Механика жидкостей и газов

1.Основные понятия и определения

Сжигание топлива служит источником тепловой энергии в печах и всегда связано с движением газов. Газы, двигаясь по системе печи, отдают свою теплоту нагреваемым предметам. Следовательно, и передача теплоты также тесно связана с движением газов. Таким образом правильное понимание работы печей и обеспечение нормальных условий их эксплуатации требует знания законов движения газов– механики газов, науки, изучающей поведение газов, находящихся в покое (газостатика) и в движении (газодинамика).

Интенсивность теплообмена между газами и нагреваемым металлом зависит от характера движения газового потока. При умелой организации омывания газами нагреваемых заготовок можно существенно ускорить нагрев металла.

В нагревательных печах на поду поддерживается, как правило, нулевое или небольшое избыточное давление (0,1 или 0,2 мм вод. ст) печных газов. При отрицательном давлении холодный воздух, попадая через окна или неплотности кладки, подстуживает и окисляет металл, а при чрезмерно высоком давлении увеличивается выбивание печных газов в цех, что ухудшает условия труда обслуживающего персонала. От умения управлять давлением газов в рабочем пространстве печи зависит качество нагрева и условия труда нагревальщиков.

Одним из первых, кто обратил внимание на влияние и поведение газов в печах, был русский ученый В.Е.Грум–Гржимайло. В созданной им в 1905–1911 г.г. гидравлической теории печей систематизированы и описаны с применением законов гидромеханики сложившиеся на основе его большого практического опыта представления о движении газов.

В гидравлической теории печей были даны правила конструирования печей, в которых преобладало естественное движение газов, возникающее

вследствие разности плотностей газов в различных частях объема из–за неравномерного распределения температур. Эта теория объясняла принципы действия и правила конструирования печей, работающих на твердом топливе или неочищенном газе. В таких печах продукты сгорания, попадая в зону технологических процессов (в рабочее пространство печи) из зоны теплогенерации (топок) с относительно малыми скоростями, в очень малой степени возмущали движение газов в зоне технологических процессов, и последнее в большинстве случаев было сравнительно мало завихренным, т.е. характеризовалось низким уровнем турбулентности.

Внедрение отопления жидким и газообразным топливом, подаваемым под давлением, внесло новый элемент в движение газов в рабочем пространстве –динамику турбулентной струи (факела), фактора, оказывающего существенное влияние на движение газов в зоне технологических процессов. Кроме того, развитие печей пошло по пути увеличения абсолютных и удельных производительностей. Все эти факторы увеличивали значение принудительного движения газов в печах, уменьшая значение естественного движения.

Теорией и практикой установлено, что газы и жидкости имеют много общего в своем поведении при движении. Имеются также и существенные различия между ними. При нагревании все тела расширяются, увеличивают свой объем. У жидкостей по сравнению с газами это расширение настолько мало, что им пренебрегают, т.е. считают, что жидкости практически не изменяют своего объема. В этом состоит их первое различие. Изменение давления также практически не влияет на объем жидкости, т.е. считается, что жидкость несжимаема даже при применении очень больших давлений. Газы значительно изменяют свой объем. В этом состоит их второе различие.

Вопросов сжимаемости среды мы касаться не будем, т.е. будем рассматривать только такие явления, для которых сжимаемость почти не играет никакой роли. С этой точки зрения различие между жидкостью и газом исчезает, и найденные законы будут применимы в одинаковой степени как к жидкости, так и к газу. Поэтому газ принято называть также жидкостью. Кроме того, закономерности движения газов и жидкостей описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями

Особенность газов и жидкостей состоит также и в том, что они оказывают весьма малое сопротивление изменению формы объема, который заполняют. Величина этого сопротивления определяется вязкостью данного газа и жидкости. В некоторых случаях можно пренебречь вязкостью газа и считать, что он не оказывает никакого сопротивления изменению своей формы. Такой газ называют идеальным и он играет большую роль в теоретической газодинамике (идеальный газ это газ, в котором можно пренебречь силами взаимодействия между молекулами и размерами самих молекул; имеет место при малых давлениях или высоких температурах).

Введение понятия сплошной или непрерывной среды позволяет в качестве объекта изучения рассматривать не реально существующую среду, состоящую из отдельных молекул, а фиктивную среду сплошь заполняющую все пространство без образования пустот. Это позволяет применять к описанию такой среды непрерывные функции.

В печной теплотехнике чаще всего давления в системе газоходов печи меняются относительно мало (менее 1%). Соответственно с этим будет изменяться и объем газов. Таким небольшим изменением объема газа от давления можно пренебречь и считать, что газ подобен жидкости, что он также несжимаем и что формулы, выведенные в гидравлике для жидкостей, остаются справедливыми и для газов. Если изменения давления в системах больше 10%, то формулы гидравлики использовать нельзя. Нужно применять специальные уравнения, которые бы учитывали сжимаемость среды.