Г Л А В А II

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

ПРИКЛАДНОЙ ГИДРАВЛИКИ В ХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЕ

Многие технологические процессы химической промышленности свя­заны с движением жидкостей, газов или паров, перемешиванием в жидких средах, а также с разделением неоднородных смесей путем отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Скорость всех указанных физиче­ских процессов определяется законами гидромеханики. Поэтому такие процессы называют гидромеханическими.

Законы гидромеханики и их практические приложения изучаются в гидравлике, которая состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Г идростатика рассматривает законы равно­весия в состоянии покоя, а гидродинамика — законы движения жидкостей и газов.

Значение изучения гидравлики для инженера-химика не исчерпы­вается тем, что ее законы лежат в основе гидромеханических процессов. Гидродинамические закономерности часто в значительной степени опре­деляют характер протекания процессов теплопередачи, массопередачи и химических реакционных процессов в промышленных аппаратах.

1. Основные определения

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием — жидкости. Это объясняется тем, что законы дви­жения жидкостей и газов (паров) практически одинаковы, если их ско­рости значительно ниже скорости звука. Поэтому в дальнейшем жидко­стями будут называться все вещества, обладающие текучестью при при­ложении к ним самых незначительных сил сдвига.

Общие законы равновесия и движения жидкостей выражаются обычно в виде дифференциальных уравнений, получаемых на основе рассмотре­ния жидкости как сплошной однородной среды. При этом пренебрегают тем, что элементарный объем жидкости является совокупностью молекул, расположенных на некоторых расстояниях одна от другой. Такое допу­щение возможно, поскольку размеры элементарного объема всегда могут быть взяты значительно большими средней длины пути свободного про­бега молекул.

Свойством сплошности считают обладающими и отдельные частицы жидкости, причем используемый в гидравлике термин «частица» относят не к микрочастицам, т. е. молекулам, а к макрочастицам. Такие частицы могут перемещаться относительно друг друга в потоке, но каждая из них движется как единое целое.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие

о гипотетической идеальной жидкости, которая, в отличие от реальной (вязкой) жидкости, абсолютно несжимаема под дей­ствием давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Гл. II. Основы гидравлики. Общие вопросы прикладной гидравлики

Реальные жидкости делятся на капельные и упругие (газы или пары). Капельные жидкости практически несжимаемы и обладают очень малым коэффициентом объемного расширения. Объем упругих жидко­стей сильно изменяется при изменении температуры или давления.

2. Некоторые физические свойства жидкостей

Рассмотрим некоторые физические свойства жидкостей и параметры, используемые при расчете процессов химической технологии, протекаю­щих в покоящейся или движущейся жидкости.

Плотность и удельный вес. Масса единицы объема жидкости назы­вается плотностью и обозначается через р:

Р = -у- (ИЛ)

где т — масса жидкости; V — объем жидкости.

В единицах СИ плотность измеряется в кг/м^я, а в системе. МКГСС, где масса выражается в кгс-сек²!м, единица плотности будет кгс‘сек¹1м*.

Вес единицы объема жидкости называется удельным в е с о м и обозначается через у, т. е.

у = 4~ (И,2)

В единицах СИ удельный вес измеряется в н/м³, а в системе МКГСС, где единицей веса является кгс, — кгс/м³.

Масса и вес связаны между собой соотношением

О

т — —

е

где g — ускорение свободного падения, м/сек²,

Подставив это значение т в зависимость (11,1). с учетом выраже­ния (11,2) получим соотношение между удельным весом и плотностью:

■у = Р£ (11,3)

Плотность' и удельный вес капельных жидкостей значительно выше, чем соответствующие характеристики упругих жидкостей (газов) и сравни­тельно мало изменяются под действием давления или при изменении тем­пературы. Плотность газов с большей или меньшей степенью точности может быть рассчитана на основе уравнения состояния для идеальных газов:

РУ-%~*Т (П,4)

где при использовании единиц СИ и соответствующем выражении давления р в н/м², тем­пературы Т в °К и массы 1 кмоль (мольной массы) газа М в кг/кмоль универсальная газовая • постоянная равиа К! = 8314 дж/(кмоль-град).

Из уравнения (11,4) следует, что

^т Р^М /И

^{р =} ~у~ ~ ~%Т~ ^(и’⁵⁾

Объем, занимаемый единицей массы газа, или величина, обратная плотности, называется удельным объемом и обозначается через и:

V I /?7‘ ' ... ..

«=—— = = —-г (11,6)

т р рМ

Давление. Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в ко­тором она находится, и на поверхность любого погруженного в нее тела. Рассмотрим некоторую элементарную площадку Р внутри объема покоя­щейся жидкости. Независимо от положения площадки в данной точке объема жидкость будет давить на нее с некоторой силой, равной Р и на-