环境工程原理要点

第一章 绪论

1、环境净化与污染控制技术原理：

稀释：降低污染物浓度的一种方法，以减轻污染物对生物和人体的短期毒害作用。

隔离：将污染物或者是污染介质隔离，从而切断污染物向周围环境的扩散，防止污染进一步扩大。

分离：利用污染物与污染介质或其他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：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。

第二章 质量衡算

1、当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，而不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化时，则称为非稳态系统。稳态过程的数学特征是：0t ，即物理量只是空间坐标的函数，与时间t无关。

2、质量平衡关系式：输入速率-输出速率+转化速率=积累速率；即dtdmqmqm-qmr21；

稳态非反应系统：21qmqm

第三章 流体流动

1、层流：当流体流速较小时，处于管内不同径向位置的流体微团各自以确定的速率沿轴向分层运动，层间流体互不掺混，不存在径向流速，这种流动形态称为层流或滞流。稳态流动下，流量不随时间变化，管内各点的流速也不随时间变化。

2、紊流：当流体流速增大到某个值之后，各层流体相互掺混，应用激光测速仪可以检测到，此时流体流经空间固定点的速率随时间不规则地变化，流体微团以较高的频率发生各个方向的脉动，这种流动形态称为湍流或紊流。脉动是湍流流动最基本的特征。

3、雷诺数：流体的流动状况不仅与流体的流速u有关，而且与流体的密度ρ、黏度μ和流道的几何尺寸有关。雷诺将这些因素组成一个量纲为1的数，用以判别流体的流动形态，称为雷诺数Re，即uLRe。

式中：u——特征速度，m/s；

L——特征尺寸，对于圆管，常采用管内径d，m。

雷诺数综合反映了流体的物理属性、流场的几何特征和流动速率对流体运动特征的影响。流动状态转变时的雷诺数称为临界雷诺数，小于临界雷诺数时，流动为层流。

对于圆管内的流动，当Re＜2000时，流动总是层流，称为层流区；当Re＞4000时，一般出现湍流，称为湍流区；当2000＜Re＜4000时，有时出现层流，有时出现湍流，与外界条件有关，称为过渡区。

第四章 热量传递

1、导热：是指依靠物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞而产生热量传递的方式。物体各部分之间无宏观运动。

热对流：指由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生热量传递的方式。质点之间发生相对位移，并且对流必然伴随着导热。

热辐射：是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而放出辐射能的现象，称为热辐射。辐射传热不需要任何介质作媒介，它可以在真空中传播，这是辐射传热与热传导和对流传热的不同之处。

2、傅里叶定律：dydT-AQq；式中：Q——y方向上的热量流量，也称为传热速率，W；

q——y方向上的热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2；

λ——导热系数，W/（m·K）；dydT——y方向上的温度梯度，K/m；A——垂直于热流方向的面积，m2；

该定律表明热量通量与温度梯度成正比，负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。dydT为热量传递的推动力。

3、单层平壁的热传导

根据傅里叶定律，有dxdTA-Q；

4、多层平壁的热传导

n层平壁：n1iii1n1n1ii1n1AbT-TRT-TQ

5、圆管壁的热传导

单层圆管壁：drdTrL2-drdTA-Q）（，稳态导热时，将上式积分整理后得RT-TrrlnT-TL2Q211221；多层圆管壁：n1imiii1n1n1ii1n1AbT-TRT-TQ

6、对流传热的机理

在层流情况下，流体层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行。实际上，在传热过程中，因流体的流动增大了壁面处的温度梯度，使得壁面处的热量通量较静止时大，因此，与静止流体的热传导相比，层流流动使传热增强。

在湍流边界层内，存在层流底层、缓冲层和湍流中心三个区域，流体处于不同的流动状态。在靠近壁面的层流底层中，只有平行于壁面的流动，热量传递主要靠导热进行，符合傅里叶定律，温度分布几乎为直线，且温度分布曲线的斜率较大；在湍流中心，与流动垂直方向上存在质点的强烈运动，热量传递主要依靠热对流，导热所起的作用很小，温度梯度较小，温度分布曲线趋于平坦；在缓冲层中，垂直于流动方向上的质点的运动较弱，对流与导热的作用大致处于同等地位，由于对流的作用，温度梯度较层流底层小。

7、影响对流传热的因素

（1）物理特征：流体的物理性质将影响到传热。通常情况下，流体的密度ρ或比热容Cp越大，流体与壁面间的传热速率越大；导热系数λ越大，热量传递越迅速；流体的黏度μ越大，越不利于流动，因此会削弱流体与壁面的传热。

（2）几何特征：包括固体壁面的形状、尺寸、方位、粗糙度、是否处于管道进口段，以及是弯管还是直管等。这些因素影响流体的流动状态或流体内部的速度分布，因而影响传热。

（3）流动特征：流动特征包括流动起因（自然对流、强制对流），流动状态（层流、湍流），有无相变（液体沸腾、蒸汽冷凝）等。

强制对流下的流体流速较自然对流大，因此前者的传热速率也较后者的大。

流体状态为层流和湍流时，两者的传热机理不同，湍流传热速率远大于层流。

对于发生相变的传热过程，由于相变一侧的流体温度不发生变化，使传热过程始终保持较大的温度梯度，因此传热速率要比无相变时大得多。

8、保温层的临界直径

热损失Q为最大值时的保温层直径：c2d2d；dc称为保温层的临界直径。1cd-d5.0为保温层的临界厚度。

9、换热器

实体构造：分为管式换热器与板式换热器。

管式换热器分为：

①蛇管式：沉浸式蛇管换热器：可在容器中安装搅拌器提高传热系数；喷淋式蛇管换热器：效果较沉浸式要好得多。

②套管式：适用于流量不大、所需传热面积不大而压力要求高的情况；

③列管式：可采取在传热面上增设翅片的措施。

板式换热器分为：

①夹套式：可在容器内安装搅拌器以提高传热系数；

②平板式：常将板面冲压成凹凸的波纹状。

10、间壁传热过程和计算

热流体通过间壁传热给冷流体的过程分为三步：①热量从热流体传给固体壁面；②热量从间壁的热侧面传到了冷侧面；③热量从固体壁面传给冷流体。

总传热速率方程：Q=KA△T；A——取定的面积，可为A1、A2、Am。

K为总传热系数，221m11AAAbA1K1，其单位为W/（m2·K）

11、传热推动力——平均温差

在间壁式换热器的传热计算中，冷、热流体的温度差是传热过程的推动力，它与换热器中两流体的温度变化情况及两流体的相互流动方向有关。在变温传热时，用△T1和△T2分别表示换热器两端两流体的温差，有m1212TKATTlnT-TKAQ

12、换热器的换热效率：maxQQ最大可能传热量实际传热量

13、传热单元数：是温度的无量纲函数，在数值上等于单位传热推动力引起流体温度变化的大小，表明换热器传热能力的强弱。传热推动力越大，所要求的温度变化越小，则所需要的传热单元数越少。

传热效率与传热单元数的关系：

对于单程并流换热器，可得：RRc1c1NTU-exp-1 （1）

式中：NTU——热容流量小的流体的传热单元数；

cR——两流体的热容流量比，即maxpmminpmRcqcqc

对于单程逆流换热器，有RRRc-1NTU-expc-1c-1NTU-exp-1 （2）

当任一流体发生相变时，即maxpmcq趋于无穷大时，上述两式（1）、（2）可简化为NTU-exp-1；

当两种流体的热容流量相等，cR=1，上述两式（1）、（2）分别简化为2NTU2-exp-1、NTU1NTU。

第五章 质量传递

1、费克定律：dzdc-DNAABAz（用物质的量浓度表示）

式中：NAz——单位时间在z方向上经单位面积扩散的组分A的量，即扩散通量，也称扩散速率，kmol/（m2·s）；

cA——组分A的物质的量浓度，kmol/m3；

DAB——组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s；

dzdcA——组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/(m3·m)。

费克定律表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分A向浓度减小的方向传递。

对于液体混合物，常用质量分数表示浓度，于是又可写成dzdxD-NmAABAz； 当混合物的浓度用质量浓度表示时，又可写为dzd-DNAABAz

2、分子传质

静止流体中的质量传递有两种情况，即单向扩散和等分子反向扩散。

①单向扩散：组分A的分子扩散通量：DAADAucN，，；扩散通量的表达式：BAAAABANNccdzdc-DN（费克定律的普通表达式）

浓度分布函数曲线

②等分子反向扩散：扩散通量的表达式：dzdc-DNAABA

浓度分布函数及分布曲线

3、对流传质过程的机理

在层流流动中，相邻层间流体互不掺混，所以在垂直于流动的方向上，只存在由浓度梯度引起的分子扩散。此时，界面与流体间的扩散通量仍符合费克第一定律，但其扩散通量明显大于静止时的传质，这是因为流动加大了壁面附近的浓度梯度，使传质推动力增大。

在湍流流动中，流体质点在沿主流方向流动的同时，还存在其他方向上的随机脉动，从而造成流体在垂直于主流方向上的强烈混合。因此湍流流动中，在垂直于主流方向上，除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。

湍流边界层包括层流底层、湍流核心区及过渡区。在层流底层中，由于垂直于界面方向上没有流体质点的扰动，物质仅依靠分子扩散传递，浓度梯度较大。在此区域内，传质速率可用费克第一定律描述，扩散速率取决于浓度梯度和分子扩散系数，因此其浓度分布曲线近似为直线。在湍流核心区，因有大量的漩涡存在，ADD＞＞，物质的传递主要依靠涡流扩散，分子扩散的影响可以忽略不计。此时由于质点的强烈掺混，浓度梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线近似为一条垂直直线。在过渡区内，分子扩散和涡流扩散同时存在，浓度梯度比层流底层中要小得多。

第七章 过滤

1、过滤操作的基本概念：过滤是分离液体和气体非均相混合物的常用方法。其基本过程是混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力等）的作用下通过过滤介质时，流体中的固体颗粒被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒物的分离。

2、表面过滤与深层过滤的区别

表面过滤的主要特征是随着过滤全程的进行，待过滤混合物中的固体颗粒被截留在过滤介质表面并逐渐积累成滤饼层。而滤饼层的厚度随着过滤时间的延长而增厚，其增厚速率与过滤所得的流体量成正比。

深层过滤是利用过滤介质间的间隙进行过滤的过程，其特征是过滤发生在过滤介质层内部。这种现象通常发生在以固体颗粒为过滤介质，且过滤介质床层具有一定厚度的过滤操作中。