质量衡算与能量衡算

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1、第 I 篇环境工程原理基础第I篇 环境工程原理基础在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废 气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道 工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象 。l流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物， 污染物的过滤分离等l热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、 设备的保温等l质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物 、化学反应等第I篇 环境工程原理基础本篇主要讲述质量衡算、能量衡算等环境 工程中分析问题的基本方法，以及流体流动和 热量传递、质量传递的基础理论。系统掌握流体流动和热量传递、质量传递 过程的基础理论，对优化污染物的分离和转化 过程、提高污染控制工

2、程的效率具有重要意义 。本篇主要内容第二章 质量衡算与能量衡算第三章 流体流动第四章 热量传递第五章 质量传递第I篇 环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算 第二章 质量衡算与能量衡算第一节 常用物理量常用物理量及单位换算常用物理量及其表示方法 第二节 质量衡算衡算系统的概念总质量衡算方程 第三节 能量衡算总能量衡算方程热量衡算方程本章主要内容一、计量单位二、物理量的单位换算三、量纲和无量纲准数四、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节 常用物理量国际单位制的基本单位 量的名称 单位名称 单位符号 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 米 千克（公斤） 秒 安培 开尔文

3、 摩尔 坎德拉 M Kg s A K mol cd 计量单位是度量物理量的标准 物理量数值单位国际单位制，符号为SI 7个基本单位；2个辅助单位； 导出单位 。第一节 常用物理量一、计量单位mkg表2.1.1 国际单位制的基本单位7个基本单位2个辅助单位 表2.1.2 国际单位制的辅助单位量的名称 单位名称 单位符号 平面角 立体角 弧度 球面度 rad sr 第一节 常用物理量按照定义式由基本单位相乘或相除求得，并且其导出单位的定义式中的比例系数永远取1。导出单位当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得 到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。式中F力；

4、m质量；a加速度；u速度；t时间；s距离；k比例系数。力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即按照国际单位制规定，取k=1，则力的 导出单位为第一节 常用物理量导出单位表2.1.3 国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位 第一节 常用物理量量的名称 单位名称 单位符号 其他表示式例 频率 力；重力 压力，压强；应力 能量；功；热 功率；辐射通量 电荷量 电位；电压；电动势 电容 电阻 电导 磁通量 磁通量密度，磁感应强度 电感 摄氏温度 光通量 光照度 放射性活度 吸收剂量 剂量当量 赫兹 牛顿 帕斯卡 焦耳 瓦特 库仑 伏特 法拉 欧姆 西门子 韦伯 特斯拉 亨利 摄氏度 流明

5、勒克斯 贝可勒尔 戈瑞 希沃特 Hz N Pa J W C V F S Wb T H lm lx Bq Gy Sv 1/s kgm/s2 N/m2 Nm J/s As W/A C/V V/A A/V Vs Wb/m2 Wb/A cdsr lm/m2 1/s J/kg Jb/kg 同一物理量用不同单位制的单位度量时，其数值比 称为换算因数。 例如1m长的管用英尺度量时为3.28084ft，则英尺与米的换算因数为3.28084。 解：按照题意，将kgf/cm2中力的单位kgf换算为N，cm2换算为m2 。查表，N与kgf的换算因数为9.80665，因此1kgf9.80665N 又 1cm0.01m

6、 所以 1.03323kgf/cm21.033239.80665N/(0.01m)2=1.013105 N/ m2【例题2.1.1】 已知1atm1.03323kgf/cm2，将其换算为N/ m2。二、物理量的单位换算第一节 常用物理量设备周围空气流动速度，cm/s【例题2.1.2】设备壁面因强制对流和辐射作用向周围环境中 散失的热量可用下式表示，即式中对流-辐射联合传热系数，kcal/（m2h）若将 的单位改为W/(m2K), u 的单位改为m/s，试将上 式加以变换。第一节 常用物理量解：根据附录，1kcal4186.8 Ws，1h=3600s；1表示温差为 1，用K表示温度时，温差为1K

7、。因此 1kcal/（m2h）4186.8/3600 W/(m2K)1.163 W/(m2K) 1cm/s0.01m/s整理上式，并略去上标，得将上两式带入原式中，得W/(m2K)令 为以W/(m2K)为单位的传热系数， 为以m/s为单位的速度？第一节 常用物理量(一)量纲用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。 量纲与单位的区别：量纲是可测量的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。 三、量纲和无量纲准数第一节 常用物理量基本量纲: 质量、长度、时间、温度的量纲，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT量纲体系。【

8、物理量】表示该物理量的量纲，不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的关系是定性的而不是定量的。其他物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其量 纲: 速度= 密度= 压强= 黏度=Lt1 ML3 ML1t2ML1t1第一节 常用物理量(二)无量纲准数由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数。 无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选 单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制 ，都可得到相同数值的无量纲准数。准数符号定义雷诺数 (Reynold)Re标准提法是量纲为1第一节 常用物理量通过对影响某一过程和现象的各种因素（物理量）进行量纲分析，将物理量表示成

9、为若干个无量纲准数，然后借助实验数据，建立这些无量纲变量之间的关系式。 第一节 常用物理量参考内容:量纲分析法【例题】流体在管路中流动时由于摩擦力而产生压降，影响压降Pf的因素为管径d、管长L、平均速度u、流体密度、黏度和管壁绝对粗糙度（代表壁面凸出部分的平均高度）。表示为物理方程，即第一节 常用物理量参考内容:量纲分析法hfffbhgb fuLKdpemr-=D12将指数相同的物理量合并，得式（2.3.9）成为具有四个准数的关系式。 采用幂指数形式表达这一关系，可以写成hfecba fuLKdpemr=D 式中常数K和指数a、b、c、e、f、h均为待定值雷诺数，代表惯性力与黏性力的比值，反映

10、流动特性欧拉数，代表阻力损失引起的压降与惯性力之比管路的长径比，反映几何尺寸的特性绝对粗糙度与管径之比，称为相对粗糙度通过实验，回归求取关联式中的待定系数“黑箱”模型法 第一节 常用物理量参考内容:量纲分析法例如：氨的水溶液的浓度1质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2. 质量分数与摩尔分数%kg/kgkmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3质量比与摩尔比kmol/kmolkg/kg氨的质量/水的质量氨的物质的量/水的物质的量四、常用物理量第一节 常用物理量(一)浓度1质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度A ，（2）物质的量浓度cA

11、， c组分A的摩尔质量第一节 常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.质量分数与摩尔分数（1）质量分数和体积分数组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量 (2.1.6)在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量 可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和 质量分数加以换算，即 1mg/L 相当于1mg/1000g 110-6（质量分数）= 1ppm 1g/L 相当于1g/1000g 110-9（质量分数）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的密度发生变化时，上 两式应加以修正，即1mg/L =110-6混合物的密度（质量分数） 1g/L=110

12、-9 混合物的密度 （质量分数）ppm ppb g/g， 10-6 g/kg， 10-9 （质量分数）第一节 常用物理量在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3，则此气态污染物质浓度为10-6。1mol任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。第一节 常用物理量例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的 污染物，这等价于每106mol空气中有1mol污染物质。又因为 任何单位物质的量的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分 数）也就相当于每1

13、06个空气分子中有1个污染物分子。对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温 度以及污染物质的相对分子质量有关。对于理想气体， 可以用理想气体状态方程表示，即：式中：p绝对压力，Pa； VA体积，m3； nA物质的量，mol； R摩尔气体常数，8.314 Pam3K-1mol-1； T热力学温度，K。第一节 常用物理量(2.1.9)0.082 atmL/(mol K) 根据质量浓度的定义根据理想气体状态方程体积分数和质量浓度之间的关系？第一节 常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)【例题2.1.3】在101.325KPa、25条件下，某室内空气一 氧化碳的体积分数为9

14、.010-6。用质量浓度表示一氧化碳的 浓度。解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和 25下的体积为一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的 质量浓度为mg/m3第一节 常用物理量（2）摩尔分数组分A的摩尔分数混合物的总物质的量组分A的物质的量 当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数，组分A的质量分数与摩尔分数的关系 第一节 常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)3质量比与摩尔比组分A的质量比混合物中惰性物质的质量 组分A的质量 （当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）组分A与惰性组分的关系第一

15、节 常用物理量(2.1.16)质量比与质量分数的关系 (2.1.17)组分A与惰性组分的关系3质量比与摩尔比（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）第一节 常用物理量组分A的摩尔比混合物中惰性物质的物质的量 组分A的物质的量 (2.1.18)摩尔比与摩尔分数的关系 (2.1.19)(2.1.20)体积流量 质量流量 一维流动 二维流动 三维流动 速度分布 平均速度 (二)流量(三)流速第一节 常用物理量(2.1.21)(2.1.22)在x,y,z三个坐标轴方向上的投影分别为ux，uy，uz圆形管道 在管路设计中，选择适宜的流速非常重要!一般地，液体的流速取0.53.0m/s,气体则为1030m/s。 速度分布 流速影响流动阻力和管径，因此直接影响系统的操作费用和基建 费用。第一节 常用物理量（主体）平均流速按体积流量相等的原则定义(2.1.24)(2.1.25)单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物理量。p单位时间内通过单位面积的热量，称为热量通量，单 位为J/（m2s）；p单位时间内通过单位面积的某组分的质量，成为该组 分的质量通量，单位为kmol/（m2s）；p单位时间内通过单位面积的动量，称为动量通量，单 位为N/m2。(四)通量第一节 常用