LARIONOV

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Н.М. Ларионов

Гидравлические и тепловые процессы в экологии природообустройства

Учебное пособие

Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный университет

природообустройства» к использованию в качестве учебного пособия в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы высшего профессионального образования по направлениям 280400 «Природообустройство», 280202 «Защита окружающей среды».

Москва 2010

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

УДК 621.643 Л25

Рецензенты: канд. тех. наук, доц. В.М. Замятин; канд. тех. наук И.С. Калинина

Ларионов Н.М.

Л25 Гидравлические и тепловые процессы в экологии природообустройства: учеб. пособие. - М.:

МИЭТ, 2010. - 116 с.: ил.

ISBN 978-5-7256-0598-3

Рассмотрены теоретические вопросы, которые лежат в основе процессов водоснабжения и водоотведения, транспортирования и переработки жидких бытовых и промышленных отходов, термической переработки твердых отходов, процессов энергосбережения и снижения тепловой нагрузки на окружающую среду.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 280400 «Природообустройство», 280202 «Защита окружающей среды».

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Предисловие

Впоследние десятилетия экологические проблемы, стоящие перед человечеством, приобретают все большую остроту. Рост объемов промышленного, сельскохозяйственного производства обуславливает все большее отрицательное воздействие на окружающую человека среду, требует разработки специальных

инженерных решений по защите окружающей среды либо по исправлению негативных последствий взаимодействия человека с окружающей средой. Такое целенаправленное изменение естественного или нарушенного человеком состояния природных объектов, которое обеспечивает сохранение или восстановление общего состояния природной среды на конкретной территории, составляет содержание природообустройства.

Природообустройство как вид деятельности можно рассматривать двояко. С одной стороны, это природоохранная деятельность, восстанавливающая состояние природных объектов, существенно

уменьшающая негативное воздействие промышленных и сельскохозяйственных предприятий на состояние природной среды. С другой стороны, это производственная деятельность, повышающая эффективность функционирования таких предприятий, улучшающая состояние окружающей среды, т.е. увеличивающая потребительскую стоимость самих природных объектов.

Вместе с этим можно рассматривать и такое понятие, как инженерное обустройство территорий,

являющееся чисто производственной деятельностью и включающее создание транспортных коммуникаций (в том числе системы транспортных трубопроводов, каналов), разработку мероприятий по энергосбережению (уменьшение теплового воздействия на природную среду), формирование соответствующей инфраструктуры. Оба вида обустройства тесно связаны между собой и должны проводиться в едином комплексе.

Врешении большинства экологических проблем используются технологии и аппараты, требующие самостоятельной разработки, основанной на известных принципах проектирования схожих технологий и аппаратов.

Во многих случаях процессы, протекающие в инженерном обустройстве в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания, могут быть объединены в следующие группы:

1. Гидромеханические процессы, скорость протекания которых определяется законами гидромеханики (транспортирование жидкостей и газов, фильтрация и т.п.).

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (нагрев и охлаждение жидкостей и газов, выпаривание и сушка и т.п.). Чаще всего скорость тепловых процессов взаимосвязана с гидродинамическими условиями в теплообменных аппаратах.

3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы

вдругую через поверхность раздела фаз (абсорбция, адсорбция и т.п.).

4.Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики.

5.Механические процессы, описываемые законами механики твердого тела.

Проектирование многих агрегатов, входящих в состав оборудования и техники природообустройства (оборудование природообустройства, гидравлические системы и т.п.), также основано на использовании указанных выше законов.

В данном пособии основное внимание уделяется гидравлическим и тепловым процессам.

По сравнению с исследованием движения абсолютно твердого тела исследование движения жидкости, а тем более газов, представляет более сложную задачу, поскольку в механике твердого тела рассматривается

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

система жестко связанных между собой частиц, тогда как в механике жидкости рассматривается среда, состоящая из огромного множества подвижных друг относительно друга частиц. Знание законов и основных

положений механики жидкости необходимо для решения многих технических вопросов в области промышленной экологии, в теплогазоснабжении, вентиляции и других.

Отчетливое понимание законов механики жидкости необходимо специалисту в области природообустройства, инженерной защиты окружающей среды для расчета напорных и самотечных трубопроводов, анализа движения и фильтрации жидкости сквозь пористые среды, анализа процессов теплообмена.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по образовательным программам направлений 280400 «Природообустройство», 280202 «Защита окружающей среды».

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1. Гидравлические процессы в экологии природообустройства

1.1. Основные физические свойства жидкости

1.1.1. Определение понятия жидкость

Во многих случаях механика жидкости оперирует законами механики твердого тела, но из-за

разницы свойств жидкости и твердого тела применение этих законов при анализе состояния жидкости имеет некоторые особенности. Жидкость (в широком смысле слова) отличается от твердого тела легкой

подвижностью частиц и изменение ее формы может происходить под действием весьма малых сил либо под действием собственного веса, если для этого предоставлена возможность. В механике жидкости (и особенно в гидравлике) молекулярное строение жидкости не рассматривается; предполагается, что жидкость заполняет пространство сплошь, без образования каких-либо пустот, что составляет одну из главных гипотез механики жидкости - гипотезу о непрерывности или сплошности жидкой среды. Эта

гипотеза позволяет упростить исследования и рассматривать все механические характеристики среды (скорость, плотность, давление и т.п.) как функции координат и времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными и дифференцируемыми.

Поэтому под жидкостью будем понимать любую материальную среду, обладающую свойствами текучести. С точки зрения механических свойств жидкости можно разделить на два класса: капельные (малосжимаемые) и газообразные (сжимаемые). С точки зрения физики капельные жидкости значительно отличаются от газообразных, с позиций же механики жидкости различия между ними не

столь велики, и в тех случаях, когда сжимаемостью газообразных жидкостей можно пренебречь, к ним

применимы законы, справедливые для капельных жидкостей. Отметим, что в тех случаях, когда это особо не оговорено, анализируется состояние капельной жидкости.

1.1.2.Основные свойства капельных жидкостей

Косновным свойствам капельных жидкостей, используемых в механике жидкости, относятся плотность и вязкость.

Плотность - это масса жидкости, заключенная в единице объема:

где М - масса жидкости; W - объем, занимаемый жидкостью.

Если жидкость неоднородна по своему составу, то выражение (1.1) определяет лишь среднюю плотность по объему жидкости. Для определения истинной плотности в данной точке необходимо использовать следующее выражение:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В инженерной практике при решении ряда гидравлических задач более удобным и целесообразным бывает использование вместо плотности понятие удельного веса жидкости, представляющего собой вес единицы ее объема:

где G - вес жидкости.

Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением

Плотность, а следовательно, и удельный вес жидкости могут изменяться с изменением давления и температуры вследствие изменения объема жидкости.

Изменение плотности капельной жидкости при изменении давления оценивается коэффициентом объемного сжатия, который представляет собой отношение изменения объема жидкости на единицу изменения давления:

Величина обратная коэффициенту объемного сжатия называется модулем упругости жидкости:

Температурное расширение капельных жидкостей оценивается коэффициентом температурного расширения, представляющим собой относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1°:

Для газообразных жидкостей зависимость плотности от давления и температуры устанавливается

где р - абсолютное давление; R - удельная газовая постоянная; T - абсолютная температура.

Вязкость характеризует свойство реальной жидкости оказывать сопротивление сдвигу. Свойство жидкости оказывать сопротивление касательным усилиям проявляется в виде внутреннего трения, возникающего между смежными частицами жидкости при их смещении друг относительно друга.

Величина касательных напряжений, возникающих между смежными слоями жидкости при их

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

dV

где dy - градиент скорости (относительный сдвиг) в направлении, нормальном к направлению скорости;

μ - коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом

абсолютной или динамической вязкости. Размерность коэффициента абсолютной вязкости Нс/м2.

Сила внутреннего трения, возникающая при скольжении слоев, пропорциональна площади соприкосновения слоев и равна:

Из выражения (1.10) видно, что трение в жидкостях отличается от трения между твердыми телами, где трение зависит только от нормальной силы и не зависит от площади трущихся поверхностей.

Вязкость жидкостей в значительной степени зависит от температуры, при этом вязкость капельных жидкостей уменьшается с повышением температуры, а вязкость газообразных жидкостей увеличивается.

Наряду с понятием абсолютной или динамической вязкости в гидравлических расчетах чаще находит применение понятие кинематической вязкости, представляющей собой отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости:

Данная характеристика вязкости называется кинематической по той причине, что в ее размерности отсутствует единица силы.

1.2. Элементы гидростатики

Гидростатикой называется раздел гидромеханики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей и рассматривается практическое приложение этих законов.

1.2.1. Равновесное состояние жидкости

Если на массу жидкости не действовали и не действуют внешние силы, то каждая частица этой массы

остается неподвижной относительно выбранной системы координат или движется прямолинейно с одинаковой для всех частиц жидкости скоростью, так что взаимное расположение частиц этой массы остается неизменным. Такое механическое состояние массы жидкости называется равновесным состоянием.

При действии внешних сил рассматриваемая масса жидкости может или сохранять неподвижное состояние, или перейти в состояние движения, при этом для сохранения равновесного состояния необходимо, чтобы действие внешних сил удовлетворяло некоторым условиям. Прежде чем определить эти условия, выясним природу внешних сил.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

По своей природе внешние силы могут быть поверхностными и объемными.

Поверхностные силы - это силы, действующие в точках граничной поверхности данной массы жидкости и пропорциональные размеру площадки ω , взятой на этой поверхности. Поверхностная сила

определяется выражением

где p - коэффициент пропорциональности, представляющий собой силу, действующую на единицу площади, и называемый средним гидростатическим давлением или средним напряжением гидростатического давления на площади ω . Истинное значение гидростатического давления в точке

определяется выражением

Объемные (массовые) силы - это внешние силы, пропорциональные объему жидкости при условии, что данная масса однородна (т.е. плотность жидкости одинакова во всем объеме жидкости). Для объемных сил справедлива зависимость F = k W , где k - коэффициент пропорциональности, физический смысл которого состоит в условии k = ρ × j , т.е. это сила единичного объема ( j - ускорение объемной силы).

1.2.2. Условие действия поверхностных сил при равновесном состоянии жидкости

Из всего объема жидкости выделим элементарную массу, находящуюся в равновесии. В точке М ее граничной поверхности со стороны остальной массы жидкости действует поверхностная сила R , или равнодействующая всех сил, действующих в этой точке (рис.1.1).

T N

N M

Рис.1.1. Схема действия сил в точке М

Данная сила может быть разложена на нормальную N и касательную Т силы к граничной поверхности. Нормальная сила N стремится сжать жидкость в точке М, но поскольку жидкость сопротивляется сжатию, то со стороны выделенной массы жидкости возникает реакция N ′ , которая уравновешивает силу N. Тем самым частица жидкости в точке М находится в равновесии. Сила Т стремится сдвинуть частицы жидкости в точке М относительно близлежащих частиц, и силовые факторы, препятствующие этому сдвигу, отсутствуют, т.е. действие силы Т может привести к нарушению равновесного состояния массы жидкости. Единственным условием сохранения равновесия в данном случае является отсутствие действия силы Т. Отсюда вытекает необходимое условие действия внешних поверхностных сил: для сохранения равновесия массы жидкости необходимо, чтобы внешние силы, действующие в точках ее граничной поверхности, были нормальны к граничной поверхности и являлись сжимающими.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Из данного условия следует, что на любую частицу жидкости внутри массы со стороны окружающих ее частиц действуют силы сжатия, т.е. все частицы внутри покоящейся жидкости находятся в состоянии всестороннего сжатия.

1.2.3. Основная теорема гидростатики

Теорема: величина гидростатического давления в данной точке покоящейся жидкости не зависит от ориентации в пространстве площадки, на которой эта точка находится.

Другими словами, должно быть доказано, что px = py = pz = pn, где px, py, pz - проекции гидростатического давления на координатные оси; pn - проекция гидростатического давления по любому направлению.

Для доказательства теоремы выделим из всей массы жидкости объем в форме элементарного тетраэдра (рис.1.2) и, считая его отвердевшим, запишем условия равновесия как для абсолютно твердого тела:

A

dPz

O

X

Z

Рис.1.2. К выводу основной теоремы гидростатики

В рассматриваемом случае условия равенства нулю суммы моментов всех сил относительно координатных осей можно отбросить, так как при уменьшении размеров тетраэдра в пределе до нуля система действующих сил преобразуется в систему сил, проходящих через одну точку.

Составим уравнение суммы всех действующих сил на ось ОХ, имея в виду, что на рассматриваемый тетраэдр действуют четыре поверхностные силы по нормали к соответствующей грани и объемная сила.

Поверхностные силы:

Объемная сила:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com