Как найти избыточное давление на поверхности

Что такое давление?

Всё на всё оказывает давление. Значит давление – это такая физическая величина, которая равна силе, действующей на единицу площади. Другими словами, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь. В латинице для обозначения давления используют знак P.

Давление бывает:

1. Атмосферное
2. Абсолютное
3. Избыточное

Атмосферное давление (барометрическое)

Атмосферное давление – это давление воздуха на землю.

Давление, которое больше всего важно для земной жизни – окружающее нас давление. Обозначается как “amb” от ambiens — окружающий. Это давление, образующееся путем силы, которую оказывает атмосфера на землю. Несмотря на то, что воздух прозрачен и мы не можем его ни потрогать, ни увидеть, мы знаем, что у него есть масса. Она оказывает давление на поверхность земли. Это и принято называть атмосферным давлением. Нормальное атмосферное давление равно 101,325 кПа.

Обратите внимание: чем больше высота над уровнем моря, тем ниже давление.

Также, благодаря прогнозам погоды, нам хорошо известно, что атмосферное давление меняется в зависимости от капризов погоды.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Формула числа Рейнольдса Re

Избыточное давление

Оно представляет собой разницу между абсолютным и атмосферным давлением. Также такое давление можно создать искусственно в сосудах, паровых или водогрейных котлах. Избыточное давление показывает разницу между давлением внутри сосуда и атмосферным.

Если давление превышает атмосферное, то говорят о положительном избыточном давлении, если наоборот — используют понятие отрицательного избыточного давления.

Абсолютное давление

Абсолютное – это давление, отсчет которого производят от абсолютного нуля (вакуума).

Что такое абсолютное давление, и как это соотносится с избыточным давлением?

Чтобы понять абсолютное давление, нужно сначала определить несколько терминов:

• Атмосферное давление. Все вокруг нас — воздух и вода — имеет вес и создает давление. На уровне моря среднее давление составляет 1 атм, или 1,01325 бар; давление изменяется в зависимости от погодных условий. По мере увеличения высоты воздух становится тоньше, равно атмосферное давление.
• Манометрическое давление. Ноль в манометрическом давлении представляет собой атмосферное давление, что означает, что показание избыточного давления включает только дополнительное давление внутри системы.
• Абсолютное давление. Ноль в абсолютном давлении является идеальным вакуумом, что означает, что абсолютное считывание давления включает в себя как атмосферное давление, так и манометрическое давление.

Важным отличием последних двух типов давления является нулевая ссылка. Ноль инструментов, измеряющих избыточное давление, представляет собой атмосферный воздух, который изменяется в зависимости от высоты и погодных условий. Ноль в приборах, измеряющих абсолютное давление, — это полное отсутствие давления или вакуум; поэтому этот ноль не меняется.

Измерение абсолютного и избыточного давления

Атмосферное давление измеряют барометром, поэтому его еще называют барометрическим и обозначают Pamb или Pбар.

Нормальное атмосферное давление равно 1 атм=1,033 ат=1,013 x 100 000 Па=760 мм рт.ст.

Избыточное давление измеряют манометром, поэтому его еще называют манометрическим и обозначают Pe или Pизб.

Избыточное давление

Понятие избыточного давления также, как и абсолютного давления, относится к точке отсчета для указания давления. Избыточное давление — это то давление, для указания которого используется, в качестве точки отсчета, нормальное атмосферное давление.

Избыточное давление равно абсолютному давлению минус атмосферное давление. Например, давление на уровне моря, которое составляет 1 бар(а), может быть также указано как избыточное давление, составляющее 0 бар(и).

На письме указание на избыточное давление иногда подчеркивается литерой и

в русском языке,
g
в английском (от слова
gauge
, то есть прибор[ное давление] — т.к. на манометрах обычно отображается именно избыточное давление), и литерой
ü
в немецком (от слова
Überdruck
, то есть «сверхдавление»).

Абсолютное и избыточное давления. Вакуум

Абсолютным давлением рабсназывается гидростатическое давление, определяемое по формуле (1). Из этой формулы следует, что абсолютное давление складывается из двух составляющих: внешнего давления р0,

передаваемого жидкостью по закону Паскаля, и давления, определяемого произведением у/г. Вторую составляющую называют относительным или, если на свободной поверхности жидкости действует атмосферное давление,
избыточным давлением.Исходя из этого формулу (1) можно записать в следующем виде: рабс = ро + ризб или рабс/ γ = ро/ γ + ризб/ γ
где избыточное давление риз6 =gh

.

Из последнего равенства следует, что избыточное давление изменяется в зависимости от глубины по линейному закону. В координатах p/g —h

такому изменению соответствует биссектриса координатного угла (рис. 3).

Рис.3 Эпюра распределения

гидростатического давления по высоте.

Абсолютное давление не может быть отрицательным, так как жидкость не сопротивляется растяжению, т. е. рабс>

О (или
ра6с /g
>0).

Избыточное давление, представляющее собой разность ра6с

—
р0
может быть как больше, так и меньше нуля, т.е.
ризб
<=>0 (или rизб /γ <=> 0).

Отрицательное избыточное давление называют вакуумом,или вакуумметрическим давлением,

т.е. —
ризб = рвак или . —ризб/γ =h вак
где hвак — вакуумметрическая высота.

Из приведенных выше формул следует: h вак = —ризб/γ = ( ро — рабс)/ γ

т.е. вакуумметрическая высота возрастает с уменьшением абсолютного давления и достигает максимума, когда ра5с =

0 (отрицательным абсолютное давление быть не может):
h вак
max = r0 /g.

Пример 1.Определить избыточное давление в забое скважины глубиной h

= 85 м, которая заполнена глинистым раствором плотностью р = 1250 кг/м3.

Решение.

Избыточное давление

Пример 2.Определить избыточное давление воды в трубе по показаниям батарейного ртутного манометра. Отметки уровней ртути от оси трубы (рис. 2.22): z, = 1,75 м; z2

= 3 м; z3 = 1,5 м; z4 = 2,5 м.

Решение.

Батарейный ртутный манометр состоит из двух последовательно соединенных ртутных манометров. Давление воды в трубе уравновешивается перепадами уровней ртути, а также перепадами уровней воды в трубках манометра. Суммируя показания манометра от открытого конца до присоединения его к трубе, получим:

где rВ — плотность воды (рв = 1000 кг/м3); ррт — плотность ртути (ррт= 13 600 кг/м3).

Подставив заданные значения, получим

rИЗБ=

13 600-9,81(2,5 — 1,5) — 1000-9,81(3- 1,5) + 13 600 ·9,81(3- 1,75) + 1000-9,81 1,75 @ 0,303 • 106 Па = 0,3 МПа.

Пример 3.Определить силу суммарного давления воды на плоский щит, перекрывающий канал (рис. 2.23), и усилие, которое необходимо приложить для подъема щита. Ширина канала b =

1,8 м, глубина воды в нем
И
= 2,2 м. Вес щита
G
= 15 кН. Коэффициент трения щита по опорам f= 0,25.

Решение.Сила суммарного давления на щит

Р

=
рс
w=
pghcbh = pgh2b/2.
Построим эпюру избыточного гидростатического давления. В точке В

гидростатическое давление
рв
=
pgh.
Отложим от точки В

в направлении, перпендикулярном щиту, отрезок, равный
рв
(со стороны действия давления), и соединим начало полученного вектора (точку С) с точкой
А.
Полученный треугольник
ABC —
эпюра гидростатического давления.

По эпюре гидростатического давления определим силу суммарного давления на щит, которая равна объему этой эпюры:

Полученная формула одинакова с ранее написанной. Подставив в эту формулу заданные значения, получим

Р =

1000• 9,81 · 2,22-1,8:2 = 42,7 • 103 Н « 42,7 кН. Усилие, необходимое для подъема щита,

Т= G+fP=

15 + 0,25-42,7 = 25,7 кН.

Практическая работа № 3.

Тема: Расчет гидравлического пресса.

Цель работы: Ознакомиться с устройством гидравлического пресса;научиться определять усилие прессования.

Ход работы:

1. Начертить схему гидравлического пресса.

2. Пояснить принцип работы гидравлического пресса.

3. Определить усилие прессования (η=0,8).

Данные для расчета взять из таблицы.

4. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Какой закон гидростатики лежит в основе работы гидростатических машин?

2. Объясните принцип работы гидравлического пресса.

3. Объясните принцип работы гидравлического домкрата.

Точность, настройка диапазона и безопасность

На электронных приборах для измерения давления и механических манометрах точность измерений указывается идентичным способом — в виде погрешности, равной процентному соотношению от диапазона измерений. Например, манометр хорошего качества с диапазоном 0-500 psi может иметь погрешность ±0,5% шкалы. Это означает, что он имеет полосу погрешности 5 psi (±2,5 psi) в любой точке на шкале. Электронные преобразователи и датчики имеют аналогичное определение погрешности. Поскольку диапазон измерений связан с погрешностью, очень важно выбрать устройство с диапазоном, максимально близким к фактическому рабочему значению с учетом скачков давлений. Другими словами, если в вашем процессе рабочее давление составляет 75 psi, то лучше использовать манометр 0-100 psi, а не 0-500 psi, даже если они имеют идентичные номинальные значения погрешности. Неправильный выбор диапазона измерений является наиболее распространенной ошибкой при подборе датчика. Экономные покупатели выбирают один прибор для измерения давления, чтобы снизить до минимума товарно-материальные запасы, а затем стараются использовать этот прибор для широкого ряда применений. В результате страдает точность измерений.

Некоторые датчики имеют собственную электронную регулировку диапазона измерений. Например, устройство, предназначенное для измерения давления от 0 до 500 psi, можно отрегулировать электронным способом на показание 0-300. Это поможет расширить соответствующую область показаний датчика от 4 до 20 мА, но фактически не повысит точность. Соотношение перенастройки диапазона в большинстве случаев будет таким же, что и при полной шкале от 0 до 500.

„Существуют сенсоры по 2 или 3 доллара, которые можно поместить в автомобильные шины и отображать показания на вашей приборной панели. Вам не потребуется слишком высокая точность или быстрое реагирование, чтобы увидеть, что спущена правая шина, — говорит Том Райд, менеджер по продукции компании GE-Druck. — То же самое можно сказать в том случае, если вы хотите иметь приблизительные показания давления в резервуаре. В любом случае, выбор типа датчика зависит от того, насколько критичным является сам процесс».

Виктор Миллер, специалист по приборам Wika для измерения давления, подчеркивает, что понимание процессов, происходящих в измеряемом объеме, помогает определить важность диапазона измерений и повышенной надежности датчика. „Пользователи не учитывают динамику того, что происходит внутри системы. При перемещении жидкости клапан внезапно открывается или закрывается, он передает скачок давления, который проходит со скоростью звука через систему, что может отразиться на сенсоре, или сбить калибровочные параметры», — отмечает Виктор Миллер. Статические процессы и сжимаемые жидкости не требуют такой защиты от скачков, как это происходит в динамической среде.

Определение величины давления

Давление

– это величина, характеризующая действие силы на единицу поверхности.

При определении величины давления принято различать давление абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление (ра)

– это давление внутри какой-либо системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчитываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление (рв)

создается массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий.

Избыточное давление

определяется разностью между абсолютным давлением (ра) и атмосферным давлением (рв):

ризб = ра – рв.

Вакуум (разрежение)

– это такое состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Количественно вакуумметрическое давление определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы:

рвак = рв – ра

При измерении давления в движущихся средах под понятием давления понимают статическое и динамическое давление.

Статическое давление (рст)

– это давление, зависящее от запаса потенциальной энергии газовой или жидкостной среды; определяется статическим напором. Оно может быть избыточным или вакуумметрическим, в частном случае может быть равно атмосферному.

Динамическое давление (рд)

– это давление, обусловленное скоростью движения потока газа или жидкости.

Полное давление (рп)

движущейся среды слагается из статического (рст) и динамического (рд) давлений:

рп = рст + рд.

Каковы преимущества измерения абсолютного давления и избыточного давления?

Поскольку все объекты и процессы на заводе-изготовителе имеют одинаковую высоту и атмосферное давление, измерение избыточного давления является достаточно точным для большинства ситуаций. Тем не менее, измерения абсолютного давления требуются в специализированных ситуациях, например, когда вам требуется измерение давления, независимо от колебаний атмосферного давления, а также на промышленных предприятиях, где используются вакуумные насосы и машины вакуумной упаковки.

Абсолютные манометры и датчики присутствуют в многочисленных применениях, включая высотомеры для авиации, мониторы для давления жидкого пара, процессы перегонки, HVAC и производство полупроводников. Давление опасных арсиновых и фосфиновых газов, используемых в процессе производства полупроводников, должно тщательно контролироваться во время хранения и транспортировки. Поскольку атмосферные условия колеблются, важно следить за тем, чтобы опасные газы использовали контрольную точку, которая не изменяется.