Материал: Гидравлика (механика жидкости и газа). Бородкин В.В., Болдырев А.И

2.7. Растворимости газов в жидкостях, кипение, кавитация. Смеси.

Растворимость газов в жидкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно подсчитать по закону Генри, т.е.

, (2.44)

где - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям ( );

- объем жидкости;

k - коэффициент растворимости;

р - давление жидкости.

При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

В результате испарения жидкость переходит в пар. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям и зависит от температуры и давления. Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении; чем выше температура кипения (процесса парообразования в толще жидкости), тем меньше испаряемость жидкости. Однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых они находятся. В гидросистемах нормальное атмосферное давление является лишь частным случаем; обычно приходится иметь дело с испарением, а иногда и кипением жидкостей в замкнутых объемах при различных температурах и давлениях.

Кипение капельной жидкости при заданной температуре может быть получено понижением давления. Давление, при котором происходит кипение жидкости, называют давлением парообразования. Наименьшее давление, при котором происходит кипение при нормальной температуре, называют давлением насыщенных паров. Чем больше давление насыщенных паров, тем больше испаряемость жидкости (рис. 2.7).

1 - бензин Б-70; 2 - спирт; 3 - вода; 4 - керосин

Рис. 2.7. Зависимость давления насыщенных паров

жидкостей от температуры

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром или газом. Кавитация возникает при понижении давления, в результате чего жидкость закипает или из нее выделяется растворенный газ. В потоке жидкости такое падение давления происходит обычно в области повышенных скоростей. В большинстве случаев жидкость настолько быстро проходит через область пониженного давления, что газ не успевает выделиться. В этом случае кавитацию часто называют паровой. Полости или пузырьки, заполненные паром, увлекаются потоком в область повышенного давления. Здесь пар конденсируется и полости, заполненные паром, замыкаются.

В качестве меры, определяющей кавитационные свойства профилей, применяют так называемое число кавитации

, (2.45)

где р и V - соответственно давление и скорость в набегающем потоке.

Появление кавитации всегда вызывает увеличение сопротивления, т.е. добавочную потерю энергии. Кроме этого, она влечет за собой кавитационную коррозию металла и появление кавитационных шумов. Все эти вредные действия кавитации настолько существенны, что обычно при проектировании насосов, турбин и винтов лопасти рассчитывают так, чтобы на них не возникала кавитация.

Смеси из нескольких тел (газообразных или жидких) могут быть получены одним из следующих трех основных способов смешивания: смешивание в объеме; смешивание в потоке и смешивание в случае заполнения объема потоком. Обычно приводят рассуждения о смешивании лишь двух веществ или компонентов, а другие более сложные случаи сводят затем к последовательному добавлению нового компонента к уже имеющейся смеси. Для бинарной смеси, состоящей из компонентов а и b, в единице объема смеси содержится масса компонента а и масса компонента b. Величины и называют плотностями компонентов, которые удовлетворяют соотношению

, (2.46)

где - плотность смеси.

Безразмерные величины и представляют собой массовые концентрации компонентов а и b в смеси и удовлетворяют соотношению

. (2.47)

Парциальные энтальпии компонентов газовых и жидких смесей (количество теплоты в единице массы компонента а или b), близких к идеальным (отсутствует заметная теплота смешивания), равны значениям энтальпий чистых веществ а и b. Энтальпия смеси h (количество теплоты в единице массы смеси) связана с величинами и соотношением

. (2.48)

При смешивании компонент через контрольную поверхность пространства осуществляется перенос массы веществ а и b с разной интенсивностью. Количественной характеристикой таких процессов служит вектор плотности потока массы смеси (импульс единицы объема смеси), который складывается из векторов плотности потоков массы компонентов а и b. Вектор конвективной скорости движения смеси как сплошной среды (импульс единицы массы смеси) определяется отношением вектора плотности потока массы смеси к плотности смеси.

В случае фазовых смесей границы раздела фаз (в рамках представлений сплошной среды) интерпретируются как геометрические поверхности. Реальные межфазные границы - это тонкие переходные слои сложной структуры. Молекулы, составляющие переходный слой, взаимодействуют с молекулами обеих граничащих фаз, в силу чего свойства переходного слоя отличаются от свойств вещества в объемах фаз. Поэтому при интерпретации границы раздела фаз как геометрической поверхности ей приписываются некоторые феноменологические свойства.

Коэффициент теплопроводности смеси зависит от концентрации компонентов, а динамическая вязкость смеси - от вязкости чистых компонентов, концентрации и физической природы смеси. При смешивании идеальных газов параметры смеси определяют в соответствии с аддитивностью термодинамических величин газов, составляющих смесь.

2.8. Законы переноса

При изучении потоков жидкостей и газов обычно рассматривается перенос трех величин: одной векторной (количества движения) и двух скалярных (тепла и вещества). В движущемся потоке, в общем случае, наблюдается неоднородность таких величин, как скорость, температура и концентрация вещества. Вследствие наличия этих неоднородностей в среде возникают явления переноса количества движения, тепла и массы.

Если в потоке выделить некоторый элементарный объем, то по его поверхности будут действовать касательные и нормальные силы. Касательные силы возникают вследствие наличия внутреннего трения или вязкости. Как известно из физики, Ньютон сформулировал закон переноса количества движения молекул, согласно которому касательное напряжение трения между двумя слоями прямолинейно движущейся вязкой жидкости пропорционально отнесенному к единице длины изменению скорости по нормали к направлению движения

. (2.49)

Коэффициент пропорциональности в уравнении (2.49) называется динамическим коэффициентом вязкости. Как известно, динамический коэффициент вязкости не зависит от давления и от характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее температурой.

Законы переноса тепла и массы имеют вид, аналогичный закону Ньютона. Например, закон Фурье для переноса тепла будет

, (2.50)

а закон Фика для переноса вещества

, (2.51)

где q и - количество тепла и вещества, переносимого через единицу площади в единицу времени;

Т и с - температура и концентрация вещества.

Коэффициенты пропорциональности и D называются соответственно коэффициентами теплопроводности и диффузии. Коэффициенты и D зависят только от физических свойств среды и температуры.

По своей структуре все существующие потоки реальной вязкой жидкости делятся на ламинарные и турбулентные. При ламинарном или слоистом движении подкрашенные струйки остаются резко выделенными во все время движения, т.е. отдельные частицы движутся по определенным траекториям. При турбулентном движении отдельные частицы жидкости совершают беспорядочное движение по хаотически переплетенным и быстро изменяющимся траекториям. От структуры потока существенно зависят все процессы переноса, т.е. величины, характеризующие процесс переноса количества движения, тепла и вещества. В силу этого законы переноса, приведенные выше, пригодны лишь для ламинарных потоков, при турбулентном движении процессы переноса значительно сложнее.

2.9. Требования к рабочим жидкостям

Физические и эксплуатационные свойства рабочих жидкостей должны удовлетворять целому комплексу требований, среди которых можно назвать следующие:

- широкий диапазон возможных температур. Верхняя граница этого диапазона ограничена температурой самовозгорания жидкости и возможностью ее расслоения или химического распада. Нижняя граница определяется предельно допустимыми значениями вязкости жидкости;

- возможность длительной эксплуатации с большими давлениями, обусловленными жесткими условиями по минимальным габаритам и весу гидроагрегатов;

- достаточно высокая объемная прочность жидкости, которая характеризуется давлением насыщенного пара этой жидкости при различных температурах. При уменьшении фактического давления в жидкости ниже давления парообразования происходит испарение жидкости в образующиеся пузыри, т.е. разрыв сплошности жидкости;

- хорошая смазывающая способность для уменьшения износа деталей и снижения сил трения между ними, влияющих на характеристики агрегатов;

- химическая нейтральность к материалам деталей агрегатов: металлам, их покрытиям, резине и пластмассам. Отсутствие кислот, разрушающих железные детали, и щелочей, реагирующих с цветными металлами;

- хорошие электроизоляционные свойства. Отсутствие солей, которые способствуют образованию гальванических пар;

- неизменность свойств с течением времени, отсутствие выпадения осадков, окисления;

- достаточно высокая пожаробезопасносгь, характеризующаяся температурой вспышки;

- малая токсичность жидкости и ее паров при работе с ней людей;

- достаточно низкая стоимость.

Для надежной и длительной работы гидропривода основным требованием к рабочим жидкостям является способность сохранять длительное время свои эксплуатационные качества (физические свойства и химический состав). Кроме того, рабочие жидкости должны обладать антикоррозийными и смазывающими свойствами, т.е. не только не вызывать коррозию, но и обеспечивать эффективное смазывание трущихся поверхностей, образуя на них прочный слой, который исключит полностью или частично контакт этих поверхностей между собой и уменьшит их износ.

Вредное влияние на работу гидропривода оказывают пузырьки нерастворенного воздуха, поэтому рабочие жидкости должны легко выделять эти пузырьки без образования пены на поверхности жидкости в гидробаках. Жидкости должны иметь достаточно высокую температуру кипения, мало испаряться при работе, а их пары не должны быть вредными для здоровья людей, взрыво- и пожароопасными при работе оборудования.

В качестве рабочих жидкостей для гидроприводов используют в основном минеральные масла, получаемые путем перегонки нефти. Эти масла являются основой в которую добавляют антипенные, антиокислительные и другие присадки, повышающие эксплуатационные качества масел. В гидроприводах машин, работающих при повышенных или отрицательных температурах окружающего воздуха, повышенной взрывоопасности и других особых условиях, в качестве рабочих жидкостей применяют синтетические жидкости или эмульсии на водной основе. Однако по сравнению с минеральными маслами синтетические жидкости значительно дороже в изготовлении, а водно-эмульсионные жидкости уступают маслам по антикоррозийным и смазывающим свойствам.