.5u2解之得u＝2.90m/sqv＝uA＝2.90m/s×π×0.01m2/4＝2.28×10－2m3/s（2）由伯努利方程，有u12/2＋gz1＝u22/2＋gz2＋Σhf即u12/2＋gz1＝7u22＋gz2由题可得u1/u2＝（0.1/1）2＝0.01取微元时间dt，以向下为正方向则有u1＝dz/dt所以有（dz/dt）2/2＋gz1＝7（100dz/dt）2/2＋gz2积分解之得t＝36.06s3.10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140m3/h，如果当地电费为0.46元/（kW·h），问每天泵需要消耗多少电费？（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We＝gh＋Σhf25℃时，水的密度为997.0kg/m3，粘度为0.9×10－3Pa·s管径为100mm时，u＝4.95m/sRe＝duρ/μ＝5.48×105，为湍流为光滑管，查图，λ＝0.02管径为150mm时u＝2.20m/sRe＝duρ/μ＝3.66×105管道为光滑管，查图，λ＝0.022泵的进水口段的管件阻力系数分别为吸滤底阀ζ＝1.5；90°弯头ζ＝0.75；管入口ζ＝0.5Σhf1＝（1.5＋0.75×2＋0.5＋0.022×60/0.15）×（2.20m/s）2/2＝29.76m2/s2泵的出水口段的管件阻力系数分别为大小头ζ＝0.3；90°弯头ζ＝0.75；闸阀ζ＝0.17；管出口ζ＝1Σhf2＝(1＋0.75×3＋0.3＋0.17＋0.02×100/0.1)×(4.95m/s)2/2＋(0.023×23/0.15)×(2.20m/s)2/2＝299.13m2/s2We＝gh＋Σhf=29.76m2/s2＋299.13m2/s2＋60m×9.81m/s2＝917.49m2/s2＝917.49J/kgWN＝（917.49J/kg/60％）×140m3/h×997.0kg/m3＝5.93×104W总消耗电费为59.3kW×0.46元/（kW·h）×24h/d＝654.55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20kPa（表压）。总管内径为50mm钢管，管长为（30＋z0），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1.0×10－3Pa·s，摩擦系数可由式23.0Re581.0d计算。图3-5习题3.11图示解：总管路的流速为u0＝qm0/（ρπr2）＝4200kg/h/（1×103kg/m3×π×0.0252m2）＝0.594m/s第一车间的管路流速为u1＝qm1/（ρπr2）＝1800kg/h/（1×103kg/m3×π×0.012m2）＝1.592m/s第二车间的管路流速为u2＝qm2/（ρπr2）＝2400kg/h/（1×103kg/m3×π×0.012m2）＝2.122m/s则Re0＝duρ/μ＝29700λ0＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0308Re1＝duρ/μ＝31840λ1＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.036Re2＝duρ/μ＝42400λ2＝0.1（ε/d＋58/Re）0.23＝0.0357以车间一为控制单元，有伯努利方程u12/2＋gz1＋p1/ρ＋Σhf1＝gz0＋p0/ρp1=p0，故（1.592m/s）2/2＋9.8m/s2×3m＋0.0308×（0.594m/s）2×（30＋z0）m/（2×0.05m）＋0.036×（1.592m/s）2×28m/（2×0.02m）＝9.8m/s2×z0解之得z0＝10.09m以车间二为控制单元，有伯努利方程u22/2＋gz2＋p2/ρ＋Σhf2＝gz0＋p0/ρ（2.122m/s）2/2＋9.8m/s2×5m＋20kPa/（1×103kg/m3）＋0.0308×（0.594m/s）2×（30＋z0）m/（2×0.05m）＋0.0357×（2.122m/s）2×15m/（2×0.02m）＝9.8m/s2×z0解之得z0＝13.91m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0.8×105Pa（表压），支管管径均为32mm，摩擦系数λ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uA2/2＋pA/ρ＝u12/2＋p1/ρ＋gz2＋ΣhfAC因为uA＝u1＝0；p1＝0则有pA/ρ＝ΣhfAC（1）在A、D断面之间建立伯努利方程，即uA2/2＋pA/ρ＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋ΣhfADuA＝u2＝0；p2＝0；z2＝3mpA/ρ＝ΣhfAD＋gz2（2）联立两式得ΣhfBC＝ΣhfBD＋gz2（3）（0.03×8m/0.032m＋6.4＋1）×u12/2＝（0.03×13m/0.032m＋6.4＋1）×u22/2＋3m×9.8m/s2所以有u1min2/2＝1.97m2/s2Σhfmin＝（0.03×28m/0.032m＋6.4＋1）×u1min2/2＝67.28m2/s2＜pA/ρ所以二楼有水。（2）当二楼出口流量为0.2L/s时，u2＝0.249m/s代入（3）式（0.03×8m/0.032m＋6.4＋1）×u12/2＝（0.03×13m/0.032m＋6.4＋1）×u22/2＋3m×9.8m/s2可得u1＝2.02m/s此时AB段流速为u0＝2.259m/sΣhfAC＝0.03×20m/0.032m×（2.259m/s）2/2＋（0.03×8m/0.032m＋6.4＋1）×（2.02m/s）2/2＝48.266m2/s2＋30.399m2/s2＝78.665m2/s2pA/