Absolutni in merilni tlak. Piezometrična in vakuumska višina

Vprašanje 21. Razvrstitev instrumentov za merjenje tlaka. Naprava elektrokontaktnega manometra, metode njegovega preverjanja.

Pri mnogih tehnoloških procesih je tlak eden glavnih parametrov, ki določajo njihov potek. Sem spadajo: tlak v avtoklavih in parnih komorah, zračni tlak v procesnih cevovodih itd.

Določanje vrednosti tlaka

Pritisk je količina, ki označuje učinek sile na enoto površine.

Pri določanju velikosti tlaka je običajno razlikovati med absolutnim, atmosferskim, manometričnim in vakuumskim tlakom.

Absolutni tlak (str a ) - to je tlak znotraj katerega koli sistema, pod katerim je plin, para ali tekočina, merjen od absolutne ničle.

Atmosferski tlak (str v ) ki ga ustvari masa zračnega stolpca zemeljske atmosfere. Ima spremenljivo vrednost, odvisno od višine območja nad morsko gladino, geografske širine in meteoroloških razmer.

Nadtlak je določena z razliko med absolutnim tlakom (p a) in atmosferskim tlakom (p b):

r izb \u003d r a - r c.

Vakuum (vakuum) je stanje plina, v katerem je njegov tlak nižji od atmosferskega tlaka. Kvantitativno je vakuumski tlak določen z razliko med atmosferskim tlakom in absolutnim tlakom v vakuumskem sistemu:

p vak \u003d p in - p a

Pri merjenju tlaka v gibljivih medijih pojem tlaka razumemo kot statični in dinamični tlak.

Statični tlak (str st ) je tlak, odvisen od potencialne energije plinastega ali tekočega medija; določeno s statičnim tlakom. Lahko je presežek ali vakuum, v določenem primeru pa je lahko enak atmosferskemu.

Dinamični tlak (str d ) je tlak zaradi hitrosti pretoka plina ali tekočine.

Skupni tlak (str P ) gibljivi medij je sestavljen iz statičnega (p st) in dinamičnega (p d) tlaka:

r p \u003d r st + r d.

Enote tlaka

V sistemu enot SI se za enoto tlaka šteje delovanje sile 1 H (newton) na površino 1 m², to je 1 Pa (Pascal). Ker je ta enota zelo majhna, se za praktične meritve uporablja kilopaskal (kPa = 10 3 Pa) ali megapaskal (MPa = 10 6 Pa).

Poleg tega se v praksi uporabljajo naslednje tlačne enote:

milimeter vodnega stolpca (mm vodni stolpec);

milimeter živega srebra (mm Hg);

vzdušje;

kilogram sile na kvadratni centimeter (kg s/cm²);

Razmerje med temi količinami je naslednje:

1 Pa = 1 N/m²

1 kg s/cm² = 0,0981 MPa = 1 atm

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

1 mmHg Umetnost. = 133,332 Pa

1 bar = 100.000 Pa = 750 mmHg Umetnost.

Fizična razlaga nekaterih merskih enot:

1 kg s / cm² je tlak vodnega stolpca, ki je visok 10 m;

1 mmHg Umetnost. je količina zmanjšanja tlaka na vsakih 10 m nadmorske višine.

Metode merjenja tlaka

Zaradi široke uporabe tlaka, njegove razlike in redkosti v tehnoloških procesih je potrebna uporaba različnih metod in sredstev za merjenje in regulacijo tlaka.

Metode za merjenje tlaka temeljijo na primerjavi sil izmerjenega tlaka s silami:

tlak stolpca tekočine (živo srebro, voda) ustrezne višine;

razviti med deformacijo elastičnih elementov (vzmeti, membrane, manometrične škatle, mehovi in ​​manometrične cevi);

teža tovora;

elastične sile, ki nastanejo zaradi deformacije določenih materialov in povzročajo električne učinke.

Razvrstitev instrumentov za merjenje tlaka

Razvrstitev po načelu delovanja

V skladu s temi metodami lahko instrumente za merjenje tlaka glede na načelo delovanja razdelimo na:

tekočina;

deformacija;

tovorni bat;

električni.

V industriji se najbolj uporabljajo instrumenti za merjenje deformacij. Ostalo je večinoma našlo uporabo v laboratorijskih pogojih kot zgledno ali raziskovalno.

Razvrstitev glede na izmerjeno vrednost

Glede na izmerjeno vrednost se instrumenti za merjenje tlaka delijo na:

manometri - za merjenje nadtlaka (tlak nad atmosferskim tlakom);

mikromanometri (tlakomeri) - za merjenje majhnih presežnih tlakov (do 40 kPa);

barometri - za merjenje atmosferskega tlaka;

mikrovakuumski merilniki (merilniki potiska) - za merjenje majhnih podtlakov (do -40 kPa);

vakuumski merilniki - za merjenje vakuumskega tlaka;

merilniki tlaka in vakuuma - za merjenje presežnega in vakuumskega tlaka;

manometri - za merjenje presežka (do 40 kPa) in vakuumskega tlaka (do -40 kPa);

absolutni manometri - za merjenje tlaka, merjeno od absolutne ničle;

diferenčni manometri - za merjenje razlike (diferencialnih) tlakov.

Instrumenti za merjenje tlaka tekočine

Delovanje merilnih instrumentov za tekočino temelji na hidrostatičnem principu, pri katerem se izmerjeni tlak uravnoteži s tlakom pregradnega (delovnega) stebra tekočine. Razlika v nivojih, ki je odvisna od gostote tekočine, je merilo tlaka.

U- oblikovani manometer- To je najpreprostejša naprava za merjenje tlaka ali tlačne razlike. Je upognjena steklena cev, napolnjena z delovno tekočino (živo srebro ali voda) in pritrjena na ploščo z lestvico. En konec cevi je povezan z atmosfero, drugi pa s predmetom, kjer se meri tlak.

Zgornja meja merjenja dvocevnih manometrov je 1 ... 10 kPa z zmanjšano napako merjenja 0,2 ... 2%. Natančnost merjenja tlaka s tem orodjem bo določena s točnostjo odčitavanja vrednosti h (vrednost razlike v nivoju tekočine), natančnostjo določanja gostote delovne tekočine ρ in ne bo odvisna od preseka. cevi.

Za instrumente za merjenje tlaka tekočine je značilna odsotnost daljinskega prenosa odčitkov, majhne meje merjenja in nizka trdnost. Hkrati se zaradi svoje preprostosti, nizke cene in razmeroma visoke merilne natančnosti pogosto uporabljajo v laboratorijih in redkeje v industriji.

Instrumenti za merjenje deformacijskega tlaka

Temeljijo na uravnoteženju sile, ki nastane zaradi pritiska ali vakuuma kontroliranega medija na občutljivem elementu, s silami elastičnih deformacij različnih vrst elastičnih elementov. Ta deformacija v obliki linearnih ali kotnih premikov se prenaša na snemalno napravo (indikatorska ali snemalna) ali se pretvori v električni (pnevmatski) signal za daljinski prenos.

Kot občutljivi elementi se uporabljajo enosmerne cevaste vzmeti, večobratne cevne vzmeti, elastične membrane, meh in vzmetni meh.

Za izdelavo membran, mehov in cevastih vzmeti se uporabljajo bronaste, medenine, krom-nikljeve zlitine, za katere je značilna dovolj visoka elastičnost, odpornost proti koroziji in majhna odvisnost parametrov od temperaturnih sprememb.

Membranske naprave se uporabljajo za merjenje nizkih tlakov (do 40 kPa) nevtralnih plinastih medijev.

Naprave z mehom zasnovan za merjenje presežnega in vakuumskega tlaka neagresivnih plinov z mejami merjenja do 40 kPa, do 400 kPa (kot merilniki tlaka), do 100 kPa (kot vakuumski merilniki), v območju -100 ... + 300 kPa (kot kombinirani merilniki tlaka in vakuuma).

Cevaste vzmetne naprave so med najpogostejšimi manometri, vakuumski merilniki in kombinirani merilniki tlaka in podtlaka.

Cevasta vzmet je tankostenska, upognjena v loku kroga, cev (enojna ali večkratna) z zatesnjenim enim koncem, ki je izdelana iz bakrovih zlitin ali nerjavnega jekla. Ko se tlak v cevi poveča ali zmanjša, se vzmet odvije ali zavije pod določenim kotom.

Manometri obravnavanega tipa so izdelani za zgornje meje merjenja 60 ... 160 kPa. Vakuumski merilniki se proizvajajo v merilu 0…100 kPa. Tlačni vakuumski manometri imajo meje merjenja: od -100 kPa do + (60 kPa ... 2,4 MPa). Razred natančnosti za delovne manometre 0,6 ... 4, za zgledno - 0,16; 0,25; 0.4.

Testerji mrtve teže se uporabljajo kot naprave za preverjanje mehanskega krmiljenja in zgledni merilniki srednjega in visokega tlaka. Tlak v njih določajo kalibrirane uteži, nameščene na bat. Kot delovna tekočina se uporablja kerozin, transformatorsko ali ricinusovo olje. Razred točnosti merilnikov lastne teže je 0,05 in 0,02%.

Električni manometri in vakuumski merilniki

Delovanje naprav te skupine temelji na lastnosti določenih materialov, da pod pritiskom spreminjajo svoje električne parametre.

Piezoelektrični merilniki tlaka uporablja se za merjenje visokofrekvenčnega pulzirajočega tlaka v mehanizmih z dovoljeno obremenitvijo občutljivega elementa do 8·10 3 GPa. Občutljivi element v piezoelektričnih manometrih, ki pretvarja mehanske napetosti v nihanja električnega toka, so cilindrične ali pravokotne plošče, debele nekaj milimetrov, izdelane iz kremena, barijevega titanata ali PZT keramike (svinčev cirkonat-titonat).

Merilniki napetosti imajo majhne skupne dimenzije, preprosto napravo, visoko natančnost in zanesljivost delovanja. Zgornja meja odčitkov je 0,1 ... 40 MPa, razred točnosti 0,6; 1 in 1.5. Uporabljajo se v težkih proizvodnih pogojih.

Kot občutljiv element v merilnikih napetosti se uporabljajo merilniki napetosti, katerih princip delovanja temelji na spremembi upora pod delovanjem deformacije.

Tlak v merilniku se meri z neuravnoteženim mostnim krogom.

Zaradi deformacije membrane s safirno ploščo in merilniki napetosti pride do neuravnoteženosti mostu v obliki napetosti, ki jo ojačevalnik pretvori v izhodni signal, sorazmeren z izmerjenim tlakom.

Merilniki diferenčnega tlaka

Uporabljajo se za merjenje razlike (razlike) tlaka tekočin in plinov. Uporabljajo se lahko za merjenje pretoka plinov in tekočin, nivoja tekočine, pa tudi za merjenje majhnih presežnih in vakuumskih tlakov.

Membranski merilniki diferenčnega tlaka so primarne merilne naprave brez šakala, zasnovane za merjenje tlaka neagresivnih medijev, ki pretvarjajo izmerjeno vrednost v enoten analogni enosmerni signal 0 ... 5 mA.

Diferencialni manometri tipa DM so izdelani za omejevanje padcev tlaka 1,6 ... 630 kPa.

Merilniki diferenčnega tlaka z mehom so izdelani za omejevanje padcev tlaka 1…4 kPa, zasnovani so za največji dovoljeni obratovalni nadtlak 25 kPa.

Naprava elektrokontaktnega manometra, metode za njegovo preverjanje

Elektrokontaktni manometer

Slika - Shematski diagrami elektrokontaktnih manometerov: a- enokontaktni za kratek stik; b- enokontaktno odpiranje; c - dvokontaktno odprto odprto; G– dvokontaktni za kratek stik – kratek stik; d- dvokontaktno odpiranje-zapiranje; e- dvokontaktni za zapiranje-odpiranje; 1 - puščica kazalca; 2 in 3 – električni osnovni kontakti; 4 in 5 – cone zaprtih in odprtih kontaktov; 6 in 7 – predmeti vpliva

Tipičen diagram delovanja elektrokontaktnega manometra je mogoče ponazoriti na sliki ( a). S povečanjem tlaka in doseganjem določene vrednosti se indeksna puščica 1 z električnim kontaktom vstopi v cono 4 in se zapre z osnovnim kontaktom 2 električni tokokrog naprave. Zapiranje tokokroga pa vodi v zagon objekta vpliva 6.

V odpiralnem krogu (sl. . b) v odsotnosti tlaka električni kontakti indeksne puščice 1 in osnovni kontakt 2 zaprto. Pod napetostjo U in je električni tokokrog naprave in predmet vpliva. Ko se tlak dvigne in kazalec preide skozi območje zaprtih kontaktov, se električni tokokrog naprave prekine in s tem se prekine električni signal, usmerjen na predmet vpliva.

Najpogosteje se v proizvodnih pogojih uporabljajo manometri z dvokontaktnimi električnimi vezji: eden se uporablja za zvočno ali svetlobno indikacijo, drugi pa se uporablja za organizacijo delovanja sistemov različnih vrst krmiljenja. Tako se vezje odpiranja in zapiranja (sl. d) omogoča, da en kanal odpre en električni tokokrog, ko je dosežen določen tlak in prejme signal o udarcu na predmet 7 , in po drugem - z uporabo osnovnega stika 3 zaprite odprt drugi električni tokokrog.

Tokokrog zapiranja in odpiranja (sl. . e) omogoča, da se z naraščajočim tlakom en krog zapre, drugi pa odpre.

Dvokontaktna vezja za zapiranje-zapiranje (sl. G) in odpiranje-odpiranje (sl. v) zagotovijo, ko tlak naraste in doseže enake ali različne vrednosti, zapiranje obeh električnih tokokrogov oziroma s tem njuno odpiranje.

Elektrokontaktni del manometra je lahko integriran, kombiniran neposredno z merilnim mehanizmom ali pritrjen v obliki elektrokontaktne skupine, nameščene na sprednji strani naprave. Proizvajalci tradicionalno uporabljajo zasnove, v katerih so bile palice elektrokontaktne skupine nameščene na os cevi. V nekaterih napravah je praviloma nameščena elektrokontaktna skupina, povezana z občutljivim elementom preko indeksne puščice manometra. Nekateri proizvajalci so obvladali elektrokontaktni manometer z mikrostikali, ki so nameščena na prenosnem mehanizmu merilnika.

Elektrokontaktni manometri se proizvajajo z mehanskimi kontakti, kontakti z magnetno prednapetostjo, induktivnim parom, mikrostikali.

Elektrokontaktna skupina z mehanskimi kontakti je strukturno najpreprostejša. Na dielektrično podlago je pritrjen osnovni kontakt, ki je dodatna puščica z električnim kontaktom, pritrjenim nanjo in priključenim na električni tokokrog. Še en konektor električnega tokokroga je povezan s kontaktom, ki se premika z indeksno puščico. Tako z naraščajočim pritiskom indeksna puščica premakne premični kontakt, dokler ni povezan z drugim kontaktom, pritrjenim na dodatni puščici. Mehanski kontakti, izdelani v obliki cvetnih listov ali regalov, so izdelani iz zlitin srebro-nikelj (Ar80Ni20), srebro-paladij (Ag70Pd30), zlato-srebro (Au80Ag20), platina-iridij (Pt75Ir25) itd.

Naprave z mehanskimi kontakti so zasnovane za napetosti do 250 V in prenesejo največjo izklopno moč do 10 W DC ali do 20 V×A AC. Majhne prelomne sposobnosti kontaktov zagotavljajo dovolj visoko natančnost odziva (do 0,5 % vrednosti celotne skale).

Močnejšo električno povezavo zagotavljajo kontakti z magnetno prednapetostjo. Njihova razlika od mehanskih je v tem, da so na hrbtni strani kontaktov (z lepilom ali vijaki) pritrjeni majhni magneti, kar poveča trdnost mehanske povezave. Največja preklopna moč kontaktov z magnetno prednapetostjo je do 30 W DC ali do 50 V×A AC in napetosti do 380 V. Zaradi prisotnosti magnetov v kontaktnem sistemu razred točnosti ne presega 2,5.

Metode preverjanja EKG

Elektrokontaktne merilnike tlaka in tlačne senzorje je treba redno preverjati.

Elektrokontaktne merilnike tlaka na terenu in v laboratorijskih pogojih je mogoče preveriti na tri načine:

preverjanje ničelne točke: ko se tlak odstrani, se mora kazalec vrniti na oznako »0«, primanjkljaj kazalca ne sme preseči polovice tolerance napake instrumenta;

preverjanje delovne točke: na preskusno napravo se priključi kontrolni manometer in primerjata odčitki obeh naprav;

verifikacija (kalibracija): preverjanje naprave po postopku za verifikacijo (kalibracijo) za to vrsto naprave.

Elektrokontaktni manometri in tlačna stikala se preverjajo za natančnost delovanja signalnih kontaktov, napaka delovanja ne sme biti višja od potnega lista.

Postopek preverjanja

Izvedite vzdrževanje tlačne naprave:

Preverite oznake in varnost tesnil;

Prisotnost in moč pritrditve pokrova;

Brez zlomljene ozemljitvene žice;

Odsotnost udrtin in vidnih poškodb, prahu in umazanije na ohišju;

Moč pritrditve senzorja (delo na kraju samem);

Celovitost izolacije kabla (delo na kraju samem);

Zanesljivost pritrditve kabla v vodni napravi (delo na mestu delovanja);

Preverite zategnjenost pritrdilnih elementov (delo na kraju samem);

Pri kontaktnih napravah preverite izolacijsko upornost proti ohišju.

Sestavite vezje za kontaktne tlačne naprave.

S postopnim povečevanjem tlaka na vstopu odčitajte vzorčno napravo med hodom naprej in nazaj (zmanjšanje tlaka). Poročila je treba narediti na 5 enako oddaljenih točkah merilnega območja.

Preverite natančnost delovanja kontaktov v skladu z nastavitvami.

Pritisk- fizična količina, ki označuje intenzivnost sil, ki delujejo vzdolž normale na površino telesa in so povezane z enoto površine te površine.

Obstajajo naslednje vrste pritiska:

• barometrični (atmosferski)
• normalno
• absolutno
• merilnik (merilnik)
• akumetrični (izpust)

Za merjenje tlaka se uporabljajo različne enote: Pascal (Pa), bar, tehnična atmosfera ali preprosto atmosfera, milimeter živega srebra ali vodni stolpec, ki so v naslednjih razmerjih:

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

barometrični tlak odvisno od mase zračne plasti. Najvišji zračni tlak je bil zabeležen na morski gladini in je znašal 809 mm Hg. Art., in najnižja - 684 mm Hg. Umetnost. Barometrični tlak je izražen z višino živosrebrovega stolpca v mm, zmanjšano na 0 °C.

normalen tlak- to je povprečna vrednost zračnega tlaka za leto na morski gladini, ki jo določimo z živosrebrnim barometrom pri temperaturi živega srebra 273 K. Je približno 101,3 kPa (750 mmHg). To pomeni, da se normalni tlak imenuje barometrični tlak, enak eni fizični atmosferi in je poseben primer zračnega tlaka.

absolutni pritisk imenujemo tlak plinov in tekočin v zaprtih prostorninah. Ni odvisno od stanja okolja.

Merilni tlak je razlika med absolutnim in zračnim tlakom, če je prvi večji od drugega.

Manometer je naprava, ki meri tlak v zaprti posodi, zunaj te posode pa doživlja pritisk tako s strani okolja kot s strani posode. Zato je skupni ali absolutni tlak plina v posodi enak vsoti manometričnega in zračnega tlaka.

vakuumski tlak je razlika med zračnim in absolutnim tlakom, če je slednji manjši od prvega.

Številčna vrednost tlaka ni določena le s sprejetim sistemom enot, temveč tudi z izbrano referenčno točko. V preteklosti so obstajali trije referenčni sistemi tlaka: absolutni, merilni in vakuumski (slika 2.2).

riž. 2.2. Tlačne lestvice. Razmerje med absolutnim tlakom, manometričnim tlakom in vakuumom

Absolutni tlak se meri od absolutne ničle (slika 2.2). V tem sistemu je atmosferski tlak . Zato je absolutni pritisk

.

Absolutni tlak je vedno pozitiven.

Nadtlak se meri iz atmosferskega tlaka, t.j. od pogojne ničle. Za preklop z absolutnega na nadtlak je treba od absolutnega tlaka odšteti atmosferski tlak, ki ga v približnih izračunih lahko vzamemo za 1 pri:

.

Včasih se nadtlak imenuje manometrični tlak.

Vakuumski tlak ali vakuum se imenuje pomanjkanje tlaka na atmosferski

.

Presežek tlaka kaže bodisi na presežek nad atmosferskim tlakom bodisi na pomanjkanje atmosferskega tlaka. Jasno je, da lahko vakuum predstavimo kot negativni nadtlak

.

Kot je razvidno, se te tri tlačne lestvice med seboj razlikujejo bodisi na začetku bodisi v smeri odčitavanja, čeprav je samo odčitavanje mogoče izvesti v istem sistemu enot. Če je tlak določen v tehničnih atmosferah, potem je oznaka tlačne enote ( pri) je dodeljena druga črka, odvisno od tega, kateri tlak je vzet kot »nič« in v kateri smeri se šteje pozitivno.

Na primer:

- absolutni tlak je enak 1,5 kg/cm 2 ;

- nadtlak je enak 0,5 kg/cm 2 ;

- vakuum je 0,1 kg/cm 2 .

Najpogosteje inženirja ne zanima absolutni tlak, temveč njegova razlika od atmosferskega tlaka, saj stene konstrukcij (cisterna, cevovod itd.) običajno doživljajo učinek razlike v teh tlakih. Zato v večini primerov instrumenti za merjenje tlaka (manometri, vakuumski manometri) neposredno kažejo presežni (manometrični) tlak oziroma podtlak.

Enote tlaka. Kot izhaja iz same definicije tlaka, njegova dimenzija sovpada z dimenzijo napetosti, tj. je dimenzija sile, deljena z dimenzijo površine.

Enota za tlak v mednarodnem sistemu enot (SI) je pascal, ki je tlak, ki ga povzroči sila, ki je enakomerno porazdeljena po površini, ki je normalna nanjo, t.j. . Poleg te enote tlaka se uporabljajo povečane enote: kilopascal (kPa) in megapascal (MPa).

Tlak, merjen od absolutne ničle, se imenuje absolutni tlak in je označen str abs. Absolutni ničelni tlak pomeni popolno odsotnost tlačnih napetosti.

V odprtih posodah ali rezervoarjih je tlak na površini enak atmosferskemu str atm. Razlika med absolutnim tlakom str abs in atmosfersko str atm se imenuje presežni tlak

str koča = str abs - str atm.

Ko je tlak na kateri koli točki v prostornini tekočine večji od atmosferskega tlaka, torej je nadtlak pozitiven in se imenuje manometrično.

Če je tlak na kateri koli točki pod atmosferskim, torej je nadtlak negativen. V tem primeru se imenuje redčenje oz vakuumski merilnik pritisk. Vrednost redčenja ali vakuuma se vzame kot pomanjkanje atmosferskega tlaka:

str wack =p bankomat - str abs;

str izb = - str vac.

Največji vakuum je možen, če postane absolutni tlak enak tlaku nasičene pare, t.j. str abs = str n.p. Potem

str wack max =p bankomat - str n.p.

Če lahko nasičenost parnega tlaka zanemarimo, imamo

str wack max =p atm.

Enota tlaka v SI je pascal (1 Pa = 1 N / m 2), v tehničnem sistemu - tehnična atmosfera (1 at = 1 kg / cm 2 = 98,1 kPa). Pri reševanju tehničnih problemov se domneva, da je atmosferski tlak 1 pri = 98,1 kPa.

Manometer (presežek) in vakuumski (vakuumski) tlak se pogosto meri z uporabo steklenih cevi, odprtih na vrhu - piezometri, pritrjeni na mesto merjenja tlaka (slika 2.5).

Piezometri merijo tlak v enotah višine tekočine v cevi. Naj bo cev piezometra priključena na rezervoar na globini h ena . Višina dviga tekočine v cevi piezometra je določena s tlakom tekočine na priključni točki. Tlak v rezervoarju na globini h 1 je določen iz osnovnega zakona hidrostatike v obliki (2.5)

,

kjer je absolutni tlak na mestu priključitve piezometra;

je absolutni tlak na prosti površini tekočine.

Tlak v cevi piezometra (odprta na vrhu) na globini h enaka

.

Iz pogoja enakosti tlakov na priključni točki na strani rezervoarja in v piezometrični cevi dobimo

.

(2.6)

Če je absolutni tlak na prosti površini tekočine večji od atmosferskega ( str 0 > str atm) (slika 2.5. a), potem bo presežni tlak manometričen, višina tekočine pa v cevi piezometra h > h ena . V tem primeru se imenuje višina dviga tekočine v cevi piezometra manometrično oz piezometrična višina.

Manometrični tlak v tem primeru je opredeljen kot

Če je absolutni tlak na prosti površini v rezervoarju manjši od atmosferskega (slika 2.5. b), nato pa v skladu s formulo (2.6) višino tekočine v cevi piezometra h globina bo manjša h ena . Količina, za katero pade nivo tekočine v piezometru glede na prosto površino tekočine v rezervoarju, se imenuje višina vakuuma h wak (slika 2.5. b).

Razmislite o še eni zanimivi izkušnji. Dve navpični stekleni cevi sta pritrjeni na tekočino v zaprtem rezervoarju na isti globini: odprti na vrhu (piezometer) in zaprti na vrhu (slika 2.6). Predvidevamo, da se v zaprti cevi ustvari popoln vakuum, to pomeni, da je tlak na površini tekočine v zaprti cevi enak nič. (Strogo gledano je tlak nad prosto površino tekočine v zaprti cevi enak tlaku nasičenih hlapov, vendar je zaradi njegove majhnosti pri običajnih temperaturah ta tlak mogoče zanemariti).

V skladu s formulo (2.6) se tekočina v zaprti cevi dvigne na višino, ki ustreza absolutnemu tlaku na globini h 1:

.

In tekočina v piezometru, kot je prikazano prej, se bo dvignila na višino, ki ustreza nadtlaku v globini h 1 .

Vrnimo se k osnovni enačbi hidrostatike (2.4). vrednost H enako

poklical piezometrični tlak.

Kot sledi iz formul (2.7), (2.8), se glava meri v metrih.

Po osnovni enačbi hidrostatike (2.4) sta tako hidrostatična kot piezometrična glava v tekočini v mirovanju glede na poljubno izbrano primerjalno ravnino konstantni. Za vse točke volumna tekočine v mirovanju je hidrostatična glava enaka. Enako lahko rečemo o piezometrični glavi.

To pomeni, da če so piezometri priključeni na rezervoar s tekočino v mirovanju na različnih višinah, bodo nivoji tekočine v vseh piezometrih nastavljeni na enako višino v eni vodoravni ravnini, ki se imenuje piezometrična ravnina.

Ravne površine

Pri številnih praktičnih problemih je pomembno določiti vrsto in enačbo ravnine.

Ravna površina oz enaka tlačna površina imenujemo taka površina v tekočini, katere tlak je na vseh točkah enak, t.j. na takšni površini dp= 0.

Ker je tlak določena funkcija koordinat, t.j. p = f(x,y,z), potem bo enačba površine enakega tlaka:

Dajanje konstante C različnih vrednosti, bomo dobili različne ravne površine. Enačba (2.9) je enačba za družino ravninskih površin.

prosto površino je vmesnik med kapljajočo tekočino in plinom, zlasti z zrakom. Običajno govorimo o prosti površini le za nestisljive (kapajoče) tekočine. Jasno je, da je prosta površina tudi površina enakega tlaka, katere vrednost je enaka tlaku v plinu (na meji).

Po analogiji z nivojsko površino se uvede koncept površine enakega potenciala oz ekvipotencialna površina je površina, na vseh točkah katere ima funkcija sile enako vrednost. Se pravi na takšni površini

U= konst

Potem bo enačba družine ekvipotencialnih površin imela obliko

U(x,y,z)= C,

kje je konstanta C prevzame različne vrednosti za različne površine.

Iz integralne oblike Eulerjevih enačb (enačbe (2.3)) sledi, da

Iz te relacije lahko sklepamo, da površine enakega tlaka in površine enakega potenciala sovpadajo, ker pri dp= 0i dU= 0.

Najpomembnejša lastnost površin enakega tlaka in enakega potenciala je naslednja: telesna sila, ki deluje na tekoči delec, ki se nahaja v kateri koli točki, je usmerjena vzdolž normale na ravnjo, ki poteka skozi to točko.

Dokažimo to lastnost.

Naj se delec tekočine premika od točke s koordinatami vzdolž ekvipotencialne površine do točke s koordinatami. Delo telesnih sil na ta premik bo enako

Ker pa se je tekoči delec premikal vzdolž ekvipotencialne površine, dU= 0. To pomeni, da je delo telesnih sil, ki delujejo na delec, enako nič. Sile niso enake nič, premik ni enak nič, potem je delo lahko enako nič le, če so sile pravokotne na premik. To pomeni, da so telesne sile normalne na gladko površino.

Bodimo pozorni na dejstvo, da v glavni enačbi hidrostatike, napisani za primer, ko na tekočino deluje samo ena vrsta telesnih sil - gravitacija (glej enačbo (2.5))

,

velikost str 0 ni nujno tlak na površini tekočine. To je lahko pritisk na kateri koli točki, kjer jo poznamo. Potem h je globinska razlika (v smeri navpično navzdol) med točko, kjer je tlak znan in točko, kjer ga želimo določiti. Tako lahko s to enačbo določite vrednost tlaka str na kateri koli točki skozi znani tlak na znani točki - str 0 .

Upoštevajte, da vrednost ni odvisna od str 0 . Nato iz enačbe (2.5) sledi sklep: za koliko se bo spremenil tlak str 0, se bo tlak na kateri koli točki prostornine tekočine spremenil na enak način str. Od točk, na katerih popravljamo str in str 0 so izbrane poljubno, kar pomeni, da tlak, ustvarjen na kateri koli točki tekočine v mirovanju, se prenese na vse točke zasedenega volumna tekočine, ne da bi spremenil svojo vrednost.

Kot veste, je to Pascalov zakon.

Enačbo (2.5) lahko uporabimo za določitev oblike ravnih površin tekočine v mirovanju. Za to morate postaviti str= konst. Iz enačbe sledi, da je to mogoče storiti le, če h= konst. To pomeni, da ko na tekočino iz volumetričnih sil delujejo samo sile gravitacije, so ravnine vodoravne ravnine.

Prosta površina tekočine v mirovanju bo tudi ista vodoravna ravnina.

V tehničnih aplikacijah se tlak običajno imenuje absolutni pritisk. Prav tako vnesite poklical nadtlak in vakuum, katerih opredelitev se izvede glede na atmosferski tlak.

Če je tlak večji od atmosferskega (), se imenuje nadtlak nad atmosferskim odveč pritisk:

;

če je tlak manjši od atmosferskega, se imenuje pomanjkanje tlaka na atmosferski vakuum(oz vakuum pritisk):

.

Očitno sta obe količini pozitivni. Na primer, če pravijo: presežni tlak je 2 atm., to pomeni, da je absolutni tlak . Če pravijo, da je vakuum v posodi 0,3 atm., potem to pomeni, da je absolutni tlak v posodi enak itd.

TEKOČINE. HIDROSTATIKA

Fizikalne lastnosti tekočin

Kapljične tekočine so kompleksni sistemi s številnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi. Naftna in petrokemična industrija se poleg vode ukvarja tudi s tekočinami, kot so surova nafta, lahki naftni derivati ​​(bencini, kerozini, dizelsko gorivo in kurilna olja itd.), različna olja, pa tudi druge tekočine, ki so produkti rafiniranja nafte. . Naj se najprej osredotočimo na tiste lastnosti tekočine, ki so pomembne za preučevanje hidravličnih problemov transporta in skladiščenja nafte in naftnih derivatov.

Gostota tekočin. Lastnosti stisljivosti

in toplotno raztezanje

Vsaka tekočina pod določenimi standardnimi pogoji (na primer atmosferski tlak in temperatura 20 0 C) ima nazivno gostoto. Na primer, nazivna gostota sladke vode je 1000 kg/m 3, gostota živega srebra je 13590 kg/m 3, surova olja 840-890 kg/m 3, bencin 730-750 kg/m 3 , dizelska goriva 840-860 kg/m 3 . Hkrati je gostota zraka kg/m 3 in zemeljski plin kg/m 3 .

Ko pa se tlak in temperatura spreminjata, se spreminja tudi gostota tekočine: praviloma, ko se tlak poveča ali temperatura zniža, se poveča, ko se tlak zmanjša ali temperatura dvigne, pa se zmanjša.

Elastične tekočine

Spremembe gostote padajočih tekočin so običajno majhne v primerjavi z nazivno vrednostjo (), zato se v nekaterih primerih model uporablja za opis lastnosti njihove stisljivosti elastična tekočine. V tem modelu je gostota tekočine odvisna od tlaka po formuli

v katerem se imenuje koeficient faktor stisljivosti; gostota tekočine pri nazivnem tlaku. Ta formula kaže, da presežek tlaka zgoraj vodi do povečanja gostote tekočine, v nasprotnem primeru do zmanjšanja.

Uporablja se tudi modul elastičnosti K(Pa), kar je enako . V tem primeru je formula (2.1) zapisana kot

. (2.2)

Povprečne vrednosti modula elastičnosti za vodo Pa, olje in naftni derivati Pa. Iz tega sledi, da odstopanja gostota tekočine od nazivne gostote je izjemno majhna. Na primer, če MPa(atm.), nato za tekočino s kg/m 3 odstopanje bo 2,8 kg/m 3 .

Tekočine s toplotno ekspanzijo

Dejstvo, da se različni mediji širijo pri segrevanju in krčijo pri hlajenju, se upošteva pri modelu tekočine z volumetričnim raztezanjem. V tem modelu je gostota funkcija temperature, torej:

kjer je () koeficient prostorninskega raztezanja in sta nazivna gostota in temperatura tekočine. Za vodo, olje in naftne derivate so vrednosti koeficienta podane v tabeli 2.1.

Iz formule (2.3) izhaja zlasti, da pri segrevanju, t.j. v primerih, ko se tekočina razširi; in v primerih, ko je tekočina stisnjena.

Tabela 2.1

Koeficient volumskega raztezanja

Primer 1. Gostota bencina pri 20 0 C je 745 kg/m 3 . Kolikšna je gostota istega bencina pri temperaturi 10 0 C?

Odločitev. Z uporabo formule (2.3) in tabele 1 imamo:

kg/m 3 , tiste. ta gostota se je povečala za 8,3 kg/m3.

Uporablja se tudi model tekočine, ki upošteva tako tlak kot toplotno raztezanje. V tem modelu velja naslednja enačba stanja:

. (2.4)

Primer 2. Gostota bencina pri 20 0 C in atmosferskem tlaku(MPa)enako 745 kg/m 3 . Kolikšna je gostota istega bencina pri temperaturi 10 0 C in tlaku 6,5 MPa?

Odločitev. Z uporabo formule (2.4) in tabele 2.1 imamo:

kg/m 3 , tj. ta gostota se je povečala za 12 kg/m 3 .

nestisljiva tekočina

V tistih primerih, ko lahko zanemarimo spremembe gostote tekočih delcev, se uporablja model t.i. nestisljiv tekočine. Gostota vsakega delca takšne hipotetične tekočine ostane konstantna ves čas gibanja (z drugimi besedami, skupni derivat), čeprav je lahko različna za različne delce (kot na primer v emulzijah voda-olje). Če je nestisljiva tekočina homogena, potem

Poudarjamo, da je nestisljiva tekočina samo model, ki se lahko uporablja v primerih, ko so spremembe gostote tekočine veliko manjše od vrednosti same gostote, tako da .

Viskoznost tekočine

Če se plasti tekočine premikajo ena glede na drugo, se med njimi pojavijo sile trenja. Te sile se imenujejo sile viskozen trenje in lastnost upora proti relativnemu gibanju plasti - viskoznost tekočine.

Naj se na primer plasti tekočine premikajo, kot je prikazano na sl. 2.1.

riž. 2.1. O definiciji viskoznega trenja

Tukaj je porazdelitev hitrosti v toku, smer normale na mesto pa je . Zgornje plasti se premikajo hitreje od spodnjih, zato s strani prve deluje sila trenja, ki drugo vleče naprej vzdolž toka , in s strani spodnjih plasti deluje sila trenja, ki zavira gibanje zgornjih plasti. Vrednost je x- komponenta sile trenja med plastmi tekočine, ločenimi s platformo z normalo y izračunano na enoto površine.

Če uvedemo izpeljanko v obravnavo, potem bo označevala strižno hitrost, t.j. razlika v hitrostih plasti tekočine, izračunana na enoto razdalje med njimi. Izkazalo se je, da za mnoge tekočine velja zakon, po katerem strižna napetost med plastmi je sorazmerna z razliko v hitrostih teh plasti, izračunano na enoto razdalje med njima:

Pomen tega zakona je jasen: večja kot je relativna hitrost plasti tekočine (strižna stopnja), večja je sila trenja med plastmi.

Tekočina, za katero velja zakon (2.5), se imenuje Newtonova viskozna tekočina. Številne padajoče tekočine izpolnjujejo ta zakon, vendar se izkaže, da je koeficient sorazmernosti, ki je vanj vključen, različen za različne tekočine. Takšne tekočine naj bi bile newtonske, vendar z različno viskoznostjo.

Koeficient sorazmernosti, vključen v zakon (2.5), se imenuje koeficient dinamične viskoznosti.

Dimenzija tega koeficienta je

.

V sistemu SI se meri v in izraža v umirjenost(Pz). Ta enota je bila predstavljena v čast Jean Louis Marie Poiseuille, (1799-1869) - izjemen francoski zdravnik in fizik, ki je veliko naredil za preučevanje gibanja tekočine (zlasti krvi) v cevi.

Poise je opredeljen na naslednji način: 1 Pz= 0,1. Da bi dobili predstavo o vrednosti 1 Pz, ugotavljamo, da je koeficient dinamične viskoznosti vode stokrat manjši od 1 Pz, t.j. 0,01 Pz= 0,001 = 1 cent Poise. Viskoznost bencina je 0,4-0,5 Pz, dizelskega goriva 4 - 8 Pz, olje - 5-30 Pz in več.

Za opis viskoznih lastnosti tekočine je pomemben tudi drugi koeficient, ki je razmerje med koeficientom dinamične viskoznosti in gostoto tekočine, in sicer . Ta koeficient je označen in imenovan koeficient kinematične viskoznosti.

Dimenzija koeficienta kinematične viskoznosti je naslednja:

= .

V sistemu SI se meri m 2 /s in je izražen s Stokesom ( George Gabriel Stokes(1819-1903) - izjemen angleški matematik, fizik in hidromehanik):

1 sv= 10 -4 m 2 / s.

S to definicijo kinematične viskoznosti vode imamo:

Z drugimi besedami, enoti za dinamično in kinematično viskoznost sta izbrani tako, da bi bili obe za vodo enaki 0,01 enote: 1 cps v prvem primeru in 1 cSt- v drugem.

Za referenco navajamo, da je kinematična viskoznost bencina približno 0,6 cSt; dizelsko gorivo - cSt; olje z nizko viskoznostjo - cSt itd.

Viskoznost v primerjavi s temperaturo. Viskoznost številnih tekočin - vode, olja in skoraj vseh naftnih derivatov - je odvisna od temperature. Ko se temperatura dvigne, se viskoznost zmanjša, ko se temperatura zniža, se poveča. Za izračun odvisnosti viskoznosti, na primer kinematične od temperature, se uporabljajo različne formule, vključno z Formula O. Reynoldsa - P. A. Filonov

Odločitev. Po formuli (2.7) izračunamo koeficient: . Po formuli (2.6) najdemo želeno viskoznost: cSt.

Idealna tekočina

Če so sile trenja med plastmi tekočine veliko manjše od normalnih (tlačnih) sil, potem model tako imenovani idealna tekočina. V tem modelu se domneva, da so tangencialne sile trenja med delci, ločenimi s platformo, odsotne tudi med tokom tekočine in ne le v mirovanju (glej definicijo tekočine v razdelku 1.9). Takšna shematizacija tekočine se izkaže za zelo uporabno v primerih, ko so tangencialne komponente interakcijskih sil (sile trenja) veliko manjše od njihovih običajnih komponent (tlačnih sil). V drugih primerih, ko so sile trenja primerljive s silami tlaka ali jih celo presegajo, se model idealne tekočine izkaže za neuporabnega.

Ker v idealni tekočini obstajajo samo normalne napetosti, je vektor napetosti na katerem koli območju z normalo pravokoten na to območje . Če ponovimo konstrukcije iz točke 1.9, lahko sklepamo, da so v idealni tekočini vse normalne napetosti enake po velikosti in negativne ( ). Zato v idealni tekočini obstaja parameter, imenovan tlak:, , in matrika napetosti ima obliko:

. (2.8)