МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
"Уфимский государственный нефтяной технический университет" в г. Салавате
Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате
Кафедра "Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки"
СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ОПНН, доцент Зам. директора по учебной работе,
______________Н.М. Захаров _______________Ф.М. Хазиев
______________ _______________
Методические указания к лабораторной работе № 1 измерение давления
Дисциплина "Процессы и аппараты химической технологии.
Часть I – Гидравлика"
СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ
Инженер по охране труда Доцент кафедры ОПНН
_____________Г.В. Мангуткина ______________Р.Г. Худайдатов
_____________ ______________
Салават
2012
Изложена физическая сущность явления и теория расчета измерения давления. Приведены инструкции по выполнению лабораторной работы по дисциплине "Процессы и аппараты химической технологии. Часть I – Гидравлика".
Методические указания предназначены: для студентов специальности 240801 "Машины и аппараты химических производств", 240403 "Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов"; для студентов-бакалавров направления 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиль "Машины и аппараты химических производств"; направления 240100 «Химическая технология», профиль "Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов" всех форм обучения.
© Филиал ФГБОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического
университета в г. Салавате 2012.
Лабораторная работа № 1 (2 часа)
Измерение давления
Цель работы: Ознакомиться с различными приборами для измерения давления: пьезометром, манометром, дифманометром, вакуумметром; научиться, по показаниям приборов определять давление; установить связь между показаниями различных приборов.
1 Общие сведения
Силы, действующие на жидкость, делятся на массовые и поверхностные. К массовым относятся, например, сила тяжести, сила инерции. Они распределяются по массе жидкости. Поверхностными называются силы, распределенные по поверхности. Эти силы можно разложить на составляющие, нормальную к поверхности (Р) и касательную к ней (Т) (рисунок 1). Направленная внутрь жидкости нормальная составляющая Р поверхностной силы R, действующей на поверхность, ограничивающую выделенный элемент жидкости, называется силой давления.
Рисунок 1 – Схема распределения поверхностных сил на жидкость
Напряжение силы давления (сила, приходящаяся на единицу площади)
,
(1)
называется полным или абсолютным давлением. В поле тяжести давление в любой точке жидкости и её положения относительно произвольно взятой горизонтальной плоскости (плоскости сравнения) связанны с помощью гидростатического напора
,
(2)
который постоянен для всех точек покоящейся жидкости, т.е.
,
(3)
где Zi – нивелирная высота точки "i";
Рi – давление в этой точке;
– удельный вес жидкости.
Сравнив гидростатические напоры произвольной точки с нивелирной высотой и точки на свободной поверхности с нивелирной высотой и точки на свободной поверхности с нивелирной высотой Zо (рисунок 2), получим основное уравнение гидростатики
,
(4)
где h – глубина погружения точки под свободную поверхность;
Ро – давление на свободной поверхности жидкости.
В соответствии со вторым свойством гидростатического давления величина давления в точке по всем направлениям одинакова. Это свойство используется в гидравлике для измерения давления.
Рисунок 2 – Схема гидростатических напоров относительно плоскости сравнения
В качестве единицы измерения давления используют
.
В технике используют также единицу измерения давления, называемую технической атмосферой, равную
.
Кроме абсолютного давления в технике пользуются понятиями (рисунок 3):
избыточное (манометрическое) давление Ри
,
(5)
и вакуумметрическое давление или вакуум (при Р = Рат)
,
(6)
где Рат – атмосферное давление.
Рисунок 3 – Диаграмма давлений
В гидравлике для измерения давления применяются приборы различного устройства. Простейшим из них является пьезометр. Это вертикальная стеклянная трубка, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний – подсоединен к точке замера давления (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема измерения давления в точке А пьезометром
Пьезометр показывает избыточное давление в точке присоединения. Рассмотрим давления, действующие на точку А со стороны сосуда (измеряемое давление Р) и со стороны пьезометра
,
(7)
где – удельный вес жидкости.
В соответствии со вторым свойством гидростатического давления Р = Рат, следовательно,
(8)
или
.
(9)
Более универсальным прибором является U-образный (дифференциальный) манометр (рисунок 5).
Определим давление в точке А по показанию дифманометра, расположенного выше уровня воды в сосуде (hc)
,
(10)
где hм – расстояние от плоскости 0-0 до уровня манометрической жидкости в колене дифманометра;
РВ – давление в точке В.
Рисунок 5 – Схема измерения давления в точке А U-образным пьезометром
Но давление в точке В равно давлению в точке С (обе точки лежат в воде на поверхности уровня ВС). Давление в точке С можно определить через давление в точке Д
,
(11)
где h – показания дифманометра;
м – удельный вес манометрической жидкости.
Давление в точках Д и Е равны (обе они лежат в манометрической жидкости на поверхности уровня ДЕ), таким образом,
,
(12)
где hв – высота столбика воды в открытом колене дифманометра (для предотвращения испарения манометрической жидкости).
Подставив формулы (10) и (11) в уравнение (9), получим
,
(13)
откуда
.
(14)
При давлении в точке А меньше атмосферного (уровень в пьезометре расположен ниже плоскости 0-0), рассуждая аналогично, получим
.
(15)
Для давлений, значительно превышающих 0,1 МПа, пьезометр и U-образный манометр не всегда удобны. Вместо них в технических приложениях широко используются пружинные манометры.
Пружинные манометры представляют собой изогнутую пустотелую трубку (трубку Бурдона) овального сечения, запаянную с одного конца, а другим концом подсоединенную к точке замера давления (рисунок 6).
Рисунок 6 – Трубка Бурдона
Под действием давления трубка Бурдона распрямляется. Это деформация с помощью рычажно-зубчатого механизма трансформируется в поворот стрелки, показывающей давление на шкале манометра. Так как корпус манометра, как правило, не герметизирован, то на трубку Бурдона снаружи действует атмосферное давление – Рат.
Следовательно, трубка Бурдона деформируется под влиянием разности (Р – Рат), т.е. пружинные манометры показывают избыточное давление. Поэтому часто избыточное давление называют манометрическим. При расчете измеряемого давления по показаниям пружинного манометра следует учитывать положение манометра относительно точки измерения давления, так как от него зависит показание манометра. При этом можно принимать, что для давлений, немного превышающих атмосферное, жидкость под измеряемым давлением поднимается примерно до уровня низа циферблата манометра.
Принцип действия пружинных вакуумметров аналогичен принципу действия пружинных манометров.