Сопротивление растяжению. Кавитация и кипение. Активность и летучесть

Жидкость при нормальных температурах может выдерживать растяжение до нескольких тысяч мегапаскалей. На рис. 1.8 изображены изотермы Ван-дер-Ваальса.

Изотермы уравнения Ван-дер-Ваальса

Рис. 1.8. Изотермы уравнения Ван-дер-Ваальса

Экспериментальные изотермы с технически чистыми жидкостями, которые содержат ионы, взвешенные твердые частицы и равновесные небольшие пузыри газа, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения, хотя при кратковременном воздействии были достигнуты напряжения растяжения до 30 МПа. Предельные напряжения растяжения возрастают с уменьшением длительности отрицательного импульса напряжения растяжения. При стационарном установившемся движении жидкости будем считать, что напряжение растяжения в капельной жидкости невозможно.

При нестационарном движении жидкости даже с весьма незначительным содержанием (< 10~3%) свободного газа возникают акустические волны, для которых характерно переменное давление жидкости относительно среднего. При понижении давления жидкости или в фазе пониженного давления пузыри расширяются. Наблюдаются радиально-сферические нелинейные колебания пузырей, которые называют акустической кавитацией. Если давление жидкости понижается вследствие повышения местной скорости неустановившегося движения жидкости в местном сопротивлении (в трубе Вентури, местном сужении, обтекании двугранного угла), то такую кавитацию называют гидродинамической.

Явление кавитации необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации насосов, которые в рекламных материалах характеризуются высотой разрежения Н = р/pg, где р —атмосферное давление; р — плотность жидкости.

Кавитационный износ лопастей мешалки

Рис. 1.9. Кавитационный износ лопастей мешалки

На рис. 1.9 представлена кавитационная эрозия лопастей мешалки, которая перемешивала в цилиндрической емкости нефть с включением песка. Эрозия наблюдается не со стороны лобовой части лопасти, где, казалось бы, должна наблюдаться эрозия износа, а с противоположной стороны, где наблюдается эрозия гидродинамической кавитации.

Высота разрежения не может быть больше, например, при перекачивании воды 10 м. Высота разрежения зависит от давления насыщающих паров, которое в свою очередь зависит от температуры. В этом случае в формуле для высоты разрежения учитывают давление паров Н = рpa — pn(t), где ря атмосферное давление; pn(t) — давление насыщающих паров при температуре t. При высоких температурах и понижении давления до р.л = pn(t) наступает кипение жидкости, и пузырь увеличивается за счет испарения жидкости внутрь пузыря. При одновременном подводе теплоты и растяжении жидкости могут наблюдаться кипение и кавитация. С увеличением растягивающих напряжений и уменьшением времени действия растягивающих напряжений температура границы перехода от кавитации к кипению увеличивается. Например, при отрицательном импульсе давления в жидкости при амплитуде порядка мегапаскаля и его длительности несколько миллисекунд [6J кавитация в воде наблюдалась даже при температуре 99°С. На основе уравнения радиально-сферических нелинейных колебаний ансамбля пузырей в газожидкостной смеси в поле переменного и (или) локального гидродинамического понижения давления и уравнения теплопроводности на границе раздела жидкости и парогазового пузыря получен критерий границы между процессами кавитации и кипения:

где с — скорость звука при импульсном возбуждении кавитации с длительностью импульса At или скорость жидкости при гидромеханическом возбуждении кавитации при пребывании ансамбля пузырей в зоне локального понижения давления в течение времени At; Т — температура границы между процессами кавитации и кипения; Рж и Рп плотность жидкости и пара; Сж — изобарная удельная теплоемкость жидкости; г — удельная теплота парообразования; X — величина значения критерия кавитации; а — коэффициент температуропроводности жидкости. Все физические свойства жидкости и пара определяют по таблицам при температуре Т границы кавитации и кипения.

Явление кавитации необходимо учитывать при расчетах и эксплуатации гидроарматуры, насосов, их критического кавитацон- ного запаса и кавитационного коэффициента быстроходности, предвключенного шнека перед рабочим колесом турбоагрегата ракетных двигателей или системы орошения полей в агропромышленном комплексе.

Эти свойства имеют все капельные жидкости, однако интенсивность испарения у различных жидкостей неодинакова. Интенсивность испарения характеризуется массовым потоком пара с единицы площади поверхности в единицу времени в атмосферу, которая находится над поверхностью жидкости:

Интенсивность испарения зависит от природы жидкости, давления над поверхностью жидкости, температуры, температуры кипения жидкости, летучести.

В современной химической термодинамике видное место занимает созданная Г.Н. Льюисом теория активности. Льюис ввел в термодинамику новые величины, подлежащие экспериментальному и теоретическому изучению, а именно — две такие величины /и о, которые, будучи употребляемы вместо давления р и плотности V~l (где V, м3/кх, — удельный объем), позволяют обобщить формулы термодинамики идеальных газов для любых реальных систем.

Упомянутые две величины, которым Г.Н. Льюис присвоил название летучести (/) и активности (а), были выбраны так, чтобы обобщение газовых законов и уравнения состояния газов на реальные вещества могло быть произведено без существенного изменения формул. Летучесть/имеет смысл эффективного давления с учетом внутреннего давления, возникающего вследствие межмолекулярного взаимодействия. Активность а имеет смысл эффективной плотности К-1 или эффективной концентрации. Под коэффициентом активности понимают величину, на которую нужно умножить плотность или концентрацию, чтобы получить активность, или на которую следует умножить давление, чтобы получить летучесть. Летучесть есть функция не только давления, но и температуры, состава смеси, т.е. концентрация всех веществ смеси, подстановка которой вместо парциальных давлений в термодинамические уравнения, выведенные для идеального газа, делает эти уравнения применимыми к реальному газу. По определению летучесть реального газа р, есть давление, которое газ имел бы при заданных значениях температуры и химического потенциала р, если бы его можно было считать идеальным.

Соответственно летучесть определяется соотношением

где %/(7) — функция температуры, фигурирующая в химическом потенциале данной компоненты смеси, если она представляет собой идеальный газ; к - 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Например, для газов, подчиняющихся уравнению Ван-дер-Ва- альса:

Обозначения такие же, как к формуле (1.3.14).

Из последних формул следует, что давление насыщающих паров экспоненциально зависит от температуры. Поэтому в криогенной технике при тепловых расчетах пользуются диаграммой состояния хладагентов в системе координат lg p(i), где i — удельная энтальпия хладагента, определенным способом связанная с температурой T(s), где s — удельная энтропия.

Летучесть можно рассматривать как эффективное давление реального газа. При больших давлениях и низких температурах летучесть по величине сильно отличается от давления. Летучесть необходимо учитывать в таких основных процессах пищевой промышленности, как испарение, конденсация, выпаривание, абсорбция, перегонка, ректификация, сушка, адсорбция, а также при расчете циклов тепловых и холодильных машин.

Если летучесть определена в газообразной фазе, то тем самым она определена также и в конденсированных фазах, так как в состоянии равновесия химические потенциалы, а следовательно и летучесть, равны.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >