Орлова Н.А. Основы гидравлики. Модуль 2

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

Н.А. Орлова, Е.А. Пазников, И.Н. Павлов

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

Модуль 2

Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ

по курсу «Процессы и аппараты химической технологии»

для студентов специальностей:

БТ – 240901, ХТПК – 240702, ХТОСА – 240701, АПХП – 240706

и по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»

для студентов специальностей

МАПП – 260601 и ТБПиВ – 260204

Бийск

2007

УДК 621.1.01. (075.8)

Орлова, Н.А. Основы гидравлики. Модуль 2: методические

рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Процессы

и аппараты химической технологии» для студентов специальностей:

БТ – 240901, ХТПК – 240702, ХТОСА – 240701, АПХП – 240706 и по

курсу «Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов

специальностей МАПП – 260601 и ТБПиВ – 260204 / Н.А. Орлова,

Е.А. Пазников, И.Н. Павлов.

Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 67 с.

В издании содержится описание правил, порядка и методики

проведения лабораторных работ по основам гидравлики для студентов,

обучающихся по модульно-рейтинговой технологии по курсу

«Процессы и аппараты химической технологии». Методические

рекомендации включают пять работ по прикладной гидравлике,

которые иллюстрируют основные закономерности покоя и движения

жидкости, виды гидравлических сопротивлений и способы их расчета,

а также гидродинамическую структуру потоков в аппаратах.

Методические рекомендации предназначены для студентов

специальностей 240901 – «Биотехнология», 240702 – «Химическая

технология полимерных композиций», 240701 – «Химическая

технология органических соединений азота», 240706 –

«Автоматизированное производство химических предприятий», 260601

– «Машины и аппараты пищевых производств», 260204 – «Технология

бродильных производств и виноделие».

Рассмотрены и одобрены

на заседании кафедры

«Процессы и аппараты

химической технологии».

Протокол №3 от 28.06.2006 г.

Рецензент:

Куничан В.А., к.т.н., завкафедрой ТХМ БТИ АлтГТУ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Переход на многоуровневую систему высшего образования

и, как следствие, усложнение учебного материала в связи с изменением

принципов построения учебных планов и курсов потребовало в

последние годы интенсификации обучения и существенной

самостоятельной учебной деятельности студентов.

Определенный вклад в решение этих задач должна внести

разработка и внедрение в учебный процесс научно обоснованных,

современных образовательных технологий, среди которых особое

место занимает модульно-рейтинговая технология обучения (МРТО).

Модульно-рейтинговая технология имеет целью поставить

студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной

работы в течение всего семестра. Это достигается делением учебного

материала курса на крупные блоки (модули), по завершении которых

студент сдает промежуточные (модульные) экзамены (ПЭ).

Полученные им баллы за все ПЭ суммируются и составляют его

рейтинг по данной дисциплине. При этом баллы, полученные за

текущую учебную работу, рассматриваются как допуск студента к

промежуточным экзаменам.

Максимальное количество баллов, которые студент может

получить за одну лабораторную работу – 6. Эта цифра получается

следующим образом: получение допуска к работе (1 балл), выполнение

работы (1 балл), оформление отчета (1 балл), защита работы в срок (2

балла), применение ЭВМ (1 балл).

Порядок проведения лабораторных работ :

– лабораторные работы проводятся группой из двух-трех

студентов;

– выполнению работы предшествует письменный опрос по

теории работы и устное собеседование по методике ее проведения и

принципу работы лабораторной установки и входящих в нее приборов

и устройств;

– после выполнения работы студенты составляют отчет по

лабораторной работе, обязательно включающий раздел, где

объясняются полученные результаты (Приложение А);

– итогом работы является защита полученных в ней результатов,

которая проводится устно или письменно, но обязательно

индивидуально;

– отчеты по лабораторным работам составляются каждым

студентом индивидуально и после защиты сдаются преподавателю;

– темы и план лабораторных работ сообщаются студентам

заранее.

ВВЕДЕНИЕ

Для успешного изучения ряда профилирующих дисциплин

студентам многих химических и механических специальностей

необходимо знать основные законы покоя и движения жидкостей. В

дальнейшем им достаточно часто приходится применять знания основ

гидравлики для инженерного решения конкретных задач. Например,

инженеры-механики на предприятиях химической и смежных с ней

отраслей промышленности рассчитывают и конструируют

всевозможные трубопроводы, резервуары и аппараты, необходимые

для перемещения, хранения и переработки жидких и газообразных

продуктов, рассчитывают и регулируют режим работы насосов,

инженеры-машинострои-тели используют гидропривод для

автоматизации и механизации операций по обработке деталей, сборке

и упаковке изделий, расфасовке

и дозировке сыпучих и жидких продуктов. Поэтому в общеинженерной

подготовке студентов большинства химических и механических

специальностей курс гидравлики имеет весьма важное значение.

Успешному его освоению в значительной мере способствует

прохождение студентами лабораторного практикума.

Цель практикума – закрепление теоретического материала по

курсу гидравлики, приобретение навыков работы с контрольно-

измерительными приборами и другой исследовательской аппаратурой.

1 ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГИДРАВЛИКЕ

Одна из особенностей большинства химико-технологических

процессов состоит в том, что они осуществляются при движении или

перемешивании жидких или газообразных фаз. Законы равновесия или

перемещения различных жидкостей, практическое приложение этих

законов изучаются в гидравлике.

Гидравлика – прикладная наука о законах равновесия и

движения жидкостей и о способах применения этих законов к

решению конкретных технических задач.

1.1 Жидкость и ее свойства

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под

единым названием жидкости, поскольку при скоростях потоков,

значительно меньших, чем скорость звука, законы движения жидкостей

без существенных поправок справедливы для газов и паров. Жидкость –

это все вещества, которые обладают текучестью, при приложении

к ним незначительных сил сдвига. Жидкость не имеет своей формы, но

принимает форму сосуда, в котором она находится. Жидкости обладают

такими свойствами, как плотность (количество массы жидкости,

содержащееся в единице ее объема  = m/V, кг/м

); вязкость

(способность жидкости сопротивляться сдвигу, т. е. свойство, обратное

текучести); давление, поверхностное натяжение (работа, необходимая

для создания единицы поверхности раздела фаз; сила, испытываемая

молекулами, например жидкости, на границе «газ-жидкость» и

направленная в глубину объема жидкости); сжимаемость (способность

жидкости изменять свой объем под действием давления),

температурное расширение и др.

Важным свойством, которое присуще только жидкостям

является давление. Условием возникновения этого свойства является

действие внешних поверхностных сил (сила давления). Параметром,

отражающим действие сил давления жидкости на дно и стенки сосуда,

в котором она находится, а также на поверхность любого,

погруженного в нее тела, является гидростатическое давление.

Другим важным свойством жидкостей является вязкость.

Условием возникновения вязкости является действие внутренних сил –

сил трения. Вязкость проявляется в возникновении касательных

напряжений (напряжений трения) при течении жидкости. Различают

динамическую и кинематическую вязкость жидкости. Их

взаимосвязь определяется уравнением (1.1):









, (1.1)

где υ – кинематическая вязкость, м

/с;

μ – динамическая вязкость, Па·с;

ρ – плотность, кг/м

Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры,

причем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры

падает, а вязкость газов – растет. Это объясняется различным

молекулярным строением жидкостей и газов.

Вязкость газов зависит от интенсивности хаотичного движения

молекул. Происходит обмен молекулами, которые «тормозят» быстрый

слой и ускоряют медленный. С ростом температуры эта интенсивность

растет и вязкость газов увеличивается. Вязкость жидкостей

обусловлена силами межмолекулярного сцепления. Эти силы с ростом

температуры ослабевают и вязкость падает.

Для упрощения ряда закономерностей в гидравлике используют

понятие модель так называемой идеальной жидкости, под которой

подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую

своей плотности под действием температуры и давления и не

обладающую вязкостью.

1.2 Основные законы гидравлики

Основные законы, используемые в гидравлике, – это баланс

действующих сил, или основной принцип динамики, выражаемый

уравнением Навье-Стокса:































;































; (1.2а)































или

pwdivpg(







(1.2б)

и баланс массы в виде уравнения неразрывности потока

divw









(1.3)

1.2.1 Гидростатика

Общее дифференциальное уравнение гидродинамики Навье-

Стокса для случая, когда скорость равна нулю, дает

дифференциальные уравнения равновесия Эйлера, которое описывает

равновесное состояние жидкостей:









;









;









(1.4)

Жидкость, находящуюся в равновесии, изучает гидростатика.

В гидростатике изучается равновесие жидкостей, находящихся в отно-

сительном покое, при котором в движущейся жидкости ее частицы не

перемещаются друг относительно друга. При этом силы внутреннего

трения отсутствуют, что позволяет считать жидкость идеальной.

Интегрирование дифференциальных уравнений равновесия

Эйлера дает основное уравнение гидростатики:

const

z 



(1.5а)

или





. (1.5б)

Основное уравнение гидростатики является частным случаем

закона сохранения энергии. Согласно данному уравнению сумма

удельных потенциальных энергий положения и давления в покоящейся

жидкости есть величина постоянная и равная полному

гидростатическому напору.

В уравнении (1.5) величина Z характеризует расстояние данной

точки от произвольно выбранной горизонтальной плоскости отсчета.

Ее называют нивелирной высотой, или геометрическим напором.

Величина Z характеризует удельную потенциальную энергию

положения данной точки над произвольно выбранной плоскостью

сравнения.

Величину



называют гидростатическим, или

пьезометрическим, напором. Данная величина представляет собой

удельную потенциальную энергию давления в данной точке.

Переписав основное уравнение гидростатики (1.5б)

относительно р

, получим закон Паскаля:

 

2112

zzgpp 



. (1.6)

Из закона Паскаля следует, что внешнее давление, оказанное на

свободную поверхность замкнутого объема несжимаемой жидкости,

передается жидкостью одинаково всем ее точкам по всем направле-

ниям.

1.2.2 Гидродинамика

Как уже было сказано, общим дифференциальным уравнением

гидродинамики является система уравнений Навье-Стокса (1.2а). Для

случая, когда сила внутреннего трения приравнивается к нулю,

получается дифференциальное уравнение движения идеальной

жидкости (дифференциальные уравнения движения Эйлера):







;







; (1.7)







При интегрировании уравнения (1.7) получаем уравнение

Бернулли для идеальной жидкости:

constH





, (1.8)

где z – нивелирная высота, или геометрический напор. Это

положение данной частицы жидкости относительно произвольно

выбранной горизонтальной плоскости сравнения. Энергетический

смысл: удельная потенциальная энергия положения;



– статический, или пьезометрический, напор. Это давление

столба жидкости над рассматриваемым уровнем. Энергетический

смысл: удельная потенциальная энергия давления;

– скоростной, или динамический, напор. Энергетический

смысл: удельная кинетическая энергия в данном сечении потока;

H – полный напор или энергия жидкости, выраженная в метрах.

Энергетический смысл уравнения Бернулли звучит так: Для

любого сечения или точки потока при установившемся движении

идеальной жидкости сумма потенциальной (





) и

кинетической (

)

энергий жидкостей остается величиной постоянной. Таким образом,

уравнение Бернулли выражает частный случай закона сохранения

энергии.

Физический смысл уравнения Бернулли: в любом поперечном

сечении потока идеальной жидкости полная удельная энергия

жидкости постоянна и равна H.

Реальная жидкость обладает вязкостью. Поэтому при её

движении в закрытых каналах возникают касательные напряжения

вследствие трения слоев жидкости между собой и о стенки канала.

Кроме того, движение вязкой жидкости часто сопровождается

вращением частиц, вихреобразованием и перемешиванием, особенно в

местах, где происходит изменение живого сечения или направления

движения потока.

Все это требует затраты энергии, поэтому удельная энергия при

движении вязкой жидкости не остается постоянной. С учетом

неравномерного распределения скоростей по сечению потока и потерь

энергии на преодоление сопротивления уравнение Бернулли для

реальной (вязкой) жидкости приобретает вид:

z 



, (1.9)

где

– величина гидравлического сопротивления или энергия,

затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления. Ее еще

называют «потерянный напор».

Данное уравнение используется для описания движения

реальной жидкости и расчета гидравлических потерь, как от трения,

так и от местных сопротивлений.

Потери напора (энергии) на преодоление гидравлических

сопротивлений, или, как их часто называют, гидравлические потери,

зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости

жидкости. При этом вязкость жидкости, хотя и является

первопричиной всех гидравлических потерь, но далеко не всегда

оказывает существенное влияние на их величину.

Как показывают опыты, гидравлические потери, как правило,

пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени:

ср





, (1.10)

где ξ – безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый

коэффициентом потерь, или коэффициентом сопротивления.

Физический смысл коэффициента потерь заключается в

отношении потерянного напора к скоростному.

Гидравлические потери обычно разделяют на местные потери

и потери на трение по длине:

∑h

= h

м +

тр

. (1.11)

Местные потери h

обусловлены так называемыми местными

гидравлическими сопротивлениями, т.е. местными изменениями

формы, размеров или направлениями русла, вызывающими деформацию

потока.

Потери на трение обусловлены вязкостным трением слоев жидкости

между собой и о стенки канала. Они возникают в прямых трубах

постоянного сечения, т.е. при равномерном течении, и возрастают

пропорционально длине трубы.

Таким образом, гидравлическое сопротивление однофазных

потоков можно найти из уравнений:

.с.м





















(1.12)

или

.с.м

ghP























(1.13)

Величину гидравлических сопротивлений необходимо знать для

определения движущей силы гидромеханических (гидравлических)

процессов – разности давлений между двумя точками или сечениями

аппарата. Кроме этого, величина h

необходима для определения

оптимального диаметра трубопровода

опт

1.2.3 Структура потоков в аппаратах