環(huán)境工程原理課件-清華大學(xué)(存儲(chǔ)版)
【正文】 采用微分衡算式 m 1? 2? 【 例題 】 一圓筒形儲(chǔ)罐，直徑為 。h 水中能量的變化為 TmcE pQ ??＝ 20 1 （ 85－ 15）＝ 5852 kJ QhEQ?輸入的能量等于水中能量的變化 水 t? ＝ h 373K飽和水的焓 【例 】據(jù)估計(jì)，每年全球的降水如果均勻分布在 1014m2的地球表面，則平均降水量 為 1m 。K)。以污水池為衡算系統(tǒng)，以 0℃ 的污水為溫度物態(tài)基準(zhǔn)。河流上游的流速為 100m3/s，水溫為 20℃ 。其余三分之二的化學(xué)能以廢熱的形式釋放到環(huán)境中，其中有 15%的廢熱從煙囪中排出，其余 85%的余熱隨冷卻水進(jìn)入附近的河流中。采用外循環(huán)法加熱，使污水以 5 m3/h的流量通過(guò)換熱器，換熱器用水蒸氣加熱，其出口溫度恒定為 100℃ 。 21314 ???????hQkJ 開(kāi)放系統(tǒng) －與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換的系統(tǒng) 三、開(kāi)放系統(tǒng)的能量衡算 對(duì)于單位時(shí)間物料進(jìn)行衡算 qEHH qFP ??? ??對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程 qHHFP ?? ??【 例 】 在一列管式換熱器中用 373K的飽和水蒸氣加熱某液體，液體流量為 1000kg/h。 t?解：以熱水器中水所占的體積為衡算系統(tǒng)，為封閉系統(tǒng)。 假設(shè)混合完全 ，估計(jì)在 25℃ 、 1atm的條件下，甲醛的穩(wěn)態(tài)濃度。有一流量為 、污染物濃度為 ，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為 ，濃度為 100mg/L。 ？ ？ ？ c0 c1 c2 c4 c3 (1)求污泥產(chǎn)量 以沉淀池和濃縮池的整個(gè)過(guò)程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量 已知 0Q=5000m3/d， 0c＝ 200mg/L， 2c＝ 20mg/L， 3c1c＝ (10096)/(100/1000)＝ 40(g/L)＝ 40000(mg/L) 4c＝ ()/(100/1000)＝ 2(g/L)＝ 2022(mg/L) ＝ 100mg/L 污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為 輸入速率 0 0 1 1 2 2c Q c Q c Q??1 0 0cQ? ?輸出速率 2 1 1 2 2c Q c Q? ??0 1 2Q Q Q??1Q2Q=(m3/d) ＝ (m3/d) (2)濃縮池上清液量 取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象 污泥含水率從 ％降低到 96％，污泥體積由 m3/d減少為 ，相差 20倍。 （一）以物料的全部組分為衡算對(duì)象 12m m m? ? ?t時(shí)間內(nèi) 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量 t時(shí)間內(nèi)輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量 t時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量 單位時(shí)間輸入物料質(zhì)量－單位時(shí)間輸出物料質(zhì)量 ＝單位時(shí)間內(nèi)積累物料質(zhì)量 12ddmt????單位時(shí)間 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量，即輸入系統(tǒng)的質(zhì)量流量，也稱為 輸入速率 單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量，即輸出系統(tǒng)的質(zhì)量流量，也稱為輸出速率 單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質(zhì)量，也稱為物料的積累速率 輸入物料質(zhì)量－輸出物料質(zhì)量＝內(nèi)部積累物料質(zhì)量 0???t穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)學(xué)特征： 當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置的函數(shù)， 不隨時(shí)間變化 ，稱為 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) ；當(dāng)上述物理量不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 （四）通量 ? 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的 熱量 ，稱為熱量通量，單位為 J/（ m2mol1； T—— 絕對(duì)溫度， K。當(dāng)氣體混合物中有百萬(wàn)分之一的體積為污染物質(zhì)時(shí)，例如 ml/m3，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為 106（體積分?jǐn)?shù)）， ppmv。 【例 1 】 根據(jù)對(duì)摩擦阻力的分析及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究可知，流體在管路中流動(dòng)時(shí)由于摩擦力而產(chǎn)生壓降，影響壓降fp?的因素為管徑 d 、管長(zhǎng) L 、平均速度 u 、流體密度 ρ 、粘度 μ 和管壁絕對(duì)粗糙度 ε （代表壁面凸出部分的平均高度）。 可測(cè)量物理量可以分為兩類：基本量和導(dǎo)出量。因此 1kcal/（ m2查表， N與 kgf的換算因數(shù)為 ，因此 1kgf＝ 又 1cm＝ 所以 ＝ ()2= 105 N/ m2 例如 1m長(zhǎng)的管用英尺度量時(shí)為 ，則英尺與米的換算因數(shù)為 。 當(dāng)采用其它單位制時(shí)，將各物理量的單位代入定義式中，得到的 k不等于 1。 m/s2 N/m2 N hK)＝ W/(m2 利用因次所建立起來(lái)的關(guān)系是定性的 而不是定量的。表示為物理方程，即 ),( ???? uLdp f ?? （ ） 采用冪指數(shù)形式表達(dá)這一關(guān)系，可以寫(xiě)成 hfecbaf uLKdp ????? （ ） 式中常數(shù) K 和指數(shù) a 、 b 、 c 、 e 、 f 、 h 均為待定值。又因?yàn)槿魏螁挝荒柕奈镔|(zhì)有著相同數(shù)量的分子， 106（體積分?jǐn)?shù)）也就相當(dāng)于每 106個(gè)空氣分子中有 1個(gè)污染物分子。 解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程， 1mol空氣在 1atm和 25℃下的體積為 LV 2 9 80 8 ????一氧化碳（ CO）的分子質(zhì)量為 28g/mol，所以 CO的質(zhì)量濃度為 0 0 0/ 1 0 0 0281096????? mg/m3 （二）流量 體積流量 VQ t?質(zhì)量流量 （三）流速 tVs?? ?u?在 x, y ,z 三個(gè)軸方向上的投影分別為 xu 、 yu 、 zu 一維流動(dòng) 二維流動(dòng) 三維流動(dòng) 圓形管道 24mQud?? 4mQdu??在管路設(shè)計(jì)中，選擇適宜的流速非常重要 !!!。 第二節(jié) 質(zhì)量衡算 質(zhì)量衡算通常被稱為物料衡算， 依據(jù)質(zhì)量守恒定律 ，當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，物質(zhì)既沒(méi)有產(chǎn)生，也沒(méi)有消失。 解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖 氯化物的輸出速率為 氯化物的輸入速率為 1 1 2 2 mmc Q c Q c Q??1 1 1 2 2c Q c Q? ?? 2 mmcQ? ?12mQ Q Q??1 1 2 212mc Q c Qc???【 例題 】 某污水處理工藝中含有沉淀池和濃縮池，沉淀池用于去除水中的懸浮物，濃縮池用于將沉淀的污泥進(jìn)一步濃縮，濃縮池的上清液返回到沉淀池中。燃料中， 10%未燃燒的礦物質(zhì)形成了灰，其中約有 70%的灰為飛灰， 30%以底灰的形式從燃燒室中排出。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的濃度。罐內(nèi)盛有 2m深的水。求每年使這些水汽化所需要的能量，與 1987 年世界的能源消耗（ 1017kJ ）以及與地球表面對(duì)太陽(yáng)能的平均吸收率（ 168 W/m2）進(jìn)行比較。飽和水蒸氣冷凝放熱后以 373 K的飽和水
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