Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск (стр. 10 из 29)

а) да; б) нет; в) те же, но последовательность другая.

37. В цехе имеются две параллельно работающие технологические линии, выпускающие резиновые шланги. Продукция первой линии имеет общее назначение; продукция второй предназначена на экспорт. Будут ли различаться формулировки задачи оптимизации (критерии оптимальности, ограничения, оптимизирующие факторы) для этих линий?

а) да; б) нет; в) не знаю.

3 МОДУЛЬ 2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

3.1 Цель обучения № 2

Применяя общие подходы к анализу и расчету процессов и аппаратов химической технологии, изучить основные закономерности равновесия и движения жидкостей, выявить влияние гидродинамических факторов на перенос субстанций и получить практические навыки гидравлического расчета трубопроводов и аппаратов.

3.2 Программа модуля № 2

Предмет гидравлики. Гидростатика и гидродинамика. Представление о жидкостях как о сплошных средах. Основные свойства жидкостей. Капельные, упругие, идеальные, ньютоновские и неньютоновские жидкости.

Гидростатика. Дифференциальное уравнение равновесия и распределение давления в покоящейся среде. Практические приложения основного уравнения гидростатики (закона Паскаля)*.

Гидродинамика. Описание полей скоростей в стационарных и нестационарных потоках*. Субстанциональная производная скорости. Гидродинамические режимы движения. Представление о гидродинамическом пограничном слое при течении по трубам и каналам при обтекании тел. Структура турбулентного пограничного слоя; вязкий подслой. Основные уравнения гидродинамики: уравнение неразрывности; Навье–Стокса; Эйлера; материальный баланс потока. Гидродинамическое подобие.

Течение в трубах и каналах. Распределение скоростей по сечению прямой круглой трубы при ламинарном и турбулентном режимах.

Уравнение Бернулли для реальной и идеальной жидкости. Практическое приложение уравнения Бернулли*. Принципы измерения скоростей и расходов жидкости дроссельными приборами и пневматическими трубками*. Определение расходов при истечении жидкостей через отверстия и насадки.

Гидравлические сопротивления при течении жидкостей. Расчет потребного напора для перемещения жидкостей через систему трубопроводов и аппаратов.

Проектный расчет диаметров трубопроводов и аппаратов; выбор оптимальных значений скоростей потоков.

Влияние распределения потоков в аппаратах на ход процессов. Характеристика структуры потоков по распределению времени их пребывания в проточных аппаратах; дифференциальная и интегральная функции распределения времени пребывания; типовые модели структуры потоков: модели идеального вытеснения и идеального смешения, диффузионная, ячеечная и другие модели, определение их параметров и оценка адекватности модели объекту.

Основы гидродинамики двухфазных потоков**.

Перемещение жидкостей и газов по трубопроводам и сетям с помощью машин, повышающих давление**.

Примечание– «**» обозначены дополнительные разделы для углубленного изучения курса.

3.3 Объем модуля № 2 и виды учебных занятий

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоемкость модуля	40
Аудиторные занятия В том числе: Лекции Практические занятия Лабораторные занятия	28
	8
	8
	12
Самостоятельная работа В том числе: Индивидуальные расчетные задания Другие виды самостоятельной работы (подготов- ка к занятиям, конспектирование литературы)	13
	3
	10

3.4 Перечень необходимых средств для выполнения

программы модуля

- Учебники [1, 2, 3, 4].

- Лабораторные установки:

- «Определение силы давления жидкости на стенки»;

- «Изучение режимов движения реальной жидкости»;

- «Определение потерь напора на трение и местные сопротивления»;

- «Изучение структуры потоков в аппарате смешения».

- Методические указания к лабораторным работам [4].

3.5 Структурно-логическая схема модуля № 2

Одна из особенностей большинства химико-технологических процессов состоит в том, что они осуществляются при движении или перемешивании жидких или газообразных фаз. При этом скорость процессов переноса не только импульса, но и тепла, и вещества в значительной мере зависит от гидродинамических условий в аппаратах, в которых эти процессы осуществляются. Так существенное влияние на перенос субстанций в поперечном направлении оказывает пристеночный слой жидкости, поскольку в этом случае высокоскоростной макроскопический перенос в ядре потока уступает довольно медленному молекулярному переносу через этот слой: многостадийный процесс с последовательно протекающими стадиями, из которых лимитирующей является самая медленная. Правильное решение вопросов масштабирования и моделирования невозможно также без учета гидродинамической структуры потоков в аппаратах.

Кроме того, важнейшей вспомогательной операцией для всех химико-технологических процессов (ХТП) является транспортирование материалов, отличающихся физико-химическими свойствами и агрегатным состоянием. При этом инженер-химик старается избегать перемещения веществ в твердом виде: слишком хлопотлив и неэкономичен этот способ транспортирования материалов по сравнению с передвижением их в других агрегатных состояниях – жидком или газообразном.

Законы равновесия или перемещения различных жидкостей, практическое приложение этих законов изучаются в гидравлике.

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым названием жидкости, поскольку при скоростях потоков значительно меньших, чем скорость звука, законы движения жидкостей без существенных поправок справедливы для газов и паров.

Для упрощения ряда закономерностей в гидравлике используют понятие модель так называемой идеальной жидкости под которой подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающую вязкостью.

Рассматриваемые в курсе ПАХТ объекты, в том числе трактуемые как бесконечно малые, значительно больше размеров атомов, молекул, ионов и расстояний между ними. Поэтому в подавляющем большинстве случаев можно считать, что рабочее тело целиком заполняет рассматриваемую в ходе анализа часть пространства, то есть является сплошной средой. Введение понятия (модели) о сплошных средах позволяет пользоваться математическим аппаратом непрерывных функций, прежде всего, дифференциальным и интегральным исчислением.

Основные законы, используемые в гидравлике, – это баланс действующих сил или основной принцип динамики, выражаемый уравнением Навье-Стокса (1, рисунок 3.1), и баланс массы в виде уравнения неразрывности потока (2, см. рисунок 3.1). Общее дифференциальное уравнение гидродинамики Навье-Стокса для случая, когда скорость равна нулю, дает дифференциальное уравнение гидростатики, которое описывает равновесное состояние жидкостей (3, см. рисунок 3.1), для случая, когда сила внутреннего трения приравнивается к нулю, получается дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости, которое является энергетическим балансом потока; введение члена, учитывающего гидравлические потери, позволяет использовать уравнение Бернулли (4, см. рисунок 3.1) для описания движения реальной жидкости и расчета гидравлических потерь (6, см. рисунок 3.1) как от трения, так и от местных сопротивлений. Подобное преобразование основного уравнения Навье-Стокса позволяет получить критерии гидродинамического подобия (7, см. рисунок 3.1), при использовании которых можно составить критериальное уравнение (8, см. рисунок 3.1) для расчета гидравлических сопротивлений. Именно это звено в разделе гидродинамики является решающим и имеет наибольшее практическое значение: величину гидравлических сопротивлений (потерянный напор h_П) необходимо знать для определения движущей силы гидромеханических процессов – разности давлений между двумя точками или сечениями аппарата. Кроме этого, величина h_П необходима для определения оптимального диаметра трубопровода

. На основе технико-экономических расчетов, учитывая противоречивое влияние скорости потока на величину общих годовых затрат З, строят графическую зависимость З7 – минимум на кривой соответствует такому
диаметру трубопровода, при котором скорость транспортирования жидкости оптимальна.

При расчете диаметра химических аппаратов используют аналогичный подход. Как и при расчете трубопроводов, диаметр аппарата определяют из уравнения , а гидравлическое сопротивление однофазных потоков из уравнений

(2.1)

или

, (2.2)

где

– коэффициент местного гидравлического сопротивления.