Основы гидравлики (стр. 2 )

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ, СЖАТИЕ И

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ГАЗОВ

5.1 Программа раздела

Предмет курса ПАХТ. Классификация основных процессов химической технологии (ХТ).

Общие закономерности основных процессов ХТ. Основы теории подобия. Подобное преобразование дифференциальных уравнений переноса в критериальные уравнения. Критерии подобия: определяющие и определяемые. Метод анализа размерностей.

Основы прикладной гидравлики. Идеальная и реальная жидкости. Основные свойства жидкостей. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости Эйлера. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля. Сила давления жидкости на дно и стенки сосуда. Практическое применение законов гидростатики.

Гидродинамика. Вязкость. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Режим движения вязкой жидкости и их основные закономерности. Уравнение сплошности (неразрывности). Уравнение постоянства расхода.

Дифференциальные уравнения движения идеальной и вязкой жидкости (уравнения Эйлера и Навье-Стокса). Понятие о гидродинамическом пограничном слое. Гидродинамическое подобие. Уравнение Бернулли для идеальной и реальной несжимаемой жидкостей и его энергетический смысл.

Статическое и динамическое давление, их измерение. Гидравлическое сопротивление в трубопроводах, типовых теплообменных и массообменных аппаратах. Приложения уравнения Бернулли. Дроссельные расходомеры. Экономически оптимальные диаметр трубопровода и скорость движения среды. Расход энергии на транспортирование жидкости и газов по трубопроводам.

Структура потоков в трубопроводах и аппаратах. Время пребывания. Сигнал и отклик. Интегральная и дифференциальная функции распределения вещества потока по времени пребывания.

Математические модели полного перемешивания и полного вытеснения. Продольное перемешивание. Понятие о диффузионной и ячеичной моделях.

Перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов. Классификация насосов. Основные характеристики насосов. Поршневые насосы. Центробежные насосы. Формулы пропорциональности. Работа насоса на сеть и рабочая точка насоса. Сравнение поршневых и центробежных насосов.

Принцип действия, устройство и классификация машин для сжатия и перемещения газов. Поршневые компрессоры. Центробежные машины. Основные характеристики.

5.2 Методические указания к разделу

Основные процессы ХТ - это, преимущественно, процессы переноса импульса, тепла и вещества. Полное математическое описание каждого отдельного процесса содержит уравнения равновесия и скорости процессов переноса - его кинетики (рисунок 3). Инженерный расчет процессов и аппаратов ХТ базируется на едином для всех процессов кинетическом законе.

Моделирование процессов позволяет обобщить результаты экспериментального изучения процесса. При этом широко используются физическое моделирование, подобное преобразование дифференциальных уравнений и анализ размерностей.

При изучении сложных химико-технологических процессов (ХТП) наиболее плодотворные результаты могут быть получены при оптимальном сочетании методов физического и математического (связанного с использованием ЭВМ) моделирования.

Важнейшей вспомогательной операцией для всех ХТП является транспортирование материалов, отличающихся физико-химическими свойствами и агрегатным состоянием.

Инженер-химик старается избегать перемещения веществ в твердом виде: слишком хлопотлив и неэкономичен этот способ транспортирования материалов по сравнению с передвижением их в других агрегатных состояниях - жидком или газообразном.

Законы равновесия или перемещения жидкостей (капельных и упругих), практическое приложение этих законов изучаются в гидравлике.

Два вопроса из области гидравлики являются самыми общими для всех химических установок:

1) Измерение расходов газа и жидкости;

2) Определение затрат энергии на перемещение газовых или жидких масс.

 

Основные законы, используемые в гидравлике, - это баланс действующих сил или основной принцип динамики, выражаемый уравнением Навье - Стокса (1, рисунок 3), и баланс массы в виде уравнения неразрывности потока (2, рисунок 3). Общее дифференциальное уравнение гидродинамики Навье - Стокса для случая, когда скорость равна нулю, дает дифференциальное уравнение гидростатики (3, рисунок 3), для случая, когда сила внутреннего трения приравнивается к нулю, получается дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости; введение члена, учитывающего гидравлические потери, позволяет использовать уравнение Бернулли (4, рисунок 3) для описания движения реальной жидкости и расчета гидравлических потерь (6, рисунок 3) как от трения, так и от местных сопротивлений. Подобное преобразование основного уравнения Навье - Стокса позволяет получить критерии гидродинамического подобия (7, рисунок 3), при использовании которых можно составить критериальное уравнение (8, рисунок 3) для расчета гидравлических сопротивлений. Именно это звено в разделе гидродинамики является решающим и имеет наибольшее практическое значение. В химических производствах для перемещения жидкостей и газов по трубопроводам используют гидравлические машины (надо стремиться к максимальному использованию самотека), которые можно классифицировать на три основные группы: насосы, вентиляторы, компрессоры.

5.3 Индивидуальное расчетное задание №1

5.3.1 Задача №1

Определить абсолютное давление Ра в аппарате по данным таблиц 2, 3.

5.3.2 Задача №2

Определить среднюю и максимальную скорости, массовый расход жидкости по показаниям приборов. Исходные данные приведены в таблице № 4.

5.3.3 Задача №3

Жидкость в количестве V м3/c при температуре t 0С подается центробежным насосом из открытого резервуара в аппарат, работающий под избыточным давлением Р, н/м2 и установленный на высоте Н над уровнем жидкости в заборном резервуаре. Общая длина трубопровода L, м, диаметр d, мм. На трубопроводе имеется n отводов с отношением R/d =2 под углом 1300C и К задвижек. Трубы шероховатые с высотой выступа шероховатости е, мм. Рассчитать напор, создаваемый насосом. (таблицы 5,6)

Таблица 2 - Исходные данные к задаче №1

Последняя цифра кода студента.	Рисунок к задаче
1	2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Таблица 3 - Исходные данные к задаче №1

Последняя цифра в номере зачетной книжки	Жидкость в аппарате (“Ж”).	Температура, 0С	Н, м	h, (мм. рт. ст.).	Показания манометра Рм, атм	Атмосферное давление, мм. рт. ст.
3	4	5	6	7	8	9
0	Ацетон	10	1	100	1,5	735
1	Хлороформ	15	1,5	200	1,2	740
2	Глицерин 50%	45	2	150	1,1	745
3	Натрий хлористый, 20%	25	2,5	250	1,3	750
4	Олеум 20%	20	3	300	1,4	760
5	Серная кислота	30	0,5	400	2	755
6	Толуол	40	3,5	450	3	733
7	Уксусная кислота, 100%	30	4	500	1,8	749
8	Этиловый спирт, 20%	40	5	50	1,9	736
9	Вода	60	4,5	170	1,7	765

Таблица 4 - Исходные данные к задаче №2

Последняя цифра кода студента	Прибор	Определяющий размер прибора, d, мм	Последняя цифра в номере зачет. книжки	Диаметр трубопровода d, мм.	Показания диф. манометра, Р м, мм рт. ст.	Жидкость.	Температура, t 0С
1	2	3	4	5	6	7	8
0	Трубка Вентури	35	9	85 х 5	2	соляная кислота 30%	45
1	Трубка Пито	__	0	108 х 4	10	ацетон	40
2	Диафрагма (гориз. тру-бопровод )	30	1	76 х 3	5	бензол	20
3	Трубка Вентури	30	2	128 х 6	15	толуол	10
4	Диафрагм (вертикальный трубопровод )	50	3	89 х 4	7	хлоро- форм	60
5	Трубка Пито	__	4	159х 4,5	8	четырех хлорис- тый углерод	70
6	Трубка Вентури	25	5	102 х 6	6	хлорбен- зол	50
7	Диафрагма с острыми краями	40	6	57 х 3	12	натр едкий 50%	30
8	Диафрагма с закругленными краями	25	7	160 х 5	14	метило- вый спирт, 100%	25
9	Трубка Пито	__	8	76 х 4	4	этиловый спирт, 40%	35

Таблица 5 - Исходные данные для задачи №3