完整版环境工程原理第三版课后答案doc.docx

1、完整版环境工程原理第三版课后答案doc1.2 简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以及工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展。图 1-2 是环境工程学的学科体系。1.3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？解：去除水中悬浮物的方法主要有：沉淀、离心分离、气浮、过滤（砂滤等） 、过滤（筛网过滤） 、反渗透、膜分离、蒸发浓缩等。上述方法对应的技术原理分别为：重力沉降作用、离心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、渗透压、物

2、理截留等、水与污染物的蒸发性差异。1.4 空气中挥发性有机物（ VOCs ）的去除有哪些可能的技术，它们的技术原理是什么？解：去除空气中挥发性有机物（ VOCs）的主要技术有：物理吸收法、化学吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化还原反应、生物降解作用、燃烧反应。1.5 简述土壤污染可能带来的危害及其作用途径。解：土壤污染的危害及其作用途径主要有以下几个方面：通过雨水淋溶作用 ,可能导致地下水和周围地表水体的污染 ;污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入 ;通过植物吸收而进入食物链 ,对食物链上的生

3、物产生毒害作用等。1.6 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。1.7环境工程原理课程的任务是什么？解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染

4、控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与管理和资源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、自然资源的合理利用与保护工程、生态修复与构建工程以及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程学基础、基本过程和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。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：53（1）在 1.013 10Pa、25下，用 g/m 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

5、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V V0P 22.4L 298K/273K 24.45L10T1 /P1T01所以 O3 浓度可以表示为1 157.05g/m30.08 106mol 48g/mol （24.45L）（2）由题，在所给条件下， 1mol 空气的体积为V1V0P0T1/P1T0=22.4L 1.013 105Pa288K/(0.83 105Pa273K ）28.82L所以 O3 的物质的量浓度为0.08 10 6mol/28.82L 2.78 10 9mol/L53，若允许值为 0.1410-6，问是否符合要求？2.2 假设在 25和 1

6、.013 10 Pa 的条件下， SO2的平均测量浓度为 400g/m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RT10 38.31429810 31090.15106pM AA10 54001.01364大于允许浓度，故不符合要求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,N 20.79）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

7、 、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 V 2。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 /573KV2203.54m32.8 某河流的流量为 3.0m 3/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

8、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 10.0kg/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，2（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

9、，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/s41001106m3 /s0解之得1.05 10-2 mg/m 3（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qqkdmm2Vm1dt有 qmuLhk L2 hdL2hdt带入已知量，分离变量并积分，得3600d0dt 1.05 10 2 10 -66.6 10-5积分有1.15 10-2 mg/m 32.10 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1

10、0 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，池中总氮浓度为 0由质量衡算，得0qVd VqVdt即 dt1d10(2)积分，有tdt51d20 10(20)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 A 1，小孔的面积为 A 2

11、由题得 A u dV/dt ，即 u dz/dt A/A2 0 0 1 2所以有 dz/dt（ 100/4） 20.62（2gz）0.5即有 226.55 z-0.5dzdtz03m3 z 1m3）-11.73mz10（ 0.25m积分计算得 t189.8s2.12 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

12、浓度为 ，dt 时间内的浓度变化为 d由质量衡算方程，可得120d60t30100dt时间也是变量，一下积分过程是否有误？30dt（ 10060t）dC120Cdt即（30 120C）dt（ 10060t）dC由题有初始条件 t 0， C0积分计算得：当 t 1h 时C15.232.13 有一个 43m2 的太阳能取暖器， 太阳光的强度为 3000kJ/（ 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 30001250kJ/h18000 kJ/h设取暖器的水升高

13、的温度为（ T），水流热量变化率为 qmcp T根据热量衡算方程，有18000 kJ/h0.8 6014.183 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Q10002/3MW 667 MW（1）以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为 qV ，热量变化率为 qmcp T 。根据热量衡算定律，有4q

14、V 1034.183 10 kJ/m3667103KWQ15.94m3/s（2）由题，根据热量衡算方程，得1001034.183 T kJ/m3667103KWT 1.59K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。解：在半径方向上取 dr，则有 dMdFr由题有dF dA=dudydA= ( r dr ) 2r 22 r drd u = 2nrd y所以有dM=d u2 r d

15、rr42 nr 3d rd y两边积分计算得M=2n r 4代入数据得4Nm（ 0.05m）42 3m）2.94 10（50/60）s/（1.5 10可得3 Pas 8.58 103.2 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 ；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51056.7 104 ，所以此流动为层流。对于层流层有= 4.641xRex0.55同时又有xuRex =两式合并有4.641 Re0.5 = u即有4.641 （6.7 104 ）0.5u1103 kg/m31.8

16、mm/（1.81 10 5Pas）u0.012m/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 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/s2 10m+4J/kg) 1103kg/m 334/3600m3 /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

17、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/m 3，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 / u22/2p2/ 由题有 u24u1所以有 u12 /2p1 / 16u1 2/2p2/ 即15 u12 2(p-p2)/ =2( )/ =2（1000-1.2）kg/m 32（0.1m0.04m）/（1.2kg/m3）10-)g(R1-R29.81m/s解之得u1 8.09m/s所以有6u232.35m/sqv u1A8.09m/s （200mm） 21.02m3/s3.5 如图 3-

18、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hf6.5u 2 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 /2p1/ gz1u22/2p2/ gz2 hf由题意得 p1p2 ，且 u10所以有9.81m/s2（8m2m） u2/26.5

19、u2解之得u2.90m/sqv uA2.90m/s 0.01m2/42.28 10 2m3/s（2）由伯努利方程，有u12/2gz1u22/2gz2 hf即u1 2/2gz17u22gz2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）2/2gz17（100dz/dt）2/2 gz27积分解之得 t36.06s3.7 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/m 2。求距管中心 5mm 处的流速为多少？又当管中心速度为 0.1m/s 时，压降为多少？解：设水的黏度 =1.0 10-

20、3 Pa.s，管道中水流平均流速为 um根据平均流速的定义得：r04 dpfqv8 dl1dpf2um = Ar028dlr0所以8 umlp f r02代入数值得21N/m281.0 10-3 Pasum3m/（13mm/2 ）2解之得um3.7 10 2m/s又有umax 2 um所以u2um1（ r/r 0）2（1）当 r5mm，且 r06.5mm，代入上式得u0.03m/s（2）umax 2 umpfumax /umax pf 0.1/0.074 21N/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

21、）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速和剪应力（3）壁面处的剪应力解：（1）由题有umqm/ A2/3600kg/s/（ 1103kg/m 30102m.2/4）87.07 10 3m/sRe 4 um d 282.82000管内流动为层流，故管截面中心处的流速umax2 um1.415 10 2m/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（1r 2/r 02）u1/21.415 102 m/s 3/41.06 10 2m/s由剪应力的定义得du4um rdrr02流体在壁面距中心一半距离处的剪应力：1/22um/r 0

22、2.83 10 3N/m 2（3）壁面处的剪应力：2 5.66 103N/m201/23.9 一锅炉通过内径为3.5m 的烟囱排除烟气，排放量为3.5 105m3/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 2.8 104Pas。大气温度为 20，在烟囱高度范围内平均密度为 1.15 kg/m 3。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/sRedu/7.58 104相对粗糙度为3/d5mm/3.5m1.429 10查表得 0.028所以摩擦阻力h fh u 2d29建立伯努利方程有u12 /2p1/ gz1u22/2p2/ gz2 hf由题有u1 u2， p1 p0245Pa， p2 p0空 gh即（h1.15 kg/m 39.8m/s2245Pa）/（0.6kg/m3 ）h