2. Удельный вес – это вес единицы объёма жидкости

Жидкость в гидравлике рассматривается как непрерывная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков, т. е. как континуум. Это позволяет отвлечься от молекулярного строения вещества и считать, что даже бесконечно малые объемы жидкости содержат бесконечно большое число молекул. Вследствие текучести жидкости в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или по поверхности. Таким образом, силы, действующие на рассматриваемые объемы жидкости и являющиеся по отношению к ним внешними, разделяют на массовые (объемные) и поверхностные. Массовые силы пропорциональны массе жидкого тела, или, для однородных жидкостей, - его объему. Это, прежде всего сила тяжести и силы инерции. Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны величине этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел, соприкасающихся с данным телом. В общем случае поверхностная сила DR, действующая на площадке DS, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную DP и тангенциальную DT составляющие  (рис. 1.1.). Первая, если она направлена внутрь объема, называется силой давления, а вторая – силой трения.

Рис. 1.1

Как массовые, так и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают обычно в виде единичных сил, т.е. сил, отнесенных к соответствующим единицам. Массовые силы относят к единице массы, а поверхностные - к единице площади. Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, то единичная массовая сила численно равна ускорению. Единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, как и всякая сила, раскладывается на нормальное и касательное напряжения. Нормальное напряжение, т. е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением или просто давлением и обозначается буквой p.

Если сила давления DP равномерно распределена по площадке DS, то давление определяют по формуле                                                       (1.1)

В общем случае давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления к площади, на которую она действует, при стремлении величины площадки к нулю, т. е. при стягивании площадки в точку                                        (1.2)

Если давление отсчитывается от нуля, то оно называется абсолютным, а если отсчитывается от атмосферного, то его называют избыточным или манометрическим. Следовательно Pабс=Pа+Pизб. За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принято равномерно распределенное давление, при котором на площадь 1 м² действует сила 1 ньютон, т. е. 1 н/м² = 1 Па. В технике продолжают применять внесистемную единицу – техническую атмосферу.

1 атм. = 1 кГ/см² = 9,81* 10⁴ Па

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой t и выражается подобно давлению пределом                                        (1.3) единицы его измерения те же, что и для давления.

Основные физические свойства жидкостей и газов.

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие, а к газообразным — все газы.

К основным физическим свойствам жидкости относятся плотность, давление, сжимаемость, температурное расширение, вязкость.

Плотность — это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на кубический метр (кг/м3). Плотность воды составляет 1000 кг/м3. Используются также укрупненные показатели: – килопаскаль — 1 кПа= 103 Па; – мегапаскаль — 1 МПа = 106 Па.

Сжимаемость жидкости — это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой. В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях.

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1 С.

Вотличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4 °С уменьшается. При 4 °С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.

Вязкость жидкости — ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силами внутреннего трения, или силами вязкости.

Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости. Если жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю. С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается; остается почти постоянной при изменении давления.

Газов:

Физические свойства газов, как и любого вещества начинаем с определений связанных с его массой и энергией. Так плотность газа, в определенном смысле равноправно, определяется следующим образом: • если известны конечные значения массы и размеры объема, то имеем • для бесконечно малых объемов вещества предельное значение плотности равно При расчетах коммерческого расхода газа пользуются относительной плотностью газа, т.е. отношением r - плотности газа к плотности сухого воздуха - ra при стандартных условиях. Относительная плотность газа по воздуху равна Плотность газа при 0°С и атмосферном давлении может быть определена по его молярной массе – Пересчет плотности при разных физических параметрах газа производим по формуле. Плотность газовой смеси определяется по правилу смешения (аддитивности) ai - объемные концентрации газовых компонент в смеси (0 ai 1), - плотности компонентов смеси. Удельный объем газа вычисляется следующим образом Средняя молярная масса смеси равна В термических расчетах, в зависимости от происходящего процесса, применяют понятие теплоемкости вещества - при постоянном давлении cp, и при постоянном объеме cv, для которых справедлива формула Майера Отношение теплоемкостей называется показателем адиабаты Другим важным физическим свойством реального газа является его сжимаемость. По сути сжимаемость газа является определяющим фактором отличающим отклонение газа от идеального. Характеристика сжимаемости определяется коэффициентом сжимаемости , или Z - фактором, в зарубежной терминологии, в модели реального газа. Коэффициент сжимаемости зависит от приведенных температуры и давления (Tm,pm), которые определяются следующим образом T,Tcr - текущая и критическая температура газа, p,pcr - текущее и критическое давление газа, например в трубопроводе Расчет коэффициента сжимаемости (по методике ОНТП 51-1-85) : По Губкинскому университетут: Рассмотрим физические свойства реальных газов связанных с его вязкостью. Как известно, вязкость сплошной среды определяет ее внутренее трение между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Определяются из экспериментальных зависимостей между напряжением и градиентом скорости. Для расчета касательных напряжений, используется понятие коэффициента динамической вязкости, который используется при расчете касательных напряжений по формуле: v, n - скорость относительного течения и ее нормаль к линиям тока; - коэффициент динамической вязкости газа (Па с); - напряжения внутреннего трения (Па). Для кинематической вязкости введено обозначение: Практически все природные газы содержат водяные пары. Наличие водяных паров в газе способствуют образованию гидратов на поверхности трубы. Различают w - абсолютную массовую и - объемную влажности Эти формулы не учитывают отклонение законов реального газа от законов идеального газа. Поэтому вводится понятие относительной влажности газа. Относительная влажность газа это отношение фактического количества водяных паров к максимально возможному (при одних и тех же давлениях и температуре) в единице объема: mw,T - максимально возможное количество водяного пара, которое может находится при данной температуре T ; mw -плотность пара; w,T - плотность насыщенного пара; pw - парциальное давление водяного пара в газовой смеси; pw,T - давление насыщенного водяного пара в газовой смеси. Температура, при которой газ становится насыщенным при определенном далении, называется точкой росы. При технологических расчетах газопровода газ должен быть осушен так, чтобы температура его транспортировки была бы на на несколько градусов ниже его точки росы.

Гидростатическое давление и его свойства.

Следовательно, гидростатическим давлением называется предел отношения элементарной силы к элементарной площадке. Или гидростатическое давление является силой, действующей в данной точке жидкости.

Другими словами, все частицы жидкости испытывают давление как вышележащих частиц, так и внешних сил, действующих по поверхности жидкости. Действие всех этих сил и вызывает внутри жидкости напряжение, называемое гидростатическим давлением

Гидростатическое давление имеет два основных свойства. Первое свойство: гидростатическое давление всегда направлено по внутренней нормали к поверхности, ограничивающей рассматриваемый объём жидкости, т.е. силы гидростатического давления являются силами сжимающими. Если бы было наоборот, в жидкости началось бы движение частиц от рассматриваемой точки. Второе свойство: величина гидростатического давления в произвольной точке по всем направлениям одинакова. Иначе начала бы мигрировать в жидкости сама точка.

Абсолютное давление - величина измеренная относительно давления равного абсолютному нулю. Другими словами давление относительно абсолютного вакуума. Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютным (полным) называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, т. е. истинное давление. Оно может быть как выше, так и ниже атмосферного. Если абсолютное давление ниже атмосферного, его называют остаточным. Разность между атмосферным и остаточным давлением называют вакуумом или разрежением. Избыточное давление представляет собойразность между абсолютным давлением и давлением окружающей. Избыточное давление может быть как положительным так и отрицательным Во втором случае оно называется вакуумом, а абсолютное давление определяется в этом случае уравнением. Давление – это величина, характеризующая действие силы на единицу поверхности.

При определении величины давления принято различать давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление (р_а)– это давление внутри какой-либо системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчитываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление (р_в)создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.

Избыточное давлениеопределяется разностью между абсолютным давлением (р_а) и атмосферным давлением (р_в):

р_изб = р_а – р_в.

Вакуум (разрежение)– это такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы:

р_вак = р_в – р_а

При измерении давления в движущихся средах под понятием давления понимают статическое и динамическое давление.

Единицы измерения давления

В системе единиц СИ за единицу давления принято считать действие силы в 1 H (ньютон) на площадь 1 м², т. е. 1 Па (Паскаль). Так как эта единица очень мала, для практических измерений применяют килопаскаль (кПа = 10³Па) или мегапаскаль (МПа=10⁶Па).

Кроме того, на практике применяют такие единицы давления:

• миллиметр водяного столба (мм вод. ст.);

• миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.);

• атмосфера;

• килограмм силы на квадратный сантиметр (кг·с/см²);

• бар.

При этом соотношение между этими величинами следующее:

1 Па = 1 Н/ м²

1 кг·с/см² = 0,0981 МПа = 1 атм

1 мм вод. ст. = 9,81 Па = 10^-4кг·с/см² = 10^-4атм

1 мм рт. ст. = 133,332 Па

1 бар = 100 000 Па = 750 мм рт. ст.

Физическое объяснение некоторых единиц измерения:

• 1 кг·с/см² – это давление столба воды высотой 10м;

• 1 мм рт. ст. – это величина уменьшения давления при подъеме на каждые 10м высоты.

Методы измерения давления

Широкое использование давления, его перепада и разрежения в технологических процессах вызывает необходимость применять разнообразные методы и средства измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами:

• давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты;

• развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических коробок, сильфонов и манометрических трубок);

• тяжести грузов;

• упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.

Классификация приборов измерения давления

Классификация по принципу действия

В соответствии с указанными методами, приборы измерения давления можно разделить, по принципу действия на:

• жидкостные;

• деформационные;

• грузопоршневые;

• электрические.

Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения. Остальные, в большинстве своем, нашли применение в лабораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских.

Классификация в зависимости от измеряемой величины

В зависимости от измеряемой величины средства измерения давления подразделяются на:

• манометры – для измерения избыточного давления (давления выше атмосферного);

• микроманометры (напоромеры) – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

• барометры – для измерения атмосферного давления;

• микровакуумметры (тягомеры) – для измерения малых разряжений (до -40 кПа);

• вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления;

• мановакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давления;

• напоротягомеры – для измерения избыточного (до 40 кПа) и вакуумметрического давления (до -40 кПа);

• манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля;

• дифференциальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений.

Жидкостные средства измерения давления

Действие жидкостных средств измерений основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

U-образный манометр– это простейший прибор для измерения давления или разности давлений. Представляет собой согнутую стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и прикрепленную к панели со шкалой. Один конец трубки соединяется с атмосферой, а другой подключается к объекту, где измеряется давление. Верхний предел измерения двухтрубных манометров составляет 1…10кПа при приведенной погрешности измерения 0,2…2%. Точность измерения давления этим средством будет определяться точностью отсчета величины h(величины разности уровня жидкости), точностью определения плотности рабочей жидкости ρ и не зависеть от сечения трубки. Жидкостные средства измерения давления характерны отсутствием дистанционной передачи показаний, небольшими пределами измерений и низкой прочностью. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерений они широко распространены в лабораториях и реже в промышленности.

Деформационные средства измерения давления

Основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству (показывающему или самопишущему) или преобразуется в электрический (пневматический) сигнал для дистанционной передачи.В качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины, многовитковые трубчатые пружины, упругие мембраны, сильфонные и пружинно-сильфонные. Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин применяются бронза, латунь, хромоникелевые сплавы, отличающиеся достаточно высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры.

Мембранные приборыприменяются для измерения небольших давлений (до 40кПа) нейтральных газовых средств.

Сильфонные приборыпредназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных газов с пределами измерений до 40кПа, до 400кПа (как манометры), до 100кПа (как вакуумметры), в интервале -100…+300кПа (как мановакуумметрические).

Трубчато-пружинные приборыпринадлежат к числу наиболее распространенных манометров, вакуумметров и мановакуумметров.

Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную, согнутую по дуге окружности, трубку (одно- или многовитковую) с запаенным одним концом, которая изготавливается из медных сплавов или нержавеющей стали. При увеличении или уменьшении давления внутри трубки пружина раскручивается или скручивается на определенный угол. Манометры рассмотренного типа выпускаются для верхних пределов измерения 60…160кПа. Вакуумметры выпускаются со шкалой 0…100кПа. Мановакуумметры имеют пределы измерений: от -100кПа до +(60кПа…2,4МПа). Класс точности для рабочих манометров 0,6…4, для образцовых – 0,16; 0,25; 0,4.

Грузопоршневые манометры применяются как устройства для поверки механических контрольных и образцовых манометров среднего и высокого давления. Давление в них определяется по калиброванным грузам, помещаемым на поршне. В качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформаторное или касторовое масло. Класс точности грузопоршневых манометров 0,05 и 0,02%.

Электрические манометры и вакуумметры

Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления.

Пьезоэлектрические манометрыприменяют при измерении пульсирующего с высоко частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8·10³ ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины цилиндрической или прямоугольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титонат свинца).

Тензометрические манометры имеют малые габаритные размеры, простое устройство, высокую точность и надежность в работе. Верхний предел показаний 0,1…40Мпа, класс точности 0,6; 1 и 1,5. Применяются в сложных производственных условиях. В качестве чувствительного элемента в тензометрических манометрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении сопротивления под действием деформации. Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста. В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

Дифференциальные манометры

Применяются для измерения разности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.

Мембранные дифференциальные манометрыявляются бесшакальными первичными измерительными приборами, предназначенными для измерения давления неагрессивных сред, преобразующими измеряемую величину в унифицированный аналоговый сигнал постоянного тока 0…5мА. Дифференциальные манометры типа ДМ выпускаются на предельные перепады давления 1,6…630кПа.

 (2.2)

где  - давление на свободной поверхности жидкости;

h- глубина расположения рассматриваемой точки.

Другая форма записи уравнения (2.2) имеет вид

 (2.3)

где z и  -вертикальные координаты произвольной точки и свободной поверхности жидкости, отсчитываемые от горизонтальной плоскости.

При известной величине удельного веса   уравнение (2.2) можно записать в виде

. (2.4)

Из выражения (2.4) следует, что гидростатическое давление р в данной точке равно сумме давлений на свободной поверхности жидкости   и давления, производимого столбом жидкости высотой, равной глубине погружения точки.

Установившимся стационарным движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и и гидродинамическое давление р не изменяются с течением времени, т.е. зависят только от координат точки. Аналитически это условие запишется так:

и  .

Неустановившимся (нестационарным) движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и и гидродинамическое давление р – постоянно изменяются, т.е. зависят не только от положения точки в пространстве, но и от времени  . Аналитически это условие запишется так:

и  .

Примером установившегося движения может быть: движение жидкости в канале, в реке при неизменных глубинах, истечение жидкости из резервуара при постоянном уровне жидкости в нем и др. Неустановившееся движение – это движение жидкости в канале или реке при переменном уровне или при опорожнении резервуара, когда уровень жидкости в нем непрерывно изменяется.

В дальнейшем будет изучаться главным образом установившееся движение жидкости и в отдельных случаях будут разбираться примеры неустановившегося движения.

Установившееся движение в свою очередь подразделяется на равномерное и неравномерное.

Равномерным называется такое установившееся движение, при котором живые сечения вдоль потока не изменяются: в этом случае  ; средние скорости по длине потока также не изменяются, т.е.  . Примером равномерного движения является: движение жидкости в цилиндрической трубе, в канале постоянного сечения при одинаковых глубинах.

Установившееся движение называется неравномерным, когда распределение скоростей в различных поперечных сечениях неодинаково; при этом средняя скорость и площадь поперечного сечения потока могут быть и достоянными вдоль потока. Примером неравномерного движения может быть движение жидкости в конической трубе или в речном русле переменной ширины.

Напорным называется движение жидкости, при котором поток полностью заключен в твердые стенки и не имеет свободной поверхности. Напорное движение происходит вследствие разности давлений и под действием силы тяжести. Примером напорного движения является движение жидкости в замкнутых трубопроводах (например, в водопроводных трубах).

Безнапорным называется движение жидкости, при котором поток имеет свободную поверхность. Примером безнапорного движения может быть: движение жидкости в реках, каналах, канализационных и дренажных трубах. Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести и за счет начальной скорости. Обычно на поверхности безнапорного потока давление атмосферное.

Следует отметить еще один вид движения: свободную струю. Свободной струей называется поток, не ограниченный твердыми стенками. Примером может служить движение жидкости из пожарного брандспойта, гидромонитора, водопроводного крана, из отверстия резервуара и т. п. В этом случае движение жидкости происходит по инерции (т. е. за счет начальной скорости) и под действием силы тяжести.

Для упрощения выводов, связанных с изучением потока жидкости, вводится понятие о плавно изменяющемся движении жидкости.

Плавно изменяющимся называется такое движение жидкости, при котором кривизна струек незначительна (равна нулю или близка к нулю) и угол расхождения между струйками весьма мал (равен нулю или близок к нулю), т. е. практически поток жидкости мало отличается от параллельноструйного. Это предположение вполне оправдывается при изучении многих случаев движения жидкости в каналах, трубах и других сооружениях.

Отметим следующие свойства потока при плавно изменяющемся движении:

1. поперечные сечения потока плоские, нормальные к оси потока;

2. распределение гидродинамических давлений по сечению потока подчиняется закону гидростатики, т.е. гидродинамические давления по высоте сечения распределяются по закону прямой. Это свойство легко можно доказать, если внутри потока выделить частицу жидкости и спроектировать все действующие на нее силы на плоскость живого сечения. Вследствие того, что скорости и ускорения в этом случае будут перпендикулярны сечению, силы инерции в уравнение не войдут; поэтому уравнение равновесия и закон распределения давления в плоскости живого сечения не будет отличаться от такового для жидкости, находящейся в покое;

3. удельная потенциальная энергия (т. е. потенциальная энергия единицы веса жидкости) по отношению к некоторой плоскости сравнения для всех точек данного сечения потока жидкости есть величина постоянная.

Расход жидкости – количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока.

Различают объёмный, массовый и весовой расходы жидкости.

Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м3/с, л/с. Он вычисляется по формуле

где Q - объёмный расход жидкости,

V - объём жидкости, протекающий через живое сечение потока,

t – время течения жидкости.

Массовый расход жидкости это масса жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Массовый расход измеряется обычно в кг/с, г/с или т/с и определяется по формуле

где QM - массовый расход жидкости,

M -масса жидкости, протекающий через живое сечение потока,

t – время течения жидкости.

Весовой расход жидкости это вес жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Весовой расход измеряется обычно в Н/с, кН/с. Формула для его определения выглядит так:

где QG -  весовой расход жидкости,

G - вес жидкости, протекающий через живое сечение потока,

t – время течения жидкости.

Режимы течения жидкости

Экспериментальные исследования потоков реальной жидкости показывают, что процессы, происходящие в них, существен­но зависят от характера (вида) течения. В гидравлике выделяют ша принципиально разных вида течения: ламинарное и турбулентное.

Для изучения характера этих течений может быть использована установка, представленная на рис. 4.3, а. Она включает в себя ре­зервуар с водой 7, из которого та может вытекать через трубу 5, им полненную из прозрачного материала. В конце трубы установлен кран б для изменения расхода жидкости. Кроме того, в резервуаре г водой 1 смонтирован дополнительный сосуд 2 с водным раствором

Рис. 4.3. Демонстрация режимов течения: а – установка; б - ламинарное течение; в - турбулентное течение; 1- резервуар с водой; 2- дополнительный сосуд; 3,6 – краны; 4- трубка; 5 -труба

краски, которая может подводиться по трубке 4 в центр потока воды в трубе 5. Расход краски может регулироваться краном 3, При небольшой степени открытия крана 6 обеспечиваются низ­кие скорости течения воды в трубе 5. Если в этом случае кран .1 также открыт, то можно наблюдать струйку краски, двигающуюся в потоке воды (рис. 4.3, б). При малых скоростях течения она не перемешивается с основным потоком. Это говорит о том, что со­седние струйки воды движутся также «самостоятельно», не пере­мешиваясь друг с другом. Такой режим течения принято называть ламинарным.

При ламинарном режиме жидкость движется отдельными стру­ями без их перемешивания, все линии тока определяются формой русла потока и, если оно является прямолинейным с постоянным сечением, линии тока параллельны стенкам. В ламинарном потоке отсутствуют видимые вихреобразования, но существуют бесконечно малые (точечные) вихри вокруг мгновенных центров вращения частиц жидкости.

Если постепенно увеличивать степень открытия крана 6, то ско­рость течения жидкости начнет возрастать и при каком-то ее зна­чении ламинарная струйка краски в трубе 5 начнет разрушаться (рис. 4.3, в). Такую скорость принято называть критической (v_Kp). Разрушение струйки сопровождается завихрениями краски и пе­ремешиванием ее с соседними слоями воды. Если продолжать уве­личивать расход жидкости, то струйка будет разрушаться практи­чески сразу после выхода из трубки 4. Такой режим течения при­нято называть турбулентным.

При турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание струек (слоев) жидкости с образованием большо­го количества крупных и мелких вихрей. Отдельные частицы жид­кости движутся хаотично, и практически ни одна из них не повто­ряет траекторию другой. Они перемещаются как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поэтому скорости и давления при турбулентном течении имеют пульсирующий характер.

Для каждого из отмеченных режимов течения характерны свои особенности и законы (зачастую весьма отличные). Поэтому важно уметь определять расчетным путем режим течения в каждом конкретном случае.

В качестве критерия режима течения используется число Рей­нольдсаRe. Результаты экспериментов показывают, что разруше­ние ламинарного режима в круглых трубах начинается приблизи­тельнопри Re = 2300. Это значение Re принято называть крити­ческим числом Рейнольдса. Таким образом, при Re < 2300 существует устойчивое ламинарное течение.

Следует иметь в виду, что сразу после разрушения ламинарного теченияустойчивого турбулентного течения еще не существует. Устойчивое (развитое) турбулентное течение устанавливается при Rе > 4000. Диапазон чисел Рейнольдса от 2300 до 4000 иногда на­зываютпереходной областью, при которой не может существовать ни устойчивого ламинарного, ни развитого турбулентного те­чений.

Необходимо также иметь в виду, что существуют факторы, кос­венно влияющие на режимы течения жидкости в трубах. К ним следует прежде всего отнести вибрацию труб, местные гидравли­ческиесопротивления, пульсацию расхода и др. Все они способ­ствуют образованию турбулентного режима течения жидкости.

В заключение следует отметить, что на практике ламинарные течения наиболее часто встречаются в потоках вязкой жидкости, особенно в трубах (руслах) с небольшими проходными сечениями. Это следует и из анализа формулы (4.5) для вычисления числа Рейнольдса, так как очевидно, что Re уменьшается с увеличени­ем вязкости и уменьшением диаметра. Такие потоки характерны для многочисленных машиностроительных гидросистем, испольующих минеральные и синтетические масла.

Турбулентные течения встречаются в потоках маловязких жид­костей и в трубах с большими проходными сечениями. К ним от­носятся потоки в гидравлических системах для перекачки воды или жидкостей на водяной основе, бензина, керосина, а также потоки различныхгазов.

Напор насоса

Что такое напор насоса

Часто возникает проблема неправильного понимания термина «напор насоса».  Постараюсь объяснить что да как.  Напор насоса измеряется в метрах (м). Из-за этого часто возникает путаница. Хотя они измеряется в метрах, напор – не геометрическая величина. Напором называется полная удельная энергия, создаваемая насосом. Удельная потому что это энергия, отнесенная к единице веса. Если отнести значение энергии к единице веса, то получим размерность метры. Не будем вдаваться в детали, но так оно и есть. Поэтому понимать, что напор – это высота, на которую насос сможет поднять жидкость, нельзя. Гидравлическая энергия, создаваемая (вернее, полученная преобразованием механической энергии) насосом, требуется для обеспечения следующих процессов: 

1) Изменение скорости потока.  Расход есть  V (скорость)/S (площадь поперечного сечения)  Поэтому, если труба на входе в насос больше трубы на выходе из насоса, то изменение скорости потока изменяется обратно пропорционально. Подача не изменяется соответственно, чем больше диаметр, тем больше площадь поперечного сечения, тем меньше скорость потока и наоборот. Если скорость потока увеличивается, то на это увеличение требуется затратить энергию.  Такая ситуация встречается довольно часто. Из теории известно, что с увеличением скорости падает давление, поэтому всасывающий патрубок насоса (и, соответственно, трубопровод) делают больше нагнетательного. Если давление в насосе опустится ниже давления насыщенных паров, то возникнет кавитация, что недопустимо. Поэтому давление на входе всеми силами стараются сделать как можно выше. 

2) Создание перепада давлений  Жидкость в трубопроводе, находящаяся в состоянии покоя, может быть сдвинута с места только если вывести ее из состояния равновесия. Сделать это можно, изменив значения давлений на входе и выходе из трубопровода. Тогда жидкость будет двигаться от большего давления к меньшему. К тому же, иногда на выходе требуется иметь высокое давление (например, при закачивании воды в резервуар с высоким давлением воздуха). Изменение поля давлений также требует затрат энергии. 

3) Изменение уровня расположения жидкости  Если надо перекачать воду из верхнего резервуара в нижний, то никакой насос не нужен.Под действием силы тяжести вода сама потечет вниз.  Однако при необходимости перекачать воду из нижнего резервуара в верхний требуется затратить энергию. 

4) Преодоление потерь  Многие забывают об этом пункте, многие о нем даже не слышали.  Существует два вида потерь: потери по длине (их еще называют потери на гидравлическое трение) и потери на местные сопротивления. Все потери зависят от скорости потока (от расхода).  Потери по длине возникают по всей длине трубопровода и зависят от его длины, диаметра и коэффициента гидравлического трения материала.  Потери на местные сопротивления возникают везде, где имеется изменение режима течения потока, а именно:  - при изменении направления движения потока (колено, разворот трубы)  - при изменении размеров трубопровода (внезапное или постепенное расширение или сужение трубопровода)  - на запорно-регулирующей арматуре (задвижки, краны, клапана)  Потери на местные сопротивления имеют коэффициент сопротивления в зависимости от типа сопротвления. 

Таким образом, знание высоты, на которую нужно поднять жидкость, не является достаточным для выбора насоса по напору.  Более того, напор, который должен создавать насос для данной системы, зависит от подачи. Более подробно алгоритм подбора насоса будет рассмотрен в следующих конференциях.

Характеристики насосов - подача, напор и рабочая точка

Определение понятия напора Повышение давления насосом называется напором. Под напором насоса (H) понимается удельная механическая работа, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости.

H = E/G [m]

E = механическая энергия [Н•м] G = вес перекачиваемой жидкости [Н]

При этом напор, создаваемый насосом, и расход перекачиваемой жидкости (подача) зависят друг от друга. Эта зависимость отображается графически в виде характеристики насоса. Вертикальная ось (ось ординат) отражает напор насоса (H), выраженный в метрах [м]. Возможны также другие масштабы шкалы напора. При этом действительны следующие соотношения:

10 м в.ст. = 1 бар = 100 000 Па = 100 кПа

На горизонтальной оси (ось абсцисс) нанесена шкала подачи насоса (Q), выраженной в кубометрах в час [м3/ч]. Возможны также другие масштабы шкалы подачи, например [л/с]. Форма характеристики показывает следующие виды зависимости: энергия электропривода (с учетом общего КПД) преобразуется в насосе в такие формы гидравлической энергии, как давление и скорость. Если насос работает при закрытом клапане, он создает максимальное давление. В этом случае говорят о напоре насоса H₀ при нулевой подаче.

Когда клапан начинает медленно открываться, перекачиваемая среда приходит в движение. За счет этого часть энергии привода преобразуется в кинетическую энергию жидкости. Поддержание первоначального давления становится невозможным. Характеристика насоса приобретает форму падающей кривой. Теоретически характеристика насоса пересекается с осью подачи. Тогда вода обладает только кинетической энергией, то есть давление уже не создается. Однако, так как в системе трубопроводов всегда имеет место внутреннее сопротивление, в реальности характеристики насосов обрываются до того, как будет достигнута ось подачи.

- Характеристики насосов  - Различная крутизна при идентичном корпусе и рабочем колесе насосов (например, в зависимости от частоты вращения мотора)

Форма характеристик насоса На рисунке показана различная крутизна характеристик насоса, которая может зависеть, в частности, от частоты вращения мотора.

Р азличное изменение подачи и давления

При этом крутизна характеристики и смещение рабочей точки влияет также на изменение подачи и напора: • пологая кривая – большее изменение подачи при незначительном изменении напора • крутая кривая – большое изменение подачи при значительном изменении напора

Подача насоса



Подача Q — это обеспечиваемый насосом расход (объем перекачиваемой жидкости) за единицу времени, например, л/с или м³/ч. Подача для внутреннего охлаждения насоса или потери вследствие негерметичности трубопроводов относятся к дополнительным потерям, которые не являются составляющими подачи. Данные об объеме, подлежащем перекачиванию в конкретном режиме эксплуатации, должны быть указаны с учетом того, идет ли речь об оптимальной рабочей точке насоса (Q_опт.), максимальной необходимой подаче (Q_макс.) или о минимальной необходимой подаче (Q_мин.).

Выбор мощности мотора и параметров насоса производить по максимальной величине подачи.

Идеальная подача объёмного насоса (без учёта утечек) связана с его рабочим объёмом следующим соотношением ^[1]:

Q_и=q₀ * n * k

где Q_и — идеальная подача насоса,  q₀ — рабочий объём насоса;  n — количество циклов работы насоса за единицу времени (например, частота вращения вала);  k — кратность работы насоса, то есть количество циклов нагнетания и всасывания за один цикл работы.

Однако реальная подача объёмного насоса меньше идеальной подачи на величину утечек через зазоры и щели в насосе, причём утечки тем больше, чем больше разница давлений между всасывающей полостью и нагнетательной.

Q_р = Q_и - q_у = q₀ * n * k * η₀

где η₀ — объёмный КПД насоса;  q_у — утечки рабочей жидкости за единицу времени.

Зависимость подачи от давления в напорной гидролинии называется характеристикой объёмного насоса (в отличие от характеристики гидродинамических насосов). У объёмных насосов характеристика жёсткая, то есть подача очень мало зависит от давления в напорной гидролинии, а у гидродинамических насосов подача очень сильно зависит от давления в напорной гидролинии (чем больше давление, тем меньше подача). Поскольку с увеличением срока службы в объёмном насосе постепенно растёт степень износа деталей гидрооборудования, то увеличиваются щели и зазоры и растут утечки через эти зазоры (при прочих равных условиях). Поэтому характеристика объёмного насоса с длительным сроком службы более мягкая, чем у новых насосов. Оценить величину зазоров и утечек через них можно, например, с помощью статопараметрического метода диагностирования гидропривода.

Подача насоса обычно указывается в м³/час.

Принцип действия центробежных насосов целиком построен на законах физики. Работа происходит при возникновении центробежной силы, появление которой обусловлено действием лопастей колеса на жидкость. Что бы правильно понять, где применяется данный насос и что он может качественно делать, надо знать устройство насоса центробежного. С эти мы сегодня ознакомимся. Также видео в этой статье покажет весь принцип его работы наглядно.

РАБОТА И УСТРОЙСТВО

Чтобы понять работу данного механизма надо знать из чего состоит центробежный насос. Так же понять его принцип работы. После этого вы сможете подобрать его именно для нужной работы. После этого и можно будет установить его своими руками. Посмотрев фото вы все поймете без проблем.

Основные узлы и элементы

Устройство и принцип действия центробежного насоса происходит в результате согласованных действий всех механизмов. Они состоят из корпуса в виде спирали и рабочего колеса, расположенного внутри корпуса и крепится на валу шпонкой.

Устройство центробежного насоса насоса

 Итак:

• Валик вращается непосредственно в подшипниках. А сальники служат в целях создания уплотнения прохода отверстия в том месте где внутри корпуса находится местоположение вала.

• Посредством всасывающего патрубка жидкость попадает прямо в насосный корпус, и ее подача направляется в средину рабочего колеса, которое продолжает беспрерывно вращаться.

• Из-за действия лопастей продолжается движение вещества и от центровой части колеса отскакивает в сторону и достигает таким образом спиральной части насосного корпуса, это что касается именно спиральных насосов.

• Далее перемещение вещества происходит в рамках напорного трубопровода через нагнетающий патрубок.

Внимание: Таким образом происходит воздействие лопастей на молекулярный состав воды, что служит причиной, по которой созданная кинетическая энергия двигателя переходит в напор жидкости с определенной скоростью из-за оказываемого на нее давления.

• Созданный насосом напор жидкостной струи измеряется в определенных единицах – метрах столба перекачиваемого вещества. Из – за происхождения разрежения перед колесными лопастями происходит всасывание жидкости.

• Выпуклость формы лопасти предполагает обеспечение усиления жидкостного напора и повышает качество отекания, а рабочее колесо вращается при этом в направлении нагнетания той стороной лопастей, которая выпуклая.

Принцип работы

При центробежных насосах обычно имеется арматура и некоторые приборы:

• Оснащенный сеткой обратный приемный клапан, выполняющий сдерживающую функцию воды именно в корпусном насосном патрубке (всасывающем) при совершении процедуры заливки перед активированием.

• Наличие сетки необходимо для фильтрации взвесей, которые находятся в воде.

• Далее идет задвижка. Существование вакуумметра функционирует, определяя показатели разрежения на той стороне, где происходит всасывание. Его местоположение определено в промежутке между задвижкой и корпусом.

• На самом верху корпуса центробежного насоса для того, чтобы была возможность выпустить воздух в конструкции имеет место наличие специального крана.

Внимание: В свою очередь обратный клапан не позволяет воде при возникновении такой ситуации перетекать в обратном направлении по центробежному насосу и находится на напорном трубопроводе.

• На напорном трубопроводе находит свое месторасположение и задвижка, обеспечивая сразу несколько функций – это и сам запуск процесса, и его приостановка, и кроме того контролирующая функция за непосредственно за мощностью напора, который создается за счет работы центробежного насоса.

• Такой прибор как манометр в данном случае измеряет напор жидкости, созданный центробежным насосом. Его расположение находит свое место на насосном напорном патрубке.

• Здесь предусмотрен и обратный предохранительный клапан, который защищает центробежный насос от ударов гидравлики. Расположение предохранительного клапана находит свое место прямо на напорном патрубке за задвижкой для обеспечения защиты насоса.

• Предусмотрен так – же и прибор для залива самого агрегата с разнообразными автоматическими приборами.

РАБОТА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Наличие образования центробежной силы и заложен весь смысл работы или действия центробежного насоса:

• Она образовывается непосредственно в самом насосном корпусе, когда насос работает путем вращения рабочего колеса.

• На вал насоса садится рабочее колесо при помощи шпоночного соединителя, а от вала идет передача кручения, развивающегося насосным приводом.

• Сам электрический двигатель(см.Центробежный насос с электродвигателем: рассмотрим как работает) соединен с насосным валом с помощью муфты, упругой по своему строению.

Внимание: Необходимо отметить, что самыми востребованными и популярными насосами, которые используются в целях перекачки воды и другой жидкости являются именно центробежные насосы различных видов.

• Привести их в действие возможно только соблюдая условие заполнения жидкостью корпуса агрегата.

• Такие насосы выполняют свою функцию, когда на них действует центробежная сила, вызываемая вращение рабочего колеса.

• Сам корпус центробежного насоса вмещает то одного до нескольких колес, прочно зафиксированных к валу. Колеса в обязательном порядке оснащены выпуклыми лопастями и соединяют по два диска.

• Посредством всасывающего патрубка идет поступление жидкости. Когда активируется агрегат запуск колеса происходит при помощи вала, соединенного с электроприводом.

• Постепенно захватываемая вода отходит от центральной части к боковым частям колеса. А увеличение центробежной силы помогает переместиться жидкости к нагнетательному трубопроводу с помощью, указывающей направление камеры. Таким образом идет увеличение давления между лопастями одновременно с освобождающимся пространством. Это и дает возможность некоторому следующему количеству проникать из водопровода.

• Во всасывающем патрубке имеется встроенный фильтр, не позволяющий мусору и взвесям попадать в насосный корпус. Что касается одноступенчатости и многоступенчатости насосных агрегатов, то принцип их действия абсолютно ничем не разница. Отличительной особенностью является лишь то, что при наличии нескольких колес рост давления происходит в каждом следующем.

Центробежный насос устройство и принцип действия подразделяются по своим преимуществам на функциональные и конструктивные. Сравнительно невысокие расценки центробежных насосов обусловлены дешевизной материалов, из которых они изготавливаются. Это преимущественно сталь, полимеры и чугун. При покупке должна быть изучена инструкция, они бывают довольно разных параметров, от этого и зависит их цена. При покупке стоит отдать предпочтение проверенным брендам, а не гнаться за дешевыми вариантами. В этом случае   вы просто потеряете в качестве. Устройство и принцип действия

Если говорить об устройстве центробежного насоса, то здесь каких-либо сложностей не наблюдается. Центробежный насос имеет цилиндрический корпус вытянутой формы. Погружной насос может при этом иметь диаметр в 100 мм. Поверхностные модели гораздо больше. Однако свои габариты они компенсируют достаточно крупными рабочими колесами.

На роторной оси находится рабочее колесо. Ось при этом вращается от работы двигателя. На самом колесе находятся лопасти и об этом говорилось выше.

Если рассмотреть принцип действия насоса, то для закачки воды это устройство использует патрубки или входные каналы. Именно по этим деталям вода попадает в сам центробежный насос. Там вода натыкается на рабочее колеса, которое активно вращается. За счет того, что колесо вращается, жидкость нагнетается и отбрасывается к стенкам рабочей камеры. Этому способствует центробежный эффект, который создается от высокого давления и от вращения.

Обратите внимание на статью: Водяное отопление теплицы: достоинства системы и прочая информация

Вода, которая была оттеснена к борту устройства автоматически всасывается в выводные каналы, которые были оборудованы возле стенок. Каждый насос имеет на выходе нагнетательные трубки, которые могут иметь спиралевидную или кольцевую форму. Проходя, через них вода создает более серьезный нагнетательный вектор. Отсюда следует, что жидкость под высоким давлением подается в шланг либо распределяется по трубопроводам.

Когда вода начинает поступать в трубы или шланг в центральной области рабочего колеса образовывается зона пониженного или разряженного давления. Такой эффект провоцирует эффективную подкачку новых потоков воды в само устройство. Благодаря такому принципу действия, центробежный насос имеет постоянную работу. А сам цикл работы завершается после того, как устройство полностью выключается.

Принцип действия центробежных насосов, который был описан выше относиться к устройствам погружного или поверхностного типа. В каждом случае работу выполняет одно либо несколько колес.

Центробежные насосы полноценно могут работать только с жидкостью. Помните, что если устройство будет работать без жидкости, то оно быстро придет в негодность.

С погружными моделями центробежных насосов очень просто работать. Так как они находятся в воде их работу регулируют поплавковые выключатели, которые при низком уровне воды просто не запускают их работу.

Поверхностные насосы в этом плане немного капризнее. Поэтому за состояние устройства поверхностного типа придется следить постоянно. Подобные устройства имеют в своей конструкции вмонтированные клапаны, которые отключают насос от сети электропитания тогда, когда в системе находится небольшое количество воды.