Osnovy_gidravliki_i_teplotekhniki

3

УДК 621.1(07) ББК 31.3. я7

И 64

Рецензенты Доктор технических наук, профессор Белгородского государственного

технологического университета им. В.Г. Шухова К.И. Логачѐв Доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и

вентиляции Юго-Западного государственного университета Н.С. Кобелев.

Ильина Т.Н.

И 64 Основы гидравлики и теплотехники: учебное пособие / Т.Н. Ильина, А.С. Семиненко /Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 180 с.

В учебном пособии приведены основные теоретические положения технической механики жидкости и газа, технической термодинамики, рассмотрены теплообменные процессы.

Освещены законы гидростатики и гидродинамики, рассмотрены виды и расчет гидравлических сопротивлений. Представлена методика гидравлического расчета напорных трубопроводов для капельных и газообразных жидкостей. Изложены зависимости истечения жидкости через отверстия и насадки. Рассмотрены основные законы для идеальных газов и их смесей, процессы изменения состояния реальных газов в различных процессах, циклы паросиловых установок. Представлены основные законы теплообменных процессов. В конце каждого раздела даны контрольные вопросы и примеры решения задач.

Учебное пособие предназначено для лекционных и практических занятий, а также самостоятельного изучения дисциплин «основы гидравлики и теплотехники», «гидрогазодинамика», «теплофизика» для студентов дневной и заочной форм обучения, в том числе с применением дистанционных технологий, по направлениям подготовки: «Строительство», «Техносферная безопасность» квалификаций: бакалавр, специалист.

УДК 621.1(07) ББК 31.3. я7

Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2013

	4
	Содержание
Введение................................................................................................		6
1. Основы гидравлики и теплотехники..........................................		7
1.1 Краткие сведения из истории гидравлики ...........................		7
1.2 Краткие сведения из истории теплотехники.........................		9
1.3 Основные физические свойства жидкости ...........................		12
2.Гидростатика....................................................................................		17
2.1	Гидростатическое давление и его свойства............................	18
2.2	Дифференциальные уравнения равновесия жидкости .........	18
2.3	Равновесие жидкости в поле силы тяжести............................	20
2.4	Сила давления жидкости на плоские поверхности ................	24
2.5	Сила давления жидкости на криволинейные поверхности ...	25
2.6	Закон Архимеда ........................................................................	26
2.7	Равновесие газа в поле силы тяжести .....................................	27
2.8	Некоторые практические приложения основного
закона гидростатики.............................................................................		28
2.9	Контрольные вопросы ..............................................................	29
2.10 Примеры решения задач.........................................................		29
2.11 Контрольные задания к разделу ............................................		35
3. Основы гидрогазодинамики и гидравлического
расчета трубопроводов ......................................................................		36
3.1	Основные уравнения гидрогазодинамики ..............................	37
3.1.1 Уравнение неразрывности (сплошности потока) .............		37
3.1.2 Уравнение Бернулли для идеальной жидкости ................		38
3.1.3 Уравнение Бернулли для элементарной струйки и
потока реальной жидкости ..................................................................		41
3.1.4 Уравнение Бернулли для газов ..........................................		43
3.1.5 Некоторые практические приложения уравнения
Бернулли ...............................................................................................		44
3.1.6 Уравнение изменения количества движения ...................		47
3.2	Гидравлические сопротивления ..............................................	48
3.2.1 Режимы движения жидкости, расчет потерь напора
на трение ...............................................................................................		50
3.2.2 Местные гидравлические сопротивления .........................		58
3.2.3 Кавитация в местных сопротивлениях..............................		63
3.3	Гидравлический расчет трубопроводов ..................................	64
3.3.1 Общие сведения. Простой трубопровод ...........................		64
3.3.2 Расчет длинных трубопроводов в квадратичной
и неквадратичной области сопротивления.........................................		67
3.3.3 Расчет сложных трубопроводов ........................................		69
3.3.4 Гидравлический расчет трубопроводов для газов ...........		71
3.3.5 Понятие о движении двухфазных потоков в
трубопроводах ..............................................................................		76
3.3.6 Гидравлический удар..........................................................		78
3.4	Контрольные вопросы ..............................................................	80

	5
3.5	Примеры решения задач...........................................................	81
3.6	Контрольные задания к разделу ..............................................	84
4. Гидравлический расчет истечения жидкости...........................		84
4.1	Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой
плоской стенке......................................................................................		86
4.2	Истечение жидкости через большие отверстия
в тонкой плоской стенке при постоянном напоре .............................		88
4.3	Истечение жидкости через насадки ........................................	89
4.4	Давление струи жидкости на твердые поверхности ..............	94
4.5	Контрольные вопросы ..............................................................	95
4.6	Примеры решения задач...........................................................	96
4.7	Контрольные задания к разделу ..............................................	99

5. Техническая термодинамика ....................................................		101
5.1. Идеальные газы и основные газовые законы .....................		101
5.2. Газовые смеси .......................................................................		104
5.3. Теплоемкость газов...............................................................		106
5.4. Основные функции состояния рабочего тела. Первый
закон термодинамики........................................................................		109
5.5. Основные процессы изменения состояния идеальных
газов ....................................................................................................		112
5.6. Второй закон термодинамики..............................................		120
5.7	Контрольные вопросы ...........................................................	122
5.8	Примеры решения задач .......................................................	122
5.9	Контрольные задания к разделу ...........................................	124

6. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздух.....................		124
6.1. Процессы получения и изменения состояния водяного
пара .....................................................................................................		126
6.6. Параметры влажного воздуха. J-d диаграмма
влажного воздуха ..............................................................................		127
6.3. Процессы истечения и дросселирования газов и паров ....		131
6.4. Циклы паросиловых установок ...........................................		136
6.5	Контрольные вопросы ...........................................................	144
6.6	Примеры решения задач .......................................................	146
6.7	Контрольные задания к разделу ...........................................	147
7. Теплообменные процессы ..........................................................		147
7.1. Теплопроводность ................................................................		148
7.2. Конвективный теплообмен и теплопередача .....................		153
7.7. Лучистый теплообмен ..........................................................		157
7.4. Теплообменные аппараты ....................................................		160
7.5	Контрольные вопросы ...........................................................	161
7.6	Примеры решения задач .......................................................	162
7.7	Контрольные задания к разделу ...........................................	167
Контрольные тесы по дисциплине...................................................		168
Список литературы ...........................................................................		179

6

Введение

Гидравлика и теплотехника являются фундаментальными общетехническими дисциплинами в системе профессиональной подготовки инженеров и бакалавров по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Водоснабжение и водоотведение» направления подготовки «Строительство». Знание теоретических основ механики жидкости и газа, технической термодинамики, а также приобретение практических навыков гидравлических и теплотехнических расчетов необходимы для решения задач, связанных с проектированием и эксплуатацией систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также систем тепло- и газоснабжения, сооружений водоснабжения и водоотведения.

Для студентов специальностей «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство» знание основных законов технической гидромеханики и теплотехники необходимо для понимания работы инженерных сетей, прокладываемых в промышленных и общественных зданиях любого назначения.

Для студентов по направлению подготовки «Техносферная безопасность» специальностей: «Безопасность технологических процессов и производств», «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Пожарная безопасность» и др. изучение гидравлики (гидрогазодинамики) и теплотехники (теплофизики) необходимо для осуществления контроля безопасной эксплуатации теплообменных, теплогенерирующих аппаратов, котельных агрегатов, сушильных установок и другого оборудования с целью обеспечения инженерной защиты окружающей среды.

Знание основ гидравлики и теплотехники необходимо для правильного понимания принципов расчета и конструирования трубопроводов различного назначения, теплообменных и теплогенерирующих аппаратов, отопительных и вентиляционных устройств, водо- и газоочистных аппаратов, печных и сушильных устройств.

Основное назначение учебного издания – помочь студентам выработать навыки применения теории в решении конкретных задач и освоить методику практических расчетов. Каждый раздел начинается с теоретической части, в которой приведены основные формулы, определения и справочные сведения, необходимые для решения задач по данной теме.

7

1.ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

1.1.Краткие сведения из истории развития гидравлики Гидравлика – общетехническая дисциплина, изучающая законы

равновесия и движения различных жидкостей, а также практическое применение этих законов в инженерной практике. Законы гидравлики применимы и к решению задач о движении газов, если скорость потока не превышает 30 % скорости звука в газе. Гидравлика опирается на законы физики и общие теоремы механики, поэтому ее называют также технической гидромеханикой. Практическое значение гидравлики весьма велико, так как она представляет основу для инженерных расчетов во многих областях техники, в том числе в строительстве, гидротехнике, при расчете трубопроводов для обеспечения гидро-и пневмотранспорта, гидроприводов машин и механизмов, при расчете инженерных сетей зданий и сооружений и т.д.

Гидравлика зародилась в Древней Греции. Первым трудом был трактат древнегреческого геометра и механика Архимеда (287-212-е гг. до н. э.) «О плавающих телах». Эта работа до сих пор является основой учения о равновесии плавающего тела.

Всредние века появились труды Леонардо да Винчи (1452-1519гг.)

осопротивлении жидкой среды движущемуся в ней телу «О движении и измерении воды», Галилео Галилея (1564-1642 гг.), об основных законах плавания тел. Торичелли (1608-1647 гг.) сформулировал закон истечения жидкости из отверстий. Блезу Паскалю (1623-1662гг.) принадлежит закон о передаче давления внутри жидкости. Исаак Ньютон (1642-1726 гг.) установил закон внутреннего трения в жидкости, квадратичный закон сопротивления жидкой среды движущемуся телу, а также закон динамического подобия потоков, широко применяющийся в настоящее время в теории моделирования при гидравлических лабораторных исследованиях.

Перечисленные выше работы крупнейших ученых XVI –XVII вв.значительно углубили познания в данной области. Однако как самостоятельная наука гидравлика начала формироваться только после работ, выполненных в Российской академии наук академиками Михаилом Ломоносовым (1711 -1765 гг.), Даниилом Бернулли (17001782 гг.) и Леонардом Эйлером (1707-1783 гг.), которые установили основные законы движения жидкости, ставшие теоретической основой гидравлики.

Гениальный русский ученый М.В. Ломоносов в классическом труде «Рассуждения о твердости и жидкости тела» открыл закон сохранения вещества и движения, который послужил теоретической базой для дальнейшего развития гидродинамики, рассматривающей законы

8

движения жидкостей.

В своем выдающемся труде «Гидродинамика», опубликованном в 1738г., академик Бернулли получил известное уравнение, устанавливающее связь между давлением в некоторой точке пространства, занятого жидкостью, скоростью движения жидкости в той точке и высотным положением этой точки, являюшееся основным уравнением гидродинамики.

Академик Эйлер в сочинении «Общие принципы движения жидкости» (1755 г.) вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкости, дав общее решение задачи. Из дифференциальных уравнений Эйлера может быть получено и уравнение Бернулли, являющееся частным решением этих уравнений.

Исследования Бернулли и Эйлера были продолжены и расширены. Основными проблемами гидравлики являлись изучение турбулентности потока и общих законов сопротивления движению вязких жидкостей, исследование движения потока в трубах, каналах и через водосливы, изучение гидравлического удара в трубах, исследование проблемы фильтрации жидкости через пористую среду, разработка теории размерности и подобия и т.д.

Над перечисленными проблемами гидравлики работали многие иностранные и русские ученые. Наибольший интерес представляют исследования Шези (1718 – 1798 гг.) в области равномерного движения жидкости. Работы Вентури (1746 – 1822 гг.) посвящены главным образом исследованиям истечения жидкости через отверстия и насадки (насадок и водомер Вентури), а работы Вейсбаха (1806 – 1871 гг.) – преимущественно изучению местных путевых потерь напора в трубах.

Следует особенно отметить работы английского физика Осборна Рейнольдса (1842 -1912 гг.), который впервые в 1883 г. на основании поставленных им наглядных экспериментов показал существование двух режимов при движении реальных жидкостей – ламинарного и турбулентного.

Большое значение в развитие гидравлики внесли русские ученые. В первую очередь следует отметить работы профессора Казанского университета И.С. Громека (1851 -1889 гг.), рассматривающего структуру потока как вихревую. Профессор Н.П. Петров (1836 – 1920 гг.) опубликовал в 1882 г. исследование «Гидродинамическая теория трения при наличности смазывающей жидкости», принесшее ему мировую известность. Известный русский инженер и ученый В.Г. Шухов (1853-1939 гг.) в 1886 г. первым выполнил исследования в области гидравлики нефти, изучив движение жидкостей, характеризующихся высокой вязкостью. По системе В.Г. Шухова

9

созданы котлы, нефтеперегонные установки, трубопроводы, резервуары для хранения нефти, керосина, бензина, форсунки для сжигания мазута, водонапорные башни, нефтеналивные баржи. В результате исследований В.Г. Шухова и его коллег была создана универсальная методика расчета водопроводов, которая использовалась при реконструкции системы водоснабжения в Москве и при строительстве водопроводов в Тамбове, Харькове, Воронеже и других городах России.

Великий русский ученый профессор Н.Е. Жуковский (1847 -1920гг.) решил вопрос о гидравлическом ударе в трубах (1898 г.), положив тем самым начало исследованию одной из важнейших проблем гидравлики. В 1906 г. Н.Е. Жуковский разработал теорию подъемной силы крыла. На основании этой теории стало возможно производить расчеты крыльев самолета, а также рабочих гидравлических турбин, центробежных и пропеллерных насосов. Таким образом была решена важнейшая проблема аэродинамики и гидродинамики.

1.2. Краткие сведения из истории развития теплотехники Теплотехника - общетехническая дисциплина, изучающая методы

получения и использования теплоты, а также устройство и принцип действия тепловых машин и аппаратов. Теоретическую основу теплотехники составляет техническая термодинамика, которая изучает процессы взаимного преобразования теплоты и работы в тепловых двигателях, а также свойства тел, участвующих в этих преобразованиях.

Первый фундаментальный труд по теории теплотехники «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» издал в 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796-1832 гг.). Он предсказал, что тепловым машинам «суждено совершить большой переворот в цивилизованном мире», и задался целью определить причины их несовершенства. В своем труде Карно заложил основы термодинамики, поскольку там содержались (хотя и полученные с помощью теории «теплорода») и оба начала термодинамики, и ее основные понятия, и идеальный цикл тепловых машин, и другие важные положения.

Работа Карно прошла почти незамеченной. И лишь через 10 лет, после издания «Мемуара о движущей силе теплоты» Б. Клапейрона, она стала почти сенсацей. Клапейрон «перевел» ее на математический язык, вскрыв великое содержание этого труда, и первым применил графический метод исследования работы тепловых машин - метод циклов.

В 1845-1847 гг. трудами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца окончательно формулируется закон сохранения и превращения энергии. «Теперь было доказано, - писал позже Ф. Энгельс, - что все

10

бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил... являются особыми...

формами... энергии...» Недоверие к новому закону (названному первым началом термодинамики) быстро рассеивалось благодаря трудам В. Томсона (лорда Кельвина), Р. Клаузиуса, У. Ренкина и др.

В1853 г. В. Томсон дает первое точное определение энергии. Клаузиус формулирует уже на основе механической теории тепла два начала термодинамики и получает знаменитое выражение КПД идеального цикла Карно при наличии двух источников тепла разной температуры. Одновременно публикует свой труд, посвященный термодинамике паров и газов, У. Ренкин.

В1855-1865 гг. вводятся понятия обратимых и необратимых процессов и энтропии (Клаузиусом) - величины, рост которой в необратимых процессах характеризует ту часть энергии тел, которая не может быть превращена в работу, а рассеивается в виде теплоты. Поскольку все реальные процессы вследствие трения, теплопроводности и конечности времени их протекания необратимы, энтропия изолированных систем всегда возрастает. Эту формулировку второго начала термодинамики Клаузиус без должных оснований распространил на Вселенную, объявив о неизбежности ее «тепловой смерти». Последнее означало, что когда-то вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в тепло, а равномерное распределение последнего между телами земной природы и Вселенной приведет к выравниванию температуры и к полному прекращению превращений энергии. Кроме того, австрийский физик Л. Больцман, один из творцов молекулярно-кинетической теории газов, доказал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной еще и потому, что он справедлив лишь для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся частиц, поведение которых подчиняется законам теории вероятностей. Для них возрастание энтропии лишь наиболее вероятно, но с необходимостью должно наступать и маловероятное событие (флуктуация) — ее уменьшение. Во Вселенной же действуют динамические законы.

Вте же годы независимо от Больцмана создает законченную систему статистической термодинамики скромный преподаватель колледжа США Д. У. Гиббс. По цельности, глубине и охвату она превосходит теорию Больцмана, но утверждает в принципе те же идеи. В отличие от классической термодинамики, решающей задачи на основе опытных зависимостей между макроскопическими параметрами системы (температура, давление и т. п.), статистическая термодинамика

11

позволяет вычислять макроскопические характеристики и устанавливать зависимости между ними по данным о состоянии микрочастиц систем - их расположении, скоростях, энергии. Д. У, Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

Так был заложен фундамент термодинамического метода и началась разработка его приложений, прежде всего к теории тепловых машин.

В конце XIX в. Ж. Гюи и А. Стодола ввели понятие работоспособности, или максимальной технической работы, которую может совершить система, имеющая температуру, отличающуюся от атмосферной при обратимом переходе в состояние равновесия с атмосферой. В 1956 г. Р. Рант дал этой величине название «эксергия». В отличие от энтропии, которая в реальных, необратимых процессах всегда возрастает сама по себе не определяет работоспособности системы, в отличие от энергии, которая, строго говоря, не может «расходоваться» и «теряться» (по закону сохранения ее), эксергия — запас работоспособности системы — по мере совершения ею работы уменьшается, т. е. расходуется. Это сделало эксергетические расчеты очень популярными.

Другая ветвь теории теплотехники - теория тепломассообмена - уходит своими корнями в труды Г. Галилея и И. Ньютона. Последний еще в 1701 г. установил закон конвективного теплообмена. В 1822 г. Ж- Б. Фурье издает «Аналитическую теорию теплопроводности», считая, что он привел теорию теплообмена в такое же состояние, в какое была приведена механика трудами И. Ньютона. Однако для этого потребовалось еще более 100 лет. И только современные ученые развили теорию теплообмена до законченной системы.

Быстрый и мощный скачок в разработке теории поменял ее местами с практикой — теория стала освещать путь практике, служить указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В результате на основе достижений НТР масштабы и темпы развития энергетики и потребления энергоресурсов достигли столь высоких значений, что в отдельных направлениях уже близки к предельным.

На выработку электроэнергии в развитых странах расходуется порядка 30-35 % энергоресурсов, предполагается, что к 2000 г. эта цифра вырастет до 40-50%. Остальная часть энергоресурсов идет на транспортные двигатели и на получение тепла для промышленности и отопления. При этом непосредственно используются тепловая (около 75%), механическая (около 24%), электрическая и световая (в сумме порядка 1%) энергии. В настоящее время теплотехника является научной основой повышения энергоэффективности промышленности жилищнокоммунальной сферы.

12

1.3. Основные физические свойства жидкости

Основные законы, используемые в гидравлике, те же, что и в механике твердых тел. Однако применение их отличается некоторыми особенностями вследствие различия свойств жидкости и твердых тел.

Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния и газообразного. Как и кристаллические тела, жидкости имеют определенный объем, но форма этого объема легко изменяется под действием внешних сил. Жидкости отличаются от твердых тел легкой подвижностью частиц, т.е. текучестью.

По своим механическим свойствам жидкости разделяются на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию и совершенно малым сопротивлением растягивающим и касательным усилиям. Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, который практически не изменяется под действием сил. Газы, занимая все предоставленное им пространство, могут значительно изменять объем, сжимаясь или расширяясь под действием сил, т.е. газы легко изменяют как объем, так и форму.

Косновным физическим параметрам жидкости относятся: плотность

иудельный вес, сжимаемость и температурное расширение, вязкость и поверхностное натяжение.

Плотностью ρ называется масса жидкости, заключенная в единице

объема, кг/м3:

ρ

m

,

(1.1)

W

где W – объем, м3; m – масса жидкости, кг.

Удельный вес γ

– вес единицы объема жидкости, Н/м3:

γ

G

;

(1.2)

W

γ

G

mg

ρg ;

(1.3)

W W

ρ

γ

.

(1.4)

g

При нагревании жидкость расширяется. Для характеристики расширения вводят коэффициент температурного расширения, град–1:

βt	1		W	,	(1.5)
W			t
где W – первоначальный объем;		W –			изменение объема при