大题

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2.9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10.0 kg/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×100×100×1×109 m 3/s -4×100×1×106ρm 3/s =0解之得 ρ=1.05× 10-2mg/m 3(2)设空箱的长宽均为L ,高度为h ,质量流量为q m ,风速为u 。

根据质量衡算方程 12mtm m d q q k V d ρ--=有 ()22tmd q uLh k L h L h d ρρρ--= 带入已知量,分离变量并积分,得 23600-6-501.0510t 10 6.610d d ρρρ-⨯=-⨯⎰⎰积分有ρ=1.15×10-2mg/m 33.7 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μ=1.0×10-3Pa.s ,管道中水流平均流速为u m 根据平均流速的定义得:402020d d 18d =8d ff v m p r p q l u r A r lπμπμ=-=- 所以 28m f u lp r μ∆=-代入数值得 21N/m 2=8×1.0×10-3Pa·s×u m ×3m/(13mm/2)2 解之得 u m =3.7×10-2m/s又有 u max =2 u m所以 u =2u m [1-(r/r 0)2](1)当r =5mm ,且r 0=6.5mm ,代入上式得 u =0.03m/s(2)u max =2 u mΔp f ’= u max ’/ u max ·Δp f =0.1/0.074×21N/m =28.38N/m4.10在套管换热器中用冷水将100℃的热水冷却到50℃,热水的质量流量为3500kg/h 。

冷却水在直径为φ180×10mm 的管内流动,温度从20℃升至30℃。

已知基于管外表面的总传热系数为2320 W/(m 2·K )。

若忽略热损失,且近似认为冷水和热水的比热相等,均为4.18 kJ/(kg·K ).试求(1)冷却水的用量;(2)两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长,并加以比较。

解:(1)由热量守恒可得q mc c pc ΔT c =q mh c ph ΔT hq mc =3500kg/h×50℃/10℃=17500kg/h (2)并流时有ΔT 2=80K ,ΔT 1=20K 2121802043.2880ln ln20m T T K KT K T T ∆-∆-∆===∆∆ 由热量守恒可得 KAΔT m =q mh c ph ΔT h 即 KπdLΔT m =q mh c ph ΔT h23500/ 4.18/()50 3.582320/()0.1843.28mh ph h mq c T kg h kJ kg K KL m K d T W m K m Kππ∆⨯⋅⨯===∆⋅⋅⋅⋅ 逆流时有 ΔT 2=70K ,ΔT 1=30K2121703047.2170ln ln30m T T K KT K T T ∆-∆-∆===∆∆ 同上得 23500/ 4.18/()503.282320/()0.1847.21m h p h hmq c T k g h k Jk g K K L m K d T W m K m K ππ∆⨯⋅⨯===∆⋅⋅⋅⋅比较得逆流所需的管路短,故逆流得传热效率较高。

7.6用过滤机过滤某悬浮液,固体颗粒的体积分数为0.015,液体粘度为1×10-3 Pa·s 。

当以98.1kPa 的压差恒压过滤时,过滤20min 得到的滤液为0.197 m3/m2,继续过滤20min ,共得到滤液0.287 m 3/m 2,过滤压差提高到196.2kPa 时,过滤20min 得到滤液0.256 m 3/m 2,试计算qe ,r0,s 以及两压差下的过滤常数K (滤液黏度为1×10-3 Pa·s )。

解:依题意,可得 ()12302981000.19720.19712001100.015se q r --⨯+⨯=⨯⨯⨯⨯(1)()12302981000.28720.28724001100.015se q r --⨯+⨯=⨯⨯⨯⨯(2)()123021962000.25620.25612001100.015se q r --⨯+⨯=⨯⨯⨯⨯(3) 由(1)、(2)得220.19720.19712000.28720.2872400e e q q +⨯=+⨯,所以0.022e q =m 3/m 2 由(1)、(3)得1220.19720.1970.022981000.25620.2560.022196200s-+⨯⨯⎛⎫= ⎪+⨯⨯⎝⎭,得0.306s =将q e 和s 代入(1)得1209.81410r =⨯m -2所以,当压差为98.1kPa 时()10.3065123298100 3.96109.814101100.015K ---⨯==⨯⨯⨯⨯⨯m 2/s 当压差为196.2kPa 时()10.30651232196200 6.4109.814101100.015K ---⨯==⨯⨯⨯⨯⨯m 2/s 8.1在30℃,常压条件下,用吸收塔清水逆流吸收空气-SO 2混合气体中的SO 2,已知气-液相平衡关系式为47.87y x *=,入塔混合气中SO 2摩尔分数为0.05,出塔混合气SO 2摩尔分数为0.002,出塔吸收液中每100 g 含有SO 2 0.356 g ,试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力,用y ∆、x ∆、p ∆、c ∆表示。

解:(1)塔顶出塔SO 2的摩尔分数为20.002y =,入塔吸收液中SO 2的摩尔分数为20x =所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为*520.002/47.87 4.1710x -==⨯ 与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为20y *= 所以*55222 4.17100 4.1710x x x --∆=-=⨯-=⨯*2220.00200.002y y y ∆=-=-=22101.325101.3250.0020.2026p y ∆=⨯∆=⨯=kPa忽略吸收液中溶解的SO 2,则摩尔浓度可计算为1000/1855.6c ==mol/L52255.655.6 4.17100.00232c x -∆=⨯∆=⨯⨯=mol/L(2)塔底入塔SO 2的摩尔分数为10.05y =,出塔吸收液中SO 2的摩尔分数为10.356/640.001100/18x ==所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为*10.05/47.870.0010444x == 与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为1147.8747.870.0010.04787y x *==⨯= 所以*51110.00104440.001 4.4410x x x -∆=-=-=⨯*1110.050.047870.00213y y y ∆=-=-=11101.325101.3250.002130.2158p y ∆=⨯∆=⨯=kPa 51155.655.6 4.44100.00247c x -∆=⨯∆=⨯⨯=mol/L【例题2.2.4】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者,每人每小时吸两支香烟。

每支香烟散发1.4mg 的甲醛。

甲醛转化为二氧化碳的反应速率常数为k =0.40 h-1。

新鲜空气进入会议室的流量为1 000m3/h ,同时室内的原有空气以相同的流量流出。

假设混合完全,估计在25℃、101.3KPa 的条件下,甲醛的稳态质量浓度。

并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。

解:设室内甲醛浓度为p ,由于流入会议室的新鲜空气中不含有甲醛,故输入速率为甲醛在办公室内的生成速率,即 输入速率:qm1=50×2×1.4=140 mg/h假设完全混合所以室内甲醛浓度与流出空气中的甲醛浓度相等,即 输出速率:qm2=1000×ρ=1000ρ mg/h 降解速率Kpv=0.40p500m^3/h=200p m^3/h 因为qm1-qm2-kpv=0即100mg/h-1000p m^3/h-200p m^3/h=0 所以 p=140/1200 mg/m^3=0.117mg/m^3甲醛的相对分子质量为30,在1.013*10^5pa.25.c 下,甲醛的体积分数为RT*10^3/MAP*pA=(8.314*298*10^3/30*1.013*10^5) *0.117*10^-6=0.095*10^-6 办公室内甲醛含量将近2倍于引起眼刺激的起始浓度。

1. 列管式换热器由19根直径19 mm 、长为1.2 m 的钢管组成,拟用冷水将质量流量为350 kg/h 的饱和水蒸气冷凝为饱和液体,要求冷水的进、出口温度分别为15 ℃ 和35 ℃ 。

已知基于管外表面的总传热系数为700 W/(m 2 ·K ) ,试计算该换热器能否满足要求。

(饱和水蒸气的潜热L = 2258.4 kJ/kg )解: 设换热器恰好能满足要求,则冷凝得到的液体温度为100 ℃ 。

饱和水蒸气的潜热L = 2258.4 kJ/kg Δ T 2 = 85 K ,Δ T 1 = 65 K Δ Tm =Δ T 2 - Δ T 1ln Δ T 2Δ T 1 = 85 K - 65 Kln 85 K /65 K = 74.55 K由热量守恒可得:KA Δ Tm = q m L 即:A = q m LK Δ Tm= 350 kg/h ×2258.4 kJ/kg /700 W/(m 2·K )×74.55 K = 4.21 m 2列管式换热器的换热面积为A 总=19×19mm ×π×10-3×1.2m =1.36 m 2<4.21 m 2故不满足要求。

1. 通过三层平壁热传导中,若测得各面的温度t 1、t 2、t 3和t 4分别为500℃、400℃、200℃和100℃,试求合平壁层热阻之比,假定各层壁面间接触良好。