Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Gidravlika_v_inzhenernykh_prilozheniakh.doc
Скачиваний:
883
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
2.62 Mб
Скачать

7.5. Пьезометрическая высота. Вакуум

Представим сосуд с жидкостью, сверху закрытый герметичной крышкой, на свободную поверхность жидкости действует давление p1; рассмотрим внутри жидкости точку А, расположенную на глубине hA (рис. 7.5). К стенке сосуда на уровне точки А присоединим трубку (так, чтобы она сообщалась с сосудом),верхний конец которой открыт. Поверхность жидкости в трубке будет испытывать давление pа, равное атмосферному; такая трубка П называется пьезометрической трубкой или пьезометром. Жидкость в ней поднимается на некоторую высоту hn, которая называется пьезометрической высотой (напором). Величину hn можно найти из условия равновесия площадки, находящейся у входа в трубку П; как и вся жидкость площадка находится в равновесии и, следовательно, давления справа и слева от нее одинаковые. Давление слева равно p1+ρghА, давление справа равно pа+ρghn;

тогда

p1+ρghА=pа+ρghn. (7.13)

рис.7.5 Рис. 7.6 Рис.7.7 Рис. 7.8

Из последнего уравнения возможно найти p1, если hn и hA известны, или найти hn, если известны p1 и hA. Если в сосуде давление над поверхностью жидкости равно атмосферному, то уровень в пьезометрической трубке установится на той же высоте, что и в сосуде, и пьезометрическая высота будет равна глубине погружения данной точки (рис. 7.6); как следует из (7.13), если p1=pа, то hA=hn. Иногда этот простой результат называют «Закон сообщающихся сосудов», хотя закона как такового в данном случае нет – если рассматривать сообщающиеся сосуды с однородной жидкостью (рис. 7.7), то уровни в обоих их коленах будут одинаковые.

Когда давление p меньше атмосферного, например, во всасывающих линиях насосов, в сифонах, то говорят, что в этой области вакуум (разрежение). Для измерения давления, меньшего атмосферного, применяется прибор, называемый вакуумметром. Он представляет трубку, одним концом соединенную с сосудом В, где имеется вакуум (рис.7.8), а другим концом опущенную в сосуд с жидкостью, на поверхность которой действует атмосферное давление pа. Жидкость в трубке поднимается на некоторую высоту hв. рассмотрим нижнее сечение трубки (на уровне жидкости в сосуде) – гидростатическое давление, передаваемое на него со стороны жидкости в трубке pв+ ρghв. С другой стороны, с поверхности жидкости в сосуде на то же нижнее сечение трубки передается атмосферное давление, равное pа, поэтому

ра= pв + ρghв,

откуда

. (7.14)

Из последней зависимости следует, что hв измеряет не давление pВ в сосуде В, а разность между атмосферным давлением pа и давлением pв. Эта разность обозначается через pвак и называется вакуумом, т.е. вакуум есть недостаток давления до атмосферного. Вакуум, как и гидростатическое давление, можно выразить двумя способами – в единицах давления (атмосфера, Паскаль) и в единицах высоты столба жидкости.

Приборы для измерения давления

Жидкостные манометры обычно представляют собой изогнутые U-образные стеклянные трубки диаметром 10-15 мм, присоединяемые одним концом к точке, где требуется измерить давление, второй конец остается открытым (рис. 7.9). Очевидно, что жидкость только тогда будет в равновесии, когда вследствие разности уровней в сосудах возникает противодавление ρgh, уравновешивающее разность давлений . Из условия равновесия следуетРис. 7.9

,

где h – разность уровней жидкости в сообщающихся сосудах; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. На плоском щите позади трубок обычно монтируется шкала, по которой возможно измерить высоту поднятия жидкости под действием давления. Такие манометры применяются для измерения небольших давлений – от 1 до 10 кПа. Для измерения больших давлений потребовались бы слишком высокие пьезометрические трубки. Так, для измерения давления 0,15 МПа (1,5 атм) необходима трубка высотой 15 м. Для измерения таких давлений в жидкостные манометры заливают более тяжелые жидкости, например, ртуть; высота h в этом случае будет в 13,6 раза меньше. Для измерения ещё больших давлений (или глубокого вакуума) применяют пружинные манометры.

Пример 7.3.Для измерения потерь напора (энергии) часто применяют пьезометры (рис. 7.10), присоединяемые к отверстиям в стенке трубы.

Связь между напором и давлением. Отношение давления к произведению ρg (ρ- плотность данной жидкости) имеет размерность длины и выражается в метрах или сантиметрах

. (7.15)

Рис. 7.10 таким образом последнее равенство устанавливает связь между давлением и некоторой длиной Н, которая называется напором. Если трубку с открытым верхним концом присоединить к потоку в трубе, рис.7.11, в котором давление больше атмосферного, то вода в трубке поднимется на некоторую высоту Н', которая определится так

,

где pизб - избыточное давление в данном сечении трубы; ρ – плотность жидкости. Этот прием является способом выражать давление высотой столба данной жидкости. Например, давление 1 ат = 98000 Н/м2 =98000 Па будет соответствовать высоте водяного столба

м.вод.ст.

Иногда говорят вместо давления – напор, например, напор в сети равен 10 м (он соответствует давлению 1 ат); при этом если к трубе присоединить тонкую вертикальную трубку, то в ней вода поднимется на высоту 10 м (рис. 7.12).

Н'

Рис. 7.11 Рис. 7.12

Задача 7.4. Определить высоту h поднятия воды в запаянной с одного конца трубке, опущенной в сосуд с водой при нормальном атмосферном давлении на ее поверхности, если над поверхностью воды в трубке будет безвоздушное пространство с давлением p=0.

Решение. Представив в поперечном сечении трубки на уровне свободной поверхности тонкую площадку, рассмотрим условие равновесия всех сил, действующих на эту площадку. Сверху на нее будет действовать только гидростатическое давление от столба высотой h, pgh. Снизу на эту площадку будет передаваться атмосферное давление pаgh и искомая величина равна

м.

Такую величину имеет столб воды, создающий давление нормальной атмосферы. Рассмотренная трубка является известным прибором – барометром. Для измерения величины атмосферного давления неудобно применять трубки высотой 10,33 м и поэтому в качестве жидкости в них применяется ртуть, имеющая плотность, в 13,6 раз большую, чем вода.

Задача 7.5. Определить высоту поднятия ртути в ртутном барометре. Принять pа=1,033 кг/см2, плотность ртути =13600 кг/м3.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]