ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № __1__

 

1. Разновидности промышленных нагнетателей и принципы их работы.

 

Машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют вентиляторами, газодувками и компрессорами. Причем они характеризуются степенью повышения давления e - отношение давления на выходе из машины к давлению на ее входе. Основная суть из действия, как и насосов, заключается в превращении работы двигателя в кинетическую и потенциальную энергию потока жидкости или газа.

Вентилятор – машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления до 1,15.

Газодувка – машина, работающая при 1,15 £ e £ 3. Она искусственно не охлаждается из-за незначительно нагрева газа.

Компрессор сжимает газ при e > 3 и имеет обычно искусственное (чаще водяное) охлаждение камер, где происходит сжатие газа.

Насосы по принципу действия подразделяются на два основных класса: динамические и объемные.

В объемных насосах энергия передается жидкой среде в рабочих камерах, в которых рабочее пространство с жидкостью периодически меняет объем. Т.е. подача жидкости происходит с перерывами. Камера попеременно сообщается с входом и выходом насоса. Для этого класса типичными являются поршневой и роторный насос.

В динамических насосах превращение работы двигателя потоку жидкости происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих полостях, постоянно соединенных с выходом и входом насоса. В отличие от объемных машин здесь поток перекачиваемой жидкости непрерывен.

Типичным представителем таких машин является центробежный насос.

Упрощенная и краткая классификация машин для подачи жидкостей и газов на основе конструктивных признаков и свойств перемещаемой среды приведена ниже на рисунке.

 

 

 

2. Основные понятия и законы движения жидкостей и газов.

 

Т.к. насосы, вентиляторы и компрессоры предназначены для приведения в движение жидкостей и газов, то ознакомимся с основными законами движения таких сред. Они необходимы для понимания принципов работы указанных технических устройств. Кроме того, знание технических деталей необходимы для проведения расчетов по их проектированию насосы, вентиляторы и компрессоры, при выборе технических показателей при установке на промышленных объектах.

Из курса физики известны три закона Ньютона. Зная и умея применять их на практике, можно решить любую задачу о движении твердого тела или материальной точки. Но в отличие от таких объектов жидкости и газы обладают свойством текучести, что привносит существенные математические сложности при описании их движения.

Законы Ньютона фундаментальны, они в целом справедливы к любым объектам. Но применительно к текучим средам (сплошным средам) обретают другую математическую форму. Дело в том, что в сплошной среде сколь угодно малая частица тесно взаимодействует с другими такими же частицами, которых очень много.

Перечислим основные физические понятия, которые нам понадобятся в дальнейшем.

Плотность.

В механике сплошных сред не рассматривается каждая материальная частица (атом или молекула), ее масса и объем. Вместо них сразу берется множество частиц, которое называют частицей среды. Ее конкретные размеры не имеют значения, главное, чтобы внутри частицы среды такие параметры, как плотность, давление, температура и т.д. оставались неизменными по пространству. Так что частица среды характеризуется не массой, например, плотностью r, кг/м³.

Вязкость и напряжения.

Внутри сплошных сред (твердых тел, гелей, жидкостей и газов, насыпных масс и т.д.) при их деформации присутствует внутреннее трение. Поясним его природу на примере жидкости. Пусть между двумя достаточно большими квадратными пластинами размером и площадью S = L*L (рис. 1) имеется тонкий слой Dy жидкости (Dy/L << 1). Если попытаться двигать верхнюю пластину с постоянной скоростью V, то окажется, что это возможно только при приложении к этой пластине определенной силы F_c. Причем, повторяя опыт с различными размерами пластин, толщинами слоя и разновидностями жидкости, обнаружим, что

· вместе с пластиной в движение приходит и жидкость между пластинами, причем ее скорость распределяется неравномерно по толщине слоя Dy;

· в непосредственной близости к нижней неподвижной пластине скорость жидкости равна нулю, а вблизи верхней пластины равна V;

· величина прилагаемой силы F_c зависит от площади пластин, скорости V и природы жидкости.

 

 

 

Рис. 1.1.

 

Таким образом, в результате множества опытов убеждаемся, что

,

где новая константа n характеризует свойство жидкости, она называется кинематической вязкостью. Произведение nr = m получило название динамической вязкости.

Вместо силы удобно ввести удельную величину t = F_c/L² = F_c/S, называемую касательным напряжением. Тогда результаты опытов можно подытожить зависимостью

.

Здесь отношение V/Dy на самом деле является производной скорости жидкости dv/dy, поэтому более строгая математическая формулировка полученного результата выглядит как

.

Эта формула носит название закона трения Ньютона. Ее правая часть имеет размерность давления. В механике сплошных сред такие величины называются касательными напряжениями. Такие напряжения существуют между любыми, движущимися с различными скоростями слоями жидкости. Касательные напряжения выражают силы внутреннего трения в сплошных средах.

Давление.

Движение жидкости или газа может быть вызвано или внешними силами, или перепадом давления между различными участками среды, или ими вместе одновременно. Но, как правило, в движущейся среде всегда существует перепад давления. В механике сплошных сред касательные напряжения и давление объединяются в одну общую величину – тензор напряжений T:

.

Здесь p - давление, s_xy, s_xz, … - касательные напряжения. С одной из них мы уже ознакомились выше. Если взять частицу жидкости в виде куба, то по нормали к граням куба будут действовать давление, а вдоль граней - касательные напряжения. Согласно третьему закону Ньютона действие равно противодействию. Т.к. касательные напряжения, в сущности, силы (трения), то s_xy = s_yx, s_xz = s_zx, s_yz = s_zy. Т.е. элементы, симметрично расположенные относительно главной диагонали, равны между собой.