环境工程原理课后答案

1现象以及污染控制装置的基本原理，为相关的专业课程打下良好的理论基础。2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0.08×10-6（体积分数），求：（1）在1.013×105Pa、25℃下，用μg/m3表示该浓度；（2）在大气压力为0.83×105Pa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V1＝V0·P0T1/P1T0＝22.4L×298K/273K＝24.45L所以O3浓度可以表示为0.08×10－6mol×48g/mol×（24.45L）－1＝157.05μg/m3（2）由题，在所给条件下，1mol空气的体积为V1＝V0·P0T1/P1T0=22.4L×1.013×105Pa×288K/(0.83×105Pa×273K）＝28.82L所以O3的物质的量浓度为0.08×10－6mol/28.82L＝2.78×10－9mol/L2.2假设在25℃和1.013×105Pa的条件下，SO2的平均测量浓度为400μg/m3，若允许值为0.14×10-6，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33965108.31429810400100.15101.0131064AARTpM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：1.5kgf·s2/m=kg密度：13.6g/cm3=kg/m33压力：35kgf/cm2=Pa4.7atm=Pa670mmHg=Pa功率：10马力＝kW比热容：2Btu/(lb·℉)=J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）=J/（kg·K）流量：2.5L/s=m3/h表面张力：70dyn/cm=N/m5kgf/m=N/m解：质量：1.5kgf·s2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/m3压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa4.7atm=4.762275×105Pa670mmHg=8.93244×104Pa功率：10马力＝7.4569kW比热容：2Btu/(lb·℉)=8.3736×103J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）流量：2.5L/s=9m3/h表面张力：70dyn/cm=0.07N/m5kgf/m=49.03325N/m2.4密度有时可以表示成温度的线性函数，如ρ＝ρ0+At式中：ρ——温度为t时的密度，lb/ft3；ρ0——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/（m3·K）42.5一加热炉用空气（含O20.21,N20.79）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CO20.07，H2O0.14，O20.056，N20.734。求每通入100m3、30℃的空气能产生多少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0.79×P1V1/RT1＝0.734×P2V2/RT2即0.79×100m3/303K＝0.734×V2/573KV2＝203.54m32.6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5120mmqqkV即5×100mg/L－（5＋50）mm3/s－10×106×0.25×mm3/s＝0解之得m＝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ρ则根据质量衡算方程，有0.05ρ＝（3＋0.05）×1.0解之得ρ＝61mg/L加入示踪剂的质量流量为61×0.05g/s＝3.05g/s2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100km、高为1.0km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边流入。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，（1）求稳态情况下的污染物浓度；（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ρ则由质量衡算得10.0kg/s－（0.20/3600）×ρ×100×100×1×109m3/s－4×100×1×106ρm3/s＝0解之得6ρ＝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12mtmmdqqkVd有22tmdquLhkLhLhd带入已知量，分离变量并积分，得23600-6-501.0510t106.610dd积分有ρ＝1.15×10-2mg/m32.10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＝0.18min72.11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＝189.8s2.12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ρ，dt时间内的浓度变化为dρ由质量衡算方程，可得3012010060tdtd时间也是变量，一下积分过程是否有误？30×dt＝（100＋60t）dC＋120Cdt即（30－120C）dt＝（100＋60t）dC由题有初始条件t＝0，C＝08积分计算得：当t＝1h时C＝15.23％2.13有一个4×3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/（m2·h），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3000×12×50％kJ/h＝18000kJ/h设取暖器的水升高的温度为（△T），水流热量变化率为mpqcT根据热量衡算方程，有18000kJ/h＝0.8×60×1×4.183×△TkJ/h.K解之得△T＝89.65K2.14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Q＝1000×2/3MW＝667MW（1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为Vq，热量变化率为mpqcT。根据热量衡算定律，有Vq×103×4.183×10kJ/m3＝667×103KWQ＝15.94m3/s（2）由题，根据热量衡算方程，得9100×103×4.183×△TkJ/m3＝667×103KW△T＝1.59K10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δ=1.5mm的油膜。当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.94×10-4N·m。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3.1图示解：在半径方向上取dr，则有dM＝dF·r由题有dF＝τ·dAd=duy22dA=(d)2drrrrrd2=dunry所以有23ddM=2d4ddunrrrrry两边积分计算得24M=nr代入数据得2.94×10－4N·m＝μ×（0.05m）4×π2×（50/60）s/（1.5×10－3m）可得11μ＝8.58×10－3Pa·s3.2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6.7×104。求空气的外流速度。解：设边界层厚度为δ；空气密度为ρ，空气流速为u。由题，因为湍流的临界雷诺数一般取5×105＞6.7×104，所以此流动为层流。对于层流层有0.54.641=Rexx同时又有xRe=xu两式合并有0.54.641Re=u即有4.641×（6.7×104）0.5＝u×1×103kg/m3×1.8mm/（1.81×10－5Pa·s）u＝0.012m/s3.3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12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/