Предмет ПАХТ. Классификация ХТП. Предмет гидравлики

Предмет ПАХТ. Классификация ХТП. Предмет гидравлики

Предмет ПАХТ – закономерности нехимических процессов ХТ, принципы устройства и работы, методы расчета проектирования и оптимизации аппаратов и машин для проведения этих процессов.

ПАХТ – связывающее звено между общетеоретическими, общеинженерными и специальными дисциплинами.

Нехимические ХТП делятся на 5 групп:

а) гидромеханические (фильтрование, осаждение, центрифугирование, псевдоожижение, перемешивание в жидкой среде и т.д.);

б) тепловые (нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, выпаривание);

в) холодильные (умеренное охлаждение – до 120°К, глубокое охлаждение – ниже 120 °К);

г) массообменные, т.е. диффузионные (аб- и адсорбция, ректификация, экстракция, сушка, кристаллизация, мембранные процессы и т.д.);

д) механические (измельчение, т.е. дробление или помол; сортировка, т.е. классификация (ситовой анализ или грохочение); транспортировка, смешение, питание, дозирование, гранулирование твердых сыпучих материалов).

Предмет гидравлики – законы равновесия и движения жидкостей.

Гидравлика состоит из двух разделов:

а) гидростатика – законы равновесия жидкостей, пребывающих в состоянии относительного покоя;

б) гидродинамика – законы движения жидкостей.

В гидравлики рассматривают 3 задачи:

а) внутренняя – движение жидкостей в трубах и каналах;

б) внешняя – обтекание тела потоком жидкостей или движение тела в неограниченной жидкой среде;

в) смешанная – движение жидкости через зернистый слой.

Основные физические свойства жидкостей

В гидравлике жидкости и газы объединяют под названием жидкости. Объясняется тем, что при скорости значительно ниже скорости звука законы движения жидкости и газов практически одинаковы.

Все жидкости обладают текучестью, т.е. не способны сами удерживать свою форму. Капельные жидкости практически несжимаемы, а упругие жидкости, т.е. газы, сжимаемы.

В гидравлике для упрощения ввели понятие об идеальной жидкости. Она обладает абсолютной текучестью, т.е. совершенно не сопротивляется усилиям сдвига и растяжения и абсолютно несжимаема. Реальные жидкости сопротивляются сдвигу (вязкость), кроме того, капельные жидкости сопротивляются растяжению (липкость). Капельные жидкости (реальные) в какой-то степени сжимаемы.

Плотность ρ – масса в единице объема жидкости (кг/м³):

Силы, действующие в жидкостях, можно разделить на массовые (объемные) и поверхностные. К массовым силам относятся силы гравитации, инерции и центробежные. К поверхностным – силы внутреннего трения и давления. Объемные силы действуют на каждую частицу в данном объеме жидкости. Они пропорциональны объему. Поверхностные силы действую лишь на поверхностях, отделяющих данный объем жидкости от окружающей среды. Они пропорциональны величине поверхности.

Гидростатическое давление р – нормальное напряжение внутреннего сжатия жидкостей, обусловленное действием поверхностной силой Р на площадку F.

Среднее давление определяют по формуле (Па):

Давление распределяется в объеме жидкости неравномерно. Истинное давление, т.е. в данной точке жидкости находят по формуле:

Давление обладает двумя основными свойствами:

а) всегда направленно по нормали к площадке;

б) не зависит от ориентации площадки в пространстве.

Давление – это скалярная величина, а сила давления – векторная.

Рассмотрим схемы давления:

Р_абс – абсолютное, Р_пов – повышенное, Р_атм – атмосферное, Р_ост – остаточное, Р_изб – избыточное, Р_вак – вакуумное.

Р_абс= Р_атм+ Р_изб

Р_абс= Р_ост= Р_атм- Р_вак

С помощью манометра измеряют Р_изб. Давление вакуума измеряют вакуумметром. Небольшие давления измеряют пьезометрами, а так же дифференциальными манометрами, т.е. в метрах столба жидкости.

Используют внесистемные размерности давления:

а) одна физическая атмосфера:

1 атм = 760 мм.рт.ст. = 1, 013·10⁵ Па = 1, 033 ат

б) одна техническая атмосфера:

1 ат = 735 мм.рт.ст. = 9, 81·10⁴ Па = 1 кг с/см= 10 м. вод. ст.

в) один бар:

1бар = 750 мм.рт.ст. = 10⁵ Па = 1, 02 ат

г) один миллиметр ртутного столба:

1 мм.рт.ст. = 133, 3 Па

д) один метр водного столба:

1 м. вод. ст. = 9, 81 Па = 1 кг с/ м²

Уравнение Бернулли

В 1738 году швейцарский ученый Д. Бернулли получил уравнение:

– уравнение Бернулли для стационарного потока идеальной (невязкой) жидкости

w – средняя скорость потока;

р – гидростатическое давление;

z – геометрический напор, т.е. удельная потенциальная энергия геометрического положения потока жидкости в данном сечении(м);

– статический или пьезометрический напор, т.е. удельная потенциальная энергия гидростатического давления жидкости на данном уровне (м);

– скоростной или динамический напор, т.е. удельная кинетическая энергия потока жидкости в данном сечении (м);

Е – полный гидродинамический напор, полная удельная механическая энергия потока жидкости в данном сечении.

В любых поперечных сечениях стационарного потока идеальной (невязкой) жидкости полный гидродинамический напор постоянен, т.е. полная удельная механическая энергия потока жидкости постоянна по длине труба.

Уравнение Бернулли выражает энергетический баланс потока и является частным случаем закона сохранения энергии.

Напор – удельная весовая механическая энергия потока жидкости.

Уравнение Бернулли можно записать иначе, если умножить обе его части на величину ρ ·g:

р – механическая энергия единицы объема жидкости (потока).

Уравнение Бернулли можно применять для реальной (вязкой) жидкости:

Δ h_1-2 – потеря напора потока на участке трубы между сечениями 1-1 и 2-2.

Потерянный напор расходуется на преодоление гидравлического сопротивления трубопровода. Последнее складывается из потерь на трение между слоями жидкости, между жидкостью и стенками трубы, а так же в местных сопротивлениях (резкий поворот трубы, внезапное изменение сечения потока, запорно-регулирующая арматура и т.д.).

При этом часть удельной потенциальной энергии жидкости превращается в тепловую энергию и рассеивается в окружающем пространстве.

Рассмотрим диаграмму Бернулли:

Трубки Пито и Прандтля называют пьезометрическими. Иногда еще используют комбинированную трубку Пито-Прандтля.

Высота столбика жидкости в трубке Прандтля равна пьезометрическому напору:

Высота столбика жидкости в трубке Пито равна сумме статического и скоростного напоров:

Отсюда, разность уровней столбиков жидкости в трубках Пито и Прандтля равна скоростному напору:

Если нижние концы трубок Пито и Прандтля находятся строго на оси трубы, то:

, таким образом, локальную скорость на оси трубы можно определить по показателям трубок Пито и Прандтля.

Имеется важное для практики следствие из уравнения Бернулли: при сужении потока часть удельной потенциальной энергии давления переходит в удельную кинематическую энергию потока жидкости, т.е. давление понижается, а скорость увеличивается; при расширении потока – все наоборот: скорость понижается, давление увеличивается.

Примеры практического применения уравнения Бернулли – насосы, компрессоры, дроссельные расходомеры, подъемная сила крыла самолета/птицы, эффект Магнуса и т.д.