Гидравлика пищевых производств

2.2. Гидравлика пищевых производств

Гидромеханические процессы, связанные с перемещением жидкостей, сжатием и перемещением газов иногда называют гидравлическими по названию раздела гидромеханики – гидравлике, рассматривающей жидкости и газы как рабочие тела различных технических систем.

Гидравлика представляет собой науку, изучающую законы равновесия и механического движения жидкостей и разрабатывающую методы применения этих законов для различных прикладных задач.

Гидравликой рассматриваются вопросы покоя и движения жидкостей в двух разделах – гидростатике и гидродинамике. Гидростатика рассматривает законы равновесия в состоянии покоя, гидродинамика – законы движения жидкостей и газов.

2.2.1. Гидростатика

В гидростатике равновесие жидкостей рассматривается в состоянии относительного покоя, при котором в движущейся жидкости ее частицы не перемещаются друг относительно друга. Силы внутреннего трения отсутствуют, поэтому жидкость можно считать идеальной.

В состоянии покоя форма объема жидкости не изменяется и подобно твердому телу перемещается как единое целое.

Независимо от вида покоя на жидкость действуют силы тяжести и давления. В случае относительного покоя необходимо учитывать силу инерции переносного движения жидкости. Соотношение между силами, действующими на жидкость, которая находится в состоянии покоя, определяющему условия равновесия жидкости, выражается дифференциальными уравнениями равновесия Эйлера.

Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. В объеме жидкости, находящейся в покое (рис. 2.2), выделим элементарный параллелепипед объемом dV c ребрами dx, dy, dz, расположенными параллельно осям координат x, y, и z .

Рис. 2.2. К выводу дифференциальных уравнений равновесия Эйлера


Согласно основному принципу статики, сумма проекций на оси координат всех сил, действующих на элементарный объем, находящийся в равновесии, равна нулю.

Запишем уравнения равновесия для осей :

;

;

.

Раскрыв скобки, получим:

;

;

.

После преобразований получим дифференциальные уравнения Эйлера:

; .

Для нахождения закона распределения давления во всем объеме покоящейся жидкости p=f(x, y, z) необходимо проинтегрировать систему уравнений.

Основное уравнение гидростатики. Из уравнений следует, что p=f(z), т.к. и , иначе жидкость должна была бы двигаться по горизонтали.

В этом случае частная производная изменяется на полную производную , тогда ,

,

или

.

После интегрирования

(2.1)

для двух произвольных горизонтальных плоскостей 1 и 2 основное уравнение гидростатики имеет вид

.

Это уравнение можно записать как

или

. (2.2)

Уравнение (2.2) является выражением закона Паскаля, согласно которому давление, создаваемое в любой точке покоящейся несжимаемой жидкости, передается одинаково всем точкам ее объема.

При изменении p0 в точке z0 на какую-либо величину давление p во всякой другой точке изменяется на эту же величину (рис. 2.3).

Подпись: ZПодпись: H


Рис. 2.3. К основному уравнению гидростатики

2.2.2. Практическое приложение уравнения гидростатики

Принцип сообщающихся сосудов. Пусть два открытых сообщающихся сосуда заполнены жидкостью плотностью (рис. 2.4).

Рассмотрим произвольную плоскость сравнения 0 - 0 и некоторую точку А внутри жидкости, лежащую в этой плоскости. Если считать точку А принадлежащей левому сосуду, то, согласно уравнению (2.2), давление в этой точке равно:

.

Если считать точку А принадлежащей правому сосуду, то давление в ней равно:

(0, т.к. плоскость 0 - 0 проходит через точку А).

При равновесии для каждой точки давление одинаково в любом направлении, иначе бы происходило перемещение жидкости. Следовательно

или

.

Аналогичный вывод можно сделать, если рассмотреть сообщающиеся сосуды, в которых давление над свободной поверхностью жидкости одинаково.

Подпись: Z0”Подпись: Z0”Подпись: Z0’


Рис. 2.4. Условия равновесия в сообщающихся сосудах:

а – однородная жидкость; б – разнородные (несмешивающиеся) жидкости

Таким образом, в открытых или закрытых сообщающихся сосудах, находящихся под одинаковым давлением и заполненных однородной жидкостью, уровни последней располагаются на одной высоте независимо от формы и поперечного сечения сосудов.

Если сосуды заполнены одной жидкостью плотностью , но давления над уровнем жидкости в них неодинаковы и равны , то

откуда

. (2.3)

Уравнение (2.3) применяется при измерении давлений или разностей давлений с помощью дифференциальных -образных манометров.

Пневматическое измерение количества жидкости в подземных резервуарах. Для контроля за количеством жидкости в подземном резервуаре устанавливают трубу, нижний конец которой доходит почти до днища. Давление над жидкостью в резервуаре равно .

По трубе подают сжатый воздух или другой газ, постепенно повышая его давление, измеряемое манометром. Когда воздух преодолеет сопротивление столба жидкости в резервуаре и начнет барботировать через слой жидкости, давление, измеряемое манометром, перестанет возрастать и станет равным:

.

Отсюда уровень жидкости в резервуаре равен:

.

По величине и известной площади поперечного сечения резервуара определяют объем находящейся в нем жидкости.


Гидростатические машины. На использовании основного уравнения гидростатики основана работа гидравлических прессов, домкратов, гидроцилиндров и др. Если в гидропрессе (рис. 2.5) приложить небольшое усилие к поршню 1, перемещаемому в цилиндре меньшего диаметра , и создать давление на поршень, то, согласно закону Паскаля, такое же давление будет приходиться на поршень 2 в цилиндре с большим диаметром , при этом сила давления на поршень 1 составит

,

а сила давления на поршень 2

.

В результате поршень в цилиндре большего диаметра передает силу давления во столько раз большую, чем сила, приложенная к поршню в цилиндре меньшего диаметра, насколько поперечное сечение цилиндра 2 больше, чем цилиндра 1.

Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Если жидкость помещена в сосуд любой формы, то гидростатическое давление во всех точках горизонтального дна сосуда одинаково, а давление на боковые стенки возрастает с увеличением глубины погружения.

Гидростатическое давление на дно сосуда в соответствии с уравнением гидростатики

,

где – высота жидкости в сосуде.

Сила давления на горизонтальное дно не зависит от формы сосуда и объема жидкости в нем и определяется лишь только высотой столба жидкости и площадью дна сосуда:

.

Гидростатическое давление жидкости на вертикальную стенку изменяется по высоте. Сила давления на стенку рассчитывается по формуле

,

где – расстояние от верхнего уровня жидкости до центра тяжести смоченной площади F стенки.

2.3. Гидродинамика

Движущей силой при течении жидкости является разность давлений, которая создается с помощью насосов или компрессоров, либо вследствие разности уровней или плотностей жидкости.

Знание законов гидродинамики позволяет находить Δp, необходимое для перемещения заданного количества жидкости с требуемой скоростью, а значит и расход энергии на это перемещение. И наоборот, определить скорость и расход жидкости при заданном Δp.

Различают внутреннюю, внешнюю и смешанную задачи гидродинамики.

К внутренней задаче гидродинамики относятся вопросы изучения закономерностей движения жидкости и газов внутри труб и каналов. Внешняя задача связана с изучением закономерностей обтекания жидкостями и газами различных тел (процессы осаждения, механического перемешивания и т.д.). Смешанная задача заключается в изучении движения жидкости и газов через зернистые и пористые слои твердых материалов. Жидкость в этом случае движется одновременно внутри каналов сложной формы и обтекает твердые частицы (процессы фильтрования, течения жидкостей и газов через насадки массообменных аппаратов, реакторов с твердым катализатором и т.п.).

2.3.1. Основные характеристики движения жидкостей

Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр. При движении жидкости через площадь поперечного сечения любой формы, отличающейся от круглой, в качестве расчетного линейного размера применяют гидравлический радиус или эквивалентный диаметр.

Гидравлический радиус представляет собой отношение площади поперечного сечения трубы или канала, через которое протекает жидкость, к смоченному периметру.

Для круглой трубы:

.

Диаметр, выраженный через гидравлический радиус, представляет собой эквивалентный диаметр

,

следовательно

.

Эквивалентный диаметр равен диаметру гипотетического трубопровода круглого сечения, для которого отношение площади F к смоченному периметру П то же, что и для заданного трубопровода некруглого сечения.

Для квадрата со сторонами a и b эквивалентный диаметр равен:

.

Для кольцевого сечения с внутренним диаметром D большого трубопровода и наружным малого d:

.

Для круглой трубы:

.

Установившиеся и неустановившиеся потоки. Движение жидкости называется установившимся или стационарным, если скорости частиц потока и другие параметры, влияющие на его движение, например, , р, Т, не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства. Расходы жидкости при установившемся течении через поперечные сечения канала также не зависят от времени.

При установившемся движении жидкости проекция скорости , может быть переменной в любой из точек , но не меняется со временем, т.е. .

В отличие от стационарного при неустановившемся или нестационарном потоке факторы, влияющие на движение жидкости, изменяются во времени

, т.е. .

Установившиеся условия движения жидкости характерны для непрерывных процессов химической технологии. Неустановившееся течение жидкости происходит главным образом в периодических процессах или возникает кратковременно в непрерывных процессах в период пуска или изменения режима работы установки.

Для каждой движущейся частицы жидкости изменение ее параметров во времени и пространстве выражается не частной, а полной производной во времени, называемой в гидродинамике субстанциональной производной. По смыслу ее называют производной, следующей за потоком.

Обозначим через любую величину, изменяющуюся в потоке жидкости как во времени, так и в пространстве, например: плотность, давление, температуру, концентрацию или любую из составляющих скорости жидкости в направлении осей координат .

Допустим, что при наблюдении за движением потока можно мгновенно регистрировать значение параметра в каждый момент времени и в любой точке потока. Изменение параметра в единицу времени для фиксированной точки пространства выражается частной производной , а изменение в указанной точке за бесконечно малый промежуток времени . Это изменение является местным или локальным изменением данной переменной. При установившемся движении .

Если наблюдатель перемещается вместе с потоком, с какой–либо частицей, то за время частица потока переместится из точки А с координатами в точку В с координатами и .

В результате перемещения из точки А в точку В изменения , соответствующие проекциям пути , равны и . Эти изменения не связаны с изменением во времени в какой–либо фиксированной точке пространства. Если бы не было локального изменения , то при переходе частицы из точки А в точку В значение изменилось бы на величину

.

Это выражение представляет собой конвективное изменение параметра .

Полное изменение при неустановившемся движении представляет собой сумму локального и конвективного изменений:

,

откуда изменение параметра за малый промежуток времени:

,

, ,

тогда

.

При установившемся движении ,

.

Последние выражения представляют собой субстанциональную производную для неустановившегося и установившегося течения жидкости. Они характеризуют изменение какого–либо параметра или свойства материи (субстанции) во времени при перемещении материальных частиц в пространстве. С учетом специфики понятия субстанциональную производную зачастую обозначают.

Уравнение неразрывности (сплошности) потока. Представляет собой зависимость между скоростями в потоке жидкости, для которого соблюдается условие сплошности, или неразрывности течения, т.е. не образуется пустот, не заполненных жидкостью.

Уравнение выражает фундаментальный закон сохранения массы (расхода).

Дифференциальное уравнение неразрывности для неустановившегося течения имеет вид

.

В установившемся потоке плотность не меняется во времени , поэтому уравнение неразрывности выглядит так:

.

Для капельных жидкостей, которые практически несжимаемы, а также для газов в условиях изотермического потока, при скоростях меньших скорости звука, , следовательно, уравнение неразрывности примет вид

.

Для трубопровода постоянного сечения в результате интегрирования дифференциального уравнения неразрывности для установившегося однонаправленного движения жидкости (в направлении оси ) получается зависимость

.

Если же площадь сечения трубопровода переменна, то интегрирование по площади приводит к зависимости

. (2.4)

Для трех сечений трубопровода одного и того же потока жидкости (рис.2.6).

или для массового расхода жидкости в трубопроводе переменного сечения

.

Согласно уравнению постоянства расхода, при установившемся течении жидкости, полностью заполняющей трубопровод, через каждое его поперечное сечение проходит в единицу времени одно и то же количество жидкости.

,

при

(2.5)

или для объемного расхода жидкости в трубопроводе переменного сечения

.

Из уравнения (2.5) следует, что скорости капельной жидкости в различных поперечных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений.

В соответствии с уравнением (2.4), массовый расход жидкости через начальное сечение трубопровода равен ее расходу через конечное сечение трубопровода. Таким образом, уравнение неразрывности является частным случаем закона сохранения массы и выражает материальный баланс потока.


Скорость и расход жидкости. Количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени, называется расходом жидкости.

Различают объемный (м3/с) и массовый (кг/с) расходы.

В разных точках поперечного сечения потока скорости частиц жидкости неодинаковы, поэтому в расчетах используют не истинные (локальные) скорости, а фиктивную среднюю скорость:

.

Объемный расход жидкости равен:

,

массовый расход – ,

массовая скорость жидкости – .

Режимы движения жидкостей. Характер движения жидкости зависит от скорости ее течения. Этот вопрос был решен в 1883 г. О. Рейнольдсом, который поставил простой убедительный опыт. Установка О. Рейнольдса показана на рис. 2.7. Характер движения жидкости устанавливается по степени размытости струйки подкрашенной жидкости, истекающей по трубке 2 из сосуда 1. В зависимости от высоты уровня жидкости в сосуде 1, устанавливалась та или иная скорость течения.

При малых скоростях течения струя окрашенной жидкости 3 не размывалась, что указывало на послойный характер движения жидкости. Такие течения были названы ламинарными.

При некоторой критической скорости струйка размывалась по всему сечению, что свидетельствовало о вихревом характере перемешивания жидкости по всему сечению трубы 4. Такой режим течения был назван турбулентным. Рейнольдс показал, что переход от одного режима течения к другому соответствует определенному значению безразмерной величины:

где – средняя скорость; – диаметр канала; – кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Безразмерная переменная впоследствии был названа числом или критерием Рейнольдса. Переход от ламинарного течения наступает при 2300 чаще всего наблюдается турбулентный режим течения. Однако при 2300 10000 режим течения неустойчиво турбулентный, или переходный.

Вышесказанное справедливо к стабилизированным изотермическим потокам в прямых трубах с малой шероховатостью стенок. Наличие различных возмущений, обусловленных шероховатостью стенок трубы, изменением скорости или направления течения потока, близость входа в трубу и т. п. могут существенно снизить значения критических чисел Рейнольдса.

Распределение скоростей в движущемся потоке жидкости. Распределение скоростей определяется режимом течения жидкости. При ламинарном режиме распределение может быть установлено законом Стокса:

,

представляющим параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода, где – текущий радиус, отсчитываемый от оси трубопровода; – скорость на оси трубопровода.

Средняя скорость по сечению трубопровода связана с максимальной скоростью следующим соотношением:

.

Уравнение, определяющее объемный расход жидкости при ее ламинарном движении в круглой прямой трубе, носит название уравнения Пуазейля:

.


2.3.2. Турбулентный режим

Была ли эта страница вам полезна?
Да!Нет
Большое спасибо!
Ваше мнение очень важно для нас.

Нет комментариевНе стесняйтесь поделиться с нами вашим ценным мнением.

Текст

Политика конфиденциальности