Presiune absolută și manometrică. Înălțime piezometrică și de vid

Întrebarea 21. Clasificarea instrumentelor de măsurare a presiunii. Dispozitivul manometrului cu electrocontact, metode de verificare a acestuia.

În multe procese tehnologice, presiunea este unul dintre principalii parametri care le determină cursul. Acestea includ: presiunea în autoclave și camerele de abur, presiunea aerului în conductele de proces etc.

Determinarea valorii presiunii

Presiune este o mărime care caracterizează efectul forței pe unitatea de suprafață.

La determinarea mărimii presiunii, se obișnuiește să se facă distincția între presiunea absolută, atmosferică, în exces și în vid.

Presiunea absolută (pag A ) - aceasta este presiunea din interiorul oricărui sistem, sub care se află un gaz, vapori sau lichid, măsurată de la zero absolut.

Presiunea atmosferică (pag în ) creat de masa coloanei de aer a atmosferei terestre. Are o valoare variabilă în funcție de înălțimea zonei deasupra nivelului mării, latitudinea geografică și condițiile meteorologice.

Suprapresiune este determinată de diferența dintre presiunea absolută (p a) și presiunea atmosferică (p b):

r izb \u003d r a - r c.

Vacuum (vid) este starea unui gaz în care presiunea sa este mai mică decât presiunea atmosferică. Cantitativ, presiunea de vid este determinată de diferența dintre presiunea atmosferică și presiunea absolută din interiorul sistemului de vid:

p vak \u003d p in - p a

Când se măsoară presiunea în medii în mișcare, conceptul de presiune este înțeles ca presiune statică și dinamică.

Presiunea statică (pag Sf ) este presiunea în funcție de energia potențială a mediului gazos sau lichid; determinată de presiunea statică. Poate fi în exces sau vid, într-un caz particular poate fi egal cu atmosferic.

Presiunea dinamică (pag d ) este presiunea datorată vitezei de curgere a unui gaz sau lichid.

Presiunea totală (pag P ) Mediul în mișcare este compus din presiuni statice (p st) și dinamice (p d):

r p \u003d r st + r d.

Unități de presiune

În sistemul SI de unități, unitatea de presiune este considerată acțiunea unei forțe de 1 H (newton) pe o suprafață de 1 m², adică 1 Pa (Pascal). Deoarece această unitate este foarte mică, kilopascalul (kPa = 10 3 Pa) sau megapascalul (MPa = 10 6 Pa) este utilizat pentru măsurători practice.

În plus, următoarele unități de presiune sunt utilizate în practică:

milimetru de coloană de apă (mm coloană de apă);

milimetru de mercur (mm Hg);

atmosfera;

kilogram forță pe centimetru pătrat (kg s/cm²);

Relația dintre aceste cantități este următoarea:

1 Pa = 1 N/m²

1 kg s/cm² = 0,0981 MPa = 1 atm

1 mm w.c. Artă. \u003d 9,81 Pa \u003d 10 -4 kg s / cm² \u003d 10 -4 atm

1 mmHg Artă. = 133,332 Pa

1 bar = 100.000 Pa = 750 mmHg Artă.

Explicația fizică a unor unități de măsură:

1 kg s / cm² este presiunea unei coloane de apă de 10 m înălțime;

1 mmHg Artă. este cantitatea de reducere a presiunii pentru fiecare 10 m de altitudine.

Metode de măsurare a presiunii

Utilizarea pe scară largă a presiunii, diferența și rarefierea acesteia în procesele tehnologice face necesară aplicarea unei varietăți de metode și mijloace de măsurare și control al presiunii.

Metodele de măsurare a presiunii se bazează pe compararea forțelor presiunii măsurate cu forțele:

presiunea unei coloane de lichid (mercur, apă) de înălțimea corespunzătoare;

dezvoltat în timpul deformării elementelor elastice (arcuri, membrane, cutii manometrice, burduf și tuburi manometrice);

greutatea încărcăturii;

forţe elastice care decurg din deformarea anumitor materiale şi care provoacă efecte electrice.

Clasificarea instrumentelor de măsurare a presiunii

Clasificare după principiul acțiunii

În conformitate cu aceste metode, instrumentele de măsurare a presiunii pot fi împărțite, conform principiului de funcționare, în:

lichid;

deformare;

piston de marfă;

electric.

Cele mai utilizate în industrie sunt instrumentele de măsurare a deformării. Restul, în cea mai mare parte, și-au găsit aplicații în condiții de laborator ca exemplare sau de cercetare.

Clasificare în funcție de valoarea măsurată

În funcție de valoarea măsurată, instrumentele de măsurare a presiunii sunt împărțite în:

manometre - pentru măsurarea presiunii în exces (presiunea peste presiunea atmosferică);

micromanometre (presometre) - pentru măsurarea presiunilor mici în exces (până la 40 kPa);

barometre - pentru măsurarea presiunii atmosferice;

microvacuometre (calibre de împingere) - pentru măsurarea vidurilor mici (până la -40 kPa);

vacuometre - pentru măsurarea presiunii de vid;

manometre și vacuum - pentru măsurarea presiunii în exces și în vid;

manometre - pentru măsurarea excesului (până la 40 kPa) și a presiunii de vid (până la -40 kPa);

manometre absolute - pentru măsurarea presiunii, măsurată de la zero absolut;

manometre diferenţiale - pentru măsurarea presiunilor diferenţiale (diferenţiale).

Instrumente de măsurare a presiunii lichidelor

Acțiunea instrumentelor de măsurare a lichidelor se bazează pe principiul hidrostatic, în care presiunea măsurată este echilibrată de presiunea coloanei de fluid de barieră (de lucru). Diferența de niveluri în funcție de densitatea lichidului este o măsură a presiunii.

U-manometru în formă- Acesta este cel mai simplu dispozitiv pentru măsurarea presiunii sau a diferenței de presiune. Este un tub de sticlă îndoit umplut cu un fluid de lucru (mercur sau apă) și atașat la un panou cu o scară. Un capăt al tubului este conectat la atmosferă, iar celălalt este conectat la obiectul unde se măsoară presiunea.

Limita superioară de măsurare a manometrelor cu două conducte este de 1 ... 10 kPa cu o eroare de măsurare redusă de 0,2 ... 2%. Precizia măsurării presiunii de către acest instrument va fi determinată de precizia citirii valorii h (valoarea diferenței de nivel al lichidului), precizia determinării densității fluidului de lucru ρ și nu va depinde de secțiunea transversală. a tubului.

Instrumentele de măsurare a presiunii lichide se caracterizează prin absența transmiterii de la distanță a citirilor, limite mici de măsurare și rezistență scăzută. În același timp, datorită simplității, costului redus și preciziei de măsurare relativ ridicate, acestea sunt utilizate pe scară largă în laboratoare și mai rar în industrie.

Instrumente de măsurare a presiunii de deformare

Acestea se bazează pe echilibrarea forței create de presiunea sau vidul mediului controlat asupra elementului sensibil cu forțele de deformații elastice ale diferitelor tipuri de elemente elastice. Această deformare sub formă de deplasări liniare sau unghiulare este transmisă unui dispozitiv de înregistrare (indicator sau de înregistrare) sau convertită într-un semnal electric (pneumatic) pentru transmisie la distanță.

Ca elemente sensibile se folosesc arcuri tubulare cu o singură tură, arcuri tubulare cu mai multe spire, membrane elastice, burduf și burduf-arc.

Pentru fabricarea membranelor, burdufurilor și arcuri tubulare se folosesc aliaje de bronz, alamă, crom-nichel, care se caracterizează prin elasticitate suficient de mare, anticoroziune, dependență scăzută a parametrilor de schimbările de temperatură.

Dispozitive cu membrană sunt folosite pentru a măsura presiuni joase (până la 40 kPa) ale mediilor gazoase neutre.

Dispozitive cu burduf conceput pentru a măsura excesul și presiunea de vid a gazelor neagresive cu limite de măsurare de până la 40 kPa, până la 400 kPa (ca manometre), până la 100 kPa (ca manometre), în intervalul -100 ... + 300 kPa (ca manometre combinate de presiune și vid).

Dispozitive cu arc tubular sunt printre cele mai comune manometre, vacuometre și manometre combinate de presiune și vacuum.

Un arc tubular este un tub cu pereți subțiri, îndoit într-un arc de cerc, (cu o singură tură sau cu mai multe spire) cu un capăt etanș, care este realizat din aliaje de cupru sau oțel inoxidabil. Când presiunea din interiorul tubului crește sau scade, arcul se desfășoară sau se răsucește la un anumit unghi.

Manometrele de tipul considerat sunt produse pentru limitele superioare de măsurare de 60 ... 160 kPa. Vacuometrele sunt produse cu o scară de 0…100 kPa. Manometrele de presiune au limite de măsurare: de la -100 kPa la + (60 kPa ... 2,4 MPa). Clasa de precizie pentru manometre de lucru 0,6 ... 4, pentru exemplare - 0,16; 0,25; 0,4.

Testere cu greutate mare sunt folosite ca dispozitive de verificare a controlului mecanic și manometre exemplare de presiune medie și înaltă. Presiunea din ele este determinată de greutăți calibrate plasate pe piston. Kerosenul, uleiul de transformator sau de ricin este folosit ca fluid de lucru. Clasa de precizie a manometrelor cu greutate redusă este 0,05 și 0,02%.

Manometre electrice și vacuometre

Funcționarea dispozitivelor din acest grup se bazează pe proprietatea anumitor materiale de a-și modifica parametrii electrici sub presiune.

Manometre piezoelectrice utilizat pentru măsurarea presiunii pulsatorii de înaltă frecvență în mecanisme cu o sarcină admisă pe elementul sensibil de până la 8·10 3 GPa. Elementul sensibil din manometrele piezoelectrice, care transformă solicitările mecanice în oscilații de curent electric, sunt plăci cilindrice sau dreptunghiulare de câțiva milimetri grosime din cuarț, titanat de bariu sau ceramică PZT (zirconat-titonat de plumb).

Extensometre au dimensiuni de gabarit mici, dispozitiv simplu, precizie ridicată și fiabilitate în funcționare. Limita superioară a citirilor este 0,1 ... 40 MPa, clasa de precizie 0,6; 1 și 1.5. Sunt utilizate în condiții dificile de producție.

Ca element sensibil în extensometre, se folosesc extensometre, al căror principiu de funcționare se bazează pe o modificare a rezistenței sub acțiunea deformării.

Presiunea din manometru este măsurată printr-un circuit de punte dezechilibrat.

Ca urmare a deformării membranei cu o placă de safir și extensometre, apare un dezechilibru al punții sub formă de tensiune, care este convertită de un amplificator într-un semnal de ieșire proporțional cu presiunea măsurată.

Manometre diferențiale

Se aplică la măsurarea diferenței (diferenței) de presiune a lichidelor și gazelor. Ele pot fi folosite pentru a măsura debitul de gaze și lichide, nivelul lichidului, precum și pentru a măsura mici presiuni în exces și vid.

Manometre diferenţiale cu membrană sunt dispozitive de măsurare primare fără șacal concepute pentru a măsura presiunea mediilor neagresive, transformând valoarea măsurată într-un semnal DC analogic unificat 0 ... 5 mA.

Pentru limitarea căderilor de presiune de 1,6 ... 630 kPa sunt produse manometre diferențiale de tip DM.

Manometre cu burduf diferential sunt produse pentru limitarea căderilor de presiune de 1…4 kPa, sunt proiectate pentru suprapresiune de funcționare maximă admisă de 25 kPa.

Dispozitivul manometrului cu electrocontact, metode de verificare a acestuia

Dispozitiv manometru cu electrocontact

Figura - Scheme schematice ale manometrelor cu electrocontact: A- un singur contact pentru scurtcircuit; b- deschidere cu un singur contact; c - deschis-deschis cu două contacte; G– două contacte pentru scurtcircuit – scurtcircuit; d- deschidere-închidere cu două contacte; e- doua contacte pentru inchidere-deschidere; 1 - săgeată indicator; 2 și 3 – contacte de bază electrice; 4 și 5 – zone de contacte închise, respectiv deschise; 6 și 7 – obiecte de influență

O diagramă tipică a funcționării unui manometru cu electrocontact poate fi ilustrată în figură ( A). Cu o creștere a presiunii și atingerea unei anumite valori, săgeata index 1 cu contact electric intră în zonă 4 și se închide cu contactul de bază 2 circuitul electric al aparatului. Închiderea circuitului, la rândul său, duce la punerea în funcțiune a obiectului de influență 6.

În circuitul de deschidere (Fig. . b) în absența presiunii, contactele electrice ale săgeții index 1 și contactul de bază 2 închis. Sub tensiune Uîn este circuitul electric al dispozitivului și obiectul de influență. Când presiunea crește și indicatorul trece prin zona de contacte închise, circuitul electric al dispozitivului se întrerupe și, în consecință, semnalul electric direcționat către obiectul de influență este întrerupt.

Cel mai adesea, în condiții de producție, se folosesc manometre cu circuite electrice cu două contacte: unul este utilizat pentru indicarea sonoră sau luminoasă, iar al doilea este utilizat pentru a organiza funcționarea sistemelor de diferite tipuri de control. Astfel, circuitul de deschidere-închidere (Fig. d) permite unui canal să deschidă un circuit electric atunci când se atinge o anumită presiune și să primească un semnal de impact asupra obiectului 7 , iar conform celui de-al doilea - folosind contactul de bază 3 închideți al doilea circuit electric deschis.

Circuitul de închidere-deschidere (Fig. . e) permite, odată cu creșterea presiunii, un circuit să se închidă, iar al doilea - să se deschidă.

Circuite cu două contacte pentru închidere-închidere (Fig. G) și deschidere-deschidere (Fig. în) prevăd, atunci când presiunea crește și atinge valori identice sau diferite, închiderea ambelor circuite electrice sau, în consecință, deschiderea acestora.

Partea de electrocontact a manometrului poate fi fie integrală, combinată direct cu mecanismul contorului, fie atașată sub forma unui grup de electrocontact montat pe partea frontală a dispozitivului. Producătorii folosesc în mod tradițional modele în care tijele grupului de electrocontact au fost montate pe axa tubului. În unele dispozitive, de regulă, este instalat un grup de electrocontact, conectat la elementul sensibil prin săgeata index a manometrului. Unii producători au stăpânit manometrul cu electrocontact cu microîntrerupătoare, care sunt instalate pe mecanismul de transmisie al contorului.

Manometrele cu electrocontact sunt produse cu contacte mecanice, contacte cu presarcină magnetică, pereche inductivă, microîntrerupătoare.

Grupul de electrocontact cu contacte mecanice este structural cel mai simplu. Un contact de bază este fixat pe baza dielectrică, care este o săgeată suplimentară cu un contact electric fixat pe ea și conectat la un circuit electric. Un alt conector de circuit electric este conectat la un contact care se mișcă cu o săgeată index. Astfel, odată cu creșterea presiunii, săgeata index deplasează contactul mobil până când acesta este conectat la al doilea contact fixat pe săgeata suplimentară. Contactele mecanice, realizate sub formă de petale sau rafturi, sunt realizate din aliaje argint-nichel (Ar80Ni20), argint-paladiu (Ag70Pd30), aur-argint (Au80Ag20), platină-iridiu (Pt75Ir25) etc.

Dispozitivele cu contacte mecanice sunt proiectate pentru tensiuni de până la 250 V și rezistă la o putere maximă de rupere de până la 10 W DC sau până la 20 V×A AC. Capacitatea de rupere mică a contactelor asigură o precizie suficient de mare a răspunsului (până la 0,5% din valoarea completă).

O conexiune electrică mai puternică este asigurată de contactele cu preîncărcare magnetică. Diferența lor față de cele mecanice este că magneții mici sunt fixați pe partea din spate a contactelor (cu adeziv sau șuruburi), ceea ce sporește rezistența conexiunii mecanice. Puterea maximă de rupere a contactelor cu preîncărcare magnetică este de până la 30 W DC sau până la 50 V×A AC și tensiune de până la 380 V. Datorită prezenței magneților în sistemul de contact, clasa de precizie nu depășește 2,5.

Metode de verificare ECG

Manometrele cu electrocontact, precum și senzorii de presiune, trebuie verificate periodic.

Manometrele cu electrocontact din teren și condițiile de laborator pot fi verificate în trei moduri:

verificarea punctului zero: atunci când presiunea este îndepărtată, indicatorul ar trebui să revină la marcajul „0”, deficitul indicatorului nu trebuie să depășească jumătate din toleranța de eroare a instrumentului;

verificarea punctului de lucru: se conectează un manometru de control la dispozitivul testat și se compară citirile ambelor dispozitive;

verificare (calibrare): verificarea dispozitivului conform procedurii de verificare (calibrare) pentru acest tip de dispozitiv.

Manometrele și presostatoarele cu electrocontact sunt verificate pentru acuratețea funcționării contactelor de semnal, eroarea de funcționare nu trebuie să fie mai mare decât cea de pașaport.

Procedura de verificare

Efectuați întreținerea dispozitivului de presiune:

Verificați marcarea și siguranța sigiliilor;

Prezența și rezistența fixării capacului;

Nici un fir de împământare rupt;

Absența loviturilor și a daunelor vizibile, a prafului și a murdăriei pe carcasă;

Puterea montării senzorului (lucrare la fața locului);

Integritatea izolației cablurilor (lucrare la fața locului);

Fiabilitatea fixării cablului în dispozitivul de apă (lucrare la locul de operare);

Verificați strângerea elementelor de fixare (lucrări la fața locului);

Pentru dispozitivele de contact, verificați rezistența de izolație față de carcasă.

Asamblați un circuit pentru dispozitivele de presiune de contact.

Creșteți treptat presiunea la intrare, luați citiri ale instrumentului exemplar în timpul cursei înainte și înapoi (reducerea presiunii). Rapoartele trebuie făcute în 5 puncte egal distanțate ale intervalului de măsurare.

Verificați acuratețea operațiunii contactelor conform setărilor.

Presiune- mărime fizică care caracterizează intensitatea forțelor care acționează de-a lungul normalului la suprafața corpului și raportată la unitatea de suprafață a acestei suprafețe.

Există următoarele tipuri de presiune:

• barometric (atmosferic)
• normal
• absolut
• gabarit (gauge)
• acumetric (descărcare)

Pentru măsurarea presiunii se folosesc diferite unități: Pascal (Pa), bar, atmosferă tehnică sau pur și simplu atmosferă, milimetru de mercur sau coloană de apă, care sunt în următoarele rapoarte:

1 Pa \u003d 10 ^ -5 bar \u003d 1,02 * 10 ^ -5 kgf / cm2 \u003d 7,5024 * 10 ^ -2 mm Hg. Artă.

presiune barometrică depinde de masa stratului de aer. Cea mai mare presiune barometrică a fost înregistrată la nivelul mării și s-a ridicat la 809 mm Hg. Art., iar cel mai mic - 684 mm Hg. Artă. Presiunea barometrică este exprimată prin înălțimea coloanei de mercur în mm, redusă la 0 °C.

presiune normală- aceasta este valoarea medie a presiunii aerului pentru anul la nivelul mării, care este determinată de un barometru cu mercur la o temperatură a mercurului de 273 K. Este de aproximativ 101,3 kPa (750 mmHg). Adică presiunea normală se numește presiune barometrică, egală cu o atmosferă fizică și este un caz special de presiune barometrică.

presiune absolută numită presiunea gazelor și a lichidelor în volume închise. Nu depinde de starea mediului.

Masura presiunii este diferența dintre presiunea absolută și presiunea barometrică dacă prima este mai mare decât cea din urmă.

Un manometru este un dispozitiv care măsoară presiunea într-un vas închis, aflându-se în exteriorul acestui vas, acesta suferă presiune atât din partea laterală a mediului cât și din partea laterală a vasului. Prin urmare, presiunea totală sau absolută a gazului din vas este egală cu suma presiunii manometrice și a presiunii barometrice.

presiunea vidului este diferența dintre presiunea barometrică și presiunea absolută dacă cea din urmă este mai mică decât prima.

Valoarea numerică a presiunii este determinată nu numai de sistemul de unități adoptat, ci și de punctul de referință ales. Din punct de vedere istoric, au existat trei sisteme de referință de presiune: absolută, manometrică și vid (Fig. 2.2).

Orez. 2.2. Scale de presiune. Relația dintre presiunea absolută, presiunea manometrică și vid

Presiunea absolută se măsoară de la zero absolut (Fig. 2.2). În acest sistem, presiunea atmosferică . Prin urmare, presiunea absolută este

.

Presiunea absolută este întotdeauna pozitivă.

Suprapresiune se măsoară din presiunea atmosferică, adică de la zero condițional. Pentru a trece de la absolută la suprapresiune, este necesar să se scadă presiunea atmosferică din presiunea absolută, care în calcule aproximative poate fi luată egală cu 1 la:

.

Uneori suprapresiunea se numește presiune manometrică.

Presiune sau vid se numește lipsa de presiune față de atmosferă

.

Excesul de presiune indică fie un exces peste presiunea atmosferică, fie o deficiență față de presiunea atmosferică. Este clar că vidul poate fi reprezentat ca o suprapresiune negativă

.

După cum se poate observa, aceste trei scale de presiune diferă între ele fie la început, fie în direcția citirii, deși citirea în sine poate fi efectuată în același sistem de unități. Dacă presiunea este determinată în atmosfere tehnice, atunci desemnarea unității de presiune ( la) se atribuie o altă literă, în funcție de ce presiune este considerată „zero” și în ce direcție se ia un număr pozitiv.

De exemplu:

- presiunea absolută este egală cu 1,5 kg/cm 2 ;

- suprapresiunea este egală cu 0,5 kg/cm 2 ;

- vidul este de 0,1 kg/cm 2 .

Cel mai adesea, un inginer este interesat nu de presiunea absolută, ci de diferența acesteia față de presiunea atmosferică, deoarece pereții structurilor (rezervor, conducte etc.) experimentează de obicei efectul diferenței acestor presiuni. Prin urmare, în majoritatea cazurilor, instrumentele de măsurare a presiunii (manometre, vacuometre) indică direct excesul (manometric) de presiune sau vid.

Unități de presiune. După cum reiese din însăși definiția presiunii, dimensiunea acesteia coincide cu dimensiunea stresului, adică. este dimensiunea forței împărțită la dimensiunea ariei.

Unitatea de presiune din Sistemul Internațional de Unități (SI) este pascalul, care este presiunea cauzată de o forță distribuită uniform pe o suprafață normală acesteia, adică. . Alături de această unitate de presiune se folosesc unități mărite: kilopascal (kPa) și megapascal (MPa).

Presiunea măsurată de la zero absolut se numește presiune absolută și se notează p abs. Presiunea zero absolută înseamnă absența completă a tensiunilor de compresiune.

În vasele sau rezervoarele deschise, presiunea la suprafață este egală cu cea atmosferică p ATM. Diferența dintre presiunea absolută p abdominale si atmosferice p atm se numește exces de presiune

p colibă ​​= p abdomene - p ATM.

Când presiunea în orice punct situat în volumul lichidului este mai mare decât presiunea atmosferică, adică atunci excesul de presiune este pozitiv și se numește manometric.

Dacă presiunea în orice punct este sub nivelul atmosferic, adică atunci excesul de presiune este negativ. În acest caz se numește rarefiere sau vacuometru presiune. Valoarea rarefării sau a vidului este luată ca o deficiență la presiunea atmosferică:

p wack =p ATM - p abdomene;

p izb = - p vac.

Vidul maxim este posibil dacă presiunea absolută devine egală cu presiunea vaporilor saturați, adică. p abs = p n.p. Apoi

p wack max =p ATM - p n.p.

Dacă presiunea vaporilor de saturație poate fi neglijată, avem

p wack max =p ATM.

Unitatea de măsură a presiunii în SI este pascal (1 Pa = 1 N / m 2 ), în sistemul tehnic - atmosferă tehnică (1 at = 1 kg / cm 2 = 98,1 kPa). La rezolvarea problemelor tehnice, se presupune că presiunea atmosferică este 1 la = 98,1 kPa.

Presiunea manometrică (excesul) și vidul (vid) sunt adesea măsurate folosind tuburi de sticlă deschise în partea de sus - piezometre atașate la locul de măsurare a presiunii (Fig. 2.5).

Piezometrele măsoară presiunea în unități de înălțime a lichidului din tub. Lăsați tubul piezometrului să fie conectat la rezervor la o adâncime h unu . Înălțimea creșterii lichidului în tubul piezometrului este determinată de presiunea lichidului la punctul de conectare. Presiune în rezervor la adâncime h 1 se determină din legea de bază a hidrostaticii în forma (2.5)

,

unde este presiunea absolută în punctul de conectare al piezometrului;

este presiunea absolută pe suprafața liberă a lichidului.

Presiune în tubul piezometrului (deschis în partea de sus) la adâncime h egală

.

Din starea de egalitate a presiunilor la punctul de conectare pe laterala rezervorului si in tubul piezometric se obtine

.

(2.6)

Dacă presiunea absolută pe suprafața liberă a lichidului este mai mare decât presiunea atmosferică ( p 0 > p atm) (Fig. 2.5. A), atunci excesul de presiune va fi manometric, iar înălțimea lichidului din tubul piezometrului h > h unu . În acest caz, se numește înălțimea creșterii lichidului în tubul piezometrului manometric sau înălțimea piezometrică.

Presiunea manometrică în acest caz este definită ca

Dacă presiunea absolută pe suprafața liberă din rezervor este mai mică decât presiunea atmosferică (Fig. 2.5. b), apoi, în conformitate cu formula (2.6), înălțimea lichidului din tubul piezometrului h va fi mai puțină adâncime h unu . Se numește cantitatea cu care nivelul lichidului din piezometru scade în raport cu suprafața liberă a lichidului din rezervor înălțimea vidului h wak (Fig. 2.5. b).

Luați în considerare o altă experiență interesantă. Două tuburi de sticlă verticale sunt atașate de lichid într-un rezervor închis la aceeași adâncime: deschis în partea de sus (piezometru) și etanșat în partea de sus (Fig. 2.6). Vom presupune că se creează un vid complet în tubul etanș, adică presiunea pe suprafața lichidului din tubul etanș este egală cu zero. (Strict vorbind, presiunea de deasupra suprafeței libere a lichidului dintr-un tub etanș este egală cu presiunea vaporilor saturați, dar datorită micii sale la temperaturi obișnuite, această presiune poate fi neglijată).

În conformitate cu formula (2.6), lichidul din tubul etanș se va ridica la o înălțime corespunzătoare presiunii absolute la adâncime. h 1:

.

Și lichidul din piezometru, așa cum sa arătat mai devreme, se va ridica la o înălțime corespunzătoare presiunii în exces la adâncime. h 1 .

Să revenim la ecuația de bază a hidrostaticii (2.4). Valoare H egal cu

numit presiune piezometrică.

După cum rezultă din formulele (2.7), (2.8), înălțimea se măsoară în metri.

Conform ecuației de bază a hidrostaticei (2.4), ambele capete hidrostatice și piezometrice dintr-un fluid în repaus față de un plan de comparație ales în mod arbitrar sunt constante. Pentru toate punctele din volumul unui fluid în repaus, înălțimea hidrostatică este aceeași. Același lucru se poate spune despre capul piezometric.

Aceasta înseamnă că, dacă piezometrele sunt conectate la un rezervor cu un lichid în repaus la înălțimi diferite, atunci nivelurile de lichid din toate piezometrele vor fi setate la aceeași înălțime într-un plan orizontal, numit plan piezometric.

Suprafețe nivelate

În multe probleme practice, este important să se determine tipul și ecuația suprafeței de nivel.

Suprafata plana sau suprafață de presiune egală se numește o astfel de suprafață într-un lichid, a cărei presiune în toate punctele este aceeași, adică pe o astfel de suprafață dp= 0.

Deoarece presiunea este o anumită funcție a coordonatelor, i.e. p = f(x,y,z), atunci ecuația suprafeței de presiune egală va fi:

Dând o constantă C valori diferite, vom obține suprafețe nivelate diferite. Ecuația (2.9) este o ecuație pentru o familie de suprafețe plane.

suprafata libera este interfața dintre un lichid care pică și un gaz, în special, cu aerul. De obicei, se vorbește de o suprafață liberă doar pentru lichide incompresibile (scăzând). Este clar că suprafața liberă este și o suprafață de presiune egală, a cărei valoare este egală cu presiunea din gaz (la interfață).

Prin analogie cu suprafața plană se introduce conceptul suprafeţe cu potenţial egal sau suprafata echipotentiala este o suprafață în toate punctele căreia funcția de forță are aceeași valoare. Adică pe o astfel de suprafață

U= const

Atunci ecuația familiei suprafețelor echipotențiale va avea forma

U(x,y,z)=C,

unde este constanta C ia valori diferite pentru diferite suprafețe.

Din forma integrală a ecuaţiilor lui Euler (ecuaţiile (2.3)) rezultă că

Din această relație, putem concluziona că suprafețele de presiune egală și suprafețele de potențial egal coincid, deoarece la dp= 0i dU= 0.

Cea mai importantă proprietate a suprafețelor cu presiune egală și potențial egal este următoarea: forța corpului care acționează asupra unei particule lichide situată în orice punct este îndreptată de-a lungul normalei la suprafața de nivel care trece prin acest punct.

Să demonstrăm această proprietate.

Lasă o particulă de fluid să se deplaseze dintr-un punct cu coordonate de-a lungul unei suprafețe echipotențiale la un punct cu coordonate. Munca forțelor corpului asupra acestei deplasări va fi egală cu

Dar, deoarece particula lichidă s-a deplasat de-a lungul suprafeței echipotențiale, dU= 0. Aceasta înseamnă că munca forțelor corpului care acționează asupra particulei este egală cu zero. Forțele nu sunt egale cu zero, deplasarea nu este egală cu zero, atunci lucrul poate fi egal cu zero doar dacă forțele sunt perpendiculare pe deplasare. Adică, forțele corpului sunt normale cu suprafața plană.

Să acordăm atenție faptului că în ecuația principală de hidrostatică scrisă pentru cazul în care asupra lichidului acționează un singur tip de forțe corporale - gravitația (vezi ecuația (2.5))

,

magnitudinea p 0 nu este neapărat presiunea pe suprafața lichidului. Poate fi presiune în orice punct în care o știm. Apoi h este diferența de adâncime (în direcția vertical în jos) dintre punctul în care este cunoscută presiunea și punctul în care dorim să o determinăm. Astfel, folosind această ecuație, puteți determina valoarea presiunii pîn orice punct printr-o presiune cunoscută într-un punct cunoscut - p 0 .

Rețineți că valoarea nu depinde de p 0 . Apoi din ecuația (2.5) rezultă concluzia: cât de mult se va schimba presiunea p 0 , presiunea în orice punct al volumului lichidului se va modifica în același mod p. Din moment ce punctele în care fixăm pși p 0 sunt alese arbitrar, ceea ce înseamnă că presiunea creată în orice punct al fluidului în repaus este transmisă în toate punctele volumului ocupat al fluidului fără a-i modifica valoarea.

După cum știți, aceasta este legea lui Pascal.

Ecuația (2.5) poate fi utilizată pentru a determina forma suprafețelor de nivel ale unui fluid în repaus. Pentru aceasta trebuie să puneți p= const. Din ecuație rezultă că acest lucru se poate face numai dacă h= const. Aceasta înseamnă că atunci când asupra unui lichid acționează numai forțele gravitaționale din forțele volumetrice, suprafețele de nivel sunt plane orizontale.

Suprafața liberă a unui fluid în repaus va fi, de asemenea, același plan orizontal.

În aplicațiile tehnice, presiunea este de obicei denumită presiune absolută. De asemenea, intra numit excesul de presiune și vid, a căror definiție se realizează în raport cu presiunea atmosferică.

Dacă presiunea este mai mare decât presiunea atmosferică (), atunci se numește excesul de presiune deasupra atmosferei redundant presiune:

;

dacă presiunea este mai mică decât cea atmosferică, atunci se numește lipsa de presiune față de atmosferă vid(sau vid presiune):

.

Evident, ambele cantități sunt pozitive. De exemplu, dacă spun: excesul de presiune este 2 ATM., aceasta înseamnă că presiunea absolută este de . Dacă se spune că vidul din vas este de 0,3 ATM., atunci aceasta înseamnă că presiunea absolută din vas este egală etc.

LICHIDE. HIDROSTATICĂ

Proprietățile fizice ale lichidelor

Picurarea lichidelor sunt sisteme complexe cu multe proprietăți fizice și chimice. Industria petrolieră și petrochimică, pe lângă apă, se ocupă cu lichide precum țițeiul, produse petroliere ușoare (benzine, kerosen, motorină și uleiuri pentru încălzire etc.), diverse uleiuri, precum și alte lichide care sunt produse de rafinarea petrolului. . Să ne oprim, în primul rând, asupra acelor proprietăți ale lichidului care sunt importante pentru studiul problemelor hidraulice ale transportului și depozitării petrolului și produselor petroliere.

Densitatea lichidelor. Proprietăți de compresibilitate

si dilatare termica

Fiecare lichid în anumite condiții standard (de exemplu, presiunea atmosferică și o temperatură de 20 0 C) are o densitate nominală. De exemplu, densitatea nominală a apei proaspete este de 1000 kg/m 3, densitatea mercurului este 13590 kg/m 3, țiței 840-890 kg/m 3, benzina 730-750 kg/m 3 , motorine 840-860 kg/m 3 . În același timp, densitatea aerului este kg/m 3 si gaze naturale kg/m 3 .

Cu toate acestea, pe măsură ce presiunea și temperatura se modifică, densitatea lichidului se modifică: de regulă, când presiunea crește sau temperatura scade, aceasta crește, iar când presiunea scade sau temperatura crește, scade.

Fluide elastice

Modificările densității picăturilor de lichide sunt de obicei mici în comparație cu valoarea nominală (), prin urmare, în unele cazuri, modelul este utilizat pentru a descrie proprietățile compresibilității lor. elastic lichide. În acest model, densitatea lichidului depinde de presiunea conform formulei

în care se numește coeficientul factor de compresibilitate; densitatea lichidului la presiunea nominală. Această formulă arată că excesul de presiune de mai sus duce la o creștere a densității lichidului, în cazul opus - la o scădere.

De asemenea, folosit modulul de elasticitate K(Pa), care este egal cu . În acest caz, formula (2.1) se scrie ca

. (2.2)

Valorile medii ale modulului de elasticitate pentru apă Pa, ulei și produse petroliere Pa. De aici rezultă că abaterile densitatea lichidului de la densitatea nominală este extrem de mică. De exemplu, dacă MPa(atm.), apoi pentru un lichid cu kg/m 3 abaterea va fi 2,8 kg/m 3 .

Lichide cu dilatare termică

Faptul că diverse medii se dilată la încălzire și se contractă la răcire este luat în considerare în modelul fluid cu expansiune volumetrică. În acest model, densitatea este o funcție de temperatură, deci:

în care () este coeficientul de dilatare volumetrică și sunt densitatea nominală și temperatura lichidului. Pentru apă, ulei și produse petroliere, valorile coeficientului sunt date în tabelul 2.1.

Din formula (2.3) rezultă, în special, că atunci când este încălzită, i.e. în cazurile în care , lichidul se dilată; iar în cazurile în care , lichidul este comprimat.

Tabelul 2.1

Coeficientul de dilatare a volumului

Exemplul 1. Densitatea benzinei la 20 0 C este de 745 kg/m 3 . Care este densitatea aceleiași benzine la o temperatură de 10 0 C?

Decizie. Folosind formula (2.3) și tabelul 1, avem:

kg/m 3 , acestea. această densitate a crescut cu 8,3 kg/m3.

Se folosește și un model de fluid care ia în considerare atât presiunea, cât și dilatarea termică. În acest model, și următoarea ecuație de stare este valabilă:

. (2.4)

Exemplul 2. Densitatea benzinei la 20 0 C și presiunea atmosferică(MPa)egal cu 745 kg/m 3 . Care este densitatea aceleiași benzine la o temperatură de 10 0 C și o presiune de 6,5 MPa?

Decizie. Folosind formula (2.4) și tabelul 2.1, avem:

kg/m 3, adică această densitate a crescut cu 12 kg/m 3 .

lichid incompresibil

În cazurile în care modificările densității particulelor lichide pot fi neglijate, un model al așa-numitului incompresibil lichide. Densitatea fiecărei particule dintr-un astfel de fluid ipotetic rămâne constantă pe toată durata mișcării (cu alte cuvinte, derivatul total), deși poate fi diferită pentru diferite particule (cum ar fi, de exemplu, în emulsiile apă-ulei). Dacă fluidul incompresibil este omogen, atunci

Subliniem că un fluid incompresibil este doar model, care poate fi folosit în cazurile în care modificarea densității lichidului este mult mai mică decât valoarea densității în sine, astfel încât .

Vâscozitatea fluidului

Dacă straturile de fluid se mișcă unul față de celălalt, atunci apar forțe de frecare între ele. Aceste forțe se numesc forțe vâscos frecarea și proprietatea de rezistență la mișcarea relativă a straturilor - viscozitate lichide.

Să se miște, de exemplu, straturile lichide așa cum se arată în Fig. 2.1.

Orez. 2.1. Despre definiția frecării vâscoase

Aici este distribuția vitezelor în flux, iar direcția normalei la amplasament este . Straturile superioare se mișcă mai repede decât cele inferioare, prin urmare, din partea primului, acționează o forță de frecare, trăgându-l pe al doilea înainte de-a lungul fluxului. , iar din partea straturilor inferioare actioneaza o forta de frecare, inhiband miscarea straturilor superioare. Valoarea este X- componentă a forței de frecare dintre straturi de fluide separate printr-o platformă cu o normală y calculat pe unitate de suprafață.

Dacă introducem derivata în considerare, atunci aceasta va caracteriza viteza de forfecare, adică diferența dintre vitezele straturilor lichide, calculată pe unitatea de distanță dintre ele. Rezultă că pentru multe lichide este valabilă legea conform căreia efortul de forfecare dintre straturi este proporțională cu diferența de viteze a acestor straturi, calculată pe unitatea de distanță dintre ele:

Sensul acestei legi este clar: cu cât viteza relativă a straturilor de fluid este mai mare (rata de forfecare), cu atât forța de frecare dintre straturi este mai mare.

Un fluid pentru care legea (2.5) este valabilă se numește Fluid vâscos newtonian. Multe lichide care picura îndeplinesc această lege, cu toate acestea, coeficientul de proporționalitate inclus în ea se dovedește a fi diferit pentru diferite lichide. Se spune că astfel de fluide sunt newtoniene, dar cu vâscozități diferite.

Se numeste coeficientul de proportionalitate cuprins in legea (2.5). coeficient de vâscozitate dinamică.

Dimensiunea acestui coeficient este

.

În sistemul SI, se măsoară în și se exprimă în echilibru(Pz). Această unitate a fost introdusă în cinstea lui Jean Louis Marie Poiseuille, (1799-1869) - un medic și fizician francez remarcabil care a făcut mult pentru a studia mișcarea fluidului (în special a sângelui) într-o țeavă.

Echilibrul este definit după cum urmează: 1 Pz= 0,1. Pentru a vă face o idee despre valoarea 1 Pz, observăm că coeficientul de vâscozitate dinamică al apei este de o sută de ori mai mic decât 1 Pz, adică. 0,01 Pz= 0,001 = 1 centi Poise. Vâscozitatea benzinei este de 0,4-0,5 Pz, motorină 4 - 8 Pz, ulei - 5-30 Pzși altele.

Pentru a descrie proprietățile vâscoase ale unui lichid, este important și un alt coeficient, care este raportul dintre coeficientul de vâscozitate dinamică și densitatea lichidului, și anume . Acest coeficient este notat și numit coeficient de vâscozitate cinematică.

Dimensiunea coeficientului de vâscozitate cinematică este următoarea:

= .

În sistemul SI, se măsoară m2/sși este exprimat de Stokes ( George Gabriel Stokes(1819-1903) - un matematician, fizician și hidromecanic englez remarcabil):

1 Sf= 10 -4 m2/s.

Cu această definiție a vâscozității cinematice pentru apă, avem:

Cu alte cuvinte, unitățile de măsură pentru vâscozitatea dinamică și cinematică sunt alese astfel încât ambele pentru apă să fie egale cu 0,01 unități: 1 cpsîn primul caz și 1 cSt- in secunda.

Pentru referință, indicăm că vâscozitatea cinematică a benzinei este de aproximativ 0,6 cSt; combustibil diesel - cSt; ulei cu vâscozitate scăzută - cSt etc.

Vâscozitate față de temperatură. Vâscozitatea multor lichide - apă, ulei și aproape toate produsele petroliere - depinde de temperatură. Pe măsură ce temperatura crește, vâscozitatea scade; pe măsură ce temperatura scade, aceasta crește. Pentru a calcula dependența vâscozității, de exemplu, cinematica de temperatură, se folosesc diverse formule, inclusiv Formula O. Reynolds - P. A. Filonov

Decizie. După formula (2.7) se calculează coeficientul: . Conform formulei (2.6) găsim vâscozitatea dorită: cSt.

Fluid ideal

Dacă forțele de frecare dintre straturile lichidului sunt mult mai mici decât forțele normale (de compresie), atunci model așa-zisul fluid ideal. În acest model, se presupune că forțele tangențiale de frecare între particulele separate de o platformă sunt absente și în timpul curgerii unui lichid, și nu numai în repaus (a se vedea definiția unui lichid în Secțiunea 1.9). O astfel de schematizare a unui fluid se dovedește a fi foarte utilă în cazurile în care componentele tangențiale ale forțelor de interacțiune (forțe de frecare) sunt mult mai mici decât componentele lor normale (forțe de presiune). În alte cazuri, când forțele de frecare sunt comparabile cu forțele de presiune sau chiar le depășesc, modelul unui fluid ideal se dovedește a fi inaplicabil.

Deoarece într-un fluid ideal există doar tensiuni normale, vectorul de stres pe orice zonă cu o normală este perpendicular pe această zonă . Repetând construcțiile de la punctul 1.9, putem concluziona că într-un fluid ideal toate tensiunile normale sunt egale ca mărime și negative ( ). Prin urmare, într-un fluid ideal există un parametru numit presiune:, , iar matricea de tensiuni are forma:

. (2.8)