Гидростатическое давление и его свойства. Измерение давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Гидростатическое давление и его свойства. Измерение давления

Цели работы:

1. Определение избыточного давления, вакуума (разрежения) и абсолютного давления воздуха на поверхности жидкости по показаниям U-образного пьезометра;

2. Закрепление знаний в области единиц измерения давления в различных системах (СИ, СГС, МКГСС) и их взаимосвязь;

3. Ознакомиться с расчетом абсолютного гидростатического давления в любой точке покоящейся жидкости.

Основные понятия и расчетные формулы

Гидростатическим давлением р называется сила давления жидкости F на единицу площади S, и его можно представить формулой:

P = F / S (1)

Гидростатическое давление имеет размерность в системе СИ - Паскаль (Па). Оно обладает тремя свойствами.

Первое свойство. Гидростатическое давление направлено по внутренней нормали к поверхности, на которую оно действует.

Второе свойство. Гидростатическое давление в точке действует одинаково по всем направлениям.

Третье свойство. Гидростатическое давление в точке зависит от её координат в пространстве и может быть записано следующим образом: р=р(х,у,z).

Полное или абсолютное гидростатическое давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по основному уравнению гидростатики:

(2)

где р - абсолютное (полное) гидростатическое давление; р0 - абсолютное давление на свободной поверхности жидкости; г - удельный (объемный) вес жидкости; с - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; h - глубина погружения точки под уровень жидкости.

Согласно формуле (1), можно сказать, что расчет абсолютного гидростатического давления сводится к определению абсолютного давления на поверхности жидкости р0 в соответствующих единицах измерения.

Абсолютное давление - это давление, отсчитанное от абсолютного нуля (полного вакуума), подобно тому, как отсчитывается температура по шкале Кельвина. В технике промышленных измерений давления отсчет ведут от относительного нуля - атмосферного давления. Давление выше атмосферного измеряют манометрами, а называют избыточным или манометрическим. Давление ниже атмосферного (вакуум) измеряют вакуумметрами.

На рис. 1 можно проследить пределы изменения и взаимосвязь абсолютного давления р_абс, избыточного р_изб и вакуума р_вак

Рис. 1. Взаимосвязь давлений избыточного и абсолютного и давления вакуума.

(3)

Абсолютное давление при наличии вакуума (формула 3) называют также остаточным давлением.

В открытых сосудах абсолютное давление на поверхности жидкости равно атмосферному давлению.

Применяемые в гидротехнической практике единицы измерения давления и их взаимосвязь следующие:

1 кгс/см2 = 1 ат (техническая атмосфера) = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2 >> 0,1 МПа = 1 бар.

Давление может быть выражено высотой столба жидкости над рассматриваемой точкой. Высота столба жидкости определяется по зависимости:

(4)

Из формулы (3) следует, что одно и то же давление в зависимости от рода жидкости может быть создано столбом различной высоты. Так, техническая атмосфера (1 ат) соответствует 10 м в. ст. (при удельном весе воды г = 1000 кгс/м3) = 735,5 мм рт. ст. (при удельном весе ртути 13600 кгс/м3).

Описание и схема экспериментальной установки

Лабораторная установка, представленная на рис. 2, состоит из двух сообщающихся сосудов и U-образного пьезометра. Один из сосудов - открытый 1 (сообщается с атмосферным давлением и может двигаться вниз и вверх). Второй - сосуд 2 (закрытый и неподвижный), имеет кран-воздушник К. Для измерения давления и вакуума предусмотрен U-образный пьезометр 3, соединенный резиновым шлангом с неподвижным сосудом 2.

Если кран К на неподвижном сосуде 2 открыт, внутри него атмосферное давление и положение уровней жидкости в U-образном пьезометре 3 в правом и левом колене одинаковы. После закрытия крана и перемещения открытого сосуда 1 вверх, над жидкостью в сосуде 2 создается избыточное давление за счет перелива жидкости из сосуда 1 в сосуд 2. Это избыточное давление измеряется разностью уровней жидкости в правом и левом колене U-образного пьезометра (рис. 2а). При перемещении открытого сосуда 1 вниз и закрытом кране на сосуде 2 из-за перелива части жидкости из него в сосуд 1 в замкнутом пространстве неподвижного сосуда 2 создается вакуум. Величина вакуума измеряется также U-образным пьезометром (рис. 2б)

Рис. 2. Схема лабораторной установки для измерения избыточного давления и вакуума: 1 - открытый сосуд; 2 - неподвижный сосуд; 3 - U-образный пьезометр

Порядок выполнения работы

1. Атмосферное давление необходимо измерить барометром.

2. При открытом кране К установить положение сосудов 1 и 2 в соответствии с рис. 2.

3. Долить воды в U-образный пьезометр до нулевой отметки в обеих трубках. При переливе избыток удалить.

4. Закрыть кран К и создать избыточное давление в замкнутом пространстве сосуда 2. Записать в таблицу 1 величину h (рисунок 2а), характеризующую избыточное давление. Следует провести не менее трех опытов, меняя величину избыточного давления. Опытные данные занести в табл. 1.

5. Перемещая открытый сосуд 1, создать вакуум в замкнутой воздушной области закрытого сосуда 2; замерить его величину по пьезометру 3 (рисунок 2б). Так же, как и в предыдущем случае, следует провести не менее трех опытов, меняя величину вакуума. Опытные данные занести в табл.2.

Обработка данных

Рассчитать абсолютное давление р_абс в замкнутой воздушной области внутри резервуара 1 для всех опытов по формулам (2) и занести в табл. 1 и 2.

1. Расчет абсолютного давления воздуха по избыточному давлению

Таблица 1

Расчеты атмосферного давления

1) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см² = 10,0 кгс/см2

2) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см2 = 10,0 кгс/см2

3) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см2 = 10,0 кгс/см2

1 кгс/см2 = 1 ат (техническая атмосфера) = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

1) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

2) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

3) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

Расчеты избыточного давления

(1 ат) соответствует 10 м. вод. ст. (y = 1000 кгс/м3) = 735,5 мм. рт. ст. (при удельном весе ртути 13600 кгс/м3).

1) 10,0 мм вод. ст = 0,01 м. вод. ст. = 0,735 мм р. ст.

2) 15,0 мм вод. ст = 0,015 м. вод. ст. = 1,103 мм р. ст.

3) 20,0 мм вод. ст = 0,02 м. вод. ст. = 1,471 мм р. ст.

1) 0,735 мм рт. ст. = 0.0009 кгс/с2 = 0,001 кгс/см2

2) 1,103 мм рт. ст. = 0,00149 кгс/см2 = 0,0015 кгс/см2

3) 1,471 мм рт. ст. = 0,0019 кгс/см2 = 0,002 кгс/см2

1) 0,001 кгс/см2 = 10 кгс/м2 = 98,1 Н/м2

2) 0,0015 кгс/см2 = 15 кгс/м2 = 147,1 Н/м2

3) 0,002 кгс/см2 = 20 кгс/м2 = 196,1 Н/м2

Расчет абсолютного давления

р_абс = р_атм + р_изб

1) р_абс = 10,0 + 0.001 = 10.001 кгс/см2

2) р_абс = 10.0 + 0,0015 = 10.0015 кгс/см2

3) р_абс = 10,0 + 0,002 = 10,002 кгс/см2

р_абс = р_атм + р_изб

1) р_абс = 98100 + 98,1 = 98198,1 Н/м2

2) р_абс = 98100 + 147,1 = 98247,1 Н/м2

3) р_абс = 98100 + 196.1 = 98296,1 Н/м2

Расчет абсолютного давления воздуха при наличии вакуума

Таблица 2

Расчеты атмосферного давления

1) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см2 = 10,0 кгс/см2

2) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см2 = 10,0 кгс/см2

3) 735 мм рт. ст = 0.999 кгс/см2 = 10,0 кгс/см2

Пример: 1 кгс/см2 = 1 ат (техническая атмосфера) = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

1) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

2) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

3) 10,0 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 98100 Н/м2

Расчеты давления вакуума

Пример: (1 ат) соответствует 10 м. вод. ст. (y = 1000 кгс/м3) = 735,5 мм. рт. ст. (при удельном весе ртути 13600 кгс/м3).

1) 11 мм вод. ст = 0,011 м. вод. ст. = 0,809 мм р. ст.

2) 13 мм вод. ст = 0,013 м. вод. ст. = 0,956 мм р. ст.

3) 23 мм вод. ст = 0,023 м. вод. ст. = 1,691 мм р. ст.

1) 0,809 мм рт. ст. = 0.00109 кгс/с2 = 0,0011 кгс/см2

2) 0,956 мм рт. ст. = 0,00129 кгс/см2 = 0,0013 кгс/см2

3) 1,691 мм рт. ст. = 0,00229 кгс/см2 = 0,0023 кгс/см2

1) 0,0011 кгс/см2 = 11 кгс/м2 = 107,9 Н/м2

2) 0,0013 кгс/см2 = 13 кгс/м2 = 127,5 Н/м2

3) 0,0023 кгс/см2 = 23 кгс/м2 = 225,6 Н/м2

Расчет абсолютного давления

р_абс = р_атм - р_вак

1) р_абс = 10,0 - 0,0011 = 9,9989 кгс/см2

2) р_абс = 10.0 - 0,0013 = 9,9987 кгс/см2

3) р_абс = 10,0 - 0,0023 = 9,9977 кгс/см2

Р_абс = р_атм - р_вак

1) р_абс = 98100 - 107,9 = 97992,1 Н/м2

2) р_абс = 98100 - 127,5 = 97972,5 Н/м2

3) р_абс = 98100 - 225,6 = 97874,4 Н/м2

давление вакуум пьезометр гидростатический

Вывод

В ходе лабораторной работы:

1. Определила избыточное давление, вакуума (разрежения) абсолютное давление воздуха на поверхности жидкости по показаниям U-образного пьезометра.

2. Закрепила знания в области единиц измерения давления в различных системах (СИ, СГС, МКГСС) и их взаимосвязь;

3. Ознакомилась с расчетом абсолютного гидростатического давления в любой точке покоящейся жидкости.

Вопросы для контроля самостоятельной работы

1. Цели лабораторного исследования.

Определить избыточное давление, вакуума (разрежения) абсолютное давление воздуха на поверхности жидкости по показаниям U-образного пьезометра.

Закрепить знания в области единиц измерения давления в различных системах (СИ, СГС, МКГСС) и их взаимосвязь

Ознакомиться с расчетом абсолютного гидростатического давления в любой точке покоящейся жидкости.

2. Понятие гидростатического давления.

Гидростатическое давление -- давление столба жидкости над условным уровнем.

3. Свойства гидростатического давления.

Гидростатическое давление обладает двумя свойствами. Первое свойство -- сила гидростатического давления направлена по внутренней нормали к площадке, которая воспринимает это давление. Второе свойство -- величина гидростатического давления в точке не зависит от ориентации (от угла наклона) площадки.

4. Основное уравнение гидростатики.

p = p₀ + pgh

5. Единицы измерения давления и их взаимосвязь.

Единицы давления Паскаль (Па)

6. Понятие абсолютного и избыточного давления, вакуума.

Абсолютное давление - это истинное давление сплошных масс (жидкостей, паров и газов), отсчитываемое от абсолютного нуля давления - абсолютного вакуума.

Давление избыточное (ДИ) - это давление, отсчитываемое от текущего атмосферного давления в сторону увеличения.

7. Устройство и принцип действия приборов для измерения атмосферного, избыточного давлений, вакуума, перепада давлений.

Для измерения давления используются пьезометры, манометры и вакуумметры.

Пьезометры состоят из стеклянной трубки диаметром не менее 0,5 см, прикрепленной к доске с нанесенной на ней измерительной шкалой, и специального патрубка, с помощью которого стеклянная трубка соединяется с резервуаром в том месте, где необходимо измерить давление.

Манометры бывают жидкостные и механические. Жидкостные манометры обычно заполняются ртутью или спиртом, т. е. жидкостями, отличными от тех, в которых измеряется давление. Наибольшее распространение получили U-образные ртутные манометры, которые используются для измерения давления до 300...400 кПа. В отличие от пьезометра такой манометр состоит из U-образной стеклянной трубки, прикрепленной к доске со шкалой.

Вакуумметры - это устройства для измерения вакуума или давления ниже атмосферного. Вакуум - это пространство, в котором давление газа низкое по сравнению с атмосферным давлением. Мера вакуума связана с давлением. Вакуумметры и приборы используются вместе с вакуумными датчиками для контроля и контроля давления вакуума в системе.

Размещено на Allbest.ru