1. Давление газа, его разновидности

Как известно, давление – это сила, действующая на единицу площади. Различают давление абсолютное и избыточное. избыточное давление – разница между давлением в какой-либо емкости, газопроводе и т. д. и в окружающей атмосфере. Если давление в емкости меньше атмосферного (отрицательное избыточное давление), то его называют разрежением. В металлургической теплотехнике пользуются избыточным (над атмосферным) давлением. Различают три основных вида давления: геометрическое, статическое, динамическое давление.

Геометрическое давление обусловлено стремлением горячих газов подняться вверх. Если в результате разности плотностей окружающего воздуха и газа последний переместится на высоту Н, то геометрическое давление

, (1.7)

где: g – ускорение силы тяжести, м/с²;

_в,_г – плотность, соответственно воздуха и газа, кг/м³;

Н – расстояние, на которое переместился газ, м.

Статическое давление Р_ст. – это разность давлений заключенного в сосуде газа и окружающей среды. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. Его величина определяется из опыта с помощью U – образного манометра (пьезометра). Манометр устанавливают так, чтобы один конец сообщался с атмосферой, а выходное отверстие другого конца было расположено перпендикулярно направлению потока газа.

Рисунок 1

Динамическое давление наблюдается при движении газа.

Оно равно:

(Н/м²). (1.8)

Динамическое давление обусловлено скоростью потока и может быть определено экспериментально (рис 1.).

Сумма статического и динамического давления составляет полное давление Р_п.=Р_ст.+Р_дин., которое воспринимается трубкой помещенной навстречу потока. Но поскольку Р_дин=Р_п.-Р_ст, манометр нам покажет динамическое давление. Существуют специальные приборы, позволяющие определить динамическое давление газового потока. Это напорные трубки или трубки Пито.

Статистическое давление характеризует тот запас потенциальной энергии, которой располагает 1 м² газовой системы. Представьте воздушный шар – давление на стенки – статическое давление.

Динамическое давление – это кинетическая энергия потока. В процессе движения газа на преодоление всевозможных сопротивлений затрачивается часть кинетической энергии, убыль которой восстанавливается за счет запаса потенциальной энергии (статического давления), например, от вентилятора создается избыточное статическое давление при движении газа по газопроводу.

Единицы измерения давления:

1атм = 1 кг/см²;

1атм = 760 мм. рт. ст.

1 атм = 10⁴ кг/м² (мм. в. ст.) * 9,81 10⁵н/м² (Па).

2. Ламинарное и турбулентное движение газов

В зависимости от характера движения в трубах, каналах печей и т. д. различают ламинарное (или слоистое) и турбулентное (или вихревое) движение газов.

Ламинарное называют такое движение, при котором струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь.

Характерной особенностью ламинарного движения является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное трением о поверхность канала прилегающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга.

W_ср=0,5W_max W_ср=0,76W_max

Рисунок 1

При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерное и имеет вид усеченной параболы. Возникает вопрос: от чего зависит характер движения газов и как определить, что это ламинарное или турбулентное движение.

Пределы существования ламинарного и турбулентного движения были установлены Рейнольдсом (1883 г.), который показал, что характер движения газов зависит от соотношения сил инерции и сил внутреннего трения (вязкости) в потоке. Это соотношение характеризуется безразмерным комплексом, названым впоследствии критерием Рейнольдса:

, (1.6)

где d_г – гидравлический диаметр канала; d_г=4F/П (здесь F – площадь сечения канала, П – периметр для некруглого сечения), для круглого сечения .

Установлено, что ламинарное движение имеет место при Re2100, турбулентное – при Re2300.

Из структуры критерия Рейнольдса видно, что турбулизации потока способствует увеличение скорости и диаметра канала и препятствует увеличение коэффициента кинематической вязкости. При течении какого-то конкретного газа по каналу постоянного сечения характер потока зависит исключительно от скорости. При увеличении скорости поток может перейти из ламинарного в турбулентный и наоборот.

Если обратить внимание на эпюру распределения скоростей при турбулентном движении, то видно, что все сечение потока может быть разделено на две, не равные части: очень тонкий, пристеночный пограничный слой и основная часть потока. В пределах пограничного слоя резко изменяется (уменьшается к поверхности) скорость, а в пределах основного потока скорость практически неизменна. Таким образом, при турбулентном движении основной части потока, где скорость практически неизменна, характерно отсутствие трения, т. е. в этой части потока вязкость среды на движение не влияет и можно применять в этом случае закономерности, характерные для идеальной среды.