новая папка 1 / 641052
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВЫСОТОЙ СТОЛБА ЖИДКОСТИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
клабораторной работе № 1 по дисциплине «Гидрогазодинамика»
А.В. Севостьянов, Ю.И. Дедов
Липецк Липецкий государственный технический университет
2017
УДК 621.6 (07)
С281
Рецензент канд. техн. наук, проф. В.Я. Губарев
Севостьянов, А.В.
С281 Измерение давления высотой столба жидкости [Текст]: метод. указ.
клабораторной работе № 1 по дисциплине «Гидрогазодинамика»/ А.В. Севостьянов, Ю.И. Дедов – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. – 14 с.
В методических указаниях представлен способ экспериментального определения гидростатического давления жидкостными манометрами различных конструкций.
Методические указания предназначены для студентов I курса физико-технологического факультета специальности «Промышленная теплоэнергетика» направления «Теплоэнергетика и теплотехника».
Табл. 1. Ил. 2. Библиогр.: 2 назв.
© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2017
|
Содержание |
|
1. |
Основные положения……………………………………………………………5 |
|
2. |
Описание лабораторной установки..................................................................... |
7 |
3. |
Порядок выполнения работы ............................................................................... |
9 |
4. |
Форма отчета ......................................................................................................... |
9 |
5. |
Оценка статистической погрешности ............................................................... |
11 |
6. |
Техника безопасности при выполнении работы.............................................. |
12 |
7. |
Контрольные вопросы......................................................................................... |
12 |
Библиографический список...................................................................................... |
13 |
|
|
|
Условные обозначения |
|
- ускорение свободного падения, 9,81 м2/с; |
|
l |
- длина, м; |
|
n |
- количество опытов (размер выборки); |
|
- давление, Па; |
||
|
- среднее давление, Па; |
|
|
- эмпирический стандарт давления, Па; |
|
|
- угол наклона трубки, угловые градусы; |
|
- плотность, кг/м3; |
||
|
|
Индексы |
0 |
|
- абсолютное; |
атм |
- атмосферное; |
|
вак |
- вакуум; |
|
изб |
- избыточное; |
|
А |
|
- относится к точке А; |
2 - вода;
4 - четырёххлористый углерод.
1. Основные положения
Целью работы является углубление знаний по гидрогазодинамике, раздел
«Гидростатика», изучение методики экспериментального определения гидростатического давления жидкостными манометрами различных конструкций, получение навыков проведения экспериментальных работ.
Термин «давление» имеет несколько значений. Абсолютное давление
0 – полное сжимающее напряжение, возникающее в жидкости под действием внешних сил: давления на поверхности и силы тяжести. Абсолютное давление всегда положительно ( 0 > 0).
0 |
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
Рис. 1. Расчётная схема |
|
Таким образом, абсолютное давление в любой точке А (рис. 1), взятой в объёме покоящейся жидкости, складывается из поверхностного давления и давления столба жидкости:
|
= |
+ . |
(1) |
|
0 |
|
|
Давление измеряется в единицах напряжения.
В международной системе единиц «СИ» для измерения необходимо применять
Н
Паскаль (Па) = м2
или соответствующие единицы с десятичными кратными приставками:
1 кПа = 103 Па;
1 МПа = 106 Па.
До сих пор на практике используются внесистемные единицы измерения давления:
миллиметр ртутного столба: 1 мм рт. ст. = 133,37044 Па; физическая атмосфера: 1 ата = 760 мм рт. ст. = 101325 Па; техническая атмосфера:1 ати = 735 мм рт. ст. = 98065,5 Па;
бар: 1 бар = 105 Па.
Атмосферное давление (барометрическое) атм – сжимающее напряжение, существующее в земной атмосфере под воздействием силы тяжести, измеряется барометром.
Избыточное давление изб – разность между абсолютным и
атмосферным давлением: |
|
изб = 0 − атм . |
(2) |
Избыточное давление измеряется манометрами, поэтому его также |
|
называют манометрическим давлением. |
|
Давление вакуума вак – разность между атмосферным и абсолютным |
|
давлениями: |
|
вак = атм − 0. |
(3) |
Приборы для измерения давления вакуума называются вакуумметрами.
Для измерения небольших по величине давлений в лабораторных условиях и в технике широко применяют жидкостные манометры, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого служит мерой давления.
Жидкость, используемая в качестве рабочей, должна быть маловязкой,
нерастворимой в среде, где измеряется давление, и иметь малый коэффициент термического расширения. Наиболее популярными рабочими жидкостями являются вода ( = 1000 кг⁄м3), ртуть ( = 13600 кг⁄м3), этиловый спирт
( = 810 кг⁄м3).
Основным недостатком жидкостных манометров является узкий диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях манометры становятся слишком громоздкими. К недостаткам также относятся хрупкость стеклянных трубок и необходимость пользоваться жидкостями, пары которых могут быть токсичными.
2. Описание лабораторной установки
Установка (рис. 2) состоит из стального сосуда 6 с водой ёмкостью около
6 литров, снабженного патрубком 7 для набора и патрубком 12 для спуска воды. К сосуду присоединена стеклянная трубка 1 для определения уровня воды. Избыточное давление и разряжение на поверхности воды в сосуде создаются компрессором 4 и вакуум-насосом 3, снабженными кранами 2 и 5. К
сосуду в различных точках присоединены приборы для измерения давления.
|
|
|
|
|
|
10 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
11 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Схема лабораторной установки |
|
||
Среди них пьезометр 8, который представляет собой стеклянную трубку малого диаметра с открытым в атмосферу верхним концом. Нижний конец трубки присоединён к сосуду с водой. Пьезометр применяется для измерения небольших по величине (30– 4 0 кПа) избыточного давления и давления вакуума. Под действием давления жидкость в пьезометре поднимается на высоту 1, измеряемую строго по вертикали от точки, в которой определяется давление. Избыточное давление в произвольно выбранной точке А жидкости определяется из условия равновесия относительно горизонтальной плоскости
сравнения, проведенной через точку А:
= 0 + ;= атм + .
Поскольку из уравнения (2) |
|
|
|
|
|
0 |
= атм + изб , |
|
|||
то получаем |
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
. |
(4) |
изб |
2 |
|
|
||
Высота 1 подъёма жидкости в пьезометре относительно точки А называется пьезометрической высотой.
Диапазон измеряемых пьезометром давлений ограничивается высотой трубок и их прочностью.
U-образный манометр 10 представляет собой U-образную стеклянную трубку малого диаметра, заполненную до некоторого уровня рабочей жидкостью, не смешивающейся с жидкостью в сосуде. Плотность рабочей жидкости, как правило, выше плотности жидкости в сосуде. В нашем случае манометр заполнен четырёххлористым углеродом 4. U-образный манометр применяют для измерения бóльших давлений по сравнению с пьезометром.
Конец одной ветви манометра соединяется с сосудом, конец другой открыт в атмосферу. Если давление в точке присоединения левой ветви манометра больше атмосферного, то жидкость в правой ветви поднимается. Разность
высот жидкости в ветвях 2 |
является показанием прибора. Избыточное |
||||||
давление на уровне рабочей жидкости в левой ветви манометра |
|
||||||
|
|
= |
|
|
2 |
. |
(5) |
изб |
|
4 |
|
|
|
||
Чувствительность прибора зависит от плотности рабочей жидкости.
Максимальное измеряемое давление, определяемое допустимой высотой ветвей, обычно не превышает 0,4 МПа.
Чашечный манометр 9 представляет собой модификацию U-образного манометра, левая ветвь которого является чашкой. Рабочей жидкостью в нашем случае является четырёххлористый углерод 4. Обычно диаметр чашки настолько велик по сравнению с диаметром трубки, что изменением уровня в чашке можно пренебречь. Уровень жидкости в чашке принимают за постоянный ноль отсчёта, что облегчает измерения.
Расчетная формула для чашечного манометра имеет вид:
|
= |
|
3 |
, |
(6) |
изб |
4 |
|
|
|
где 3 – высота рабочей жидкости в правой ветви прибора.
Микроманометр или манометр с наклонной трубкой 11 представляет собой модификацию пьезометра. Микроманометр применяют для увеличения точности при измерении малых давлений в газах (до 150 мм. вод. ст.). Показанием такого прибора является величина l смещения жидкости в наклонной трубке. Точность прибора возрастает с уменьшением угла наклона
трубки. В нашем случае рабочей жидкостью в микроманометре является вода.
Избыточное давление на поверхности жидкости |
|
|||
|
= |
|
. |
(7) |
изб |
2 |
|
|
|
3.Порядок выполнения работы
1.Кран 2 закрыть, кран 5 открыть.
2.Включив компрессор 4, создать в сосуде над жидкостью избыточное давление, кран 5 закрыть.
3.Записать показания всех приборов в журнал наблюдений.
4.Открыть кран 5, сбросить избыточное давление, закрыть кран 5,
открыть кран 2 и включить вакуум-насос. В сосуде над жидкостью создать вакуум, кран 2 закрыть.
5.Записать показания всех приборов в журнал наблюдений.
6.Открыть кран 2, впустить воздух в сосуд, закрыть кран 2.
4. Форма отчета
Отчет по лабораторной работе № 1
Измерение давления высотой столба жидкости
Фамилия студента .................... |
…… группа…………………………… |
|
Допущен к выполнению: дата........ |
подпись……………… …………. |
|
выполнено: дата .......... |
подпись ............... |
… …………… |
1.Цель работы:
2.Схема установки:
3.Журнал наблюдений:
|
|
|
Показания приборов |
|||
|
|
|
|
|||
№ |
Наименование и тип приборов |
Опыт № 1 |
Опыт № 2 |
|||
(избыточное |
(давление |
|||||
п/п |
|
|||||
|
давление), мм |
вакуума), мм |
||||
|
|
|||||
1. |
Пьезометр |
1 |
= |
1 |
= |
|
2. |
U-образный манометр |
2 |
= |
2 |
= |
|
3. |
Чашечный манометр |
3 |
= |
3 |
= |
|
4. |
Микроманометр |
= |
= |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Угол наклона трубки микроманометра = 35°.
4. Обработка результатов По результатам замеров определяют:
I. Избыточное давление на поверхности жидкости в сосуде: а) пьезометр:
изб = 2 1;
б) U-образный манометр:
изб = 4 2;
в) чашечный манометр:
изб = 4 3;
г) манометр с наклонной трубкой:
изб = 2 .
Принять: 2 = 1000 мкг3;
4 = 1600 мкг3.
II.Давление вакуума на поверхности воды в сосуде: а) пьезометр:
вак = 2 1;