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    環境工程原理重點

    第一部分

    一、 量綱與無量綱

    1. 量綱:用來描述物體或系統物理狀態的可測量性質。

    量綱與單位不同,其區別在于,量綱是可測量的性質,而單位是測量

    的標準,用這些標準和確定的數值可以定量的描述量綱。

    表示:如【長度】或【L】表示長度的量綱,不是具體確定數值的某一長度。 分類:基本量(質量M、長度L、時間t、溫度T)和導出量。導出量量綱可

    用基本量量綱組合形式表示。

    2. 無量綱準數:由各種變量和參數組合而成的沒有單位的群數。無量綱準數實

    際上量綱為1,其數值與所選單位制無關,但組合群數單位統一。

    雷諾數Re:慣性力與黏性力之比,用于判斷流體的流動狀態。定義式: Re=ρu L/μ(ρ:密度,kg/m3;u:流速,m/s;μ:黏度,kg/(m· s))

    二、 常用物理量及其表示方法

    (一)濃度

    1.質量濃度:ρA =mA/V(ρA:組分A的質量濃度,kg/m3;mA:混合物中組

    分A的質量,kg;V:混合物的體積,m3)

    2.物質的量濃度:cA=nA/V(cA:組分A的物質的量濃度,kmol/m3;nA:混合

    物中組分A的物質的量,kmol)

    3.兩者關系:cA=ρA/MA(MA:組分A的摩爾質量,kg/kmol)

    4.質量分數:xmA=mA/m(xmA:組分A的質量分數;m:混合物的總質量,kg) 5.理想氣體狀態方程:pVA=nART(p:混合氣體的絕對壓力,Pa;VA:組分A

    的體積,m3;nA:組分A的物質的量,mol;R:理想氣體常數,8.314 J/(mol· K);T:混合氣體的絕對溫度,K)

    6.摩爾分數:xA=nA/n(xA:組分A的摩爾分數;n:混合物總物質的量,mol) 7.質量比:混合物中某組分的質量與惰性組分質量的比值。以XmA表示。

    13環四

    XmA=mA/(m-mA) (XmA:組分A的質量比,量綱為1;m-mA:

    混合物中惰性物質的質量,kg)

    摩爾比:混合物中某組分的物質的量與惰性組分物質的量的比值。以X表示。 XA=nA/(n-nA) (XA:組分A的摩爾比,量綱為1;n-nA:

    混合物中惰性組分的物質的量,mol)

    (二)流量:qV=V/t(m3/s)——體積流量 qm=Vρ/t(kg/s)——質量流量

    qm=qvρ

    (三)流速:um=qv/(πd2/4)(m/s) (經常使用圓形管,d為內徑)

    (四)通量:單位時間內通過單位面積的物理量。表示傳遞速率的重要物理量。

    三、 熱量衡算方程:△E’=∑HP-∑HF+Eq (∑HF:單位時間輸入系統的物料

    的焓值總和,即物料帶入的能量總和,kJ/s;∑HP:單位時間輸出系統的物料的焓值總和,及物料帶出的能量總和,kJ/s;Eq:單位時間系統內部物料能量的積累,kJ/s;△E’:單位時間系統內部總能量的變化,kJ/s)

    四、 流體流動(um2/um1=(d1/d2)2——圓形管道)

    1. 機械能衡算方程設計的能量分為兩類:1)機械能:包括動能、位能及靜壓能。在流體流動過程中可以相互轉變,也可轉變為熱和內能;2)內能和熱:不能直接轉變為機械能而用于流體的輸送。 2. 方程:1/2△um2+g△z+△p/ρ=-We-∑hf

    3. 伯努利方程:1/2△um2+g△z+△p/ρ=0

    4. 雷諾數:Re=ρu L/μ(圓管內:Re<2000時,流動總是層流,成為層流區;

    當Re>4000時,一般出現湍流,稱為湍流區)

    5. 牛頓黏性定律:τ=-μ·dux/dy (τ:剪切應力,N/m;μ:動力黏性系數,簡

    2

    稱黏度,Pa·s;dux/dy:垂直于流動方向的速度梯度,或稱剪切變形速率,s-1) 該定律指出,相鄰流體層之間的剪切應力τ與該處垂直于流動方向的速度梯度dux/dy成正比。適用于層流運動。

    6. 黏度:ν=μ/ρ(ν:流體運動黏度,m2/s;ρ:流體密度,kg/m3)

    溫度對黏度的影響較大,由于內聚力是影響黏度的主要因素,因此,

    對于液體,當溫度升高時,分子間距離增大,吸引力減小,因而使速度梯度

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    所產生的剪切應力減小,即黏度減小;對于氣體,由于氣體分子間距大,內聚力很小,所以黏度主要是由氣體分子運動動量交換的結果所引起的,溫度升高,分子運動加快,動量交換頻繁,所以黏度增加。

    7. 流動狀態對剪切應力的影響:流動的剪切應力除了由分子運動引起外,還由質點脈動引起。由于質點脈動對流體之間的相互影響遠大于分子運動,因此剪切應力將大大增加。

    8. 阻力損失起因:黏性流體的內摩擦造成的摩擦阻力和物體前后壓強差引起的形體阻力。

    損失影響因素:1)雷諾數大小;2)物體形狀;3)物體表面粗糙度

    9.

    范寧公式:△pf=λ·l/d·ρum2/2 (摩擦系數λ

    是流體的物性和流動狀態的函

    數,量綱為1)——摩擦系數λ與雷諾數Re及相對粗糙度ε/d的關系

    P82(P113,3.5,3.12)

    10. 局部阻力損失:hf=ξum/2(ξ:局部阻力系數,無量綱,ξ=λl/d) 11. 流體測量計:1)測速管;2)孔板流量計;3)文丘里流量計;4)轉子流量計

    2

    五、 熱量傳遞

    1.熱量傳遞的方式:1)導熱;2)熱對流;3)熱輻射

    2.傅立葉定律:q=Q/A=-λdT/dy (Q:傳熱速率,W;q:熱流密度,W/m2;

    λ:導熱系數,W/(m·K);dT/dy:熱度梯度,K/m;A:垂直于熱流方向的面積,m2)

    3.普蘭德數:Pr=ν/a=μcp/λ

    運動黏度ν越大,表明該物體傳遞動量的能力越大,流速受影響的范圍越廣,即流動邊界層增厚;導熱系數a越大,熱量傳遞越迅速,溫度變化范圍越大,即傳熱邊界層增厚。

    4.保溫層的臨界直徑:dc=2λ/α (dc:臨界直徑;λ:導熱系數;α:對流傳熱系數) 保溫層的臨界厚度:0.5(dc-d1)(d1:保溫層內徑)

    5.熱輻射:物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發射能量的過程。不需要媒介。 6.輻射傳熱:物質之間相互輻射和吸收輻射能的傳熱過程。

    7.黑體:落在物體表面的輻射能全部被物體吸收,這種物體稱為絕對黑體。黑體

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    具有最大的吸收能力,也具有最大的輻射能力。λmT=常數=2.9×10-3

    8.灰體:物體能以相同的吸收率吸收所有波長范圍的輻射能,則物體對投入輻射

    的吸收率與外界無關,這種物體成為灰體。

    六、 質量傳遞

    1. 傳遞機理:1)分子擴散;2)渦流擴散

    2. 費克定律:NAz=-DAB·dca/dz (NAz:擴散通量或擴散速率,kmol/(m2·s);cA:組分A的物質的量,kmol/m3;DAB:組分A在組分B中進行擴散的分子擴散系數,m2/s) 3. 施密特數:SC=ν/DAB

    傳遞邊界層厚度δc與流動邊界層厚度δ一般并不相等,他們的關系取決于SC。SC是分子動量傳遞能力和分子擴散能力的比值,表示物性對傳質的影響,代表了壁面附近速率分布與濃度分布的關系。

    第二部分

    一、 沉降

    1. 污染體系分為均相和非均相;分離技術分為傳質分離(均相)和機械分離(非均相)。

    2. 沉降分離主要用于顆粒物從流體中的分離。

    其原理是將含有顆粒物的流體(水或氣體)至于某種力場(重力場、離心力場、電場或慣性場)中,使顆粒物與連續相的流體之間發生相對運動,沉降到器壁、器底或其他沉積表面,從而實現顆粒物與流體的分離。

    沉降分離包括重力沉降(重力)、離心沉降(離心力)、電沉降(電場力)、慣性沉降(慣性力)和擴散沉降(熱運動)。 3.顆粒流體阻力由形狀阻力和摩擦阻力組成。

    4. 重力沉降受重力、浮力和阻力;離心沉降受離心力和周圍流體浮力。 5. 層流區:Rep≤2,ut=1/18·(ρp-ρ)/μ·gdp2 (斯托克斯(Stokes)公式) 過渡區:2

    6. 沉降速度的計算方法有:試差法、摩擦數群法、無量綱判據K。

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    7. 與重力沉降比,離心沉降有如下特征:P224(了解,不考)

    8. 旋風分離器針對氣體非均相混合物,旋流分離器針對液體非均相混合物。 9.離心沉降機主要用于懸浮液的固、液分離。

    二、 過濾

    1. 按過濾機理可分為表面過濾和深層過濾;按促使流體流動的推動力可分為重力過濾、真空過濾、壓力差過濾和離心過濾。

    2. 表面過濾通常發生在過濾液體中顆粒濃度較高或過濾速度較慢,濾餅層容易形成的條件下;深層過濾現象通常發生在以固體顆粒為過濾介質的操作中。 3. 表面過濾的過濾阻力由過濾介質和過濾層的阻力組成。 4. 恒壓過濾:V2+2VVe=KA2t;q2+2qqe=Kt 化簡為 V2=Kat;q2=Kt

    恒速過濾:V2+VVe=K/2·A2t;q2+qqe=K/2·t 化簡為 V2=K/2·A2t;q2=K/2·t 5. 深層過濾速度與阻力和推動力的關系:u=△p/(μrL)=△p/(μR)(r、R:阻力;△p:推動力)

    6. 懸浮顆粒的運動包括的主要行為有:遷移行為、附著行為和脫落行為。 7. 遷移行為的作用力包括:1)擴散作用力(布朗運動);2)重力沉降;3)流體運動作用力(慣性力)

    附著行為的作用力包括:靜電斥力、靜電引力和范德華引力 脫落行為的作用力包括:剪切作用和碰撞作用 8. 水頭損失變化圖P257

    三、 吸收

    1. 吸收是依據混合氣體各組分在同一種液體溶劑中的物理溶解度(或化學反應活性)的不同,而將氣體混合物分離的操作過程。

    按溶質和吸收劑之間發生的作用吸收分為:物理吸收和化學吸收 按混合氣體中被吸收組分的數目吸收分為:單組份吸收和多組分吸收 按在吸收過程中溫度是否會變化吸收分為:等溫吸收和非等溫吸收 2. 亨利定律:pA*=ExA(pA:組分A在氣相中的平衡分壓,Pa;xA:溶質A在液相中的摩爾分數;E:亨利系數,Pa)

    3. 溶質在氣、液兩相中如果不是處于平衡狀態,必然要從一相傳遞到另一相,使氣、液兩相逐漸達到平衡,溶質傳遞的方向就是系統趨于平衡的方向。

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