733. Теоретические основы гидравлики и теплотехники, Ртищева А.С. 2007

Теоретические основы гидравлики и теплотехники, Ртищева А.С. 2007.

Изложены основы гидравлики, технической термодинамики, теории теплообмена. Рассмотрены основы гидростатики, кинематика и динамика движущихся потоков, термические и энергетические характеристики идеальных и реальных газов, основные виды теплообмена, теория подобия гидродинамических и теплообменных процессов.

Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям: 28020265 «Инженерная защита окружающей среды». Оно может быть использовано студентами других специальностей, изучающих дисциплины «Гидравлика» и «Теплотехника».

Модели жидкости.

С целью упрощения решения многих задач вместо реальной жидкости рассматривают ту или иную модель жидкости, которая обладает лишь некоторыми свойствами реальных жидкостей. Эти свойства являются определяющими в решаемой задаче, поэтому подобные упрощения не дают существенных погрешностей определения искомых величин.

Рассмотрим основные существующие модели жидкости.

Идеальная жидкость — это жидкость, лишенная вязкости.

Несжимаемая жидкость — это жидкость, не изменяющая плотности при изменении давления.

Совершенная жидкость — это несжимаемая жидкость, в которой силы сцепления между молекулами отсутствуют, а собственный объем молекул равен нулю.

Совершенный газ — это сжимаемая жидкость газ , в которой силы сцепления между молекулами отсутствуют, а собственный объем молекул равен нулю.

Идеальный газ — совершенный газ. лишенный вязкости.

Бароклинная жидкость — это газ. плотность которого является функцией давления и температуры.

Баротропная жидкость — это газ. у которого плотность зависит только от давления.

Предисловие

Основные обозначения

Введение

Часть I. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

1.1. Основные физические свойства жидкостей

1.2. Модели жидкости

2. ГИДРОСТАТИКА

2.1. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости

2.2. Гидростатический закон. Гидростатическое давление

2.3. Условия равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах

2.4. Простейшие гидравлические машины

2.5. Основные методы и приборы измерения давления

2.6. Закон Архимеда

2.7. Равновесие и устойчивость тел. погруженных в жидкость. Равновесие тела, плавающего на поверхности жидкости

2.8. Равновесие земной атмосферы

3. ГИДРОДИНАМИКА

3.1. Основы кинематики

3.1.1. Линии и трубки тока. Уравнение расхода

3.1.2. Движение жидкой частицы сплошной среды

3.1.3. Вихревое и безвихревое течение

3.1.4. Циркуляция скорости

3.2. Основы динамики

3.2.1. Силы, действующие на частицу сплошной среды. Напряженное состояние элементарного объема. Закон трения Стокса

3.2.2. Дифференциальное уравнение неразрывности

3.2.3. Дифференциальные уравнения переноса количества движения. Уравнения Эйлера и Навье-Стокса

3.2.4. Дифференциальное уравнение энергии

3.3. Движение вязкого потока

3.3.1. Режимы течения жидкости

3.3.2. Особенности турбулентного течения

3.3.3. Уравнения движения и энергии для ламинарного и турбулентного режима течения жидкости

3.3.4. Модели турбулентности

3.4. Движение жидкости с малой вязкостью

3.4.1. Пограничный слой

3.4.2. Движение невязкого потока

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

4.1. Сопротивления по длине

4.2. Местные гидравлические сопротивления

9.3. Интеграл Клаузиуса

9.4. Энтропия и термодинамическая вероятность

10. РЕАЛЬНЫЙ ГАЗ

10.1. Уравнения состояния реальных газов

10.2. Пары. Парообразование при постоянном давлении

10.3. У равнение Клайперона-Клаузиуса

10.4. pТ-диаграмма фазовых переходов

Часть III. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

11. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

11.1. Виды теплообмена

11.2. Основные понятия и законы молекулярного и конвективного теплообмена

12. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

12.1. Математическая формулировка задач гидрогазодинамики и теплопередачи

12.2. Основы теории подобия физических процессов

12.3. Определяющий размер и определяющая температура

12.4. Выявление обобщенных переменных из математической формулировки задачи

12.5. Получение чисел подобия на основе анализа размерностей

13. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

13.1. Теплопроводность веществ

13.2. Теплопроводность и теплопередача через плоскую стенку

13.3. Теплопроводность и теплопередача через цилиндрическую стенку

13.4. Теплопроводность и теплопередача через шаровую стенку

14. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

14.1. Условия подобия нестационарных температурных полей

14.2. Нестационарная теплопроводность плоской стенки

15. ТЕПЛООТДАЧА

15.1. Факторы, влияющие на интенсивность теплоотдачи

15.2. Связь между теплоотдачей и трением

15.3. Законы трения и теплообмена для турбулентного пограничного слоя

15.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции плоской пластины

15.4.1. Теплоотдача пластины при ламинарном пограничном слое

15.4.2. Теплоотдача пластины при турбулентном пограничном слое

15.5. Теплоотдача при внешнем обтекании одиночной трубы и трубных пучков

15.6. Теплоотдача при течении жидкости в трубах и каналах

15.7. Теплоотдача при свободной конвекции

15.8. Теплоотдача при фазовых превращениях

15.8.1. Теплоотдача при конденсации

15.8.2. Теплоотдача при кипении

15.8.3. Теплоотдача при кипении в условиях движения жидкости по трубам

15.9. Интенсификация теплоотдачи

16. РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН

16.1. Основные понятия и определения

Название: Теоретические основы гидравлики и теплотехники: Учебное пособие

Автор ы : Ртищева А.С.

Аннотация:

Изложены основы гидравлики, технической термодинамики, теории теплообмена. Рассмотрены основы гидростатики, кинематика и динамика движущихся потоков, термические и энергетические характеристики идеальных и реальных газов, основные виды теплообмена, теория подобия гидродинамических и теплообменных процессов. Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям: 28020265 Инженерная защита окружающей среды . Оно может быть использовано студентами других специальностей, изучающих дисциплины Гидравлика и Теплотехника .

Предметная область:

2.2 — Профессиональное образование

Ртищева А.С. Теоретические основы гидравлики и теплотехники: Учебное пособие. — Ульяновск: УлГТУ, 2007. — 171 с.

Брюханов О. Н.

в пер. Страниц: 254, Тираж: 500

В книге даны основы гидравлики, аэродинамики, рассмотрены методы гидравлических и аэродинамических расчетов, виды и характеристики насосов и вентиляторов, основы термодинамики, теплопередачи и теплообмена. Предназначена в качестве учебника для учащихся и преподавателей строительных специальностей среднего профессионального образования по специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств и вентиляции».

Гидравлика и теплотехника в печать.doc

Реклама MarketGid:

5.5. Физико-химические основы мембранных процессов

Единый механизм, справедливый для всех мембранных процессов, еще не разработан, поэтому каждый мембранный процесс нужно рассматривать отдельно, так как механизмы этих процессов могут резко различаться. Однако при изучении и анализе механизма любого мембранного процесса необходимо учитывать три основных фактора и их взаимосвязь:

структуру мембраны по толщине пористая, непористая, изотропная

физико-химические свойства разделяемой системы для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства

взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны.

В случае, если хотя бы один из этих факторов не будет учтен, это может привести к принципиальной ошибке при анализе и разработке модели механизма того или иного мембранного процесса.

Силы взаимодействия разделяемых веществ с полимерными мембранами могут меняться в широких пределах. Слабое взаимодействие наблюдается, например, при проницании через мембрану газа, которое в основном определяется диффузией. Этим объясняются небольшие различия в скоростях проницания различных газов через однотипные полимерные мембраны. Скорость же проницания через полимеры, различные по свойствам, может различаться на пять порядков. Такая большая разница обусловлена различиями в подвижности и гибкости полимерных цепей, которые, в свою очередь, связаны с полярностью и размерами молекул.

На перенос разделяемых веществ через мембрану большое влияние оказывают структурные свойства растворителей например, воды и взаимодействие их с мембраной. Вода содержит связанные водородной связью молекулярные группы, состоящие примерно из сотни молекул каждая. Устойчивость таких молекулярных групп зависит не только от температуры, но и от природы растворенных в ней веществ, и от физико-химических свойств мембраны.

Гидрофобные мембраны стремятся оттолкнуть молекулы воды группы со средней полярностью СООН, NH2. ОН, СНО могут противодействовать тенденции молекул воды к связыванию, что приводит к разрушению групп молекул и способствует увеличению потока воды через мембрану. В гидрофильных мембранах например, из ацетатов целлюлозы значительная часть воды находится в связанном состоянии и не замерзает при охлаждении мембраны до

80 С. Подвижность этой воды ограничена, чем объясняется особенность поведения воды, находящейся в сольватной оболочке молекул полимера, образующих поры мембраны: капиллярная вода легче удаляется из мембраны, чем связанная. Это очень важно для объяснения селективности мембраны, поскольку связанная вода не может сольватировать ионы растворенных солей, а капиллярная в состоянии сольватировать эти ионы и увлекать их через мембрану. Повышая гидрофильность мембран с учетом особой роли воды как растворителя и проникающего через мембрану компонента раствора, можно увеличить селективность и проницаемость мембран. Повысить гидрофильность полимерных мембран можно путем увеличения числа гидрофильных и снижения числа гидрофобных групп в макромолекулах полимера, из которого получают мембрану.

В зоне контакта жидкости и твердого тела действуют поверхностные силы адгезия, поверхностное натяжение, молекулярное притяжение . Поэтому поверхностный граничный слой жидкости, связанный с материалом мембраны, по структуре и физико-химическим свойствам может значительно отличаться от жидкости в объеме. Для смесей жидкостей поверхностный слой отличается от раствора в объеме еще и по составу, что играет определяющую роль при разделении смесей органических веществ.

При изменении структуры и состава раствора в поверхностном слое значения показателей некоторых его физико-химических свойств например, вязкости, диэлектрической проницаемости отклоняются от соответствующих значений для раствора в объеме. При этом резкое снижение диэлектрической проницаемости воды свидетельствует о снижении подвижности молекул воды, что приводит к снижению растворяющей способности связанной воды. Для неполярных жидкостей заметного отличия от свойств в граничном слое не наблюдается.

5.6. Баромембранные процессы

Обратный осмос. Процесс заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого метода лежит явление осмоса самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор рис. 5.4а до достижения равновесия рис. 5.4б . Давление, при котором оно устанавливается, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое рис. 5.4в , то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

а б в

Рис. 5.4. Схемы массопереноса через мембрану

? ?gН осмотическое давление : а осмос б равновесие в обратный осмос

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса разностью между рабочим давлением и осмотическим. Движущую силу ?Р обратного осмоса в случае применения идеально селективной мембраны т.е. при ? 100 % определяют разностью рабочего давления Р и осмотического давления ?3 разделяемого раствора у поверхности мембраны, т.е.

. 5.3

Так как мембраны не обладают идеальной селективностью и наблюдается некоторый переход через них растворенного вещества, при расчете движущей силы учитывают осмотическое давление ? 2 пермеата:

. 5.3а

Однако определение величины осмотического давления у поверхности мембраны ? 3 часто затруднительно, обычно его приравнивают к осмотическому давлению ? 1 в разделяемом растворе, т.е. ? 3 ? ? 1 .

По капиллярно-фильтрационной модели селективной проницаемости на поверхности и внутри пор лиофильной мембраны, погруженной в раствор электролита, образуется поверхностный слой связанной воды толщиной t с. Связанная вода имеет пониженную растворяющую способность, поэтому ее присутствие в порах мембраны одна из основных причин того, что ионы или молекулы , для которых связанная вода практически не является растворителем, не проходят через мембрану. Если диаметр пор мембраны , где d г.и диаметр гидратированного иона, то через поры будет проходить преимущественно вода, что и обусловливает селективность таких мембран.

Обычно мембраны имеют поры различного диаметра, в том числе и крупные , а связанная вода, хотя и в малых количествах, но все же растворяет неорганические соли. Поэтому селективность мембран тем выше, чем больше толщина слоя связанной воды и чем больше гидратирующая способность иона, определяемая энергией или теплотой гидратации.

Из анализа рассмотренной модели следует:

материал мембраны должен быть лиофильным, т.е. мембрана должна обладать селективной сорбцией по отношению к проникающему компоненту диаметр пор не должен превышать сумму удвоенной толщины слоя связанной воды и диаметра гидратированного иона так как разделение происходит на границе раздела мембрана раствор, указанный размер пор необходим лишь в поверхностном слое мембраны, обращенном к раствору

для снижения гидравлического сопротивления целесообразно изготовление мембран с анизотропной структурой по толщине или композитных с минимально возможной толщиной активного слоя.

Для любых мембран при рабочих давлениях, превышающих осмотическое, селективность связана с теплотами гидратации ионов следующим соотношением, справедливым для бинарных растворов сильных электролитов:

. 5.4

где А и В константы для данной мембраны при данных давлении и температуре ? Н сг среднее геометрическое значение теплот гидратации ионов, образующих соль z заряд иона, имеющего меньшую теплоту гидратации |zм | валентность ? и истинная селективность мембраны, определяемая как ,

где с 3 , с 2 текущая концентрация растворенного вещества у поверхности мембраны соответственно со стороны разделяемого раствора и в пермеате.

Ультра- и микрофильтрация. Ультрафильтрация процесс разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования высокомолекулярных соединений. Он протекает под действием разности давлений до и после мембраны.

Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя.

Поскольку осмотические давления высокомолекулярных соединений малы как правило, они не превышают десятых долей мегапаскаля , при расчете движущей силы процесса ультрафильтрации ими часто можно пренебречь. Поэтому ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях 0,2 1,0 МПа . Если же ультрафильтрации подвергают раствор достаточно высокой концентрации или если происходит отложение на мембране задерживаемого вещества, то при расчете движущей силы процесса следует учитывать осмотическое давление раствора высокомолекулярного вещества у поверхности мембраны см. уравнение 5.3 или 5.3а .

Если мембранный процесс применяют для отделения от раствора крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц размером порядка 0,1

10 мкм , то его называют микрофилътрацией иногда мембранной фильтрацией . Он протекает под действием разности давлений по обе стороны микрофильтра.

Микрофильтрацию проводят при очень небольших рабочих давлениях порядка десятых и даже сотых долей мегапаскаля . Этот процесс занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией без резко выраженных границ. Он получил широкое распространение в электронной, медицинской, химической, микробиологической и других отраслях промышленности для концентрирования тонких суспензий например, латексов , осветления удаления взвешенных веществ различных растворов, очистки сточных и природных вод и т.д. Применение микрофильтрации эффективно для подготовки жидкостей перед проведением процесса обратного осмоса, нано- и ультрафильтрации например, перед опреснением морской и солоноватых вод .

Ниже приведены условные границы применения баромембранных процессов.

Комментарии запрещены.

Реклама