|
|
Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
РАЗДЕЛ 1
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
Глава II
Основы гидравлики
Гидравлика — наука, изучающая законы покоя и движения жидких тел (жидкостей). Поскольку в процессе нефтегазопере- работки широко используют перемещение жидкостей, газов и па ров внутри аппаратов и по трубопроводам, значение гидравлики для решения широкого круга инженерных задач весьма велико.
Гидравлика делится на гидростатику (учение о равновесии жидкостей) и гидродинамику (учение о движении жидкостей).
Открытие основных законов гидравлики связано с именами Архимеда, Паскаля, Ньютона, Эйлера, Бернулли, Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, Прандтля, Н. Е. Жуковского и других ученых. Решение ряда задач нефтяной гидравлики было получено на основании результатов работ В. Г. Шухова, Л. С. Лейбензона, И. Г. Есьмана, И. А. Парного, Б. Б. Лапука, В. И. Черникина, В. Н. Щелкачева и др.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Жидкостями -называют физические тела, которые легко изме няют свою форму под действием приложенных сил. Жидкость принимает форму того сосуда, в который она налита, поскольку частицы жидкости весьма подвижны. В гидравлике различают ка пельные и газообразные жидкости. Капельные жидкости (собст венно жидкости) характеризуются малой сжимаемостью и относи тельно небольшим изменением объема при изменении температуры. Газообразные жидкости (газы, пары) существенно изменяют свой
объем при воздействии сжимающих сил и изменении температуры.
Жидкости оказывают определенное сопротивление сдвигаю щим усилиям, проявляющееся в виде сил внутреннего трения или вязкости. Для решения ряда задач гидравлики используют поня тие об идеальной жидкости, т. е. жидкости, абсолютно несжимае мой и не обладающей вязкостью.
Объем жидкости, залитой в сосуд, ограничивается твердыми поверхностями — стенками сосуда и свободными поверхностями на границе с другими жидкостями, несмешивающимися с первой, или газами. Действующие на данный объем жидкости силы делят на внешние и внутренние. Внешние силы могут быть поверхност ными, которые действуют на поверхностях, ограничивающих объем жидкости, и объемными, распределенными по всему рас сматриваемому объему жидкости. Примером поверхностных сил могут служить: сила поверхностного натяжения, сила давления на свободную поверхность, силы реакции стенок сосуда, а при мером объемных сил — сила тяжести, центробежная сила.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
|
ЖИДКОСТЕЙ
|
|
Плотность. Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, называется плотностью и обычно обозначается буквой р. Согласно определению
|
|
II
Q.
|
(IU)
|
где т — масса жидкости; V —
|
объем жидкости.
|
|
Размерность плотности
|
[р] - [М1 lpJ - [L8]
|
|
Единица измерения плотности в СИ: кг/м3.
Плотности капельных жидкостей мало изменяются с изменением давления и температуры. С увеличением температуры плотность жидкости уменьшается. Исключением из этого правила является вода в интервале температур от 0 до 4 °С, плотность которой при 4 °С наибольшая и равна 1000 кг/м3. Плотность жидкости р, при температуре t можно найти по следующей формуле Д. И. Мен делеева:
pt ==р2о — <Xp(i— 20) (И,2)
где р20 — плотность жидкости при стандартной температуре (20 °С); ар — по правочный коэффициент, учитывающий изменение плотности с изменением тем пературы на 1 °С.
г- Очень часто пользуются относительной плотностью, представ ляющей собой отношение плотности жидкости при данной темпе ратуре к плотности дистиллированной воды при 4 °С, т. е. р(
Плотность капельных жидкостей незначительно увеличивается с повышением давления.
Удельный вес. Удельным весом жидкости называется вес еди ницы ее объема
7=4- (И-4>
где G — вес жидкости, Н; V — объем жидкости, м®.
Размерность удельного веса
m [£,272]
В СИ единица измерения удельного веса выражается в Н/м3. Поскольку вес тела G и его масса т связаны известной зависи мостью G = mg, из уравнений (11,1) и (11,4) получается следую щее соотношение:
7=Рй (П.5)
В отличие от плотности удельный вес зависит от ускорения сво бодного падения g. Однако на поверхности земного шара изме нение g сравнительно невелико и обычно в расчетах принимают среднюю величину g = 9,81 м/с2.
Как и плотность, удельный вес жидкостей уменьшается с по вышением температуры, кроме воды, удельный вес которой наи больший при 4 °С.
Аналогично относительной плотности пользуются понятием относительного удельного веса жидкости, т. е. отношением удель ного веса жидкости к удельному весу воды при 4 °С.
Газообразные жидкости имеют меньшую плотность по сравне нию с капельными, при этом имеется сильная зависимость плот ности от температуры и давления.
PV =
mRT
М
(11,6)
Для идеальных газов, подчиняющихся законам Бойля—Ма- риотта и Гей-Люссака, зависимость между температурой, давле нием и объемом газа определяется уравнением состояния (уравне нием Менделеева—Клапейрона)
где р — давление, Па; V — объем газа, м3; т — масса газа, кг; R — универсаль ная газовая постоянная (R = 8314 Дж/(кмоль-К); Т — температура, К; М— масса 1 моль (мольная масса) газа, кг/моль.
Из уравнения (11,6) получим
(П-7)
р RT
М
Если использовать понятие удельного объема, величины, об ратной плотности, т. е. v = 1/р, то уравнение (11,7) можно предста вить в следующем виде:
pv -- RTjM
(11,8)
27
Очень часто объем газов указывают при так называемых нор мальных условиях: температуре О °С (273 К) и давлении
101 300 Па (760 мм рт. ст.).
Из уравнений (11,6) и (11,7) можно получить следующие соот ношения, позволяющие рассчитывать объем и плотность газа при изменении давления и температуры:
V^Vo-^-' * 0
|
т
р
|
(11,9)
|
о
О.
II
Q-
|
р
т
|
(И,Ю)
|
Можно отметить, что плотность газа при нормальных условиях определяется из уравнения
Ро=^4 . (П.11)
где М — масса 1 моль газа, кг/моль.
Свойства реальных газов отклоняются в той или иной степени от свойств идеальных газов, подчиняющихся уравнению состоя ния (П,6). При этом отклонения тем больше, чем выше давление и ниже температура. Обычно это обстоятельство учитывают, умножая правую часть ура нения (11,6) на коэффициент сжимае мости Z < 1, устанавливаемый из опыта.
Сжимаемость. Сжимаемость жидкостей можно характеризо вать коэффициентом сжимаемости fiv, который равен отношению изменения относительного объема жидкости к изменению давле ния, т. е.
_l_
у
ду_ Д Р
fV=-
где V — первоначальный объем жидкости, м3; Д V — изменение объема жидкости м3; Ар — изменение давления, Па (см. с. 31).
Размерность коэффициента сжимаемости
[LT2]
[М\
[М =
В СИ эта единица измеряется в Па"1. Величина, обратная коэф фициенту сжимаемости, называется модулем упругости. Коэф фициент сжимаемости и модуль упругости изменяются в зависи мости от давления и температуры. Для нефтепродуктов в среднем коэффициент сжимаемости равен 7,41-10"10 м2/Н, для глинистых растворов 4,0-10"10 м2 Н. Поскольку сжимаемость капельных жидкостей сравнительно невелика, ее влиянием при гидравличе ских расчетах обычно пренебрегают, кроме тех случаев, когда это имеет существенное значение, например при гидравлических ударах.
Температурное расширение. В зависимости от температуры изменение объема жидкости характеризуется коэффициентом тем-
пературного расширения р,, равным отношению относительного изменения объема к изменению температуры, т. е.
Для нефтепродуктов р, 0,0006 — 0,0008; большая цифра соот ветствует меньшей плотности жидкости. Поскольку температур ное расширение жидкостей составляет незначительную величину, при гидравлических расчетах им обычно пренебрегают.
Вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости оказывать
Рис. И-1. Схема, поясняющая понятие вязкости жидкости.
х
Г
F
(К,И)
сопротивление ее движению. Представим себе два слоя жид кости площадью F, отстоящие один от другого на расстояние Ап. Если эти слои движутся со скоростью w и w -|- Aw, т. е. один от носительно другого со скоростью Aw (рис. П-1), то для перемеще ния одного слоя относительно другого необходимо приложить силу Т. Эта сила, отнесенная к единице поверхности слоя, [назы вается напряжением внутреннего трения
х = |Х
Aw
Д/Г
Aw
ИЛИ X = — и,—г ,
г Ап
х > 0
(П.Ш)
Согласно закону Ньютона
где Awl Ап — градиент скорости, т. е. относительное изменение скорости в на правлении нормали к поверхности слоя.
Коэффициент р, входящий в уравнение (11,15), называется ди намическим коэффициентом вязкости или просто вязкостью. Раз мерность вязкости
[р]
[Щ ILT]
В СИ единица измерения вязкости выражается в Па-с.
В системе СГС единицей вязкости является пуаз (П)
[П] = Г лина^-1 Г£^м = Г_г_|
1 L сма J L са см2 J L cm-cJ
Сотая часть пуаза называется сантипуазом (сП).
Отношение вязкости к плотности жидкости называется кине матическим коэффициентом вязкости или кинематической вяз костью v
if.
1>
Размерность кинематической вязкости
В СИ кинематическая вязкость измеряется в м2/с.
В системе СГС единицей кинематической вязкости является стоке (Ст), равный 1 см2/с, а единица, в 100 раз меньшая, назы вается сантистоксом (сСт). С повышением температуры вязкость капельных жидкостей уменьшается, а газов увеличивается. Дав ление оказывает незначительное влияние на величину вязкости п обычно может не приниматься во внимание.
Жидкости, не следующие закону Ньютона (уравнение 11,15), называют пластичными и псевдопластичными. Вязкость этих жидкостей зависит от скорости сдвига.
Поверхностное натяжение. Молекулы жидкости, расположен ные на ее поверхности или у поверхности, испытывают притяже ние со стороны молекул, находящихся внутри жидкости; в резуль тате этого возникает давление, направленное по нормали внутрь жидкости. Эти силы стремятся придать объему жидкости форму с наименьшей поверхностью. Поэтому на создание новой поверх ности требуется затратить работу.
Поверхностным натяжением жидкости а называют работу, которую надо затратить для образования единицы новой поверх ности жидкости при постоянной температуре. Размерность поверх ностного натяжения
В международной системе поверхностное натяжение измеряется в Н/м.
Силы поверхностного натяжения оказывают на жидкость до полнительное давление, нормальное к ее поверхности, величина которого определяется уравнением Лапласа
|
|
|
Скачать 2.36 Mb.