Орлова Н.А. Основы гидравлики. Модуль 2 - файл n1.doc

приобрести
Орлова Н.А. Основы гидравлики. Модуль 2
скачать (1228 kb.)
Доступные файлы (1):

1228kb.

17.09.2012 09:50

n1.doc

1 2 3 4 5 6 7

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

© БТИ АлтГТУ, 2007

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/м³); 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 ? – кинематическая вязкость, м²/с;

? – динамическая вязкость, Па·с;

? – плотность, кг/м³.

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

(1.2б)

и баланс массы в виде уравнения неразрывности потока

. (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:

(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 р₂, получим закон Паскаля:

. (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:

, (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:

, (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:

, (1.10)

где ? – 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_n = h_{м +}h_тр. (1.11)

Местные потери h_м 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:

, (1.12)

или

. (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_n необходима для определения оптимального диаметра трубопровода

.
1.2.3 Структура потоков в аппаратах
В аппаратах химической промышленности наибольший вклад
в общие потери напора приходится на долю местных сопротивлений, поскольку в большинстве случаев промышленные аппараты не являются полыми, а заполнены различными материалами и устройствами, которые существенно и многократно изменяют направление и сечение потоков газа и жидкости при их движении через аппарат.

Однако выбор скорости

потока в химических аппаратах усложняется рядом обстоятельств, специфичных для каждой группы аппаратов. Поскольку скорость потока существенно влияет на тепло-
и массоперенос, выбор скорости потока в аппарате должен быть тесно связан с расчетом процесса, осуществляемого в том или ином аппарате.

Структура потоков в аппарате намного сложнее, чем в трубопроводах. Наличие продольного перемешивания в реальных системах приводит к неодинаковому времени пребывания частиц потока в аппарате
и уменьшению движущей силы процесса, что отрицательно сказывается на его эффективности. Совокупную информацию о характере движения

среды в аппарате содержат функции распределения (дифференциальная и интегральная) частиц потока по времени пребывания. По виду функции распределения классифицируют модели потоков, наиболее простыми из которых являются модели идеального вытеснения (ИВ) и идеального смешения (ИС).

По форме полученной из опыта выходной кривой судят о типе модели. Затем стремятся подобрать такие значения параметров модели (n или Рe_Э), чтобы расчетная кривая наилучшим образом совпала
с экспериментальной. Если это удалось, значит, модель выбрана удачно, она адекватна реальному процессу.

1 2 3 4 5 6 7

Федеральное агентство по образованию