Визначення гідростатичного тиску

РОЗДІЛ «ГІДРАВЛІКА»

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

«ВИЗНАЧЕННЯ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ»

Ціль роботи: вивчити прилади для вимірювання тиску та визначити абсолютний гідростатичний тиск (в залежності від роботи системи в умовах вакууму або надлишкового тиску).

1. Теоретичні відомості.

Тиском називається  відношення сили Р до площі поверхні S, на яку діє ця сила:

     (1)

У лабораторній практиці тиск може бути заміряним висотою  стовпа рідини. Всі прилади для вимірювання тиску класифікують за такими ознаками: 1. за родом вимірювальної величини; 2. за принципом дії; 3. за класом точності.

За родом вимірювальної величини розрізняють прилади, призначені для  вимірювання атмосферного, надлишкового тиску або вакууму. Прилади, призначенні для вимірювання атмосферного тиску, називаються барометрами, для вимірювання надлишкового тиску - манометрами, для вимірювання вакууму – вакуумметрами. Надлишковим тиском називають різницю) між абсолютним (повним вимірюваним) та атмосферним. Для вимірювання абсолютного тиску необхідна наявність двох приладів – барометра та манометра, якщо абсолютний тиск більше атмосферного. У тому випадку, коли показання вимірювального приладу відповідають надлишку вимірюваного тиску над атмосферним, абсолютний тиск визначають за формулою:

     (2)

У тому випадку, коли абсолютний тиск менше атмосферного, для вимірювання необхідні: барометр та вакуумметр, що показує різницю атмосферного тиску та виміряного. Абсолютний тиск визначають як:

      (3)

Зв'язок між атмосферним, абсолютним та надлишковим (манометричним  або вакууметричним) тиском зручно зобразити графічно. Якщо умовно відмітити рівень нульового тиску (лінія 0-0), від нього відкласти атмосферний (барометричний - пунктирною лінією), манометричний та вакууметричний тиск, отримаємо схему, зображену на рис. 1. Атмосферний тиск перемінний та впливає на показання манометра, тобто на величину Р_над. Тому надлишковий тиск не може бути параметром стану вимірюваного середовища. Параметром стану є абсолютний тиск.

За принципом дії  всі прилади для вимірювання  тиску поділяються на рідинні, механічні, електричні.

Рідинні манометри являють  собою U-подібну скляну трубку, відкриту з обох кінців, зі шкалою, градуйованою в міліметрах. Один кінець трубки приєднаний до резервуара, тиск у якому вимірюється, другий кінець відкритий і трубка з'єднується з атмосферою. За робочу рідину в таких манометрах використовують ртуть, спирт або воду. Недоліком рідинних приладів є невеликий діапазон вимірювання тисків (не більше 3...4 мм вод. ст.).

Для вимірювання тисків, більших 4...5 Н/м² використовуються механічні манометри – зовнішні, мембрані. Основною робочою деталлю в механічних приладах є трубка Бурдона або пружинна діафрагма.

У приладах електричного типу приймальним елементом, перетворюючим величину тиску в той або інший електричний сигнал, є датчик тиску. Для вимірювання тиску використовують індуктивні, ємкісні, п'єзометричні та напівпровідникові датчики. Електричні методи вимірювання незамінні для вимірювання в нестаціонарних потоках при значних частотах пульсації тисків.

2. Опис експериментальної установки.

Схему експериментальної  установки наведено на рис. 2. У верхній частині установки, у порожнині корпуси розміщено основний резервуар, який являє собою замкнутий об'єм, частково заповнений водою. При проведенні лабораторної роботи вимірюють тиск у повітряній порожнині цього резервуара. Цей тиск може бути більший атмосферного (надлишковий тиск), або менший його (вакуум).

Повітряна порожнина  основного резервуара за допомогою крана 2 може з'єднуватися з атмосферою. У нижній частині корпуса розміщений нижній резервуар, також частково заповнений водою. У повітряному просторі цього резервуара постійно підтримується атмосферній тиск. Обидва резервуари мають крани для підключення та спуску води: Кр 1; Кр 6; Кр 7.

Для утворення надлишкового тиску в повітряній порожнині  основного резервуара існує ручний повітряний насос, розташований всередині кожуха.

Для утворення розрідження  в повітряній порожнині цього  ж резервуара, на установку встановлено водоструменевий насос, який працює від водопостачальної мережі. Вимірювання гідростатичного тиску здійснюють за допомогою п'єзометрів та рідинних манометрів. У манометрі №2 робочою рідиною є спирт, а в манометрах №1, №4 та п'єзометра № 3 – вода.

Двотрубні (U-подібні) манометри №1 і №2 одним кінцем з'єднані з повітряною порожниною основного резервуара, а іншим – з атмосферою та призначені для вимірювання надлишкового тиску або вакууму. П'єзометр №3 одним кінцем з'єднаний з нижньою точкою основного резервуара, а іншим – безпосередньо з атмосферою та призначений для вимірювання надлишкового гідростатичного тиску в нижній точці основного резервуара. Заглиблення точки, яка розглядається, дорівнює h=90 мм.

Однотрубний манометр №4 (вакуумметр) одним кінцем з'єднаний з повітряною порожниною основного резервуара, а іншим – з нижньою точкою нижнього резервуара та призначений для вимірювання вакууму в повітряній порожнині основного резервуара.

3. Таблиця вимірів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Густина спирту при 20 °С _спирт=800 кг/м.

 

4. Обробка результатів  вимірювань.

Розраховують надлишковий  манометричний тиск у замкнутій  повітряній порожнині:

 - для манометра № 1

 - для манометра № 2

Розраховують вакуум (вакууметричний тиск):

- для манометра 1

- для манометра 2

Визначивши вакуум по манометру №4, знаходять різницю між початковими показаннями та виміряними, цю різницю слід помножити на rg і отримаємо значення вимірюваного вакууму.

     (4)

Порівнюють величини вакууму, виміряного манометрами №1 і №4 (визначивши розбіжність у відсотках).

Розраховують абсолютний гідростатичний тиск у нижній точці  основного резервуара (на глибині h):

     (5)

- густина води.

h=90 мм – заглиблення точки, що розглядається, під вільною поверхнею.

     (6)

P₀=aбсолютний тиск над вільною поверхнею;

- атмосферний тиск, виміряний барометром»1,013×10⁵ Па.

Якщо  то

Якщо  то

 

5. Контрольні запитання

1. Що таке тиск?
2. Які є пристрої для вимірювання гідростатичного тиску? Їх класифікація.
3. Основне рівняння гідростатики.
4. Закон Паскаля.
5. В чому відмінність між надлишковим, атмосферним та абсолютним тиском.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

«АЕРОДИНАМІЧНИЙ ОПІР КАЛОРИФЕРА»

Ціль роботи: визначити аеродинамічний опір калорифера залежно від витрати повітря.

1. Теоретичні відомості.

Апарат призначений для нагрівання газів називається калорифером. З погляду аеродинаміки калорифер являє собою складний розгалужений повітропровід. Надійним методом визначення величини втрат тиску в калориферах є експериментальний метод.

Абсолютна величина втрат  тиску не може бути постійною навіть для того самого апарата, тому що залежить від швидкості руху повітря, тому проводячи експериментальні дослідження необхідно одержати рівняння подібності , що враховує залежність між втратами тиску й швидкістю руху середовища в досліджуваному апараті. Число Ейлера (Eu) - це форма безрозмірного перепаду тисків.

      (1)

де DР - втрата тиску, Па; r – густина середовища, кг/м³; u – швидкість руху середовища, м/с.

Число Рейнольдса (Re) - міра відношення сил інерції й молекулярного  тертя в потоці:

      (2)

де d - характерний лінійний розмір потоку, м; n - кінематична в'язкість середовища, м²/с.

2. Опис експериментальної установки.

Схема установки представлена на рис. 1. Основним елементом є калорифер (1), що складається із трубок (2), на яких закріплені пластини (3), поміщені в кожух (4). До калорифера приєднаний повітропровід (5) круглого перерізу. У повітропроводі перебуває вентилятор (6) і є регулююча засувка (7). Швидкість повітря виміряється анемометром (8), втрати тиску за допомогою мікроманометра (9).

 

 

 

 

Рис.1. Схема установки

1 – калорифер, 2 – трубки, 3 – пластини, 4 – кожух, 5 – повітропровід, 6 – вентилятор, 7 – засувка, 8 – анемометр, 9 – мікроманометр.

 

3. Таблиця вимірів

 

№ досліду	uпов, м/с	tпов., оС	h, мм

 

4. Геометричні розміри калорифера:

А= 0,33 м – висота кожуха; В= 0,26 м – ширина кожуха; d= 0,01 м – діаметр трубки; h= 0,3 10^-3 м – товщина пластини; n= 12 шт. – кількість трубок у перерізі калорифера; z= 78 шт. - кількість пластин.

5. Обробка результатів вимірювань.

Знаючи температуру повітря, визначають його густину r і кінематичну в'язкість n:

   (3)

   (4)

Визначають число Рейнольдса:

     (5)

де u_к – швидкість повітря в калорифері, м/с;

d_е – еквівалентний діаметр, м;

     (6)

де  – площа поперечного перерізу калорифера, м²;

    (7)

Р – змочений периметр поперечного перерізу, м;

Р =[В-(z+1).h].(n+2) + [A-(n+1).d] (z+2)    (8)

Визначають витрати  повітря, м³/с

  (9)

де  – площа поперечного перерізу повітропроводу м²;

- швидкість повітря в повітропроводі, м/с;

Площа поперечного перерізу повітропроводу, м²:

     (10)

де D=0,3 м – діаметр повітропроводу.

Визначають швидкість повітря  в калорифері

     (11)

Визначають число Ейлера:

     (12)

де DР - втрати тиску в калорифері:

 Па    (13)

де К=0,2 - коефіцієнт враховуючий  нахил трубки; D=1,2/r - поправочний коефіцієнт; g - прискорення вільного падіння, м/с².

 

6. Контрольні запитання

 

1. Для чого необхідно визначати гідравлічний oпip систем і трубопроводів ?
2. З чого складається повний гідравлічний oпip?
3. Від чого залежать втрати напору на тертя?
4. Що таке місцеві опори?
5. Як визначити втрати напору місцевих oпopiв.
6. Як користуючись графіком залежності Eu=f(Rе) визначити гідравлічний опір? Як зменшиться гідравлічний oпip при зміні швидкості в 2 рази.
7. Від чого залежить коефіцієнт тертя?

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

«ВИЗНАЧЕННЯ РОБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА»

 

Ціль роботи: ознайомлення з конструкцією й принципом дії  відцентрового насоса, порівняння техніко-економічних характеристик насоса при регулюванні витрати рідини за допомогою вентиля й зміною числа обертів електропривода.

 

1. Теоретичні відомості.

Відцентровий насос  є гідравлічним пристроєм, у якому  здійснюється перехід кінетичної енергії потоку рідини в потенційну енергію статичного тиску, необхідну для подолання гідравлічного опору мережі при русі рідини в ній.

Конструктивно насос  складається із двох основних частин: корпуса й робочого колеса. Робоче колесо виконується у вигляді двох дисків, розташованих на одному валу, простір між дисками заповнено вигнутими по спеціальному профілю лопатками. Робоче колесо разом з валом розміщається в корпусі,у якому передбачений равликоподібний канал для виходу рідини з насоса. Рідина підводиться до робочого колеса поблизу осі обертання і потім, обертаючись разом з колесом, по складній траєкторії відкидається до периферії колеса, здобуваючи додаткову кінетичну енергію. Потім рідина надходить в равликоподібний канал корпуса, переріз якого плавно збільшується по ходу потоку рідини, що приводить до зниження швидкості потоку, отже, відповідно до закону Бернуллі - до підвищення статичного тиску в потоці. Таким чином, у насосі можна виділити два параметри, які однозначно визначають ефективність його роботи: витрата рідини, що надходить в одиницю часу з напірного патрубка насоса в зовнішню гідравлічну мережу (об'ємна витрата G_v м³/с) і Р - повний напір насоса – запас потенційної енергії потоку.

Крім основних характеристик  насоса G_v і Р, звичайно приводяться додаткові робочі параметри: потужність, необхідна для роботи насоса N кВт і коефіцієнт корисної дії h.