Лекции по теплотехнике и гидравлике. Основы гидравлики и теплотехники. Основные понятия и методы двух научных направлений

Методическое пособие «Основные законы гидравлики» представляет собой краткий теоретический курс, в котором излагаются основные термины и положения.

Пособие рекомендуется в помощь студентам специальности «Монтаж и эксплуатация систем и оборудования газоснабжения» при аудиторной или внеаудиторной самостоятельной работе и преподавателю дисциплин «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики», «Гидравлика».

В конце пособия приводится список вопросов для самоподготовки и список рекомендованной для изучения литературы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Методическая разработка

по дисциплине «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»:

«Основные законы гидравлики»

Аннотация

Введение…………………………………………………………………….....4

Гидростатика, основные понятия…………………………………….......5
Основное уравнение гидростатики………………………………………7
Виды гидростатического давления…......................................................8
Закон Паскаля, применение на практике………………………………...9
Закон Архимеда. Условие плавания тел………………………………..11
Гидростатический парадокс……………………………………………..13
Гидродинамика, основные понятия……………………………………..14
Уравнение неразрывности (сплошности)………………………………16
Уравнение Бернулли для идеальной жидкости…………………….......17
Уравнение Бернулли для реальной жидкости………………………….20
Вопросы для самостоятельной подготовки учащихся………………..22

Заключение…………………………………………………………………...23

Список литературы…………………………………………………..............24

Введение

Данное методическое пособие охватывает разделы «Гидростатика» и «Гидродинамика» дисциплины «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики». В пособии изложены основные законы гидравлики, рассмотрены основные термины и положения.

Материал излагается в соответствии с требованиями учебного плана данной дисциплины и учебно-методическим комплексом по специальности «Монтаж и эксплуатация систем и оборудования газоснабжения».

Пособие представляет собой теоретический курс, его можно использовать при изучении отдельных тем учебной дисциплины, а также для внеаудиторной самостоятельной работы.

Пожалуйста, обратите внимание, что завершающим этапом данного методического пособия является список вопросов для самоподготовки учащихся по всем изложенным темам.

1. Гидростатика, основные понятия

Гидростатика - раздел гидравлики, изучающий законы равновесия жидкостей и их взаимодействие с ограничивающими поверхностями.

Рассмотрим жидкость, находящуюся в состоянии абсолютного равновесия, т.е. в состоянии покоя. Выделим внутри жидкости некоторый бесконечно малый объем Δ V и рассмотрим силы, действующие на него извне.

Существует два вида внешних сил – поверхностные и объемные (массовые).

Поверхностные силы - это силы, действующие непосредственно на внешнюю поверхность выделенного объема жидкости. Они пропорциональны площади этой поверхности. Такие силы обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел.

Объемные (массовые) силы пропорциональны массе выделенного объема жидкости и действуют на все частицы внутри этого объема. Примерами объемных сил являются сила тяжести, центробежная сила, сила инерции и др.

Для характеристики внутренних сил, действующих на выделенный объем жидкости введем специальных термин. Для этого рассмотрим произвольный объем жидкости, находящейся в равновесии под действием внешних сил.

Внутри этого объема жидкости выделим очень малую площадку . Действующая на эту площадку сила нормальна (перпендикулярна) к ней, тогда соотношение:

представляет собой среднее гидростатическое давление, возникающее на площадке Δω . Иначе, можно охарактеризовать, что под действием внешних сил возникает напряженное состояние жидкости, характеризующееся возникновением гидростатического давления.

Чтобы определить точное значение р в данной точке, надо определить предел этого отношения при . что и определит истинное гидростатическое давление в данной точке:

Размерность [р] равна размерности напряжения, т.е.

[р]= [Па] или [кгс/м 2 ]

Свойства гидростатического давления

На внешней поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по внутренней нормали, а в любой точке внутри жидкости его величина не зависит от угла наклона площадки, на которой оно действует.

Поверхность, во всех точках которой гидростатическое давление одинаково называется поверхностью равного давления . К таким поверхностям относится и свободная поверхность , т. е. поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой.

Давление измеряют с целью непрерывного контроля и своевременного регулирования всех технологических параметров. Для каждого технологического процесса разрабатывается специальная режимная карта. Известны случаи, когда при бесконтрольном повышении давления многотонный барабан энергетического котла улетал, словно футбольный мяч, на несколько десятков метров, разрушая все на своем пути. Снижение давления не несет разрушений, но приводит к:

браку продукции;
перерасходу топлива.

Основное уравнение гидростатики

Рисунок 1 - Демонстрация основного уравнения гидростатики

Для любой точки жидкости, находящейся в состоянии равновесия (см. рис.1), справедливо равенство

z+p/γ = z 0 +p 0 /γ = ... = H ,

где p - давление в данной точке А (см. рис.); p 0 - давление на свободной поверхности жидкости; p/γ и p 0 /γ -высота столбов жидкости (с удельным весом γ), соответствующая давлениям в рассматриваемой точке и на свободной поверхности; z и z 0 - координаты точки А и свободной поверхности жидкости относительно произвольной горизонтальной плоскости сравнения (x0y); H - гидростатический напор. Из вышеприведенной формулы следует:

p = p 0 +γ(z 0 -z) или p = p 0 +γ·h

где h - глубина погружения рассматриваемой точки. Приведенные выше выражения называется основным уравнением гидростатики . Величина γ·h представляет вес столба жидкости высотой h.

Вывод: Гидростатическое давление p в данной точке равно сумме давления на свободной поверхности жидкости p 0 и давления, производимого столбом жидкости высотой, равной глубине погружения точки.

3. Виды гидростатического давления

Гидростатическое давление измеряется в системе СИ - Па. Кроме того, гидростатическое давление измеряется в кгс/см 2 , высотой столба жидкости (в м вод. ст., мм рт. ст. и т. д.) и в атмосферах физических (атм) и технических (ат).

Абсолютным называют давление, создаваемое на тело отдельно взятым газом без учета других атмосферных газов. Измеряют его в Па (паскалях). Абсолютное давление представляет собой сумму атмосферного и избыточного давлений.

Барометрическим (атмосферным) называют давление гравитации на все находящиеся в атмосфере предметы. Нормальное атмосферное давление создается 760 мм столбом ртути при температуре 0°С.

Вакуумом называют отрицательную разность между измеряемым и атмосферным давлением.

Разность между абсолютным давлением p и атмосферным давлением p а называется избыточным давлением и обозначается р изб :

р изб = p - p а

или

р изб /γ = (p - p а )/γ = h п

h п в этом случае называется пьезометрической высотой , которая является мерой избыточного давления.

На рис. 2 а) показан закрытый резервуар с жидкостью, на поверхности которой давление p 0 . Подключенный к резервуару пьезометр П (см. рис. ниже) определяет избыточное давление в точке А .

Абсолютное и избыточное давления, выраженные в атмосферах, обозначаются соответственно ата и ати.

Вакуумметрическое давление, или вакуум , - недостаток давления до атмосферного (дефицит давления), т. е. разность между атмосферным или барометрическим и абсолютным давлением:

р вак = p а - p

или

р вак /γ = (p а - p)/γ = h вак

где h вак - вакуумметрическая высота, т. е. показание вакуумметра В , подключенного к резервуару, показанному на рис. 2 б). Вакуум выражается в тех же единицах, что и давление, а также в долях или процентах атмосферы.

Рисунок 2 а - Показания пьезометра Рисунок 2 б - Показания вакуумметра»

Из последних двух выражений следует, что вакуум может изменяться от нуля до атмосферного давления; максимальное значение h вак при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) равно 10,33 м вод. ст.

4. Закон Паскаля, его применение на практике

Согласно основному уравнению гидростатики, давление на поверхности жидкости p 0 передается всем точкам объема жидкости и по всем направлениям одинаково. В этом и заключается закон Паскаля .

Этот закон был открыт французским ученым Б. Паскалем в 1653 г. Его иногда называют основным законом гидростатики.

Закон Паскаля можно объяснить с точки зрения молекулярного строения вещества. В твердых телах молекулы образуют кристаллическую решетку и колеблются около своих положений равновесия. В жидкостях и газах молекулы обладают относительной свободой, они могут перемещаться друг относительно друга. Именно эта особенность позволяет передавать давление, производимое на жидкость (или газ), не только в направлении действия силы, но и во всех направлениях.

Закон Паскаля нашел широкое применение в современной технике. На законе Паскаля основана работа современных суперпрессов, позволяющих создавать давления порядка 800 МПа. Также на этом законе построена работа систем гидроавтоматики, управляющей космическими кораблями, реактивными авиалайнерами, станками с числовым программным управлением, экскаваторами, самосвалами и т.д.

Закон Паскаля неприменим в случае движущейся жидкости (газа), а также в случае, когда жидкость (газ) находится в гравитационном поле; так, например, известно, что атмосферное и гидростатическое давление уменьшается с высотой.

Рисунок 3 - Демонстрация закона Паскаля

Рассмотрим самое известное устройство, использующее в принципе своего действия закон Паскаля. Это гидравлический пресс.

Основой любого гидравлического пресса являются сообщающиеся сосуды в виде двух цилиндров. Диаметр одного цилиндра значительно меньше диаметра другого цилиндра. Цилиндры заполнены жидкостью, например, маслом. Сверху они плотно закрыты поршнями. Как видно из рис. 4, приведенного ниже, площадь одного поршня S 1 во много раз меньше площади другого поршня S 2 .

Рисунок 4 - Сообщающиеся сосуды

Допустим, к малому поршню приложена сила F 1 . Эта сила будет действовать на жидкость, распределяясь по площади S 1 . Давление, оказываемое малым поршнем на жидкость, можно рассчитать по формуле:

По закону Паскаля это давление будет передаваться без изменений в любую точку жидкости. Это значит, что давление, оказываемое на большой поршень p 2 , будет таким же:

Отсюда следует:

Таким образом , сила, действующая на большой поршень, будет во столько раз больше силы, приложенной к малому поршню, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня.

В итоге гидравлическая машина позволяет получить выигрыш в силе , равный отношению площади большего поршня к площади меньшего поршня.

5. Закон Архимеда. Условие плавания тел

На тело, погруженное в жидкость, кроме силы тяжести, действует выталкивающая сила - сила Архимеда. Жидкость давит на все грани тела, но давление это неодинаково. Ведь нижняя грань тела погружена в жидкость больше, чем верхняя, а давление с глубиной возрастает. То есть сила, действующая на нижнюю грань тела, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю грань. Поэтому возникает сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.

Значение архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.

Закон Архимеда : на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела.

Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле:

где ρ ж – плотность жидкости, V пт – объем погруженной в жидкость части тела.

На тело, которое находится внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Существует три условия плавания тел (рис. 5):

если сила тяжести больше архимедовой силы, тело будет тонуть, опускаться на дно;
если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело может находиться в равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости;
если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело будет всплывать, поднимаясь вверх.

Рисунок 5 - Условия плавания тел

Закон Архимеда используют и для воздухоплавания. Впервые воздушный шар в 1783 году создали братья Монгольфье. В 1852 году француз Жиффар создал дирижабль - управляемый аэростат с воздушным рулем и винтом.

6. Гидростатический парадокс

Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то, несмотря на различный вес налитой жидкости, сила давления на дно одинакова для всех сосудов и равна весу жидкости в цилиндрическом сосуде.

Это явление называется гидростатическим парадоксом и объясняется свойством жидкости передавать во все стороны производимое на нее давление.

В сосудах различной формы (рис. 6), но с одинаковой площадью дна и одинаковым уровнем жидкости в них, давление жидкости на дно будет одинаковым. Его можно рассчитать:

P = p ⋅ S = g ⋅ ρ ⋅ h ⋅ S

S – площадь дна

h – высота столба жидкости

Рисунок 6 - Сосуды разной формы

Сила, с которой жидкость давит на дно сосуда, не зависит от формы сосуда и равна весу вертикального столба, основанием которого является дно сосуда, а высотой – высота столба жидкости.

В 1618 г. Паскаль поразил своих современников, разорвав бочку всего кружкой воды, влитой в тонкую высокую трубку, вставленную в бочку.

7. Гидродинамика, основные понятия

Гидродинамикой называется раздел гидравлики, изучающий законы движения жидкостей под действием приложенных внешних сил и их взаимодействие с поверхностями.

Состояние движущейся жидкости в каждой ее точке характеризуется не только плотностью и вязкостью, но и главное – скоростью частиц жидкости и гидродинамическим давлением.

Основным объектом изучения является поток жидкости, под которым понимается движение массы жидкости, ограниченной полностью или частично какой-либо поверхностью. Ограничивающая поверхность может быть твердой (например, берега реки), жидкой (граница раздела между агрегатными состояниями) или газообразной.

Течение жидкости может быть установившимся и неустановившимся. Установившимся движением называется такое движение жидкости, при котором в данной точке русла давление и скорость не изменяются во времени

υ = f(x, y, z) и р = f(x, y, z)

Движение, при котором скорость и давление изменяются не только от координат пространства, но и от времени, называется неустановившимся или нестационарным υ = f(x, y, z, t) и р = f(x, y, z, t)

Примером установившегося движения может послужить истечение жидкости из сосуда с поддерживаемым постоянно уровнем через коническую трубку. Скорость движения жидкости в разных сечениях трубки будет различаться, но в каждом из сечений эта скорость будет постоянной, не изменяющейся во времени.

Если же в подобном опыте уровень жидкости в сосуде не поддерживать постоянным, то движение жидкости по той же конической трубке будет иметь нестационарный (неустановившийся) характер, поскольку в сечениях трубки скорость не будет постоянной во времени (будет уменьшаться с понижением уровня жидкости в сосуде).

Различают напорное и безнапорное движение жидкости. Если стенки полностью ограничивают поток жидкости, то движение жидкости называют напорным (например, перемещение жидкости по полностью заполненным трубам). Если же ограничение потока стенками частичное (например, движение воды в реках, каналах), то такое движение называют безнапорным.

Направление скоростей в потоке характеризуется линией тока.
Линия тока – воображаемая кривая, проведенная внутри потока жидкости таким образом, что скорости всех частиц, находящихся на ней в данный момент времени, касательны к этой кривой.

Рисунок 7 – Линия тока

Линия тока отличается от траектории тем, что последняя отражает путь какой-либо одной частицы за некоторый промежуток времени, тогда как линия тока характеризует направление движения совокупности частиц жидкости в данный момент времени. При установившемся движении линии тока совпадает с траекториями движения частиц жидкости.

Если в поперечном сечении потока жидкости выделить элементарную площадку ΔS и провести через точки ее контура линии тока, то получится так называемая трубка тока . Жидкость, находящаяся внутри трубки тока, образует элементарную струйку . Поток жидкости можно рассматривать как совокупность всех движущихся элементарных струек.

Рисунок 8 – Трубка тока

Живым сечением ω (м²) называют площадь поперечного сечения потока, перпендикулярную к направлению течения. Например, живое сечение трубы – круг.

Смоченный периметр χ ("хи") - часть периметра живого сечения, ограниченное твердыми стенками (на рис. он выделен утолщенной линией).

Рисунок 9 – Живое сечение

Гидравлический радиус потока R - отношение живого сечения к смоченному периметру

Расход потока Q - объем жидкости V, протекающей за единицу времени t, через живое сечение ω.

Средняя скорость потока υ - скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω

Поскольку скорость движения различных частиц жидкости отличается друг от друга, поэтому скорость движения и усредняется. В круглой трубе, например, скорость на оси трубы максимальна, тогда как у стенок трубы она равна нулю.

Уравнение неразрывности (сплошности)

Уравнение неразрывности течений вытекает из закона сохранения вещества и постоянства расхода жидкости по всему течению. Представим трубу с переменным живым сечением.

Рисунок 10 – Демонстрация уравнения неразрывности струи

Расход жидкости через трубу в любом ее сечении постоянен, т.к. выполняется закон сохранения энергии. Также будем считать, что жидкость несжимаема. Таким образом, Q 1 = Q 2 = const, откуда

ω 1 υ 1 = ω 2 υ 2

Или возможна другая запись этого уравнения:

Т.е. средние скорости v 1 и v 2 обратно пропорциональны соответствующим площадям живых сечений w 1 и w 2 потока жидкости.

Итак, уравнение неразрывности выражает постоянство объемного расхода Q , и условие неразрывности струи жидкости, по длине установившегося потока жидкости.

9. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости

Уравнение Даниила Бернулли, полученное в 1738 г. показывает связь между давлением р, средней скоростью υ и пьезометрической высотой z в различных сечениях потока и выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости.

Рассмотрим трубопровод переменного диаметра, расположенный в пространстве под углом β (см.рис.10)

Рисунок 11 – Демонстрация уравнения Бернулли для идеальной жидкости

Выберем произвольно на рассматриваемом участке трубопровода два сечения: сечение 1-1 и сечение 2-2. Вверх по трубопроводу от первого сечения ко второму движется жидкость с расходом Q.

Для измерения давления жидкости применяют пьезометры - тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту . В каждом сечении установлены пьезометры, в которых уровень жидкости поднимается на разные высоты.

Кроме пьезометров в каждом сечении 1-1 и 2-2 установлена трубка, загнутый конец которой направлен навстречу потоку жидкости, которая называется трубка Пито. Жидкость в трубках Пито также поднимается на разные уровни, если отсчитывать их от пьезометрической линии.

Пьезометрическую линию можно построить следующим образом. Если между сечением 1-1 и 2-2 поставить несколько таких же пьезометров и через показания уровней жидкости в них провести кривую, то получим ломаную линию (показана на рисунке).

Но высота уровней в трубках Пито относительно произвольной горизонтальной прямой 0-0 (плоскости отсчета координат), называемой плоскостью сравнения, будет одинакова.

Если через показания уровней жидкости в трубках Пито провести линию, то она будет горизонтальна, и будет отражать уровень полной энергии трубопровода.

Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид:

Так как сечения 1-1 и 2-2 взяты произвольно, то полученное уравнение можно переписать иначе:

Формулировка уравнения следующая:

Сумма трех членов уравнения Бернулли для любого сечения потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

С энергетической точки зрения каждый член уравнения представляет собой определенные виды энергии:

z 1 и z 2 - удельные энергии положения, характеризующие потенциальную энергию в сечениях 1-1 и 2-2; - удельные энергии давления, характеризующие потенциальную энергию давления в тех же сечениях; - удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Получается, что полная удельная энергия идеальной жидкости в любом сечении постоянна.

Также есть формулировка уравнения Бернулли с геометрической точки зрения. Каждый член уравнения имеет линейную размерность. z 1 и z 2 - геометрические высоты сечений 1-1 и 2-2 над плоскостью сравнения; - пьезометрические высоты; - скоростные высоты в указанных сечениях.

В этом случае уравнение Бернулли можно прочитать так: сумма геометрической, пьезометрической и скоростной высоты для идеальной жидкости есть величина постоянная.

10. Уравнение Бернулли для реальной жидкости

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости отличается от уравнения Бернулли для идеальной жидкости.

При движении реальной вязкой жидкости возникают силы трения, например, связанные с тем, что поверхность трубопровода обладает определенной шероховатостью, на преодоление которых жидкость затрачивает энергию. В результате полная удельная энергия жидкости в сечении 1-1 будет больше полной удельной энергии в сечении 2-2 на величину потерянной энергии.

Рисунок 12 – Демонстрация уравнения Бернулли для реальной жидкости

Потерянная энергия (потерянный напор) обозначаются имеет линейную размерность.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости будет иметь вид:

По мере движения жидкости от сечения 1-1 до сечения 2-2 потерянный напор все время увеличивается (потерянный напор выделен вертикальной штриховкой).

Таким образом, уровень первоначальной энергии, которой обладает жидкость в первом сечении, для второго сечения будет складываться из четырех составляющих: геометрической высоты, пьезометрической высоты, скоростной высоты и потерянного напора между сечениями 1-1 и 2-2.

Кроме этого в уравнении появились еще два коэффициента α 1 и α 2 , которые называются коэффициентами Кориолиса и зависят от режима течения жидкости (α = 2 для ламинарного режима, α = 1 для турбулентного режима).

Потерянная высота состоит из потерь напора по длине трубопровода, вызванных силой трения между слоями жидкости, и потерь, вызванных местными сопротивлениями (изменениями конфигурации потока, например, задвижка, поворот трубы)

H длин + h мест

С помощью уравнения Бернулли решается большинство задач практической гидравлики. Для этого выбирают два сечения по длине потока, таким образом, чтобы для одного из них были известны величины р, ρ, а для другого сечения одна или величины подлежали определению. При двух неизвестных для второго сечения используют уравнение постоянства расхода жидкости υ 1 ω 1 = υ 2 ω 2 .

11. Вопросы для самостоятельной подготовки учащихся

Благодаря действию каких сил тело плавает в воде? Объясните условия, при которых тело начинает тонуть.
В чем, по вашему мнению, заключается отличие идеальной жидкости от реальной? Существует ли идеальная жидкость в природе?
Какие виды гидростатического давления Вы знаете?
Если определять гидростатическое давление в точке жидкости на глубине h , то какие силы будут действовать на эту точку? Назовите и объясните ответ.
Какой физический закон лежит в основе уравнения неразрывности и уравнения Бернулли? Объясните ответ.
Назовите и кратко охарактеризуйте устройства, принцип действия которых основан на законе Паскаля.
В чем заключается физическое явление, называемое гидростатическим парадоксом?
Коэффициент Кориолиса, средняя скорость потока, давление, потери напора по длине трубопровода….Объясните какое уравнение, связывает все эти величины, и что еще не указано в этом перечислении.
Назовите формулу, связывающую удельный вес и плотность.
Уравнение неразрывности струи жидкости играет достаточно важную роль в гидравлике. Для какого вида жидкости оно справедливо? Объясните свой ответ.
Назовите фамилии всех ученых, названных в этом методическом пособии, и кратно поясните их открытия.
Существуют ли в окружающем нас мире идеальная жидкость, линия тока, вакуум? Объясните свой ответ.
Назовите приборы для измерения различных видов давления по схеме: «Вид давления….. – прибор …..».
Приведите примеры из повседневной жизни виды напорного и безнапорного движения жидкости, стационарного и неустановившегося.
Для каких целей применяются на практике пьезометр, барометр и трубка Пито?
Что произойдет, если при измерения давления обнаружат, что оно намного выше нормативных значений? А если меньше? Объясните свой ответ.
В чем отличие объектов изучения разделов «гидростатика» и «гидродинамика»?
Объясните геометрический и энергетический смысл уравнения Бернулли?
Смоченный периметр, живое сечение.…Продолжите этот список и объясните, что характеризуют перечисленные термины.
Перечислите, какие законы гидравлики Вы узнали из данного методического пособия, и какой физический смысл они в себе несут?

Заключение

Надеюсь, что данное методическое пособие поможет студентам лучше усвоить учебный материал дисциплин «Гидравлика», «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики» и главное – получить представление о самых «ярких» моментах изучаемой дисциплины, т.е. об основных законах гидравлики. На этих законах основана работа многих устройств, которые мы используем в работе и в повседневной жизни, часто даже не догадываясь об этом.

С уважением, Маркова Н.В.

Список литературы

Брюханов О.Н. Основы гидравлики и теплотехники: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И - М.: ИЦ Академия, 2008. - 240 c.
Брюханов О.Н. Основы Гидравлики, теплотехники и аэродинамики: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И. - М.: Инфра-М, 2014, 253 с.
Гусев А. А. Основы гидравлики: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования / А. А. Гусев. - М.: Издательство Юрайт, 2016. - 285 с.
Ухин Б.В. Гидравлика: Учебник для студ. учрежд. сред. проф. образования/ Ухин Б.В., Гусев А.А. - М.: Инфра-М, 2013, 432 с.

Контрольная работа

Основы гидравлики и теплотехники

давление гидростатический насос

Дано: Δt 0 =7 0 C, b t = 10 -4 °С -1 ; b w = 5´10 -10 Па -1

Определить Δр

Коэффициенты объемного сжатия b w и температурного расширения b t определяются по формулам:

где D W - изменение начального объема W н , соответствующее изменению давления на величину D p или температуры на величину D t ; W н - начальный объем, занимаемый жидкостью, до ее нагрева; W н1 - начальный объем, занимаемый жидкостью при атмосферном давлении после ее нагрева.

Из данных формул:

Находим искомую величину D p при изменении температуры на заданную величину D t °С:

Задача 2

Дано: r в = 1000 кг/м 3 ; g = 9,81 м/с 2 , Н=4 м, h=3,3 м, b=1,3 м, r кл =2,15∙10 3 кг/м 3

Требуется определить:

1. Силу избыточного гидростатического давления на 1 погонный метр длины стенки, предварительно построив эпюру гидростатического давления.

2. Положение центра давления.

3. Запас устойчивости K подпорной стенки на опрокидывание.

Ширину стенки b 3 при запасе устойчивости K = 3.

Решение

1) Для построения эпюры гидростатического давления на стенку следует в точках А и В определить избыточное давление по формуле:

, (1)

где- плотность воды,

h - глубина погружения данной точки под уровень воды, м.

При построении эпюры гидростатического давления следует помнить, что давление всегда направленно перпендикулярно площадке, на которую оно действует.

В точке А h A =0, следовательно, по формуле (1) избыточное давление равно нулю р А =0

В точке В h В =h, следовательно, по формуле (1) избыточное давление равно нулю р B =1000∙9,81∙3,3=32373 Па=32,4 кПа

В масштабе в 1 см = 10 кПа строим эпюру гидростатического давления - треугольник.

Сила избыточного гидростатического давления на плоскую стенку вычисляется по формуле:

, (3)

где p ц.т . - давление в центре тяжести смоченной поверхности, Па (Н/м 2);

w- площадь смоченной поверхности, м 2 , w=h∙1 п.м.

По формуле (1):

где h цт - расстояние от свободной поверхности жидкости до центра тяжести.

h цт = 3,3/2=1,65 м

Точка приложения суммарной силы избыточного гидростатического давления называется центром давления. Положение центра давления определяется по формуле:

, (4)

где L ц.д . - расстояние в плоской стенке от центра давления до свободного уровня жидкости, м; L ц.т . - расстояние в плоской стенке от центра тяжести стенки до свободного уровня жидкости, м; w - площадь смоченной поверхности, м; J - момент инерции смоченной плоской площадки относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести.

Для плоской прямоугольной фигуры:

Пог. м

Подставим в (4):

Найдем опрокидывающий момент .

Мопр=53,41∙(3,3-2,2)=58,75 кНм

Удерживающий момент относительно точки О равен:

где G - вес подпорной стенки, кН.

Вес стенки равен G=mg=ρклVg=ρкл b H 1 пм g

Где ρкл - плотность кладки.

Запас устойчивости на опрокидывание равен отношению удерживающего момента сил относительно точки О к опрокидывающему моменту:

М=71,29/58,75=1,21, поскольку значение K получилось меньше трех, то определим ширину стенки b 3 , которая бы удовлетворяла запасу устойчивости K = 3.

М уд1 =3Мопр=176,25 кНм

Полученное значение округлить до 5 сантиметров в большую сторону, получим ширину стенки .

Задача 3 (В0)

Дано: D=1,7 м, ρ=1000 кг/м 3 , Н=2 м

Определить величину и направление силы гидростатического давления воды на 1 метр ширины вальцового затвора

Суммарная сила избыточного гидростатического давления воды на цилиндрическую поверхность определяется по формуле:

где Р х - горизонтальная составляющая силы избыточного гидростатического давления, Н,

Р у - вертикальная составляющая силы избыточного гидростатического давления, Н.

,(6)

Где h цт - расстояние по вертикали от центра тяжести вертикальной цилиндрической поверхности до уровня воды, м,

Площадь вертикальной проекции цилиндрической поверхности, м 2 .

Вертикальная составляющая силы избыточного гидростатического давления определяется по формуле:

Где W - объем тела давления, м 3 . Вертикальная составляющая силы давления равна весу жидкости в объеме тела давления. Для нахождения тела давления цилиндрической поверхности разделим ее на 2 части: АВ и ВС, причем тело давления для поверхности АВ будет положительным, для ВС - отрицательным. Результирующий объем тела давления на всю цилиндрическую поверхность АВС и его знак находятся путем алгебраического суммирования тел давления на криволинейные поверхности АВ и ВС. Тело давления на рис.3. заштриховано.

По формуле (5) равнодействующая силы давления:

Сила избыточного гидростатического давления направлена по радиусу к центру цилиндрической поверхности под углом φ к вертикали:

Положение центра давления определяется по формуле:

Задача 4 (В0)

Дано: рис.5, k э = 0,1 мм, Q=3,5 л/с, d 1 =75 мм=0,075 м, d 2 =50 мм=0,05 м, d 3 =40 мм=0,04 м, l 1 =6 м, l 2 =2 м, l 1 =1 м, t=30 0 C

Требуется:

1. Определить скорости движения воды и потери напора (по длине и местные) на каждом участке трубопровода.

2. Установить величину напора Н в резервуаре.

Построить напорную и пьезометрическую линии, с соблюдением масштаба.

Решение

Составим уравнение Д. Бернулли в общем виде для сечения 0-0 (на свободной поверхности жидкости в резервуаре) и сечения 3-3 (на выходе потока из трубы), за плоскость сравнения принимаем ось трубопровода:

где z 0 , z 3 - расстояние от центров тяжести сечений 0 и 3 до произвольно выбранной горизонтальной плоскости сравнения; z 0 -z 3 =H,

p 0 , p 3 - давление в центрах тяжести живых сечений 0 и 3, р 0 =р 3 =р ат;

v 0 , v 3 - средняя скорость движения жидкости в живых сечениях 0 и 3;

a 0 , a 3 - коэффициент кинетической энергии (коэффициент Кориолиса) - поправочный коэффициент, представляющий собой безразмерную величину, равную отношению истинной кинетической энергии потока в рассматриваемом сечении к кинетической энергии, подсчитанной по средней скорости.

Скоростным напором в сечении 0-0 пренебрегаем

Для ламинарного режима движения a = 2, а для турбулентного a можно принять равным 1;

h 0-3 - потери напора на преодоление сил сопротивления при движении потока от сечения 1 до сечения 2; r = 1000 кг/м 3 ; g = 9,81 м/с 2 .

Тогда уравнение примет вид:

(7)

Определим скорости движения воды на каждом участке.

Скорость

Определим режим движения жидкости на каждом участке.

Число Рейнольдса:

где ν - коэффициент кинематической вязкости, для воды при t=30 0 C по приложению 1 n=0,009 cм 2 /c=0,009∙10 -4 м 2 /c

Режим течения жидкости на всех участках турбулентный, потому коэффициент гидравлического трения определяем по формуле Альтшуля:

, (12)

где k э - эквивалентная шероховатость стенки трубы.

Потери напора равны сумме потерь по длине и местных потерь:

h w =h l +h м

Потери напора по длине определяем по формуле Дарси:

1. Потери напора в местных сопротивлениях вычисляют по формуле Вейсбаха:

где V - средняя скорость за данным местным сопротивлением; z - безразмерный коэффициент местного сопротивления определяется по справочнику.

Потери по длине:

, по приложению 2 ξ вс1 =0,324

, по приложению 2 ξ вс2 =0,242

При вычислении потери напора на вход в трубу коэффициент местного сопротивления z вх равен 0,5.

Скоростной напор

Подставим в (7):

Н=0,40+0,06+0,16+0,26+0,05+0,10+0,02=1,05 м

Строится напорная линия. Напорная линия показывает, как изменяется полный напор: (полная удельная энергия) по длине потока. Значения Н откладываются вертикально вверх от осевой линии трубопровода.

При построении напорной линии нужно вертикалями выделить расчетные участки. Таких участков в данной задаче будет три. Далее в произвольно выбранном вертикальном масштабе откладывается от осевой линии величина найденного уровня жидкости в резервуаре Н . Проводя по этому уровню горизонтальную линию, получаем линию исходного (первоначального) напора. От уровня жидкости в резервуаре по вертикали, отвечающей сечению при входе жидкости в трубопровод, откладывается в масштабе вниз отрезок, равный потере напора при входе жидкости в трубу (потеря напора в местном сопротивлении h вх ). На участке L 1 имеет место потеря напора по длине трубопровода h L 1 . Для получения точки, принадлежащей напорной линии в конце участка L 1 , нужно от линии полного напора после входа жидкости в трубу отложить по вертикали в конце участка L 1 вниз в масштабе отрезок, соответствующий потере напора на этом участке h L 1 . Затем от точки полного напора в конце участка L 1 откладывается в масштабе отрезок, соответствующий потере напора в местном сопротивлении (внезапное расширение h вр ), и так до конца трубопровода. Соединяя точки полного напора в каждом сечении, получим напорную линию. Пьезометрическая линия показывает, как изменяется пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия), по длине потока. Удельная потенциальная энергия меньше полной удельной энергии на величину удельной кинетической энергии a v 2 / (2 g ). Поэтому, чтобы построить пьезометрическую линию, нужно вычислить на каждом участке величину a v 2 / (2 g ) в начале и в конце каждого участка и соединяя полученные точки, строим пьезометрическую линию.

Верхняя линия (синяя) - напорная

Нижняя (красная) - пьезометрическая

Горизонтальный масштаб: в 1 см - 1,25 м

Вертикальный масштаб: в 1 см - 0,2 м

Задача 5 (в0)

Дано: d=200 мм=0,2 м, L=200 м, L вс =20 м, d вс =200 мм=0,02 м, Q=47,1 л/с=0,0471 м 3 /с, Н=2,2 м

Требуется определить:

1. Давление при входе в насос (показание вакуумметра в сечении 2 -2), выраженное в метрах водяного столба.

Как изменится величина вакуума в этом сечении, если воду в колодец подавать по двум трубам одинакового диаметра d ?

Решение

Для определения искомой величины вакуума при входе в насос (сечение 2-2) -необходимо знать высоту расположения оси насоса над уровнем воды в водоприемном колодце. Эта высота складывается из суммы высот H + z . Поскольку величина Н задана, необходимо определить перепад уровней воды в реке и водоприемном колодце z .

Величина z при заданных длине и диаметре самотечной линии зависит от расхода Q и определяется из уравнения Бернулли, составленного для сечений О-О и 1-1 (рис. 9):

. (14)

Принимая за горизонтальную плоскость сравнения сечение 1-1 и считая v 0 = 0 и v 1 = 0, а также учитывая, что давления в сечениях О-О и 1-1 равны атмосферному (р о = p a т и р 1 = p a т ), имеем расчетный вид уравнения:

Таким образом перепад уровней воды в бассейне и водоприемном колодце равен сумме потерь напора при движении воды по самотечной линии. Она состоит из потерь напора по длине и в местных сопротивлениях

Скорость в самотечном трубопроводе:

К местным сопротивлениям относятся вход в трубопровод и выход из него. При определении потерь напора в этих сопротивлениях коэффициент местного сопротивления входа следует принять z вх = 3, а выхода z вых = 1.

Принимаем кинематический коэффициент вязкости n = 0,01х10 -4 м 2 /с, тогда по формуле (8) число Рейнольдса:

Принимаем эквивалентную шероховатость стенок труб k э = 1 мм

Тогда из (15) перепад давлений z=0,46+3,33=3,79 м

Искомая величина вакуума при входе в насос определяется из уравнения Бернулли, составленного для сечений 1-1 и 2 -2, при этом за горизонтальную плоскость сравнения берем сечение 1 -1:

Потери напора равны сумме потерь по длине и местных потерь.

Коэффициент местного сопротивления приемного клапана с сеткой по прил. 3 равен z сет =5,2, колена z кол = 0,2.

Потери по длине:

Тогда h 1-2 =0,62+0,33=0,95 м

Вакуум на входе в насос:

При движении воды по двум самотечным трубам одинакового диаметра новое значение вакуума в сечении 2-2 определяется из расчета прохождения по одной трубе расхода Q 1 = Q / 2=0,02355 м 3 /с

Скорость в самотечном трубопроводе:

Определим местные потери по формуле (13)

Число Рейнольдса:

Коэффициент гидравлического трения по формуле (12):

Потерю напора по длине найдем по формуле Дарси:

Тогда из (15) перепад давлений z=0,12+0,86=0,98 м

Вакуум на входе в насос:

Вакуум уменьшится в 63,3:12,6=5 раз.

Задача 6 (в0)

Дано: d 1 =4,5 см, d 2 =3,5 см, Н 1 =1,5 м, h 1 =1 м, h 2 =0,5 м

Требуется определить:

Расход Q ,

Перепад уровней воды в отсеках h .

а) свободное истечение, б) истечение под уровень

Решение

Расход жидкости при истечении из отверстий и насадок определяется по формуле:

, (16)

где w - площадь отверстия, w=πd 2 /4, Н - действующий напор над центром отверстия: m - коэффициент расхода (при истечении из отверстия можно принять m о = 0,62, из насадки - m н = 0,82).

Предположим, что отверстие не затоплено. Тогда по формуле (16) находим расход:

Учитывая равенство расходов из отверстия и насадки, определяем

. (20)

(h 2 + H 2)=0,5+2,35=2,85м³ h 1 =1м, следовательно, отверстие затоплено, выполним пересчет, считая истечение из отверстия затопленным. В этом случае:

Из этого равенства находим Н 2 .

Проверяем условие затопляемости

(h 2 + H 2)=0,5+1,22=1,72м > h 1 =0,5 м и определяем искомый расход

Находим искомое значение

h = (h 1 + H 1) - (h 2 + H 2)=(1+1,5)-(0,5+1,22)=0,78 м

Выполняем проверку

Задача 7 (в0)

Дано: Q=60 л/с=0,06 м 3 /с, L=0,75 км=750 м, z=3 м, Н св =12 м, трубы чугунные, hм=0,1h l

Найти d, Нб, Нсв \

Диаметр трубопровода назначается по таблице предельных расходов, представленной в прил. 4.

Для Q=60 л/с и чугунных труб назначаем d=250 мм

Необходимая высота водонапорной башни определяется из уравнения

, (21)

где h w - потеря напора на участке трубопровода от точки А до точки В, которая складывается из потери напора по длине и потери напора в местных сопротивлениях:

, (22)

где S 0 - удельное сопротивление трубы; K - расходная характеристика (модуль расхода) трубы.

Скорость в трубопроводе:

Следовательно, поправка на неквадратичность не нужна.

По приложению 5 удельное сопротивление трубы, работающей в квадратичной области сопротивления при d=250 мм:

S 0 кв =2,53 с 2 /м 6

Потери напора формуле (22):

Тогда по формуле (21) высота башни:

Нб=7,51+12-3=16,51 м, округляем до Нб=17 м

Величина свободного напора в конечной точке сети при расходе, равном половине расчетного, определяется по формуле:

, (28)

где - потеря напора в сети при расходе Q 1 .

Q 1 = Q/2=0,03 м 3 /с

Скорость

Нужна поправка на неквадратичность ,

k 1 - поправочный коэффициент, учитывающий неквадратичнoсть, по прил. 6 k 1 =1,112

Потери напора формуле (22):

Задача 8 (в0)

Дано: L 1-2 =600 м, L 2-3 =100 м, L 3-4 =0,5 км=500 м, L 2-5 =0,7 км=700 м, Q 2 =11 л/с=0,011 м 3 /с, Q 3 =9 л/с=0,009 м 3 /с, Q 4 =7 л/с=0,007 м 3 /с, Q 5 =16 л/с=0,016 м 3 /с, q 3-4 =0,01 л/с м, q 2-5 =0,02 л/с м, Нсв=15 м

Требуется:

2. Установить диаметры труб на магистральном направлении по предельным расходам.

3. Определить необходимую высоту водонапорной башни.

4. Определить диаметр ответвления от магистрали.

Вычислить фактические значения свободных напоров в точках водоотбора.

Решение:

1. Определим путевые расходы Q n 3-4 , Q n 2-5 по формуле

где q - заданный удельный путевой расход на участке; L - длина участка.

Q n 3-4 = q 3-4 ∙ L 3-4 =0,01∙500=5 л/с

Q n 2-5 = q 2-5 ∙ L 2-5 =0,02∙700=14 л/с

2. Установим расчетные расходы воды для каждого участка сети, руководствуясь тем, что расчетный расход на участке равен сумме узловых расходов, расположенных за данным участком (по направлению движения воды). При этом равномерно распределенные путевые расходы заменяются сосредоточенными поровну в прилегающих узлах.

Поправка на неквадратичность не нужна.

Для d 2-5 =150 мм с 2 /м 6

Потери напора формуле (22):

6. Вычислим высоту водонапорной башни по формуле

где H св - свободный напор в конечной точке магистрали; S×h сумма потерь напора на участках магистрали от башни до конечной точки.

Нб=15+3,61+13,74=32,35 м

Полученное значение H б округляем до Нб=33 м.

Определить напор воды в начале ответвления от магистрали (в точке 2) по формуле

где h 1-2 - потеря напора на участке магистрали от башни до ответвления.

Н 2 =33-3,61=29,39 м

Средний гидравлический уклон для ответвления определяем по формуле

, (34)

где H св - требуемый свободный напор в конечной точке ответвления; L с 2 /м 6

Чугаев Р.Р.Гидравлика: Учебник для вузов. 5-е изд., репринтное. - М.: ООО «БАСТЕТ», 2008. - 672 с.: ил.

Штеренлихт Д.В. Гидравлика. - М.: Колос, 2006, - 656 с. ил..

Лапшев Н.Н. Гидравлика. - М.: Академия, 2007. - 295 с.

Ртищева А.С. Теоретические основы гидравлики и теплотехники. Учебное пособие. - Ульяновск, УлГТУ, 2007. - 171 c.

Брюханов О.Н. Основы гидравлики и теплотехники.- М.: Академия, 2008.

Акимов О.В., Козак Л.В., Акимова Ю.М. Гидравлика: учеб. пособ. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008 - 94 с.: ил.

Акимов О.В., Козак Л.В., Акимова Ю.М. Гидравлика: метод. Указания по выполнению лабораторных работ. Часть 2. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009 - 27 с.: ил.

Акимов О.В., Акимова Ю.М. Гидравлика. Примеры расчета: учеб. пособ. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2009 - 75 с.: ил.

Акимов О.В., Козак Л.В., Акимова Ю.М, Бирзуль А.Н. Гидравлика: сб. лабораторных работ. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008 - 83 с.: ил.

Козак Л.В., Ромм К.М., Акимов О.В. Гидравлика. Гидростатика: Сборник типовых задач. В 3-х частях. - Части 1 и 2. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001

Козак Л.В., Бирзуль А.Н. Гидравлика. Гидродинамика: сб. типовых задач. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008 - 74 с.: ил.

Областное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Курский монтажный техникум»

Рабочая ПРОГРАММа УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ОП 06.

основной профессиональной образовательной программы среднего профессионального образования по специальности

140102 Теплоснабжение и теплотехническое оборудование

(базовая подготовка)

г.Курск

РАССМОТРЕНО И ОДОБРЕНО

на заседании ЦК ОПД

Протокол №_____

«____»_____________2012 г.

Председатель ЦК Станар А.М.

СОГЛАСОВАНО

__________________

Зам. директора по УР О.Б. Грунева

«____»______________2012 г.

Рабочая программа учебной дисциплины «Теоретические основы теплотехники и гидравлики» разработана на основе:

Федерального государственного образовательного стандарта по специальности среднего профессионального образования (базовая подготовка), входящей в состав укрупненной группы специальностей 140000 Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 15 февраля 2010года, №114.

Разработчик:

А.А. Катальникова, преподаватель ОБОУ СПО «Курский монтажный техникум».

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ПАСПОРТ рабочей ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

СТРУКТУРА и содержание УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

условия реализации рабочей программы учебной дисциплины

Контроль и оценка результатов Освоения учебной дисциплины

1. паспорт рабочей ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Теоретические основы теплотехники и гидравлики

1.1. Область применения рабочей программы

Рабочая программа учебной дисциплины является частью основной профессиональной образовательной программы в соответствии с ФГОС по специальности СПО 140102 «Теплоснабжение и теплотехническое оборудование» (базовая подготовка), входящей в состав укрупненной группы специальностей 140000 Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника.

Рабочая программа учебной дисциплины может быть использована в дополнительном профессиональном образовании и профессиональной подготовке работников в области теплоснабжения и теплотехнического оборудования при наличии среднего (полного) общего образования. Опыт работы не требуется.

1.2. Место учебной дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы: дисциплина входит в профессиональный цикл, относится к общепрофессиональным дисциплинам.

1.3. Цели и задачи учебной дисциплины – требования к результатам освоения учебной дисциплины.

уметь :

выполнять теплотехнические расчеты:

Термодинамических циклов тепловых двигателей и теплосиловых установок;

Расходов топлива; теплоты и пара на выработку энергии;

Коэффициентов полезного действия термодинамических циклов тепловых двигателей и теплосиловых установок;

Потерь теплоты через ограждающие конструкции зданий, изоляцию трубопроводов и теплотехнического оборудования;

Тепловых и материальных балансов, площади поверхности нагрева теплообменных аппаратов;

Определять параметры при гидравлическом расчете трубопроводов, воздуховодов;

Строить характеристики насосов и вентиляторов.

В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен знать :

Параметры состояния термодинамической системы, единицы измерения и соотношение между ними;

Основные законы термодинамики, процессы изменения состояния идеальных газов, водяного пара и воды;

Циклы тепловых двигателей и теплосиловых установок;

Основные законы теплопередачи;

Физические свойства жидкостей и газов;

Законы гидростатики и гидродинамики;

Основные задачи и порядок гидравлического расчета трубопроводов;

Виды, устройства и характеристики насосов и вентиляторов.

1.4. Количество часов на освоение рабочей программы учебной дисциплины:

максимальной учебной нагрузки обучающегося 180 часа, в том числе:

обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося 120 часа;

самостоятельной работы обучающегося 60 час.

2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1. Объем учебной дисциплины и виды учебной работы

в том числе:

учебно - индивидуальная работа студента;

подготовка рефератов;

оформление лабораторных работ;

систематическая проработка конспектов занятий, учебной и специальной литературы по вопросам к параграфам, главам учебных пособий;

решение задач, выполнение упражнений

Итоговая аттестация в форме экзамена

2.2. Тематический план и содержание учебной дисциплины

Теоретические основы теплотехники и гидравлики

Краткий исторический обзор и современный уровень развития гидравлики и теплотехники.

Роль отечественных ученых в развитии этих наук.

Раздел 1. Физические свойства жидкостей и газов

Тема 1.1.

Физические свойства жидкости и газов

Физические свойства жидкостей: плотность, удельный вес, удельный объем, зависимость между ними, сжимаемость, вязкость, зависимость от температуры и давления.

Самостоятельная работа

Раздел 2. Основы гидростатики

Тема 2.1

Гидростатическое давление. Основное уравнение гидростатики.

Силы, действующие внутри находящейся жидкости. Гидростатическое давление в точке, его свойства, единицы измерения. Абсолютное и избыточное давление.

Основное уравнение гидростатики. Физическая сущность и графическое представление уравнения гидростатики. Напоры. Приборы для измерения давления..

Лабораторные работы

Измерение давления пьезометром и манометром. Перевод единиц измерения давления.

Практические занятия

Решение задач на составление уравнения равновесия жидкости

Самостоятельная работа:

Тема 2.2. Силы давления жидкости и газа на плоские и криволинейные стенки.

Закон Паскаля. Гидравлический пресс, гидравлический домкрат.

Сила гидростатического давления на плоские поверхности. Центр давления. Гидростатический парадокс. Графический способ определения силы гидростатического давления

Сила гидростатического давления на цилиндрическую поверхность. Формула расчета труб на прочность. Закон Архимеда. Плавление тел и их устойчивость.

Практические занятия

Решение задач по определению силы давления на различные поверхности, определении толщины стенки труб

Самостоятельная работа обучающихся:

Оформление практических работ

Раздел 3. Основы гидродинамики

Тема 3.1. Основные законы движения жидкости

Виды движения жидкостей: установившееся, неустановившееся, равномерное, неравномерное. Понятие о струйчатом движении жидкости. Поток жидкости, элементы потока. Скорость и расход жидкости. Уравнение неразрывности потока.

Уравнение Бернулли, его геометрический и энергетический смысл.

Лабораторные работы

Исследование уравнения Бернулли. Построение напорной и пьезометрической линий.

Самостоятельная работа:

Оформление лабораторных работ;

Систематическая проработка конспектов занятий, учебной и специальной литературы по вопросам к параграфам, главам учебных пособий

Тема 3.2. Гидравлические сопротивления

Гидравлические сопротивления и их виды. Режимы движения жидкости.

Критерий Рейнольдса. Характеристика ламинарного и турбулентного движения жидкости. Потери напора по длине потока и в местных сопротивлениях (запорной арматуре, при расширении и сужении потока, изменении направления потока). Расчет потерь напора при внезапном расширении потока. Коэффициент гидравлического трения, его определение в ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости.

Лабораторные работы

Определение двух режимов движения жидкости. Определение числа Рейнольдса.

Определение потерь напора по длине, коэффициента гидравлического трения.

Определение местных потерь напора, коэффициента местных сопротивлений.

Самостоятельная работа

Оформление лабораторных работ;

Систематическая проработка конспектов занятий, учебной и специальной литературы по вопросам к параграфам, главам учебных пособий;

Тема 3.3. Гидравлический расчет трубопроводов

Трубопроводы и их виды. Гидравлический расчет простого и сложного трубопроводов. Гидравлический удар в трубопроводах (прямой и непрямой).

Расчет безнапорных и коротких трубопроводов.

Практические занятия

- Расчет простого трубопровода

Самостоятельная работа:

Оформление практических работ;

Подготовка рефератов

Примерная тематика рефератов:

Современные способы защиты трубопроводов от гидравлического удара.

Явление кавитации при течении жидкости в трубах.

Меры, применяемые для предотвращения кавитации.

Тема 3.4. Истечение жидкости через отверстия и насадки

Истечение жидкости из отверстий при постоянном напоре. Понятия "отверстие в тонкой стенке" и "малое отверстие". Виды насадок. Истечение жидкости через насадки при постоянном напоре.

Практические занятия

Определение расхода жидкости при истечении из отверстия и через насадки

Самостоятельная работа:

- оформление практических работ

Контрольная работа по разделу 3. Основы гидродинамики

Раздел 4 Насосы и вентиляторы

Тема 4.1. Виды и принцип действия насосов

Центробежные насосы, их виды, принцип действия. Полный напор, предельная высота всасывания. Подача, напор, мощность и КПД центробежного насоса, их определение. Зависимость этих параметров от частоты вращения двигателя.

Формулы пропорциональности. Характеристики центробежных насосов и напорных трубопроводов. Параллельная и последовательная работа центробежных насосов. Поршневые насосы, их виды, принцип действия. Струйные насосы.

Практические работы

Построение характеристик центробежного насоса

Самостоятельная работа:

Оформление практических работ;

Учебно - индивидуальная работа студента.

Тема 4.2. Виды и принцип действия вентиляторов

Центробежные и осевые вентиляторы, их виды и принцип действия. Производительность, давление, потребляемая мощность и КПД вентиляторов. Зависимость параметров вентилятора от частоты вращения двигателя.

Практические работы

Построение характеристик центробежного вентилятора.

Самостоятельная работа:

Оформление практических работ;

Раздел 5. Основы технической термодинамики

Тема 5.1. Основные положения технической термодинамики. Газовые законы. Газовые смеси.

Тепловая и механическая энергия. Основные термодинамические параметры состояния рабочего тела. Идеальный и реальный газ. Молекулярно-кинетическая теория газов.

Газовая смесь, её состав. Парциальное давление и приведённый объём компонентов газовой смеси. Закон Дальтона. Соотношение между массовыми и объёмными составами смеси.

Самостоятельная работа:

систематическая проработка конспектов занятий, учебной и специальной литературы по вопросам к параграфам, главам учебных пособий

Тема 5.2. Теплоёмкость

Теплоёмкость и количество теплоты. Постоянная и переменная теплоёмкость. Средняя и истинная теплоёмкость. Теплоёмкость газовой смеси

Практические занятия:

Определение объёмной теплоёмкости воздуха при постоянном давлении

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Тема 5.3. Законы термодинамики. Термодинамические процессы.

Первый закон термодинамики- закон сохранения и превращения тепловой и механической энергии. Единицы измерения теплоты и работы. Энтальпия газа. Анализ основных термодинамических процессов изменения состояния идеальных газов: изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного, политропного. Уравнение состояния термодинамических процессов, их изображение на pv - диаграмме. Определение работы, изменение внутренней энергии и количества теплоты.

Второй закон термодинамики. Круговые процессы или циклы. Термический КПД цикла. Равновесное и неравновесное состояние рабочего тела. Обратимые и необратимые процессы и циклы. Идеальный цикл Карно, его изображение на pv – диаграмме. Второй закон термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Энтропия её физический смысл. Тs -диаграмма. Третий закон термодинамики.

Практические занятия:

Термодинамический расчёт циклов и определение их термических коэффициентов полезного действия (КПД), изображать циклы на pv и Ts - диаграммах.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Решение задач, выполнение упражнений

Тема 5.4. Газовые циклы

Двигатели внутреннего сгорания. Циклы ДВС с различными способами подвода теплоты. Их изображение на pv и Ts - диаграммах. Термический КПД циклов ДВС. Газотурбинные установки. Циклы ГТУ с различными способами подвода теплоты. Их изображение на pv и Ts - диаграммах. Термический КПД циклов ГТУ. Термодинамические основы работы компрессора. Изображение цикла компрессора на pv и Ts - диаграммах.

Практические занятия:

Проведение сравнения термических КПД циклов ДВС и ГТУ с различными способами подвода теплоты.

Самостоятельная работа

оформление практических работ;

Решение задач, выполнение упражнений

Тема 5.5. Реальные газы. Водяной пар и его свойства

Свойство реальных газов. Характеристическое уравнение реальных газов Ван-дер-Ваальса. Водяной пар как реальный газ. Парообразование, испарение, кипение, конденсация, сублимация, десублимация.

Насыщенный водяной пар. Сухой и влажный насыщенный пар. Перегретый пар. Степень сухости. Влажности и перегрева. Пограничные кривые и критическая точка. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Практические занятия:

Определение параметров водяного пара с использованием таблиц.

Вычисление параметров влажного насыщенного пара с использованием таблиц водяного пара и математических зависимостей.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Тема 5.6. Термодинамические процессы водяного пара

Основные процессы изменения состояния водяного пара: изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный. Изображение основных термодинамических процессов водяного пара на pv и Ts - диаграммах.

Определение количества теплоты, изменения внутренней энергии, энтальпии, энтропии и удельного объёма водяного пара а каждом термодинамическом процессе.

Практические занятия:

Расчёт процессов изменения состояния водяного пара с помощью таблиц и диаграмм.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Решение задач, выполнение упражнений.

Тема 5.7. Истечение и дросселирование газов и паров

Общие понятия истечения. Работа проталкивания и располагаемая работа.

Скорость и критическая скорость истечения, секундный массовый расход газа. Зависимость истечения от соотношения давлений. Практическое применение истечения. Комбинированное сопло Лаваля.

Процесс дросселирования и его особенности. Техническое применение дросселирования.

Практические занятия:

Определение параметров и характеристик водяного пара при истечении и дросселировании

Самостоятельная работа

оформление практических работ;

Подготовка реферата.

Примерная тематика рефератов:

Комбинированное сопло Лаваля;

Практическое применение процесса дросселирования;

Техническое применение процесса истечения.

Тема 5.8. Циклы паротурбинных установок.

Схема паротурбинной установки. Цикл Ренкина идеальный пароводяной цикл тепловой электрической станции, изображение цикла на pv и Ts - диаграммах. Регенеративный цикл паротурбинной установки. Цикл с промежуточным перегревом пара. Бинарный и парогазовый циклы теплосиловых установок.

Практические занятия:

Изображение циклов паротурбинных установок на pv и Ts - диаграммах

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Раздел 6. Основы теплопередачи

Тема 6.1. Основные положения теории теплообмена.

Процесс передачи тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением. Понятие о теплопередаче. Передача теплоты через плоскую однослойную стенку. Закон Фурье

Передача теплоты теплопроводностью через многослойную плоскую стенку. Передача теплоты теплопроводностью через многослойную цилиндрическую стенку.

Практические занятия:

Определение коэффициента теплопроводности и расчёт количества теплоты переданного теплопроводностью через стенки различной формы.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Тема 6.2. Конвективный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача.

Основные положения конвективного теплообмена. Теплоотдача между плоской стенкой и жидкостью. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл Теплопередача через многослойную стенку и цилиндрические стенки. Коэффициент теплопередачи, его физический смысл.

Практические занятия:

Расчёт количества теплоты, передаваемого от теплоносителя к стенкам различной формы.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Тема 6.3.Теплопередача при свободном движении жидкости, вынужденном продольном и поперечном обтекании труб, изменение агрегатного состояния вещества.

Факторы, обуславливающие свободное движение жидкости. Распределение температур и скоростей в пограничном слое. Характер движения жидкости вдоль вертикальной стенки, вблизи горизонтальных труб и пластин. Уравнение для определения коэффициента теплоотдачи, условия его применения.

Теплоотдача при продольном обтекании гладких труб в турбулентном режиме. Коэффициент теплоотдачи. Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании труб. Шахматное и коридорное расположение труб в пучках. Критериальное уравнение.

Условия возникновения конденсации. Термическое сопротивление при конденсации пара. Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации. Условие возникновения кипения. Коэффициент теплоотдачи при кипении и зависимость его от различных факторв.

Практические занятия:

Расчёт коэффициента теплоотдачи с помощью критериальных уравнений в различных случаях конвективного теплообмена.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Решение задач выполнение упражнений;

Тема 6.4. Основные понятия и законы теплового излучения. Теплообмен излучением между телами.

Свойства теплового излучения. Поглощающая, отражательная и пропускная способность тел. Основные законы теплового излучения: законы Планка, Стефана-Больцмана, Ламберта, Кирхгофа. Различные случаи теплообмена излучением.

Практические занятия:

Расчёт количества лучистой теплоты, степени черноты поверхности тел. излучательной и поглощательной способности тел.

Самостоятельная работа

Оформление практических работ;

Тема 6.5. Теплообменные аппараты.

Назначение и классификация теплообменных аппаратов. Принцип работы поверхностных и смешивающих теплообменных аппаратов. Основные схемы движения теплоносителей. Уравнение теплового баланса и теплопередачи в теплообменном аппарате. Коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата. Определение поверхности нагрева теплообменного аппарата.

Практические занятия:

Составлении уравнения теплового баланса и теплопередачи а теплообменных аппаратах.

Самостоятельная работа

оформление практических работ;

Индивидуальная учебная работа студентов

Контрольная работа по разделу 6. Основы теплопередачи

Для характеристики уровня освоения учебного материала используются следующие обозначения:

1. – ознакомительный (узнавание ранее изученных объектов, свойств);

2. – репродуктивный (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством);

3. – продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач).

3. условия реализации программы дисциплины

3.1. Требования к минимальному материально-техническому обеспечению

Реализация учебной дисциплины требует наличия лаборатории гидравлики, теплотехники и аэродинамики.

Оборудование учебного кабинета:

посадочные места по количеству обучающихся;

рабочее место преподавателя, оборудованное персональным компьютером с лицензионным или свободным программным обеспечением, соответствующим разделам программы и подключенным к сети Internet и средствами вывода звуковой информации;

комплект учебно-наглядных пособий «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»;

объемные модели насосов и вентиляторов;

виртуальная лаборатория «Гидравлика»;

сканер;

принтер.

Технические средства обучения:

мультимедиапроектор или мультимедийная доска;

фото или/и видео камера;

web-камера.

3.2. Информационное обеспечение обучения

Основные источники:

1. О.Н.Брюханов, В.А.Жила. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: Инфра-М, 2010.

2. И.А. Прибытков, И.А. Левицкий. Теоретические основы теплотехники.- М.: Издательский центр «Академия», 2004.

Дополнительные источники:

В.И. Калицун. Гидравлика, водоснабжение и канализация. – М.: Стройиздат, 2000.

В.И.Калицун, Е.В. , К.И. . Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. – М.: Стройиздат, 2005.

В.Н. Луканин. Теплотехника. – М.: Высшая школа, 1999.

Интернет-ресурсы:

http://twt.mpei.ru/GDHB/OGTA.html

4. Контроль и оценка результатов освоения Дисциплины

Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов.

Результаты обучения

(освоенные умения, усвоенные знания)

Формы и методы контроля и оценки результатов обучения

должен уметь :

выполнять теплотехнические расчеты:

Термодинамических циклов тепловых двигателей и теплосиловых установок;

Защита практической работы

Расходов топлива; теплоты и пара на выработку энергии;

Проверочная работа по теме

Коэффициентов полезного действия термодинамических циклов тепловых двигателей и теплосиловых установок;

Защита практической работы

Тепловых и материальных балансов, площади поверхности нагрева теплообменных аппаратов;