Истечение жидкостей через насадки.

Виды и назначение насадков

 

Параметры струи, вытекающей через отверстия, можно изменять в определенных пределах, используя насадки. Насадки бывают цилиндрические, конические и коноидальные. Рассмотрим схему работы цилиндрического насадка (рис. 45).

При входе струи в насадок она сжимается так же, как и при истечении из отверстия в тонкой стенке, а затем расширяется, заполняя на выходе все сечение насадка. В результате между поверхностью транзитной струи и поверхностью насадка образуется кольцевая вихревая зона, а на выходе из насадка S_c = S, т.е. ε_нас = 1.

При этом оптимальная длина насадка ℓ, в пределах которой выполняются эти

                          соотношения, обычно  

Рис. 45. Схема истечения  через                                составляет (3÷4)d.

         цилиндрический насадок

 

    При составлении уравнения Бернулли для сечений потока на свободной поверхности жидкости в резервуаре и в выходном сечении насадка, скорость истечения запишется:

                   

 где                   ,

ξ_с – коэффициент местного сопротивления сужения,

ξ_р– коэффициент местного сопротивления расширения,

λ – коэффициент сопротивления по длине потока.

 

  Из формулы следует, что коэффициент скорости для насадка меньше, чем для отверстия в тонкой стенке за счет того, что увеличиваются потери энергии на расширение струи и трение о стенки насадка. Поэтому скорость истечения также уменьшается. Для инженерных расчетов обычно принимают φ_нас. = 0,8 ÷0,82, откуда

 

μ_нас. = φ_нас.· ε_{нас .}= 0,8 · 1 = 0,8.

 

Сравнение μ_отв и μ_нас показывает, что расход через насадок при прочих равных условиях больше, чем через отверстие в тонкой стенке. С одной стороны, наличие насадка увеличивает гидравлическое сопротивление, с другой стороны – расход увеличивается. Кажущийся парадокс можно объяснить следующим эффектом. При сравнении параметров струи в узком (сжатом) сечении и в широком (выходном) замечаем, что S_вых> S_с, значит,  и υ _вых < υ _c (следует из уравнения неразрывности потока). Из уравнения Бернулли следует, что р_вых > р_с, но р_вых = р_ат, поэтому р_с < р_aт. Таким образом, в сжатом сечении образуется вакуум, который служит дополнительной движущей силой для движения струи, увеличивая расход.

Нецилиндрические насадки. Конические насадки (рис. 46) могут быть сходящимися (а) и расходящимися (б). Сходящиеся насадки увеличивают скорость и дальнобойность струи, расходящиеся насадки обеспечивают увеличение расхода. Коноидальный насадок (в) – частый случай конического, форма которого соответствует форме вытекающей струи (плавное сужение). При этом вихреобразование почти не возникает, коэффициент расхода приближается к единице.

               

            

             Рис. 46. Виды нецилиндрических насадков:

                            а – конические сходящиеся;

                            б – конические расходящиеся;

                            в – коноидальный насадок (сопло)

 

Истечение жидкостей через отверстия и насадки

При  переменном напоре

 

Истечение жидкости из резервуара при переменном напоре является примером неустановившегося движения (скорость истечения и расход меняются во времени). Поэтому применение уравнения Бернулли в обычной форме (для установившегося движения) является, строго говоря, неправомерным. Однако в резервуарах большого размера напор изменяется очень медленно и в течение малого отрезка времени напор можно считать постоянным. В рассматриваемом примере (рис. 47) напор уменьшается с величины Н₁ до величины Н₂, а его текущее переменное значение обозначается как Н. Через время d t напор уменьшается на величину d H, объём жидкости в резервуаре изменяется на величину 

 

d V = - Ω ∙ d H,

 

где Ω - площадь сечения резервуара (обычно Ω = const), а d H-отрицательная величина, поскольку Н уменьшается с течением времени. Изменение объёма d V можно также определить, считая,  

  Рис. 47. Схема истечения    что за время d t напор Н изменяется     

 при переменном напоре           незначительно  и  используя              

                                                 полученную ранее формулу для определения расхода при постоянном напоре: 

 

 

 

После приравнивания двух  выражений для dV:

 

                              

  

         И в результате разделения переменных получаем:

                            

 

После интегрирования  в пределах от Н₁ до Н₂:

 

                                        

  

     Получаем:  

 

Для определения времени полного опорожнения резервуара (Н₂ = 0)   умножим числитель и знаменатель на и получим:

 

                  

   

где V - рабочий объём резервуара (до центра отверстия),

    Q_max - максимальный расход жидкости при истечении через отверстие (при Н = Н₁).

 

 

 ЧАСТЬ II.   ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 

ГЛАВА 5.   Общие  сведения  о  гидромашинах

        Гидравлические машины - это механизмы, в которых происходит преобразование энергии с участием потока жидкости. Обычно гидравлические машины служат для преобразования механической энергии двигателя (чаще всего электрического) в энергию потока движущейся капельной жидкости (это - насосы), или для преобразования энергии потока движущейся жидкости в полезную работу какого-либо другого механизма (это - гидравлические двигатели).

Машины, служащие для сжатия и перемещения сжимаемых жидкостей (газов), называются компрессорными. В отличие от капельных жидкостей, газы значительно изменяют свой объем с изменением давления, причем при сжатии увеличивается внутренняя энергия газа и повышается его температура – то есть процесс сжатия является термодинамическим и это необходимо учитывать при расчете компрессорных машин. В большинстве случаев следует предусматривать искусственное охлаждение компрессорных машин, не допуская их перегрева. Кроме того, при необходимости значительного повышения давления газа, приходится использовать многоступенчатое сжатие. Исключение составляют лишь вентиляторы, которые могут рассматриваться как насосы, поскольку создаваемые ими давления невелики и в этом случае сжимаемостью газов можно пренебречь.

Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин, используемых в бытовой и промышленной практике (начиная с водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет). Для использования гидравлической энергии рек и преобразования ее в механическую энергию вала генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидравлических двигателей.

Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередачи широко используются в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и литейного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных и сельскохозяйственных машин, и т.д.

Насосы и  их  классификация

 

Насосы – это машины, служащие для сообщения напора и перемещения капельных (несжимаемых) жидкостей. По принципу действия наиболее часто встречающиеся в промышленности насосы можно разделить на четыре группы:

 

1. Лопастные насосы (центробежные, вихревые, осевые);

 

2. Насосы объемного типа (вытеснения) – поршневые и роторные;

 

3. Струйные насосы;

 

4. Пневматические насосы.

 

Лопастные насосы имеют рабочее колесо с лопатками. Энергия к жидкости передается при ее взаимодействии с лопатками вращающегося рабочего колеса под действием центробежных сил. Объем жидкости, проходящей через насос, непрерывно сообщается со входом в насос и выходом из него, поэтому насосы этой группы являются преимущественно низконапорными.

В объемных насосах жидкость вытесняется при периодическом изменении замкнутого объема  в камере,  заполненной этой жидкостью и сообщающейся со входом и выходом из насоса. Жидкость вытесняется из замкнутого объема телом, движущимся возвратно-поступательно (поршнем) или вращательно (зубом шестеренки). Насосы этой группы являются преимущественно высоконапорными.

Струйные насосы наиболее просты по конструкции (не имеют движущихся деталей), используют энергию вспомогательной (рабочей) жидкости и обладают низким КПД.

Пневматические насосы (эрлифт и монтежю) транспортируют жидкости, используя энергию сжатого газа. КПД их также невысок.

Элементы насосной установки

Принципиальная схема насосной установки может быть представлена следующим образом (рис. 48):

Линия – это трубопровод с установленной на нем арматурой (вентили, клапаны и т.д.) Манометр служит для измерения избыточного давления в нагнетательной линии насоса, вакуумметр - для измерения разрежения во всасывающей линии насоса; Z_M – высота точки присоединения манометра относительно оси насоса; Z_B – расстояние от оси насоса до точки присоединения вакуумметра; h_вс – высота всасывания; h_н – высота

                                                                                               нагнетания.

Рис. 48. Принципиальная  схема  насосной установки:

1. Насос 2. Всасывающая линия 3. Вакуумметр

4. Питательный бак 5. Нагнетательная линия

6. Манометр 7. Напорный бак

 

  На конце всасывающей линии устанавливается приемный клапан (комбинация обратного клапана с фильтром). Обратный клапан необходим, если насос не обладает свойством самовсасываемости (т.е он запирает всасывающую линию при ее заполнении перекачиваемой жидкостью перед пуском насоса).

Линия – это трубопровод с установленной на нем арматурой (вентили, клапаны и т.д.) Манометр служит для измерения избыточного давления в нагнетательной линии насоса, вакуумметр - для измерения  разрежения во всасывающей линии насоса; Z_M – высота  точки  присоединения манометра относительно оси насоса; Z_B – расстояние от оси насоса до точки присоединения вакуумметра; h_вс – высота всасывания; h_н – высота нагнетания. На конце всасывающей линии устанавливается приемный клапан (комбинация обратного клапана с фильтром). Обратный клапан необходим, если насос не обладает свойством самовсасываемости (т.е он запирает всасывающую линию при ее заполнении перекачиваемой жидкостью перед пуском насоса).