Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ХАБАРОВСКОГО КРАЯ

КГБОУ СПО «ХАБАРОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Отделение: заочное

Специальность: «Монтаж и эксплуатация

внутренних сантехнических устройств,

кондиционирования воздуха

и вентиляции».

Группа: д 331 кз

Контрольная работа

По дисциплине: «Гидравлика, теплотехника и аэродинамика»

Выполнил: Литвинов А.А.

2015



Содержание

1. Объясните понятие «рабочее тело». Какие вещества в качестве его используются, какими параметрами характеризуются

2. Дайте определение критического давления и критической температуры, приведите числовые их значения

3. Что такое влажный воздух? Приведите его характеристики

4. Перечислите виды воздушных струй и признаки их разделения

5. Насадки, их типы, с какой целью их применяют

Использованные источники



1. Объясните понятие «рабочее тело». Какие вещества в качестве его используются, какими параметрами характеризуются

Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии, связанных с обменом энергией между телами, чаще всего в форме теплоты и работы. Классическая термодинамика не интересуется поведением и свойствами отдельных молекул, объектом исследования являются макроскопические тела, состоящие из большого числа материальных частиц - атомов, молекул, и т.д.

Под термодинамической системой понимают совокупность тел, которые могут обмениваться между собой и с окружающей средой энергией и массой.

Процессы преобразования энергии в различных тепловых машинах осуществляется с помощью вещества, называемого рабочим телом. В качестве рабочих тел могут выступать вещества в жидком, газообразном и твердом состояниях. Они являются «посредниками» в процессе обмена энергией между системой и окружающей средой. Так, например, нагреваемый газ расширяется и совершает механическую работу. В результате происходит преобразование тепловой энергии в механическую.

Рабочее тело характеризуют различные параметры состояния - давление, объем, температура, внутренняя энергия, энтальпия, т.д. В качестве основных параметров состояния принимают: удельный объём, абсолютное давление и абсолютную температуру.

Удельным объёмом называется объём единицы массы вещества:

, м³/кг.

Масса единицы объёма, т.е. величина обратная удельному объему, называется плотностью:

, кг/м³.

Очевидно соотношение: .

Абсолютным давлением называется давление газа, обусловленное совокупностью ударов беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную силу F, действующую на единицу площади А поверхности стенки:

, кг/м² = Па.

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

Для измерения давления используют приборы: атмосферного - барометры, выше атмосферного - манометры, ниже атмосферного - вакуумметры. Барометр - единственный прибор, измеряющий абсолютное давление атмосферы (р_атм). Давление, которое регистрирует манометр или вакуумметр, называют избыточным (р_изб). Оно не является параметром состояния рабочего тела, а лишь показывает на сколько давление в сосуде выше или ниже атмосферного. Действительное давление (р) в сосуде (абсолютное) является параметром состояния и равно сумме:

.

Давление на шкале вакуумметра обычно указывают со знаком минус.

Величина, характеризующая степень нагретости тела, называется температурой.

Степень нагретости тел связана со среднеквадратичной скоростью движения молекул выражением:

,

где m = масса молекулы,

k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура.

Абсолютная температура измеряется в кельвинах (К) и всегда положительна. Абсолютный нуль - это температура, при которой прекращается тепловое движение молекул, т.е. начало отсчета температуры по шкале Кельвина. Температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением:

.

В шкалах Кельвина и Цельсия различно лишь начало отсчета, а линейные размеры, соответствующие одному градусу, одинаковы. Поэтому разность температур в 1 ^оС равна 1 К.

В технике для измерения температур используют различные свойства тел: расширение при нагревании в жидкостных термометрах, изменение давления при постоянном объеме в газовых термометрах, изменение электрического сопротивления проводника при нагревании, изменение термо ЭДС в цепи термопары и т. д.

2. Дайте определение критического давления и критической температуры, приведите числовые их значения

Критическое давление -- давление вещества (или смеси веществ) в его критическом состоянии. При давлении ниже критического давления система может распадаться на две равновесные фазы -- жидкость и пар. При критическом давлении теряется физическое различие между жидкостью и паром, вещество переходит в однофазное состояние. Поэтому критическое давление можно определить ещё как предельное (наивысшее) давление насыщенного пара в условиях сосуществования жидкой фазы и пара. Критическое давление представляет собой физико-химическую константу вещества. Критическое состояние смесей отличается зависимостью критического давления от состава и, таким образом, осуществляется не в единственной критической точке, а на кривой, все точки которой характеризуются критическими значениями давления, температуры и концентрации.

Критическая температура - это температура вещества в его критическом состоянии. Для индивидуальных веществ критическая температура определяется как температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимися в равновесии. При критической температуре плотности насыщенного пара и жидкости становятся одинаковыми, граница между ними исчезает и теплота парообразования обращается в нуль. Критическая температура -- одна из неизменяющихся характеристик (констант) вещества. Значения критических температур и давления некоторых веществ приведены таблице:

Газы	Критическое давление, кг/см2	Критическая температура, °К
Метан	47,2	191 ,0
Этан	50,0	306,0
Н-пентан	34,1	470,0
Гептан	30,3	561,0
Азот	34,6	126,0
Кислород	51,3	154,5
Углекислота	75,4	304,0
Сероводород	91,8	374,0

3. Что такое влажный воздух? Приведите его характеристики

В технике часто используются смеси газов с парами, которые при определенных условиях легко конденсируются. Наиболее характерным примером парогазовых смесей является атмосферный воздух, в котором всегда находятся пары воды. Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Знание свойств влажного воздуха имеет большое значение при проектировании и эксплуатации сушильных и вентиляционно-увлажнительных установок.

При небольших давлениях можно рассматривать сухой воздух и водяной пар, который в нем содержится, как идеальные газы. В этом случае для них справедливы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов.

Согласно закона Дальтона, абсолютное давление влажного воздуха Р_бар равняется, как правило, атмосферному давлению, - сумма парциальных давлений сухого воздуха Р_с.в и водяного пара Р_п

Р = Р_с.в + Р_п

Водяной пар находится во влажном воздухе в перегретом состоянии. В этом случае парциальное давление водяного пара ниже давления насыщения Р_н влажного воздуха при данной температуре. Смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара называется влажным ненасыщенным воздухом. Если снижать температуру ненасыщенного влажного воздуха при постоянном давлении, то можно достичь состояния, когда Р_п = Р_н, т.е. давление и температура водяного пара соответствуют состоянию насыщения. Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называется насыщенным влажным воздухом. Температура, до которой необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы t_p.

Следовательно, температура точки росы в каком-либо состоянии влажного воздуха численно равна температуре насыщения, соответствующей данному парциальному давлению пара Р_п.

Для характеристики паровоздушной смеси необходимо знать ее состав. О составе влажного воздуха судят по его влажности и влагосодержанию. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, приходящегося на 1 м³ влажного воздуха, т.е.

Учитывая, что объем влажного воздуха V_в.в равен объему пара V_п, абсолютная влажность воздуха численно равна плотности содержащегося в нем водяного пара с_п.

Отношение абсолютной влажности с_п и максимально возможной абсолютной влажности с_н, соответствующей t_п, характеризует степень насыщения и называется относительной влажностью воздуха.

Значения ц могут изменяться в пределах от ц = 0 (сухой воздух) до ц = 100 % (влажный насыщенный воздух).

Учитывая, что пар, находящийся в воздухе, рассматривается как идеальный газ, (Р_п v_п = Р_н v_н), т.е.

Парциальное давление в состоянии насыщения Р_н определяют из таблиц насыщенного пара по температуре t_п = t_в.в. Парциальное давление Р_п находят также из таблиц по температуре точки росы.

Так как в процессах, происходящих с влажным воздухом (подогрев, охлаждение), количество сухого воздуха m_с.в не изменяется, то целесообразно все удельные величины относить к 1 кг сухого воздуха. Масса водяного пара, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха, называется влагосодержанием.

При принятом допущении об идеальности водяного пара и воздуха можно записать:

Р_пV_п = m_пR_пT_п; Р_вV_в = m_вR_вT_в;

Считая, что V_п = V_в и T_п = T_в, получим

Если учесть, что Р_бар = Р_в + Р_п и Р_п = цР_н, то

Плотность влажного воздуха с_в.в можно определить как сумму плотности пара с_п и плотности сухого воздуха с_в при их парциальных давлениях. Очевидно, что

Энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха или к (1+d) кг влажного воздуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, т.е.

I = i_в+ i_п d = c_рв t + i_п d.

Для температуры и давлений, применяемых в сушильной технике, приблизительно можно считать c_рв = 1,0 кдж /(кг ^. град), а для водяного пара i_п = (r + c_рm t) = (2500 + 1,9 t) кдж/кг.

Тогда

I-d-диаграмма влажного воздуха. Определение параметров и исследование процессов влажного воздуха значительно упрощается и становится наглядным, если использовать I-d-диаграмму влажного воздуха, предложенную в 1918 г. Л.К. Рамзиным. На этой диаграмме по оси ординат откладывают значения энтальпии влажного воздуха I кдж/кг сух. возд., а по оси абсцисс - влагосодержание d г/кг сух. возд.

Из удобства (увеличения рабочей площади диаграммы) ось абсцисс направлена под углом 135⁰ к оси ординат. Поэтому линии J=const оказываются наклоненными под углом 45^о к горизонту. Для сокращения размеров диаграмм значения d с оси абсцисс сносят на горизонтальную условную ось 0 - 0ґ.

На диаграмму наносят сетку изотерм по уравнению. Эти изотермы представляют собой прямые с небольшим наклоном вверх. На каждой из них находят точки с одинаковыми значениями ц, а соединив их, получают сетку кривых ц = const. Кривая ц = 100 % изображает состояние влажного насыщенного воздуха и является пограничной кривой. Эта кривая разделяет область ненасыщенного влажного воздуха (сверху) и область тумана (снизу), в которой влага частично находится в капельном состоянии.

Диаграмма строится для давления влажного воздуха Р_бар = 745 мм рт.ст., что соответствует среднему годовому барометрическому давлению.

Линии ц = const поднимаются до изотермы 99,4⁰ С (температура насыщения при Р = 745 мм рт.ст.), после чего почти вертикально поднимаются вверх, т.к. при t > t_н величина ц зависит только от d.

На диаграмме нанесены также линии (показаны пунктирами) постоянной температуры «мокрого» термометра, под которой понимается температура воды, если поверхность ее обдувается потоком ненасыщенного влажного воздуха. Если поверхность воды обдувается потоком насыщенного воздуха (ц = 100 %), то температура воды будет совпадать с температурой воздуха. Поэтому на I-d-диаграмме изотермы влажного воздуха («сухого» термометра), соответствующие одному и тому же значению температур, пересекаются на линии ц = 100 %.

В нижней части диаграммы построена линия парциального давления

Р_п = f (d).

Состояние влажного воздуха на I-d-диаграмме (точка А) можно определить по каким-либо двум параметрам (ц и t или Р_п и t), после чего находят I и d. Для этого состояния можно найти и температуру точки росы, для чего из точки А проводят вертикаль (d = const) до пересечения с ц = 100 %; т.е. изотерма, проходящая через эту точку, будет соответствовать температуре точки росы t_р. термодинамика энергия энтальпия

На I-d-диаграмме показаны основные процессы влажного воздуха. Так, учитывая, что в процессе подогрева влажного воздуха (например, в калорифере сушильной установки) количество водяного пара не изменяется, процесс подогрева будет изображаться вертикальной прямой d = const (А - В). При этом температура воздуха увеличивается от t_А до t_В, а относительная влажность уменьшается от ц_А до ц_В.

Разница ординат I_А- I_В дает расход тепла на подогрев (1+d) кг влажного воздуха. Теоретический процесс увлажнения воздуха в сушильной камере происходит по кривой I = const, т.к. часть энтальпии, затраченной на испарение влаги, возвращается в виде энтальпии водяного пара (если пренебречь величиной энтальпии, которую имела жидкость до испарения). На I-d-диаграмме этот процесс изображается отрезком ВД. Разница d_Д - d_В определяет количество влаги, испаренной 1 кг сухого воздуха.

4. Перечислите виды воздушных струй и признаки их разделения

Вентилирование помещений любого назначения представляет собой процесс переноса определенных объемов воздуха, вытекающего из приточных отверстий. Скорость и направление истечения воздуха из отверстий, форма и количество отверстий, их расположение, а также температура воздуха в струе определяют характер воздушных потоков в помещении. Приточные струи взаимодействуют между собой, с тепловыми струями, возникающими около нагретых поверхностей, и с потоками воздуха, образующимися вблизи вытяжных отверстий.

Строительные конструкции помещения (колонны, стены, пол, потолок) и технологическое оборудование при на бегании на них потоков воздуха оказывают существенное влияние на скорость и направление их дальнейшего распространения. Кроме того, в производственных помещениях на скорость и направление движения воздуха большое влияние могут оказывать действие различных механизмов технологического оборудования, а также струи, истекающие из отверстий или не плотностей оборудования, находящегося под избыточным давлением.

Воздушные потоки -- струи, образующиеся в помещении, -- переносят поступающие в воздух вредные выделения (конвективное тепло, пары, газы и пыль) и формируют в объеме воздуха помещения поля скоростей, температур и концентраций.

Струей называют поток жидкости или газа с конечными поперечными размерами.

В технике вентиляции приходится иметь дело со струями воздуха, истекающего в помещение, также заполненное воздухом. Такие струи называют затопленными.

В зависимости от гидродинамического режима струи могут быть ламинарными и турбулентными. Приточные вентиляционные струи всегда турбулентны.

Различают струи изотермические и неизотермические. Струю называют изотермической, если температура во всем объеме ее одинакова и равна температуре окружающего воздуха. Для вентилирования помещений в подавляющем большинстве случаев применяются неизотермические струи.

Струю называют свободной, если она истекает в достаточно большое пространство и не имеет никаких помех для своего свободного развития. Если на развитие струи ограждающие конструкции помещения оказывают какое-либо воздействие, то такую струю называют несвободной, или стесненной. Вентиляционные приточные струи развиваются в помещениях ограниченных размеров и могут испытывать влияние ограждающих конструкций. При определенных условиях влияние ограждений на развитие приточных струй можно не учитывать и считать такие струи свободными.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой- либо плоскости ограждения помещения (например, потолка), параллельно этой плоскости, будет настилаться на нее. Такую струю называют настилающейся.

Все приточные струи можно разделить на две группы: 1--с параллельными векторами скоростей истечения; 2 -- с векторами скоростей истечения, составляющими между собой некоторый угол.

Геометрическая форма приточного насадка определяет форму и закономерности развития истекающей из него струи. По форме различают струи конические, плоские и веерные или кольцевые.

Рис.1

Компактные струи образуются при истечении воздуха из круглых, квадратных и прямоугольных отверстий. Струя, истекающая из круглого отверстия, остается осесимметричной по всей длине своего развития (круглая струя). При истечении из квадратного или прямоугольного отверстия струя в начале не будет осесимметричной, но на некотором расстоянии от насадка преобразуется в осесимметричную. При истечении воздуха из круглого отверстия с диффузорами для принудительного расширения образуется также компактная струя, которая будет осесимметрична по всей длине; такую струю называют конической.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевых отверстий бесконечной длины. В реальных условиях плоской считают струю, истекающую из длинного щелевидного насадка с соотношением сторон 1о :2В0^20. Струя, истекающая из щели с соизмеримым соотношением сторон, не остается плоской, а постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную, а потом в круглую.

Если струя истекает из кольцевой щели под углом к оси подводящего воздух канала ре 180°, то ее называют кольцевой, при р около 135° -- полой конической, при р=90° -- полной веерной. У полных веерных струй угол распределения воздуха в пространство составляет 360°; при меньшем угле распределения струя будет неполной веерной.

Независимо от формы все струи, у которых при истечении нет принудительного изменения их направления, на некотором расстоянии от насадка расширяются; угол бокового расширения а=12°25'. Угол расширения конической струи при истечении почти совпадает с углом направляющих диффузоров, а затем постепенно уменьшается и на расстоянии 10 d0 становится равным углу естественного бокового расширения (12°25').

Изучение струй проводилось многими отечественными и зарубежными исследователями применительно к различным областям техники. Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит Г. Н. Абрамовичу, а применительно к задачам вентиляционной техники широкие исследования струй проведены И. А. Шепелев.

5. Насадки, их типы, с какой целью их применяют

Насадкой называется отрезок трубы, длина которого в несколько раз больше внутреннего диаметра. Рассмотрим случай, когда к отверстию в стенке резервуара присоединен насадок диаметром d, равным диаметру отверстия.

На рис. 2 показаны наиболее распространенные виды насадок, применяемые на практике.

Рис.2 виды насадок: а - цилиндрический внешний; б - цилиндрический внутренний; в - конический расходящийся; г - конический сходящийся; д - коноидально-расходящийся; е - коноидальный.

Цилиндрические насадки встречаются в виде деталей гидравлических систем машин и сооружений. Конические сходящиеся и коноидальные насадки применяют для увеличения скорости и дальности полета струи воды (пожарные брандспойты, стволы гидромониторов, форсунки, сопла и др.).

Конические расходящиеся насадки применяют для уменьшения скорости и увеличения расхода жидкости и давления на выходе во всасывающих трубах турбин и др. В эжекторах и инжекторах также имеются конические насадки, как основной рабочий орган. Водопропускные трубы под насыпями дорог (с точки зрения гидравлики) также представляют собой насадки.

Рис.3

Рассмотрим истечение через внецилиндрический насадок (рис. 3).

Струя жидкости при входе в насадок сжимается, а потом расширяется и заполняет все сечение. Из насадка струя вытекает полным сечением, поэтому коэффициент сжатия, отнесенный к выходному сечению, , а коэффициент расхода

.

Составим уравнение Д. Бернулли для сечений 1-1 и 2-2

,

где - потери напора.

Для истечения из открытого резервуара в атмосферу аналогично истечению через отверстие уравнение Д. Бернулли приводится к виду

. (1)

Потери напора в насадке складываются из потерь па входе и на расширение сжатой струи внутри насадка. (Незначительными потерями в резервуаре и потерями по длине насадка ввиду их малости можно пренебречь.) Итак,

. (2)

По уравнению неразрывности можем записать:

,

откуда

. (3)

Подставляя значение в уравнение (2), имеем

, (4)

. (5)

Полученное значение потерь напора подставим в уравнение (144), тогда

.

Отсюда скорость истечения

. (6)

Обозначая

, (7)

получим для скорости уравнение

. (8)

Определим расход жидкости

.

Но для насадка и

, (9)

где - коэффициент расхода насадка; - площадь живого сечения насадка.

Таким образом, уравнения для определения скорости и расхода жидкости через насадок имеют тот же вид, что и для отверстия, но другие значения коэффициентов. Для коэффициента сжатия струи (при больших значениях Re и ) можно приближенно принять , и тогда по формулам (5) и (6) получается . Фактически происходят и потери по длине, поэтому для истечения воды в обычных условиях можно принимать .

Сравнивая коэффициенты расхода и скорости для насадка и отверстия в тонкой стенке, устанавливаем, что насадок увеличивает расход и уменьшает скорость истечения.

Характерной особенностью насадка является то, что давление в сжатом сечении меньше атмосферного. Это положение доказывается уравнением Бернулли, составленным для сжатого и выходного сечений.

Во внутренних цилиндрических насадках сжатие струи на входе больше, чем у внешних, и поэтому значения коэффициентов расхода и скорости меньше. Опытами найдены коэффициенты для воды .

В наружных конических сходящихся насадках сжатие и расширение струи на входе меньше, чем в наружных цилиндрических, но появляется внешнее сжатие на выходе из насадки. Поэтому коэффициенты , и зависят от угла конусности. С увеличением угла конусности до 13° коэффициент расхода растет, а с дальнейшим увеличением угла уменьшается. термодинамика энергия энтальпия

Конические сходящиеся насадки применяют в тех случаях, когда нужно получить большую выходную скорость струи, дальность полета и силу удара струи (гидромониторы, пожарные стволы и т. п.).

В конических расходящихся насадках внутреннее расширение струи после сжатия больше, чем в конических сходящихся и цилиндрических, поэтому потери напора здесь возрастают и коэффициент скорости уменьшается. Внешнего сжатия при выходе нет.

Коэффициенты и зависят от угла конусности. Так, при угле конусности значения коэффициентов можно принимать равными ; при (предельный угол) . При струя вытекает, не касаясь стенок насадка, т. е. как из отверстия без насадка.

Значении коэффициентов , и для насадок

Тип насадок
Наружный цилиндрический	1	0 82	0,82
Внутренний цилиндрический	1	0,71	0,71
Конический сходящийся при	0,982	0,963	0,946
Конический расходящийся	1	0,45	0,45
Коноидальный	1	0,98	0,98

Конические расходящиеся насадки применяют в тех случаях, когда необходимо уменьшить скорость истечения, например, насадки для подачи смазочных масел и т. п. В конических расходящихся насадках в месте сжатия струи создается большой вакуум, поэтому их еще применяют там, где требуется создать большой эффект всасывания (эжекторы, инжекторы и т. п.).

Коноидальные насадки имеют очертания формы струи, вытекающей через отверстие в тонкой стенке. Для этих насадок значение коэффициентов составляет: .

Их применяют в пожарных брандспойтах, но редко, так как изготовление их очень сложное.



Использованные источники

1. О.Н, Брюханов, В.И. Кробко, А.Т. Мелик-Аракелян « Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики», Издательство: ИНФРА-М, 2010 г.

2. Брюховецкий О.С. «Основы гидравлики», - М.:Недра,1991 г. - 156с.

3. Лобачев П.В. «Насосы и насосные станции»,- М Строй-издат, 1990, -320 с.

4. Ухин Б.В. Гидравлика. - М.: ИД ФОРУМ 2008.

5. А.В. Теплов. Основы гидравлики. - М.: Высшая школа, 1990

Размещено на Allbest.ru

...