Материал: ГИДРАВЛИаЧАСТЬ 1

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

В.Б. Тишин

Учебное пособие

Рекомендовано Учебно-методическим объединением

по образованию в области технологии продуктов питания

и пищевой инженерии в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по специальностям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств» и 260602 «Пищевая инженерия малых

предприятий» направления подготовки

дипломированного специалиста

655800 «Пищевая инженерия»

Санкт-Петербург

2006

УДК 532.54

ББК 30.123+36

Т47

Тишин В. Б.

Т47 Гидравлика: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. – 332 с.

ISBN 5-89565-128-3

Изложены основы курса «Гидравлика» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств» и 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий» направления подготовки дипломированных специалистов 655800 «Пищевая инженерия».

В соответствии с программой курса приведены важнейшие сведения о кинематике, статике, динамике идеальной и вязкой несжимаемых и сжимаемых жидкостей и газожидкостных смесей, а также о гидравлических машинах и устройствах, применяемых в пищевой промышленности для транспортировки жидких сред.

Даны примеры расчетов типовых прикладных задач, справочные сведения о свойствах некоторых пищевых продуктов и жидкостей, используемых в пищевых производствах.

УДК 532.54

ББК 30.123+36

Рецензенты

Кафедра «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежской государственной технологической академии (зав. кафедрой доктор техн. наук, проф. С. Т. Антипов)

Доктор техн. наук, проф. В. Д. Косой (Московский государственный университет прикладной биотехнологии)

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета

ISBN 5-89565-128-3

 Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых технологий, 2006

 Тишин В.Б., 2006

75-летию Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий посвящается

Предисловие

Технология производства любого пищевого продукта обязательно связана с транспортировкой различного рода жидкостей и газов. Поэтому как инженеру-практику, так и научному работнику, занимающемуся исследованиями в области технологии производства пищевых продуктов и их аппаратурного оформления, приходится сталкиваться с расчетами, проектированием и эксплуатацией трубопроводных систем и машин для транспортировки жидкостей и газов. В этой связи настоящее учебное пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов пищевого профиля, занимающихся подготовкой инженеров, бакалавров, магистров, прежде всего по специальностям «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий». Учебное пособие будет полезно также для студентов технологических специальностей.

Основная задача видится в том, чтобы научить будущих специалистов производить гидравлические расчеты технологического оборудования и трубопроводных сетей, подбирать необходимые транспортирующие устройства, обеспечивающие надежное и устойчивое ведение технологического процесса. Следует иметь в виду еще одно важное обстоятельство. Часто курс «Гидравлика (техническая механика жидкостей и газов)» является составной частью курса «Процессы и аппараты пищевых производств», в котором кроме процесса переноса импульса изучаются процессы переноса теплоты и массы. Причем интенсивность последних двух процессов самым непосредственным образом зависит от интенсивности первого. Понять эту связь невозможно без глубокого изучения теоретических основ движения жидких сред, поэтому другой, не менее важной задачей будет изучение студентами основных законов статического и динамического равновесия жидкостей. Безусловно, эти законы являются общими и не зависят от того, в какой отрасли промышленности работает та или иная техника. Однако в каждой отрасли имеются свои особенности.

Отличительной чертой пищевой промышленности является разнообразие сложного и специфического оборудования, высокая требовательность к его стерильности, что диктует использование на современных производствах автоматических моющих систем с большой разветвленностью трубопроводов и применение для транспортировки пищевых жидкостей таких машин, которые не наносили бы вреда качеству готового продукта.

В пищевой промышленности приходится иметь дело не только с однофазными, но и многофазными средами, такими, как жидкость–газ (пар), жидкость–твердое, газ–твердое. Если по вопросам гидро- и пневмотранспорта имеются специальные учебные пособия, то учебная литература, в которой бы рассматривались закономерности движения газожидкостных систем, по сути дела, отсутствует. По этой причине в данном учебном пособии выделена отдельная глава «Гидродинамика двухфазных потоков», в которой основное внимание уделено движению газожидкостных смесей.

Структурно учебное пособие разделено на две части, включающие семь разделов. В первой части, состоящей из трех разделов, приводятся основные закономерности статического и динамического равновесия одно- и двухфазных потоков. Во второй части, включающей четыре раздела, рассматриваются гидравлические машины и устройства общего и специального назначения, применяемые в пищевой промышленности для транспортировки жидкостей. Для лучшего усвоения изучаемого материала в конце разделов и подразделов даются вопросы для самоконтроля и примеры решения типовых задач.

Объем рассматриваемых в пособии вопросов настолько велик и разнообразен, что невозможно в одной книге каждый из них рассмотреть подробно. Некоторые материалы носят чисто справочный характер. Поэтому автор счел необходимым привести расширенный список литературы, к которой при желании может обратиться читатель, чтобы пополнить свои знания в той или иной области науки о движении жидкостей и газов.

На собственном многолетнем опыте инженера, педагога и исследователя автор убедился в необходимости иметь под рукой не только расчетные формулы и уравнения, но и как можно более широкий справочный материал по физическим свойствам веществ, используемых так или иначе в пищевой промышленности. В этой связи в учебном пособии приведены справочные данные о физических свойствах различных пищевых продуктов и некоторых жидкостей, а также значения коэффициентов гидравлических потерь.

Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой «Гидравлика, сантехника, промстроительство» Московского государственного университета прикладной биотехнологии профессору В. Д. Косому, заведующему кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежской государственной технологической академии профессору С. Т. Антипову и заведующему кафедрой «Процессы и аппараты пищевых производств» Московского государственного университета пищевых производств профессору Ю. М. Плаксину за ценные советы и замечания, высказанные при рецензировании рукописи; сотрудникам Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий – профессору кафедры «Техника мясных и молочных производств» Л. К. Николаеву, профессору кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» А. Г. Новоселову, Н. Е. Дюба и другим, оказавшим помощь в подготовке к изданию данного учебного пособия.

Введение

Гидравлика (техническая механика жидкости) – наука, изучающая закономерности статического равновесия и движения жидких сред. В широком понимании под термином «жидкость» подразумевают как обычные капельные жидкости (воду, пиво, сжиженные газы), так и газы. Первые считаются несжимаемыми, вторые − сжимаемыми. Надо отметить, что при некоторых условиях газы, так же как и капельные жидкости, можно считать несжимаемыми.

Прежде чем приступить к изучению того или иного предмета или явления, мы должны представить себе его модель. Предметом нашего изучения будет служить модель сплошной текучей среды, под которой будем понимать непрерывное множество бесконечно малых объемов (материальных точек), способных заполнять собой окружающее пространство под действием приложенных к ним сил. Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: когда мы говорим «бесконечно малый объем» или «материальная точка», то должны помнить, что в этой точке сосредоточено определенное количество молекул и в ней отражены все физические свойства данной среды (плотность, вязкость и т. п.).

Исторически сложилось так, что наука, изучающая движение и состояние покоя жидких сред, разделилась на две ветви − теоретическую гидромеханику и инженерную (прикладную) гидравлику.

Основы теоретической гидромеханики были заложены Исааком Ньютоном. В России пальма первенства принадлежит академикам Санкт-Петербургской академии наук Даниилу Бернулли и Леонарду Эйлеру. Уравнение сохранения энергии в движущейся жидкости названо именем Бернулли, а дифференциальные уравнения статического равновесия и движения идеальной жидкости − именем Эйлера. В последующем развитие теоретической гидромеханики связано с именами известных российских ученых: В. Л. Кирпичева, одного из основоположников теории подобия; Н. П. Петрова, разработавшего теорию смазки; Н. Е. Жуковского − автора теории о подъемной силе крыла и гидравлического удара; А. Н. Колмогорова, которому принад­лежит теория изотропной турбулентности; Л. Д. Ландау; Л. Г. Лойцянского; М. А. Великанова и других, внесших большой вклад в развитие теоретической гидроаэромеханики реальной жидкости, осно-

ванной на дифференциальном уравнении Навье–Стокса, а также общей теории турбулентности.

Однако использование дифференциальных уравнений движения реальной жидкости в инженерных расчетах в большинстве случаях было невозможно из-за трудностей, связанных с их решением, особенно при турбулентных режимах течения.

Именно сложности с использованием в инженерных расчетах уравнений теоретической гидромеханики стали причиной развития второй ветви. Оно диктовалось требованиями инженеров-практиков, занимающихся расчетами и проектированием гидротехнических сооружений, городских водопроводных сетей, трубопроводов для транс-портировки нефтепродуктов и т. п. Для этих целей требовались простые и надежные уравнения, которые позволили бы оперативно решать вполне конкретные задачи. Такие уравнения были получены на основе экспериментальных исследований. Роль эксперимента в развитии науки о движении жидкостей резко возросла. Эта наука, основанная на эмпирических данных, получила название «Гидравлика».

В России инженерно-прикладная гидравлика создана трудами известных ученых и педагогов высшей школы: Н. П. Павловского, Н. З. Френкеля, И. И. Агроскина, Б. Б. Некрасова, И. Г. Есьмана, А. Д. Альтшуля, Р. Р. Чугаева, М. И. Маковозова и многих других.

В середине прошлого столетия с развитием новых производств и технологий стали возникать специальные курсы механики жидкостей и газов: «Гидравлика газожидкостных потоков» − С. С. Кутателадзе, Н. А. Стырикович; «Гидравлика неньютоновских сред» − А. В. Горбатов, А. М. Маслов, В. О. Косой; «Физико-химическая гидродинамика» − В. Г. Левич, А. М. Кутепов и др.

Этот краткий экскурс в историю позволил нам, пусть не так глубоко, как хотелось бы, оценить тот выдающийся вклад, который внесли в развитие науки о движении жидкостей российские ученые.

В последние десятилетия в связи с появлением мощной вычислительной техники появилась возможность решения сложных дифференциальных уравнений в частных производных. В силу чего разрыв между теоретической гидромеханикой и прикладной гидравликой стал сокращаться. Теоретические методы решения имеют перед экспериментальными то преимущество, что они охватывают более широкий круг задач, в то время как эмпирические уравнения являются лишь их частными случаями. Наличие вычислительной техники позволяет очень быстро выбрать наиболее оптимальный вариант того или иного конструктивного решения.

Может показаться, что роль эксперимента в изучении различных явлений будет снижаться. Однако все обстоит не так просто. Дело в том, что конечные уравнения, полученные в результате решения дифференциальных уравнений, содержат численные коэффициенты, которые большей частью приходится уточнять, используя экспериментальные данные. Причина некоторого несоответствия между теорией и практикой кроется в том, что любая физическая или математическая модель есть лишь приближенное отражение реальной картины процесса, протекающего в движущейся среде, поэтому роль эксперимента в развитии науки не снижается. Более того, возрастает требовательность к точности его проведения, так как ошибка в определении численных коэффициентов в конечном итоге может привести к ошибкам в инженерных расчетах. Другое дело, что количество опытов может быть снижено. Иногда бывает достаточно проведения и одного эксперимента. Однако это уже из области планирования экспериментальных работ и не является предметом нашего изучения.

Автор данного учебного пособия старался изложить материал, опираясь как на теоретические, так и экспериментальные данные.