Режимы движения жидкостей

Скорость.

1. Линейная скорость – это путь, пройденный за единицу времени ().

2. Массовая скорость – это количество жидкости пройденная через поперечное сечение аппарата за единицу времени.

В гидродинамике поток движущийся жидкости рассматривается как совокупность отдельных струек, а каждая струйка состоит из отдельных частей жидкости.

Опыты показывают, что струйки составляющие поток имеют различную скорость. У стенок они имеют минимальную скорость и максимальную скорость движения струек по оси трубопровода. В этом можно убедится с помощью трубки Пето, которая представляет собой загнутую под прямым углом тонкую стеклянную трубку, другой конец которой сообщается с атмосферой.

В гидравлике пользуются значением средней скорости.

Зная скорость движения жидкости или газа и площадь поперечного сечения трубопровода можно определить расход жидкости или газа.

Виды расходов.

1. Объемный расход.

2. Массовый расход.

Площадь круга.

- для массового расхода.

ТЕМА: УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ СПЛОШНОГО

ПОТОКА.

Если соблюдаются условия сплошности потока, то согласно закону сохранения массы вещества расходы в сечениях должны быть равны.

Уравнение неразрывности выражает собой материальный баланс потока, согласно которому количество жидкости поступающего в процесс будет равно количеству жидкости выходящей из аппарата.

Режимы движения жидкостей.

В зависимости от характера движения жидкости различают 2 основные режима движения – это ламинарный и турбулентный, кроме того, бывает переходный режим.

1. Ламинарный режим – это Слоевое или послойное движение жидкости. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях жидкости, при этом струйки движутся параллельно не перемешиваясь.

Средняя скорость потока (при ламинарном).

2. Турбулентный режим – это вихревой беспорядочный режим движения. Наблюдается при больших скоростях движения маловязких жидкостей. При турбулентном режиме струйки пересекаются друг с другом и жидкость полностью перемешивается. Однако при турбулентном движении у стенок трубопровода наблюдается ламинарный режим. Слой толщиной называется ламинарным пограничным слоем. Распределение скоростей по сечению плавное и напоминает гиперболу.

Рейнольдс в 1883 году установил, что режим движения жидкости зависит от скорости движения , от и диаметра трубопровода. Им предложено выражение под названием «Критерий Рейнольдса»

;

Эти величины безразмерны.

Он установил, что если число Re меньше 2300 то это соответствует ламинарному режиму движения, а если Re 10000, то это турбулентный режим. Если же Re находится в промежутке этих величин, то этот режим называется переходным.

Числа 2300 и 10000 соответствующие переходу из одного режима в другой называются критическими значениями числа Re и скорость жидкости называется критической.

При определении режима движения жидкости в не круглых трубах или каналах вместо диаметра следует подставлять значение эквивалентного диаметра т.е.

где S –площадь поперечного сечения потока; П – смачиваемый периметр.

ТЕМА: ЭНЕРГИТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ПОТОКА ЖИДКОСТИ.

УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ.

E = E_n + E_k

const P

Жидкость независимо от того находится ли в движении или в покое обладает определенным запасом энергии. В общем случае полная энергия жидкости равна сумме внутренней потенциальной и кинетической энергии, в свою очередь потенциальная энергия бывает 2х видов, это потенциальная энергия положения и потенциальная энергия давления.

Z – это расстояние измеренное по вертикали между центром тяжести потока жидкости и некоторой горизонтальной плоскостью сравнения проведенной произвольно.

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.

Идеальная жидкость движется без трения поэтому ее t⁰=сonst и следовательно Е₁=Е₂.

1. Z выражает собой в энергетическом смысле потенциальную энергию положения.

В гидравлическом смысле – это геометрический напор.

2. - в э.с. представляет собой потенциальную энергию жидкости

В гидравлическом смысле пьезометрический прибор.

3. - в э.с. это кинетическая энергия.

В гидравлическом смысле скоростной или динамический напор.

Так как каждая составляющая имеет 2 названия, то можно сказать, что уравнение Бернулли имеет двоякий смысл:

1. Энергетический смысл с точки зрения сохранения энергии. При установившемся потоке идеальной жидкости сумма потенциальной и кинетической энергии для любого сечения потока является величиной постоянной, а это значит, что идеальная жидкость движется с постоянной энергией.

2. Гидравлический смысл. При установившемся движении идеальной жидкости сумма геометрического, пьезометрического и скоростного напоров для любого сечения потока есть величина постоянная, а это значит, что при движении идеальной жидкости падение напора жидкости не происходит и жидкость движется с постоянным напором.

При движении реальной жидкости энергия и напор не будут сохраняться постоянными, потому что за счет трения часть энергии (напора) расходуется на преодоление гидравлического сопротивления трубопровода.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости.

Отсюда следует, что в случае реальной жидкости конечный напор всегда меньше начального на величину поперечного напора.

Применение уравнения Бернулли.

Оно является основным уравнением для расчета трубопроводов, кроме того с его помощью можно рассчитать значение скорости и давления в различных сечениях трубопровода. Можно определить скорость истечения жидкости через отверстия, так же можно определить время истечения.

ТЕМА: РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ТРУБОПРОВОДА.

Целью гидравлического расчета является определение величины потерянного напора или потерянного давления. Полный потерянный напор равен сумме потерянного напора на трение по длине или высоте аппарата и потерянного напора в местных сопротивлениях. Следовательно общий потерянный напор:

Трение:

где l – длина трубопровода; d – диаметр; - коэффициент трения.

К местным сопротивлениям относятся различного рода трубопроводная арматура – это запорная арматура (кран, вентиль, задвижка), а так же к местным сопротивлениям относятся повороты.

В местных сопротивлениях происходит изменение скорости или направление движения. Потерянный напор в местных сопротивлениях прямопропорционален скоростному напору. - полная потеря напора

Тройники

Крестовины

Фасонные

Режим движения определяется с помощью Re:

Для турбулентного режима:

Для труб с шероховатостями:

где - шероховатость труб

где е – величина шероховатостей.

ТЕМА: ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.

Способы перемещения жидкостей:

1. По трубопроводу с помощью насосов.

2. Самотеком за счет геометрического уклона трубопровода.

3. С помощью напорного бака установленного на некоторой высоте.

Состав и устройство трубопроводного транспорта.

В состав трубопроводного транспорта входит:

1. Емкостное оборудование.

2. Насосы или другие гидравлические машины.

3. Трубопроводная сеть. Она состоит из множества труб, соединенных между собой с помощью: 1 – сварки; 2 – фланцами;

3 – муфтами; 4 – фитингами; 5 – пайкой. Наиболее надежным является сварка.

Разъемными (фланцы, муфты) выполняют соединения непосредственно у аппаратов по соображениям удобства их применения.

Трубопроводы бывают простые и сложные, которые не имеют разветвлений.

Сложные имеют разветвления. Разветвления бывают параллельные.

Разветвленная – из которой жидкость подается в боковые ответвления.

Кольцевые трубопроводы – представляют собой замкнутые сети, питающиеся от магистрали.

Самым распространенным материалом для изготовления трубопроводов является низкоуглеродистая сталь, а так же применяется нержавеющая сталь. Кроме того, используют цветные металлы, метало-пластик, пластмассы, стекла, бетонные, железобетонные.

Для транспортирования агрессивных сред применяются гулимированные трубы, выполненные из обычной стали, но покрытые внутри резиной, пластмассой, полиэтиленом, эмалированные, паолитовые.

Плотность разъемных соединений труб должна обеспечиваться как при рабочих температурах, так и для заполнения трубопровода продуктом.

Плотность фланцевых соединений работающих при условных давлениях до 4 МПа обеспечивается плоскими или гофрированными прокладками, изготовленными из паротита, картона, асбеста, фторопласта, а так же асбометаллическими прокладками в зависимости от среды.

Для условных давлений свыше 6,4 МПа применяют металлические прокладки овального сечения и линзовые уплотнения. Для паропроводов трубопровода горячей воды, нефтепродуктов широкое применение нашли прокладки из паронита.

Для переключения потоков жидкостей и газов, транспортируемых трубопроводом служит арматура. В зависимости от выполняемых функций различают арматуру: запорную, обратные и предохранительные клапаны, регулирующие.

Запорные – задвижка, вентили, краны. Они предназначены для включения и отключения потока.

Достоинства трубопроводного транспорта:

1. Непрерывность действия.

2. Высокая производительность.

3. Большая дальность.

4. Герметичность, что особо важно для химических производств где применяются пожаро- и взрывоопасные продукты.

Основные параметры насосов:

1. Производительность или подача насоса – это количество перекачиваемой жидкости за единицу времени. Рассчитывают массовую и объемную производительность.

2. Напор насоса или давление развиваемое насосом. Под напором насоса понимают ту избыточную энергию, которую насос сообщает перекачиваемой жидкости. Благодаря этой энергии жидкость движется по трубопровод, преодолевая гидравлическое сопротивление.

Н – полная высота подачи; Н₁ – высота всасывания; Н₂ – высота нагнетания.

Н_ВС – высота всасывания насоса. Это расстояние, измеренное по вертикали между горизонтальной осью насоса и свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре.

Н_Н – высота нагнетания. Это расстояние, измеренное по вертикали между горизонтальной оси насоса и верхней точки подачи.

Н_r – сумма высоты всасывания и нагнетания. Это есть геометрический напор насоса.

Напор равен (полный напор насоса):

3. Мощность, потребляемая насосом.

Различают мощность:

1. Полную.

где - КПД двигателя.

2. Полезная.

4. КПД насоса.

5. Частота вращения (число ходов).

n (об/сек)

6. Высота всасывания насоса.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС.

Центробежный насос относится к группе лопастных насосов. Перемещение жидкости в них происходит под действием центробежных сил, создаваемых при быстром вращении рабочего колеса с лопатками загнутыми назад.

Центробежные насосы являются самыми распространенными.

Достоинства:

1. Большая производительность.

2. Равномерность подачи.

3. Простота устройства и обслуживания.

4. Быстроходность и т.д.

Недостатки:

1. Низкий напор развиваемый насосом (20-30 метров)

2. Явление кавитации называется образование полостей в движущейся жидкости заполненных паром или воздухом т.к. во всасывающей трубе под вакуумом жидкость интенсивно испаряется, а то и закипает с образованием пузырьков. При их большем количестве может произойти разрыв сплошного потока жидкости во всасывающей трубе, и насос перестает работать. При работе насоса близкой к кавитации появляются стуки, шумы, вибрации, ухудшаются параметры насоса. Если не остановить насос кавитация может привести к поломке насоса.

1 –всасывающий штуцер;

2 – сальник;

3 – корпус с каналом;

4 – рабочее колесо;

5 – вал;

6 – лопасти рабочего колеса;

7 – нагнетательный штуцер.

Устройство центробежного насоса.

В корпусе 3 выполненном в виде спирали или улитки на валу 5 имеется рабочее колесо 4 с лопатками 6. На корпусе имеются всасывающий патрубок 1, расположенной по горизонтальной оси насоса и нагнетательный патрубок 7, расположенный касательно к корпусу насоса. Вал насоса 5 приводится во вращение от электродвигателя или через передающие устройства (редуктор), который позволяет увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего колеса. Насосы поставляются заводом изготовителем, установленными на общей фундаментной плите с помощью которой крепятся к фундаменту анкерными болтами.

Принципы действия насоса.

Если всасывающий трубопровод и корпус предварительно залить перекачиваемой жидкостью, то при быстром вращении рабочего колеса, жидкость увлекается лопатками, вращаясь вместе с колесом, выбрасывается через нагнетательный патрубок. В результате чего на всасывающей стороне насоса создается вакуум, под действием которого происходит подъем жидкости из приемного резервуара.

Зоны пропорциональности центробежных насосов.

; ; ;

Эти законы показывают изменение производительности, напора и потребляемой мощности в зависимости от частоты вращения рабочего колеса.

Основные правила пуска и остановок центробежного насоса.

1. Производят предварительную заливку насоса с целью вытеснения от туда воздуха.

2. При пуске центробежного насоса задвижка или вентиль на нагнетательной линии должна быть закрыта. Это необходимо во – первых чтобы насос быстрее вошел в режим, во – вторых чтобы не повредить электродвигатель, работающий при пуске с перегрузкой.

3. После пуска насоса медленно открывают задвижку на нагнетательной трубе и в процессе работы с ее помощью устанавливают требуемую производительность насоса.

4. При остановке сначала задвигают задвижку на линии нагнетания и за тем выключают электродвигатель.

Способы регулирования производительности.

1. Открытием задвижки на нагнетательной трубе.

2. Путем изменения частоты вращения рабочего колеса. Данный способ является самым экономичным, но не всегда осуществляемым.

ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ.

1 – всасывающий трубопровод; 2 – клапанная коробка; 3 – нагнетательный клапан; 4 – нагнетательный трубопровод; 5 – воздушный колпак; 6 – корпус;

7 – цилиндр; 8 – всасывающий клапан; 9 – поршень или плунжер;

10 – кривошипно-шатунный механизм; 11 – байпастная задвижка.

Поршневые насосы выгодно отличаются от центробежных насосов высоким напором до 1000 метров и более. Поэтому они применяются в различных гидравлических машинах, где требуется большой напор (гидравлический нож, гидравлический домкрат, гидравлический пресс).

Недостатки:

1. Малая производительность.

2. Неравномерность подачи жидкости.

3. Тихоходность.

4. Сложность устройства, обслуживание и дороговизна.

Принцип действия.

Когда поршень 9 идет слева направо то в цилиндре 7 создается вакуум под действием которого открывается всасывающий клапан 8 и происходит заполнение цилиндра 7 жидкостью. При обратном ходе поршня давление в цилиндре резко возрастает, открывается нагнетательный клапан 3 и происходит подача жидкости. Один двойной ход поршня происходит одно всасывание и одно нагнетание.

График измерения производительности во времени.

График подачи одноцилиндрового насоса простого действия.

График подачи двухцилиндрового насоса двойного действия.

Т. о. с увеличением числа цилиндров равномерность подачи жидкости улучшается. Другим способом повышение равномерности подачи является применение воздушных колпаков 5. Они устанавливаются вблизи насоса как на всасывающей, так и на нагнетательной линиях.

Основные правила пуска и остановки поршневых насосов.

1. При пуске насоса все задвижки должны быть открыты. Особое внимание обратить на положение задвижки на нагнетательной линии, которая обязательно должна быть открыта. Пуск при закрытой задвижке приводит к аварии.

2. После пуска насоса медленно закрывают байпастную задвижку 11.

3. При остановке насоса сначала выключают электропривод и после полной остановки насоса закрывают задвижки, причем в последнюю очередь на линии нагнетания.