Гидромеханические процессы

В капиллярах сопротивление  жидкости растяжению увеличивается. В  обычных же условиях сопротивление  растяжению внутри капельных жидкостей очень мало, и поэтому иногда считают, что жидкости неспособны, выдерживать отрицательные нагрузки.

Испаряемость и  кавитация. Испаряемость жидкостей  зависит от температуры и давления. При снижении давления в жидкости и при повышении температуры упругость паров увеличивается и жидкость закипает. Под упругостью паров обычно понимают парциальное (частичное) давление насыщенных паров жидкости над ее поверхностью, при котором пары находятся в равновесии с жидкостью, т. е. когда процессы испарения и конденсации взаимно уравновешены: 

В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении и температуре) вода содержит около 2% объема растворенного в ней  воздуха. Очевидно, что при повышении  температуры и понижении давления, когда вместе с испарением жидкости в ней начнут выделяться пузырьки воздуха. Появление в воде паровоздушных пузырьков называется кавитацией.

Жидкость, содержащая паровоздушную смесь, приобретает  свойства, отличные от свойств воды: сжимаемость ее значительно возрастает. Попадая в область повышенного давления, пузырьки пара конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Это явление происходит мгновенно и сопровождается сильными ударами с резким повышением давления, в несколько тысяч раз превосходящего атмосферное. Так как микроудары многократно повторяются на очень малой площадке, происходит разрушение твердой поверхности. В результате имеет место так называемая кавитационная эрозия.

Явление кавитации  уменьшает пропускную способность трубопроводов, снижает подачу и КПД насосов. Кавитационная эрозия приводит к разрушению лопастей гидравлических турбин, насосов, гребных винтов и даже бетонных гидротехнических сооружений.

Вязкость. Вязкостью  называется свойство жидкости сопротивляться сдвигу или скольжению одних слоев жидкости относительно других, так как между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения и касательные напряжения.

Впервые предположение  о наличии сил внутреннего  трения высказал И. Ньютон в 1686 г., а  достоверность этой гипотезы экспериментально обосновал и подтвердил профессор Н. П. Петров в 1883 г. Согласно гипотезе И. Ньютона величина сил внутреннего трения между слоями не зависит от давления, а зависит от рода жидкости, площади соприкосновения слоев и относительной скорости перемещения.

Чтобы лучше понять это утверждение, рассмотрим рисунок 1.1. При движении вязкой жидкости вдоль  твердой стенки происходит торможение потока за счет трения частиц жидкости о стенку. В результате скорости движения слоев и будут уменьшаться по мере приближения их к стенке. Очевидно, что в непосредственной близости от стенки будет находиться заторможенный элементарный слой, где скорость близка к нулю.

Различие в скоростях  движения приводит к тому, что происходит проскальзывание соседних слоев и возникновение касательных напряжений.

Физический смысл  коэффициента динамической вязкости можно  понять, приняв du/dy =1. Тогда из уравнения. Таким образом, коэффициент динамической вязкости можно рассматривать как  напряжение внутреннего трения при градиенте скорости, равном единице.

Текучесть жидкостей  характеризуется величиной, обратной коэффициенту динамической вязкости.  
 
 

Из закона трения, описываемого уравнением, видно, что  напряжение трения может возникать  только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации. В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю; следовательно, касательные напряжения также равны нулю. Жидкости, для которых приемлема зависимость получили  название нормальных или ньютоновских.

Однако существуют жидкости, для которых зависимость    неприемлема. К ним относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, смазочные масла при низких температурах, расплавленные металлы при температурах, близких к температуре кристаллизации, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста). Такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими. Они отличаются от нормальных (ньютоновских) наличием сил трения даже в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкостей в движение до определенного напряженного состояния. Их движение начинается только после преодоления некоторого предельного значения касательного напряжения то, которое не зависит от градиента скорости по нормалям.

Особенность движения аномальных жидкостей была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым еще в 1889 г., а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г. Поэтому их иногда называют бингемовскими или шведовскими.

Вязкость капельных  жидкостей в значительной степени  зависит от температуры. Например, с повышением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а воздуха увеличивается. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены значительно ближе друг к другу, чем в газах. Так как вязкость обусловлена силами межмолекулярного сцепления, а эти силы с увеличением температуры жидкости уменьшаются, то и вязкость ее уменьшается. В то же время в газах молекулы движутся беспорядочно, а с ростом температуры беспорядочность теплового движения молекул возрастает, что вызывает увеличение вязкости.

Для таких жидкостей, как бензин, керосин, спирт, молоко и  другие, характерны низкие значения вязкости, в то время как вязкость патоки, мазута, глицерина и других довольно значительна.

Вязкость играет существенную роль при перекачивании  жидкости по трубам, при опорожнении резервуаров, при работе различных машин и механизмов. Особенно важна зависимость вязкости смазочных масел от температуры. Например, значительное снижение вязкости автомобильных масел при повышении температуры может сделать их слишком жидкотекучими. В результате ухудшаются их рабочие характеристики, что вызывает преждевременный износ двигателя. В связи с этим применяют специальные добавки, стабилизующие вязкость масел.

В гидравлике создана  модель абстрактной, не существующей в  природе жидкости, которая называется идеальной жидкостью. Для идеальной жидкости характерны следующие допущения:

абсолютная несжимаемость, т. е. неизменяемость объема под действием  внешних сил и температуры;

полное отсутствие вязкости, т. е. исключение возможности возникновения сил внутреннего трения.

Реальная жидкость отличается от идеальной, прежде всего  тем, что при ее движении возникают  касательные напряжения (внутреннее трение). В покоящейся жидкости касательные  напряжения всегда отсутствуют, и потому в гидростатике нет необходимости различать реальную и идеальную жидкости.

Использование модели идеальной жидкости позволяет проводить  исследования движущихся жидкостей  с применением современного математического  аппарата. Чтобы перейти от идеальных  жидкостей к реальным, необходимо либо учесть напряжения и деформации, которые возникают в реальных жидкостях, либо ввести дополнительные коэффициенты, полученные для реальных жидкостей экспериментальным путем.

В гидравлике принято  еще одно допущение. Жидкость рассматривается как непрерывная, сплошная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков, которую называют континуум (от латинского слова continuum — непрерывное). Исходя из этого, считают, что и физические характеристики, определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и изменяются в занятом ею объеме непрерывно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Гидравлические  машины. 

для перемещения  и сжатия газов, а также их сжижения, охлаждения и др. Перемещение газа осуществляется под действием разности давлений на двух участках потока в замкнутых каналах (трубопроводах, газоходах и т.д.) или без них. В последнем случае перемещение газов наз. вентиляцией. Необходимая разность давлений определяется требуемой скоростью газового потока и допускаемым гидравлич. сопротивлением системы, возникающим при движении газа по трубопроводу. Перепад давлений, обеспечивающий перемещение газов, достигается с помощью их сжатия, или компримирования. Конечное давление при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Согласно теории, газ может сжиматься изотермически или адиабатически. При изотермич. сжатии вся расходуемая энергия превращ. в теплоту, к-рая полностью отводится в окружающую среду. При адиабатич. сжатии теплообмен с ней отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на возрастание внутр. энергии газа и повышение его т-ры. Действит. процесс сжатия - политропический и рассматривается как совокупность последоват. изменений равновесных состояний газа. При этом изменяется его т-ра и часть теплоты отводится в окружающую среду 

Вентилятор — устройство для перемещения газа со степенью сжатия менее 1,15 (или разностью давлений на выходе и входе не более 15 кПа).

Отдельные приёмы организованной вентиляции закрытых помещений применялись  ещё в древности. Вентиляция помещений до начала XIX века сводилась, как правило, к естественному проветриванию. Теорию естественного движения воздуха в каналах и трубах создал М. В. Ломоносов. В 1795 В. X. Фрибе впервые изложил основные положения, определяющие интенсивность воздухообмена в отапливаемом помещении сквозь неплотности наружных ограждений, дверные проёмы и окна, положив этим начало учению о нейтральной зоне. В начале XIX в. получает развитие вентиляция с тепловым побуждением приточного и удаляемого из помещения воздуха. Отечественные учёные отмечали несовершенство такого рода побуждения и связанные с ним большие расходы теплоты. Академик Э. X. Ленд указывал, что полная вентиляция может быть достигнута только механическим способом.С появлением центробежных вентиляторов технология вентиляции помещений быстро совершенствуется. Первый успешно работавший центробежный вентилятор был предложен в 1832 А. А. Саблуковым. В 1835 этот вентилятор был применён для проветривания Чагирского рудника на Алтае. Саблуков предложил его и для вентиляции помещений, трюмов кораблей, для ускорения сушки, испарения и т. д. Широкое распространение вентиляции с механическим побуждением движения воздуха началось с конца XIX века. 
 

Турбокомпрессор или газотурбинный  нагнетатель — устройство, использующее энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Процессы

Фильтрование

Фильтрование (лат. filtrum — войлок, англ., франц. filtration)- это процесс разделения неоднородных систем (например, суспензия, аэрозоль) при помощи пористых перегородок, пропускающих дисперсионную среду и задерживающих дисперсную твёрдую фазу. 
 

Техника фильтрования 

Фильтрование  жидкостей в лаборатории проводят с помощью воронок.

Фильтрование  осуществляется либо в режиме постоянной разности давлений (например, вакуум-фильтры), либо в режиме постоянной скорости (например, рамный фильтр-пресс).

Все современные  способы очистки можно разделить  укрупненно на две группы: механические фильтры, являющиеся перфорированной перегородкой той или иной конструкции, и очистители в силовых полях (гравитационные, центробежные, магнитные, электростатические). Недостатком первых является малая грязеемкость, увеличение перепада давления по мере забивания отверстий или пор в перегородке, наличие байпасного клапана, перепускающего без очистки часть жидкости из линии загрязненной жидкости в линию очищенной жидкости, ограничения по степени загрязненности, подаваемой на очистку жидкостей, большие габаритные размеры, увеличивающиеся по мере увеличения пропускной способности или тонкости очистки, и др. Все это приводит к необходимости периодической замены или регенерации фильтрующего элемента, встройки сигнальных устройств и т.п. Следует попутно отметить, что запыленность окружающей среды зачастую настолько велика, что простая замена фильтроэлементов в гидросистемах вносит загрязнений больше, чем изнашивание за все время эксплуатации.

Очистка в  силовых полях при достаточно большой грязеемкости имеет свои недостатки. К ним относятся для  гравитационной очистки (осаждения) большое время на очистку, большие площади очистительных ванн, малая производительность, зависимость от плотности частиц, температурных и других условий; для центрифуг – сложность конструкции, невозможность встройки непосредственно в технологический цикл, необходимость периодической разборки для очистки с последующей балансировкой, огромные энергетические затраты на очистку и др.; для магнитной очистки – отбор в основном ферромагнитных частиц, необходимость в малой скорости обтекания (до 0,01м/с), тонкость слоя жидкости, в котором магнитное воздействие эффективно, невозможность удерживания на магните большой массы уловленных частиц, зависимость от температуры, ударов (для постоянных магнитов) и др; для электростатической очистки – возможность работы только в токонепроводящих жидкостях, низкая производительность.

Выходом из этого положения в области  очистки различных жидкостей  явился принцип гидродинамической  очистки. В ее основе лежит создание возле каждой ячейки фильтроэлемента потоков, которые позволяют проникнуть через отверстие только частицам, размер которых заведомо (в 3÷10 раз) меньше размера отверстия. Более крупные частицы сбрасываются из фильтра или складируются в бункере. Реализуется основной принцип: задача фильтра не в том, чтобы задержать на поверхности фильтроэлемента недопустимо крупные частицы, а в обеспечении чистоты жидкости, прошедшей через фильтр. Благодаря такому принципиальному решению фильтроэлемент не засоряется и не требует технического обслуживания в течение длительного времени работы, не нуждается в сменных элементах либо периодической регенерации имеет меньший и постоянный перепад давления, большую пропускную способность.

В технике  фильтрование осуществляют в специальных  аппаратах — фильтрах, снабжённых пористыми фильтровальными перегородками, которые пропускают жидкость или газ, но задерживают твёрдую фазу (например, рукавные фильтры). 
 

Центрифугирование

Центрифугирование — разделение неоднородных систем (напр., жидкость — твердые частицы) на фракции по плотности при помощи центробежных сил. Центрифугирование осуществляется в аппаратах, называемых центрифугами. Центрифугирование применяется для отделения осадка от раствора, для отделения загрязненных жидкостей, производится также центрифугирование эмульсий (напр., сепарирование молока). Для исследования высокомолекулярных веществ, биологических систем применяют ультрацентрифуги. Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях.