Для круглого трубопровода и несжимаемой жидкости объемный расход

рассчитывается по уравнению:

 

 

Сплошной (неразрывный) поток жидкости – поток, в котором отсутствуют пустоты, движение происходит с непрерывным распространением массы; масса жидкости, проходящая через любое сечение, согласно закону сохранения массы, есть величина постоянная.

Уравнение неразрывности (сплошности) потока в дифференциальной форме:

 

– дифференциальное уравнение неразрывности потока для неустановившегося движения сжимаемой жидкости;

– дифференциальное уравнение неразрывности потока для установившегося движения сжимаемой жидкости;

 

=

– дифференциальное уравнение неразрывности потока для установившегося движения несжимаемой жидкости,

где

– изменение скоростей вдоль осей координат x,y,z.

Уравнение неразрывности потока в интегральной форме – уравнение постоянства расхода:

 

G=ρ₁w₁S₁= ρ₂w₂S₂ =const.

Скорости капельной жидкости в различных поперечных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений:

 

w₁S₁= w₂S₂ или

.

Гидравлический радиус – отношение площади S сечения потока к смоченному периметру П, характеризует каналы некруглого сечения:

 

 

Эквивалентный диаметр – геометрическая характеристика канала некруглого сечения, равен отношению учетверенной площади живого сечения, через которое протекает жидкость, к смоченному периметру:

 

 

Движение жидкости – перемещение жидкости по трубопроводам, аппаратам, каналам и т.д. Различают установившееся и неустановившееся, свободное и вынужденное, напорное и безнапорное движения. При установившемся движении поля давлений и скоростей не изменяются во времени, а при неустановившемся – изменяются. Свободное движение возникает за счет разности плотностей в различных точках объема жидкости. Вынужденное движение создается внешними силами, создаваемыми насосами, мешалками, центрифугами и др. При напорном течении жидкость заполняет все сечение трубопровода, при безнапорном – только часть сечения заполнена жидкостью, имеется свободная поверхность. Различают ламинарный и турбулентный режимы движения жидкостей.

Критерий Рейнольдса - единый безразмерный комплекс, по численному значению которого можно судить о режимах течения жидкости, является мерой соотношения между силами инерции и силами вязкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному осуществляется тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρw, чем больше диаметр трубы и чем меньше вязкость жидкости:

 

Ламинарный режим движения – все частицы жидкости перемещаются равномерно по параллельным траекториям. Наблюдается при значениях критерия Рейнольдса меньше критического Re_кр (Re<Re_кр =2320) в прямых и гладких трубах постоянного сечения.

Турбулентный режим движения - неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по замкнутым хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости перемещается в одном направлении. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием пульсаций частицы жидкости получают поперечное перемещение, что приводит к интенсивному перемешиванию потока по сечению. При этом сильно возрастают затраты энергии на перемещение по сравнению с ламинарным режимом. Наблюдается при значениях критерия Рейнольдса больше критического ((Re>Re_кр =2320) в прямых и гладких трубах постоянного сечения. В интервале значений 2320<Re<10000 устанавливается неустойчиво турбулентный или переходный режим.

Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости Эйлера – частный случай закона сохранения энергии для потока идеальной жидкости:

 

где

– проекции ускорения на оси координат.

В движущейся жидкости изменение давления происходит благодаря действию объемных сил, силы тяжести и силы инерции. Примером может служить явление гидравлического удара – при внезапном закрытии крана в трубе резко возрастает давление, происходит торможение жидкости, и энергия движения переходит в энергию давления, что может привести к разрыву трубопровода. Интегральным решением дифференциальных уравнений Эйлера является уравнение Д.Бернулли – для любого сечения потока при установившемся движении идеальной жидкости сумма геометрического z, пьезометрического и скоростного w²/g2 напоров (высот) есть величина постоянная, равная суммарному (полному) гидродинамическому напору; данное уравнение выражает закон сохранения энергии – для движущейся среды любого сечения потока при установившемся движении идеальной жидкости сумма удельной (отнесенной к 1Н жидкости) потенциальной

и кинетической

 

энергий есть величина постоянная:

 

 

или для двух поперечных сечений потока

 

 

 

Дифференциальные уравнения движения реальной жидкости Навье – Стокса – выражают связь между массовыми, поверхностными, инерционными и вязкостными силами в потоке, характеризуют закон сохранения энергии при движении вязкой жидкости:

 

 

где ∇²w_x, ∇²w_y ∇²w_z – операторы Лапласа, представляют собой суммы вторых производных по осям координат. Согласно второй теореме подобия решение уравнений Навье – Стокса можно представить в виде обобщенного критериального уравнения гидродинамики:

 

для установившегося движения реальной жидкости

 

где Eu – критерий Эйлера, определяемый критерий; Re, Fr, Ho - критерии Рейнольдса, Фруда, гомохронности, являются определяющими критериями; Г – симплекс геометрического подобия.

В виде степенной зависимости критериальное уравнение принимает вид:

 

 

где A, m, n, p, q – постоянные, определяемые опытным путем для группы подобных явлений.

Основные критерии гидродинамического подобия представлены в табл. 2.

 

 

 

 

 

 

1. Какие процессы называются тепловыми?

2. Дайте определение движущей силы тепловых процессов.

3. Сформулируйте определения температурного поля, изотермической поверхности и температурного градиента.

4. Какими способами осуществляется перенос тепла в теплообменных процессах?

5. Запишите закон теплопроводности Фурье. Сформулируйте физический смысл и укажите размерность коэффициента теплопроводности.

6. В каких единицах измеряется коэффициент температуропроводности?

7. Запишите уравнения теплопроводности плоской и цилиндрической стенок.

8. Сформулируйте законы теплового излучения.

9. Что называется процессом теплоотдачи? От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи, в каких единицах измеряется?

10. Назовите основные критерии теплового подобия и сформулируйте их физический смысл.

11. Каким образом определяется коэффициент теплоотдачи в случае пленочной конденсации?

12. Что такое теплопередача? Укажите физический смысл, размерность коэффициента теплопередачи.

13. Каким образом определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи при различных взаимных направлениях теплоносителей?

14. Что является целью расчета теплообменного аппарата?

15. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

16. Назовите основные греющие агенты в зависимости от температуры нагреваемой среды.

17. Каким образом осуществляется умеренное и глубокое охлаждение?

18. Какие типы конденсаторов различают по способу охлаждения?

19. Что такое выпаривание?

20. Дайте классификацию выпарных установок.

21. Перечислите основные типы выпарных аппаратов.

22. Запишите тепловой и материальный балансы однокорпусного выпаривания.

23. Сформулируйте понятия первичного и вторичного паров.

24. Что такое температурные потери и полезная разность температур?

25. Каким образом рассчитывается температура кипения раствора?