«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

Раздел I гидромеханические процессы

1. Основы гидравлики

1. Основные свойства жидкостей в гидравлике

Под жидкостью подразумевают физическое тело, обладающее двумя отличительными свойствами:

1) незначительно изменяет свой объём при изменении давления и температуры (в этом жидкость сходна с твердым телом);

2) обладает текучестью, благодаря чему не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором находится (в этом жидкость сходна с газом).

Поскольку газ также обладает свойством текучести, то многие теоретические положения, разработанные по отношению к жидкому телу, могут быть распространены на газообразные тела.

Поэтому на практике различают собственно жидкости, или «капельные» жидкости (несжимаемые) и газообразные жидкости, или сжимаемые.

При аналитических исследованиях часто пользуются понятием «идеальной» жидкости, которая характеризуется:

а) абсолютной несжимаемостью;

б) полным отсутствием вязкости, т.е. сил трения при движении.

К основным физическим свойствам жидкостей, широко используемых при решении различных задач гидравлики, относятся: плотность, удельный объём, удельный вес, сжимаемость, температурное расширение, вязкость, поверхностное натяжение, гидравлическое давление.

Вязкость–свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение её частиц. Чтобы сместить один слой жидкости относительно другого необходимо приложить силу Р_Т. Эта сила, отнесённая к поверхности слоя, называется напряжением внутреннего трения или касательным напряжением, Па:

(F– площадь слоя, м²;Р_Т – сила, Н).

Согласно закону трения Ньютона

где – градиент скорости – относительное изменение скорости в направлении нормали к поверхности.

Тогда

Коэффициент пропорциональности, входящий в последнее уравнение, называется динамическим коэффициентом вязкости или просто вязкостью , Пас.

Отношение вязкости к плотности жидкости называют кинематическим коэффициентом вязкости или кинематической вязкостью, м²/с:

Вязкость проявляется только при движении жидкости и не может быть обнаружена в состоянии покоя. Вязкостью жидкости объясняется сопротивление, которое возникает при движении её по трубопроводу, а также при движении твёрдых тел внутри жидкости. Вязкость зависит от рода жидкости и температуры. Величина не поддаётся теоретическому расчёту, а определяется опытным путём.

Зависимость вязкости жидкости от температуры описывается приближённым уравнением:

где АиВ– константы, зависящие от природы жидкости. Коэффициент вязкостиу капельных жидкостей с повышением температуры уменьшается в силу увеличения межмолекулярного расстояния и падения сопротивления деформации жидкости.

Вязкость же газов растёт с повышением температуры Т. Согласно кинетической теории газовгдеС– константа, зависящая от природы газа. Однако для реальных газов эта зависимость более сложная. Согласно Сатерлэнду

где S– постоянная величина для данного газа, определяемая опытным путём.

Вязкость жидкостных смесей _смне подчиняется закону аддитивности. Для неассоциированных жидкостных смесей можно воспользоваться выражением

где ₁,₂, …,_n– вязкости отдельных компонентов;m₁,m₂, …,m_n– мольные доли компонентов в смеси.

Закон трения Ньютона справедлив для жидкостей с небольшой молекулярной массой, вязкость которых является функцией температуры и давления, но не зависит от градиента скорости w/n(скорости сдвига). Такие жидкости носят название ньютоновских, для них характерна линейная зависимостьот w/n(рис. 1.1), при этом тангенс угла наклона прямой равен μ.

Жидкости, не следующие закону Ньютона, получили название неньютоновских, их вязкость при данной температуре и давлении не остаётся постоянной, а изменяется в зависимости от скорости сдвига, его продолжительности, или «предыстории» жидкости.

Рисунок 1.1 – Зависимости между напряжением и скоростью сдвига (кривые течения): 1 – ньютоновские жидкости; 2 – бингамовские пластичные жидкости; 3 – псевдопластичные жидкости; 4 – дилатантные жидкости

Зависимости=f(w/n) для неньютоновских жидкостей являются криволинейными (рис. 1.1) и носят названиекривых течения. Вид кривой течения зависит от типа неньютоновской жидкости, которые подразделяются на три группы.

К первойгруппе относятся вязкие или реологически стационарные жидкости, для которых функция=f(w/n) не зависит от времени. По виду этой функции, в свою очередь, различают следующие разновидности жидкостей этой группы.

Бингамовские жидкости– при малых значениях напряжениялишь деформируются, начинают течь по достижении некоторого значения₀, называемого пределом текучести. Для бингамовских жидкостей справедлива зависимость

где _n– коэффициент пропорциональности, называемый пластической вязкостью.

К этому типу жидкостей относятся густые суспензии, пасты, масляные краски, шламы и т.п.

Псевдопластичные жидкости– предел текучести отсутствует, но кажущаяся вязкость_кс ростом скорости сдвига падает:

Показатель степени аможно рассматривать как степень отклонения от ньютоновской жидкости, для которойа= 1.

К псевдопластичным жидкостям относятся суспензии с асимметричными частицами, растворы полимеров.

Дилатантные жидкости, подобно псевдопластичным, не имеют предела текучести, но их кажущаяся вязкость_крастёт с увеличением скорости сдвига, т.е.а> 1.

К таким жидкостям относят суспензии с большим содержанием растворённого вещества.

Ко второйгруппе неньютоновских жидкостей относят те жидкости, у которых зависимость=f(w/n) изменяется во времени. Для этих жидкостей кажущаяся вязкость_кзависит не только от градиента скорости, но и от продолжительности сдвига, т.е. «предыстории» жидкости.

В зависимости от характера влияния продолжительности сдвига на структуру жидкости различают тиксотропные и реопектантные жидкости.

У тиксотропных жидкостейс увеличением продолжительности воздействия напряжения сдвига структура разрушается и текучесть возрастает. Однако после снятия напряжения структура постепенно восстанавливается, и жидкость перестаёт течь.

К числу тиксотропных жидкостей относятся различные краски, молочные кислые продукты.

Реопектантные жидкостихарактерны тем, что с увеличением продолжительности воздействия напряжения сдвига текучесть снижается.

К третьейгруппе относятсявязкоупругие, илимаксвелловские, жидкости, которые текут под воздействием напряжения, но после снятия напряжения частично восстанавливают свою форму, подобно упругим твёрдым телам (смолы, тестообразные тела).

Влияние температуры на вязкость неньютоновских жидкостей описывается уравнением Аррениуса:

где ₀– вязкость приТ= 273 К;Е– энергия активации, кДж/моль.