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1、环境工程原理修订材料（2007年）目 录总结2第二章 质量衡算与能量衡算2第三章 流体流动3第四章 热量传递6第五章 质量传递9思考题补充11第二章 质量衡算与能量衡算11第三章 流体流动11第四章 热量传递12第五章 质量传递12习题补充14第二章 质量衡算与能量衡算14第三章 流体流动16第四章 热量传递21第五章 质量传递28中英文术语33第二章 质量衡算与能量衡算33第三章 流体流动33第四章 热量传递34第五章 质量传递35总结第二章 质量衡算与能量衡算一、单位换算二、常用物理量及其表示方法定义相关内容浓度质量浓度：混合物总质量浓度：质量分数*：；气液两相体系：液相中某组分的质量分数
2、； 气相中某组分的质量分数；质量比：与换算：物质的量浓度：与换算：摩尔分数：摩尔比：与换算：；气态：流量体积流量：与换算：质量流量：流速平均流速：通量单位时间、单位面积上通过的物理量；表示传递速率水处理：一般1L污水可近似认为等于1000g。1mgL 的质量分数为1mg1000g110-61ppm污水浓度过高时，1mgL的质量分数为110-3混合物密度值大气污染控制工程：* 环境工程中常用体积分数；若视为理想气体三、质量与能量衡算1质量衡算以物料全部组分为对象：（质量守恒）以某种元素或物质为对象1）稳态非反应系统： 2）稳态反应系统：（一级反应）3）非稳态系统： 2能量衡算（不考虑做功，仅考虑
3、热量交换）封闭系统开放系统（稳态）有相变：相变时吸收或放出热量，但温度不变无相变：第三章 流体流动一、衡算方程质量衡算，对于不可压缩流体管内流动能量衡算总能量方程：机械能方程：对于不可压缩流体二、流体流动内摩擦力1流态雷诺数判定2内摩擦力（1）牛顿黏性定律，适用于层流（2）为动力黏性系数，表示单位法向速度梯度下，由于流体黏性引起的内摩擦力或剪切应力的大小。温度液体；气体（3）流体类别见表3.2.2（4）流动状态与剪切应力层流：剪切应力由分子运动引起，服从牛顿黏性定律湍流：剪切应力由分子运动和质点脉动引起，三、边界层1边界层理论要点（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域
4、边界层（2）在边界层内，流体流速很小，但速度梯度很大（3）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性（4）流动分两个区域，在边界层外的整个流动区域，可将粘性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动2边界层形成过程（1）绕平板流动（图） 边界层厚度：层流；湍流 减小边界层厚度可以减小传递过程阻力：增大流速使湍流化，矩形槽或放置金属丝破坏边界层形成（2）圆直管内流动（图：层、湍流） 层流速度抛物线型分布；湍流充分发展段速度分布曲线较平坦，层流底层厚度 进口段长度：层流；湍流约50倍管径3边界层分离能量损失（图） 产生条件：存在黏性作用和逆压梯度 层流
5、较湍流易发生；湍流的分离点靠后，尾流区小四、阻力损失成因影响因素雷诺数物体形状表面粗糙度摩擦阻力湍流-大；层流-小粗糙表面-大形体阻力湍流-小；层流-大良绕体-小；非良绕体-大粗糙表面促进湍流化-小五、圆直管内流动的阻力损失1沿程损失（1）（2）速度分布及阻力损失流动形态速度分布阻力损失系数层流湍流一般流体输送的Re范围内，n=1/71.过渡区按湍流处理偏安全2.湍流区Re4000：柏拉休斯：卡门：3.完全湍流区2局部损失或六、管路计算（不可压缩流体）简单管路：常数；复杂管路（图）分支管路：总管流量等于各支管流之和；总机械能守恒并联管路：；七、流体测量测量仪表流速（流量）表达式特点测速管（毕托
6、管）测得的是点流速孔板流量计固定安装；阻力损失较大文丘里流量计比孔板流量计减少了机械能损失转子流量计使用条件与标定条件不符时必须垂直安装，流体自下而上流动第四章 热量传递一、概述热量传递热传导对流传热流体中质点发生相对位移引起，通常也指流体与固体壁面之间的热传递；仅发生在液体和气体中辐射传热通过电磁波传递能量；不需要任何介质，可在真空中传播气体分子不规则运动固体晶格振动和自由电子的迁移液体分子振动分子间相互碰撞二、热传导1基本公式：傅立叶定律：，热量通量温度梯度；热量沿温度降低的方向传递。液体：水的最大，常用作导热介质（多孔隔热材料受潮隔热性）；除水和甘油外，T，压力影响不大2导热系数固体：金
7、属非金属；金属有杂质；纯金属T；合金T；晶体T；非晶体T气体：，利于绝热保温（工业上多孔保温材料）；T, p (高压时)单层平壁：不随温度变时，热阻，即传导距离&壁面面积&导热热阻&热传导速率Q多层平壁：稳态时各层热量流量相等，R0为污垢热阻圆管壁： 多层圆管壁：3应用模型三、对流传热1基本公式：牛顿冷却定律：物性特征（流体本身）：，cp，传热速率；黏度传热速率2传热速率影响因素几何特征（边界条件）：固体壁面形状、尺寸、粗糙度等流动特征：流动起因（强制对流Q自然对流Q）、状态（湍流Q 层流Q）、相变（有相变Q无相变Q）3对流传热系数（经验式）圆管：；蒸汽冷凝：传热类型经验式应用条件管内强制对流
8、圆形直管内强烈湍流（1）提高流速及减小管径可强化传热，前者更有效加热f=0.4，冷却f=0.3;Re104, 0.7Pr120,L/di50圆形直管内强烈湍流（2）（定性温度），w（壁温）高黏度0.7Pr16700圆形直管内强烈湍流（3）在（1）、（2）基础上乘以修正系数短管L/di50圆形直管内层流（4）Re23006Pr25000圆形直管内过渡流态（5）在湍流对应经验式基础上乘以修正系数2300Re104圆形弯管（6）按直管对应经验式基础上乘以修正系数大自然空间对流，C为常数（查表）蒸汽冷凝传热竖壁或竖管上的膜状冷凝，层流， 为竖壁面温度（TW）与蒸汽在操作压力下饱和温度（TS）之差，r为
9、冷凝潜热（由TS确定）Re2000水平管外冷凝，d0为管外径4热损失最大时的保温层直径，为使加保温层后热损失小于裸管时的热损失，应使保温层厚度5总传热系数（热侧为外侧）在间壁热阻和污垢热阻可忽略时：若，为间壁外侧对流传热控制，提高间壁外侧对流传热系数是提高K值的关键；若，为间壁内侧对流传热控制6传热推动力与平均温差、传热单元数法四、辐射传热1辐射传热=发出辐射能的过程+吸收辐射能的过程当两个温度不等的物体辐射传热时，热量从高温物体向低温物体传递2物体辐射能力灰体，灰体黑度克希霍夫定律：，A为灰体吸收率黑体单色辐射能力；最大单色辐射能力的波长与温度关系3物体间的辐射传热，典型情况下的面积A和物体
10、1对物体2的辐射角系数查表4.4.1第五章 质量传递环境工程中常见的传质过程有：吸收、萃取、吸附、离子交换、膜分离。传质过程可分为分子传质与对流传质：分子传质对流传质机理：分子扩散 扩散通量：浓度分布 机理：涡流扩散、分子扩散单向扩散：等分子反向扩散：有化学反应的扩散：、等分子双向扩散： 单向扩散：扩散通量：单向扩散传质系数等分子双向扩散传质系数思考题补充第二章 质量衡算与能量衡算1一罐挥发性化学物质（苯）被倒在一个小池塘里，现要求计算出流出池塘的小溪水中苯的浓度，列出所需要的数据。（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of E
11、nvironmental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p127 Discussion Question 3-2，无改动）2一片在湖底的石灰石（碳酸钙）缓慢溶解，为了计算物料平衡，你可以假设：A）系统处于平衡状态B）系统处于稳态C）上述两种都可以D）上述两者都不行（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of Environmental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p127 Discussion Question 3-1
12、，无改动）3 写出一个污水处理厂污水处理过程的质量衡算关系（包括污水和污泥系统）。4描述自来水在壶中被烧开过程中与外界的能量交换。第三章 流体流动第一节1 管流系统的质量衡算方程如何表示？对不可压缩流体的稳态过程可如何简化？有何物理意义?2 流体携带哪些能量？3 能否用平均流速表示平均动能？4 什么是流体的流动功？第二节1 什么是雷诺数？不同流场，其特征速度及特征尺寸是否相同？其临界值是否相同？2 什么是黏度？动力黏度与运动黏度有何不同？3 泥浆、中等含固量的悬浮液属于什么流体？其流动规律如何描述？怎样改善其流动性？4、粘性流体在静止时有没有剪应力？理想流体在运动时有没有剪应力？若流体静止时没
13、有剪应力，那么它们是不是都没有粘性？第三节1 实际流体的流动有什么特征？2 边界层厚度对传递过程有何影响？可采取哪些措施强化传递过程？3 圆直管内边界层的形成和发展有哪几种情形？4 什么是进口段长度？层流、湍流进口段长度哪个长？5 为什么网球表面粗糙？从运动阻力方面分析。第四节1 阻力损失可分为几种？有哪些影响因素？2 流体湍流流动时，磨擦系数与什么有关？若其完全湍流，则又与什么有关？3 什么是局部阻力？它对流体流动有什么影响？其计算方法有哪两种？4 将一管路上的闸门关小，则管内流量、局部阻力、沿程阻力及总阻力将如何变化？第五节1 环境工程中的管路计算问题可分为哪几类？2 简单管路、复杂管路如
14、何区分？3 流体以层流状态流过两并联管段，两管管长、内径比均为1：2，则其体积流量比为多少？第六节1 有哪些流体测量的仪器？2 哪些流量计属于变压头流量计？解释其工作原理。3 哪些流量计属于变截面流量计？解释其工作原理。4 在一管路中，当孔板流量计的孔径和文丘里流量计的喉径相同时，相同流动条件下，比较两流量计流量系数的大小。5 简述转子流量计的工作原理。第四章 热量传递1空气在钢管内流动，管外用水蒸气冷凝，钢管的壁温接近空气温度还是水蒸气温度？设管壁清洁，没有污垢。（来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解（上册），科学出版社，2003，p159例4-18）2如果你赤脚走在地板上，在室内温度相
15、同情况下，砖地板比木地板感觉更冷，解释原因。（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of Environmental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p127 Discussion Question 3-5，无改动）3在计算热传导非相变一侧流体吸收/放出的热量、换热器间壁两侧的流体主体换热以及换热器的热量衡算时，所指的传热推动力（温差）各是什么？（来源：杨国泰等编，化学工程基础学习指导，化学工业出版社，2003，参考p39内容）4两个温度相同、不互相接触的物体之间是否存在热辐射
16、？是否存在热量传递？5在全球变暖问题中，极地冰盖的融化被认为会加速地球变暖，从热辐射角度解释这一问题。比较流动、传热、边界层的异同。第五章 质量传递第一节1 什么是传质？举例环境工程中的传质过程。2 引起传质的推动力有哪些？3 什么是吸收？在环境工程中有何应用？4 吸附与吸收有何异同点？5 什么是膜分离？目前有哪些膜分离技术。第二节1 费克定律有哪几种表达形式？有何异同点？2 什么是分子扩散系数？其物理意义是什么？3 比较物质在气体、液体、固体中分子扩散系数的大小。4 简述涡流扩散系数的物理意义及影响因素。第三节1 什么是单向扩散和等分子反向扩散？2 单向扩散、等分子反向扩散物质的浓度分布如何
17、？3 组分A通过静止组分B进行稳态扩散过程中，分析组分B存在浓度梯度但通量为零的原因。4 分析化学反应堆分子传质过程的影响。在什么条件下分子传质的速率由化学反应控制？什么条件下则由扩散控制? 5 对于双组分混合气体，两种组分各自的扩散通量有何联系？第四节1 什么是对流传质？它与分子传质有什么不同？2 简述施密特数的物理意义。3 湍流边界层可分为哪几个区？各区的传质过程有何不同？4 传质进口段长度如何确定？分析其与流动进口段长度的关系。5 对流传质速率方程可有哪些表达形式？各传质分系数间有何联系？习题补充第二章 质量衡算与能量衡算1计算体积混合比为295ppb时N2O的质量浓度。空气压力为一个大
18、气压，温度25。解：295ppb为空气中N2O的体积分数。N2O分子的摩尔质量为44g/mol。由理想气体状态方程可得（来源：2006环境化学作业习题一，张彭义老师；数据有改动）2市售硫酸浓度一般为93%（质量分数），求硫酸的质量浓度和物质的量浓度。已知100%硫酸密度为1.839g/cm3，设溶液温度为14。（不考虑硫酸和水混合后体积的变化）解：14时水的密度为999.1kg/m3，即999.1g/L；硫酸（H2SO4）的摩尔质量为98g/mol。质量浓度 物质的量浓度（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of Environ
19、mental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p66 Example 2-18，数据有改动）3一个混合良好的池塘每天接收污水430m3，污水中含有机污染物180mg/L。池塘水面面积11万m2，水深1m。有机污染物生物降解反应速率常数为0.65d-1，假设忽略蒸发、渗漏、降雨，求稳态时池塘中有机污染物浓度。解：以池塘为衡算系统，以有机污染物为衡算对象。由衡算关系得：稳态时（池塘混合良好） 解得（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of Environmental Engine
20、ering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p100 Example 3-6，数据和解答过程有改动）4某反应池表面积10万m2，平均深度1m；含污染物浓度为100mg/L的污水以8640m3/d的速度流入该池。稳态情况下，该池出水污染物浓度不能超过20mg/L。设池中混合状态良好，且不考虑水量变化，则降解反应速率至少要是多少？若改为串联使用两个同样深度、表面积为5万m2的反应池，则降解反应速率要求是更高、更低还是不变？解：1）单一反应池由于池中混合状态良好，由质量衡算：整理得2）两反应池串联时，降解反应速率要求变低（来源：Mackenzie L. Davis, S
21、usan J. Masten, Principles of Environmental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p125 Problems 3-17，3-18，数据无改动）5一根雨水管道含NaCl浓度为1250mg/L，汇入一条小溪，流速为2000L/min；该小溪原NaCl浓度为18mg/L，流速为2.0m3/s。设雨水管水流和溪水完全混合，NaCl没有发生转化，系统处于稳态。求汇合点后溪水中NaCl浓度。解：2.0m3/s120000L/min由质量衡算得（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Mast
22、en, Principles of Environmental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p98 Example3-5，数据有改动）6一圆筒形储槽，横截面积为0.4m2，槽内充满水，水的深度为1.8m。进水管水流流量为0.32kg/s；出水管中水的流出速率qm2 (kg/s)与水位z (m) 的关系为。若同时打开进水管和出水管，储槽中的水能否放干？若能，求出所需的时间；若不能，求储槽中水位变化趋势。若关闭进水管，情况又如何？储槽的水位何时达到0.3m？解：（1）由非稳态系统的质量衡算可得：，其中qm1 = 0.32kg/s；代入得：令
23、可得z = 1.78m，即槽中水位下降至1.78m后达到稳定状态，水位保持不变。（2）若关闭进水管，qm1 = 0，理论上储槽的水位会趋向于零，对该式分离变量积分求水位达0.3m所需时间：（来源：沙庆云主编，传递原理，大连理工大学出版社，p16 例2-2，参考原题有较大改动）7每小时有500kg温度为60的饱和水蒸气通入冷凝器，冷凝器顶部有20的冷却水喷入，水蒸气与冷却水直接接触后冷凝下来与冷却水混合从冷凝器底部排出，温度28。冷凝器顶部用真空泵每小时抽出5kg的25的饱和水蒸气，求每小时冷却水的用量（不计热损失）。解：设冷却水用量为x kg/h，排出冷却水 y kg/h，各温度下液态水及水蒸
24、气的焓值查表质量衡算热量衡算，即，代入得联立、解得（林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p66，2-1）8某食品公司用100的沸水对雪梨进行去皮以便装罐，排出的废水中含高浓度有机物，因此在排放前需要进行生化处理。40m3的水被排入座20的钢筋混凝土水池。设废水与环境无热交换。钢筋混凝土水池质量42000kg，比热。则水池与废水的平衡温度是多少？解：废水的密度近似为1000kg/m3水的焓变水池的焓变达到平衡时，联立解得T=358K，即85。（来源：Mackenzie L. Davis, Susan J. Masten, Principles of Environm
25、ental Engineering and Science影印本，清华大学出版社，2004.11，p115 Example 3-12，无改动）第三章 流体流动1某废液流经由内径分别为65mm、50mm的圆管组成的串联管路，流量为1.5L/s，试计算废液在大管和小管中的流速？解：串联管路，两管的流量相等，即 大管流速 小管流速2密度为1000kg/m3、黏度为的污水流过一内径为7mm的排水圆管，流速为0.2m/s。保持流量不变，当管径增大一倍时，计算流速并判断流态。解：由连续性方程 可得 为层流状态。320的水流过内径为27mm的圆管，试问流量需多大时，才能达到稳定湍流？已知20的水密度，黏度。
26、解：圆管内流动，当Re4000时，为湍流。 由 可得4从水塔管道输送水，水塔水面距出水管口的垂直距离为10m，管道全长500m，管件的局部阻力可近似等于管道全长的一半，摩擦系数为0.03，水温为20，输水量为10 m3/h，求水管的最小直径。解：取水塔水面为11截面，水管出水口为22截面，基准水平面通过出水管的水平中心线，在两截面间列伯努利方程 已知 上式可化简为吴岱明编，化工原理及化学反应工程公式、例题、测验，北京 ：轻工业出版社, 1987年，31页5通过测速管测得某圆形管道中的水流速分布为，其中为管中心流速，为管半径25mm。（1）请写出剪应力的表达式。（2）已知水的粘度为10-3Pas
27、，当测得管中心流速为0.16m/s时，管壁处的剪应力为多少？解：（1）由剪应力定义及流速分布可得 （2）管壁处剪应力6某废液流入直径为40mm的管道，流量为0.1L/s。计算该流动的进口段长度，并求距管口5m处的边界层厚度。已知废液的密度，黏度解：流速 ，则流动状态为层流。 进口段长度 距管口5m处的边界层厚度即为管的半径，即7某流体以0.6m/s的流速沿一平壁流动，已知该流体的密度为1.2kg/L，黏度为10-3Pas，试分别计算距平壁前缘0.5m、2m处流体的雷诺数及边界层厚度。解：距前缘0.5m处： 流动状态为层流流动边界层厚度 距前缘2m处： 流动状态为湍流流动 边界层厚度8密度为1.
28、3kg/L、黏度为10-3Pas的污水流过内径为20mm的圆管，流量为4 kg/s时，求污水在管中的流速分布。解： 为湍流状态，且，因此有 流速分布，式中r的单位为mm。9黏度为810-3Pas、密度为850kg/m3的液体在内径为14mm的钢管内以1m/s的流速流动，（1）判断流体的流动状态。（2）求截面上局部流速等于平均流速的位置到管轴线的距离。（3）若该管路为水平管，上游压力为1.45105Pa，流体要流经多长的管段才能使压力降为1.25105Pa。解：（1），为层流流动。 （2）层流流动时，流速分布为，且 当时，可得 （3）因为是水平等径管，所以两截面上的静压差等于阻力压差，且层流有，
29、所以匡国柱主编，化工原理学习指导，大连：大连理工大学出版社，2002年，19页 10用一内径26mm、长30m的不锈钢管输送密度为1.84103kg/m3、黏度为2.510-2Pas的浓硫酸，当管内流速分别为0.5m/s和2.3m/s时，分别计算管道所产生的压强降。已知不锈钢管道的粗糙度=0.3mm。解：管路中的压降当时： ，流动状态为层流 摩擦系数压降 当时：，流动状态为湍流 由和Re查图得 压降杨国泰、杨继红等编，化学工程基础学习指导，北京：化学工业出版社，2003，26页 （改造）11有一内径为d1的排污管，为了增加排污量，紧靠该管并联一内径为d2的管道，已知两管中的流速分别为u1和u2
30、，流量分别为qv1和qv2，且均为层流流动，分别求u1/u2、qv1/ qv2与d1/ d2的关系。若d1=1m,要增加的50%的排污量，计算d2。解：并联管路阻力相等，即 因为，且，则化简上式可得，即 因为，所以 当时，吴岱明编，化工原理及化学反应工程公式、例题、测验，北京 ：轻工业出版社, 1987年，32页12空气流过管道，在管路上装一文丘里流量计，以U形管水压差测量压力差。若喉管的直径为500mm，空气最大流量可达3.6kg/s，问压差计需多大的量程？已知该状态下空气密度为1.205kg/m3，水的密度为998kg/m3，文丘里流量计的流量系数为0.99。解：体积流量 截面面积 由文丘
31、里流量计流量公式可得 因此U形管压差计量程至少需14.1mm。13某转子流量计，出厂时用标况空气进行标定，其刻度范围为2050m3/h。常温、常压下，若用该流量计测定CO2流量，其流量范围是多少？若希望能测定50 m3/h 的CO2，则应对转子做怎样的简单加工？解：标况下空气密度测量条件下，CO2密度由于转子密度远大于测量气体密度，因此可得则测定CO2时的下限为，同理求得其上限为，所以测量范围为。根据，要使CO2的测量上限提高，需将转子顶端面积削小，增大环隙面积，设在加工前后不变，则，即削小转子上边缘，使其上端面积减小到保证环隙面积为原来的1.18倍。柴城敬等编，化工原理课程学习指导，天津：天
32、津大学出版社，2003年，31页（改造）第四章 热量传递1有一球形容器，内外壁半径和温度分别为r1、T1和r2、T2，器壁材料的导热系数，试推导球形壁内稳态传热速率Q的计算公式。解：稳态一维热传导，Q不随半径变化，由傅立叶定律：整理得，进行积分令，则（来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解（上册），科学出版社，2003，p143例4-4，无改动）2某燃烧炉的平壁有耐火砖、绝热砖和建筑砖三种材料砌成，各层材料的厚度和导热系数依次为b1=200mm，；b2=250mm，；b3=200mm，。已知耐火砖内侧温度为900，绝热砖和建筑砖接触面上的温度为280。求：（1）各种材料以单位面积计的热阻；（
33、2）燃烧炉热通量及导热总温差；（3）燃烧炉平壁中各材料层的温差分布。解：（1）各种材料的热阻：耐火砖：绝热砖：建筑砖：（2）稳态条件下通过各材料层的热通量相等热通量导热总温差（3）热阻大的材料层温差推动力也大（来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解（上册），科学出版社，2003，p140例4-1，无改动）3有一过热蒸气输送管，管外径d0=320mm，壁温Tw0=510，外包两层保温层，内层为粉煤灰无熟料泡沫混凝土，其；外层为石棉硅藻土，其。若每米长的管子热损失为1395.6W/m，最外层壁温为50。试求两层保温层交界处的壁温和外层厚度。解：（1）通过多层圆筒壁的传热有解得两层保温层交界处Tw
34、1=215（2）保温层外层平均温度由 解得r2 = 0.209m外层壁厚（来源：林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p69，2-5）4在57mm3mm的蒸气管（管材的）的外壁包1层25mm、导热系数的石棉层。蒸气管的内壁温度为175，石棉层外表面温度为50。试求每米蒸气管单位时间所损失的热量。欲在石棉层外再加一层导热系数的氧化镁保温材料，使热损失为原先的一半，设总温度差保持不变，试问此保温材料应该为多厚？解：每米蒸气管单位时间损失的热量为总温差不变，热损失减半，即热阻加倍即（来源：林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p71，2-7）5
35、.单管程列管式热交换器，由60根23mm1.5mm的钢管组成。水在管内的流速为1m/s，冷水进、出口温度各为20和46，管长2米。求：（1）管壁对水的对流传热系数（2）管内壁温度（3）若将总管数改为50根，管长增加到2m以上，但保持冷却水量不变，求此时的对流传热系数，并与原来相比较。（按薄壁管计算）解：（1）定性温度，特征长度查表得33时流体被加热，取f = 0.4（2）由热量衡算管内壁温度为（注：如采用对数平均温度计算，得93.3）（3）改变钢管根数，冷却水量不变，则 管长2m以上，则仍为长管则（来源：林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p73，2-12）60.
36、2MPa的饱和水蒸气在一列管式换热器的管间冷凝以预热水，水在25mm2.5mm的钢管内以0.6m/s的速度流过，进口温度为20，至出口加热到80。取水蒸气冷凝传热系数，水侧污垢热阻为，忽略管壁热阻。求（1）传热系数K；（2）操作一年后，由于水垢积累，换热能力下降，若水量不变，进口温度仍为20，其出口水温升至70，求此时的传热系数及污垢热阻。解：（1）定性温度查表得50时（2）定性温度查表得45时，查表得0.2MPa的水蒸气温度为120.6。原来现在qm保持不变，cp近似不变，又 得（来源：林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p79，2-20）7在一钢管中心装有热电
37、偶测量管内空气的温度。设热电偶的温度读数为300，热电偶的黑度为0.8，空气与热电偶之间的对流传热系数为，钢管内壁温度为250。试求由于热电偶与管壁之间的辐射传热而引起的测温误差。解：由于热电偶被钢管内壁包围，热电偶与钢管内壁之间的辐射传热量 辐射热通量热电偶除对管壁进行辐射外，还从空气以对流方式取得热量，稳定情况下，两者传热量相等。设空气真实温度为T0 测量误差（来源：何潮洪，窦梅等编，化工原理习题精解（上册），科学出版社，2003，p154例4-13，无改动）8有两个很大的固体平面，彼此平行且相互辐射换热，一个平面的温度为600，黑度为0.9；另一个平面的温度为500，黑度为0.8。求它们
38、之间每平方米、每小时的净辐射热量。若将其中一个的平面温度从600提高到700（设其黑度不变），问净辐射传热量可提高到多少？解：（1）单位面积上代入得（2）同理可得平面温度提高为700后（来源：林爱光，化学工程基础学习指引和习题解答，清华大学出版社，2003，p74，2-13）9在一内径为2.5mm的管子的轴心位置上，穿一直径为0.05mm的细导线以测定气体的导热系数。当导线通以0.3A的电流时，产生的压降为0.02V/mm。测得导线温度T1为167，空心管内壁温度为150。求：（1）充入管内的气体的导热系数（2）若导线黑度为0.8，估算不计入辐射传热时所引起的误差。解：每米导线发热量稳态下，此
39、热量通过气体传导到管内壁，即（2）辐射的传热量 ，代入式得每米导线实际导热传热量代入式得，相对误差可见辐射传热引起的误差不大。（来源：杨国泰等编，化学工程基础学习指导，化学工业出版社，2003，p56，2-9）10某化工厂用绝对压力为0.3MPa的饱和水蒸气将环丁砜水溶液由105加热到115后，送再生塔再生。已知溶液体积流量qV为200m3/h，溶液的密度为1080kg/m3，比定压热容，所用换热器的传热系数。求水蒸气消耗量和逆流操作所需的传热面积。解：（1）环丁砜水溶液吸收的热量查表0.3MPa的饱和水蒸气气化潜热，汽化温度T=133.3不考虑热损失情况下，由热量衡算（2）蒸汽温度保持为40
40、6.3K，环丁砜水溶液从378K升温至388K，则（来源：杨国泰等编，化学工程基础学习指导，化学工业出版社，2003，p58，2-11）11在外径为152mm的水平管内通有171的饱和水蒸气，管外空气温度为21。室内四周墙壁、天花板及地板温度皆与室内空气温度相同。已知：当管道不保温时，每米管长因空气自然对流造成的热损失为530W/m；当管道外面覆盖50mm厚的保温层时，保温层外表面温度降为59，每米管长因空气自然对流造成的热损失为147.3W/m。求：（1）管道不保温，管壁黑度0.55，每米管长因辐射造成的热损失（2）管道外面包50mm厚的保温层，使保温层表面温度降为59，保温材料外面裹一层黑
41、度0.3的镀锌薄铁皮，求每米管长因辐射造成的热损失（3）在以上两种情况下，每米管长的总热损失是多少？解：（1）设房间内所有物体均与室内空气同温，而房间四周面积远大于蒸气管表面（2）当管道外面包50mm厚的保温层，并外包镀锌薄铁皮，保温层外径d=0.252m（3）未保温时保温后第五章 质量传递1标准大气压、293K下，氢气在氨气中的扩散系数为，那么、50下，氢气在氨气中的扩散系数是多少？解：杨国泰、杨继红等编，化学工程基础学习指导，北京：化学工业出版社，2003，66页 （改造） 2氢气通过厚度为0.5cm的静止空气进行扩散，气体总压为101.3kPa，温度为0，在此静止气体厚度两边的氢气分压分
42、别为13.33kPa、6.665kPa，扩散系数，计算氢气通过该厚度空气的扩散速率。解：本题为单向分子传质则扩散速率即为扩散通量杨国泰、杨继红等编，化学工程基础学习指导，北京：化学工业出版社，2003，66页 （改造）3用吸收塔吸收废气中的二氧化硫气体，条件为常压、25，溶解度系数。塔内某一截面上，气相主体中二氧化硫分压，气液相界面，液相中，气相传质系数。计算液相传质系数及传质速率。解：传质速率即为传质通量 在相界面上，气、液两相平衡，有 稳态传质过程，气、液两相传质速率相等则4在一容器中，N2和O2的混合气体发生扩散过程。系统总压为101.3kPa，温度为273K，扩散系数为。已知相距0.0
43、2m的两截面上，N2分压分别为15.2kPa和4.8kPa，试求：（1）N2 和O2为等分子反向扩散时，N2的传质通量。（2）O2为停滞组分时，N2的传质通量。解：（1）等分子反向扩散 （2）单向扩散杨国泰、杨继红等编，化学工程基础学习指导，北京：化学工业出版社，2003，68页 （改造）5A、B两气体在一长为1m的管中相互扩散，管子各处温度均为298K，总压均为。两端A气体的含量分别为。已知扩散系数为。试求A气体的传质通量，并求出A气体的浓度分布。解：由于管中各处温度、压力均匀，因此为等分子反向扩散。 等分子反向扩散的传质通量可写为 稳态扩散过程，则有 对上式两次积分可得，式中C1、C 2为积分常数。 由边界条件可得A气体的浓度分布为 何潮洪等编，化工原理习
