Основы гидравлики и теплотехники. Практикум

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ 
И ТЕПЛОТЕХНИКИ

ПРАКТИКУМ

С.Ф. ВОЛЬВАК
Ю.Н. УЛЬЯНЦЕВ
Д.Н. БАХАРЕВ

Рекомендовано Экспертным советом 
Учебно-методического объединения Комитета по науке 
и высшей школе Санкт-Петербургских государственных 
бюджетных профессиональных образовательных 
учреждений (УМО КНВШ СПб ГБПОУ) 
в качестве учебного пособия

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК [532+536](075.32) 
ББК 30.123:31.31я723
 
В71

Вольвак С.Ф. 
В71  
Основы гидравлики и теплотехники: практикум : учебное пособие / 
С.Ф. Вольвак, Ю.Н. Ульянцев, Д.Н. Бахарев. — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 238 с. — (Среднее профессиональное образование). 

ISBN 978-5-16-015657-6 (print)
ISBN 978-5-16-105208-2 (online)
В учебном пособии приводится материал по изучению методов определения физических свойств жидкостей и теплофизических свойств рабочего тела, приборов для проведения гидравлических и теплотехнических 
экспе риментов, устройства, принципов работы и основ расчета гидравлических и теплотехнических машин, который позволит выработать навыки 
применения теоретических сведений к решению конкретных технических 
задач и освоить практику гидравлических и теплотехнических расчетов.
Соответствует программе дисциплины «Основы гидравлики и теплотехники».
Предназначено для проведения практических занятий студентов, обучающихся по специальности 35.02.07 «Механизация сельского хозяйства» 
и другим техническим специальностям высшего и среднего профессионального образования, а также преподавателям и инженерно-техническим 
работникам агропромышленного комплекса.

УДК [532+536](075.32) 
ББК 30.123:31.31я723

Р е ц е н з е н т ы:
Вендин С.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования и электротехнологий в АПК Белгородского государственного аграрного университета имени В.Я. Горина;
Саенко Ю.В., доктор технических наук, профессор кафедры машин 
и оборудования в агробизнесе Белгородского государственного аграрного университета имени В.Я. Горина

ISBN 978-5-16-015657-6 (print)
ISBN 978-5-16-105208-2 (online)
© Вольвак С.Ф., Ульянцев Ю.Н., 
Бахарев Д.Н., 2019, 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................

1. Практическая работа №1. Изучение физических свойств

жидкости ............................................................................................

2. 
Практическая работа №2. Изучение методов и приборов для
измерения давления..........................................................................

3. Практическая работа №3. Расчёт устройств, основанных на

законах гидростатики.......................................................................

4. 
Практическая работа №4. Опытная иллюстрация уравнения
Бернулли .............................................................................................

5. Практическая работа №5. Определение гидравлических

сопротивлений ...................................................................................

6. Практическая работа №6. Расчёт короткого трубопровода.........

7. Практическая работа №7. Изучение конструкции динамических

насосов..............................................................................................

8. Практическая работа №8. Изучение конструкции объёмных

насосов ...............................................................................................

9. 
Практическая работа №9. Расчёт насосной установки..................

10. Практическая работа №10. Изучение конструкции

гидроцилиндров .................................................................................

11. Практическая работа №11. Изучение конструкций объёмного

гидропривода и гидродинамических передач................................

12. Практическая работа №12. Изучение систем

сельскохозяйственного водоснабжения..........................................

13. Практическая работа №13. Определение термодинамических

параметров состояния рабочего тела..............................................

14. Практическая работа №14. Определение теплоёмкости рабочего

тела......................................................................................................

15. Практическая работа №15. Изучение циклов поршневых

двигателей внутреннего сгорания...................................................

16. Практическая работа № 16. Определение теплопроводности

материалов.........................................................................................

17. Практическая работа №17. Исследование теплообмена

излучением .........................................................................................

18. Практическая работа №18. Испытание теплообменников...........

19. Практическая работа №19. Изучение конструкции котельных

установок ...........................................................................................

20. Практическая работа №20. Изучение конструкции

водонагревателей ..............................................................................
Библиографический список...........................................................
Приложения......................................................................................

4

7

13

23

32

38
46

54

70
85

95

109

138

157

164

169

177

183
189

197

203
208

213

3

Курс «Основы 
гидравлики и теплотехники» является 
одной из 
основополагающих 
дисциплин 
при 
подготовке 
инженерно-технических 
работников в области механизации сельского хозяйства. Основное назначение 
практикума 
-  
помочь 
обучающимся 
получить 
навыки 
применения 
теоретических знаний для решения конкретных практических задач.

В гидравлике и теплотехнике особенно важное место занимают 
экспериментальные исследования, а при решении тех или иных технических 
задач 
довольно 
часто 
используются 
упрощения, 
эмпирические 
и 
полуэмпирические формулы, основывающиеся на результатах экспериментов.

При изложении материала учтены такие предпосылки, как логическая 
связь с другими дисциплинами специальности 35.02.07 «Механизация 
сельского 
хозяйства»; 
фундаментальность 
представления 
теоретических 
вопросов; 
практическая 
направленность 
рассматриваемых 
вопросов; 
использование математического аппарата в объёме, не превышающем 
доступности восприятия теоретического материала; возможность проведения 
лабораторных исследований в комплексе с решением практических задач.

Учебный материал подготовлен в соответствии с рабочей программой 
дисциплины и включает 20 практических работ, содержащих цель работы, 
основные сведения по изучаемой теме, примеры практического применения 
расчётных формул в виде примеров задач и различных инженерных решений, 
описание лабораторных установок и приборов, порядок и методику проведения 
работ, методику обработки опытных данных, задание, контрольные вопросы.

Материал сопровождается иллюстрациями в виде рисунков, графиков и 
таблиц в объёме, требующем пояснения качественной или количественной 
связи параметров технологических процессов или физических явлений.

Материал составлен с учётом самостоятельного выполнения студентами 
полного объёма работ, в т.ч. на лабораторных установках. Для хорошего 
усвоения материала и обеспечения самостоятельного проведения работы на 
лабораторных установках проводятся в составе рабочих подгрупп.

При вычислениях необходимо внимательно следить за правильной 
размерностью 
величин, 
подставляемых 
в 
формулы. 
Рекомендуется 
использовать размерность в международной системе единиц измерений (СИ).

Если определяемая опытным путём величина может быть вычислена по 
теоретической или эмпирической формуле, то полученные опытный и 
расчётный результаты необходимо сравнивать друг с другом.

Для обозначения величин и понятий в гидравлике и теплотехнике широко 
используются 
буквы 
греческого 
и 
латинского 
алфавитов, 
которые 
представлены в таблице А.1 приложения А с указанием их произношения. 
Приставки и множители для образования десятичных кратных и дольных 
единиц представлены в таблице А.2 приложения А. Основные единицы 
физических величин, применяемых в гидравлике и теплотехнике, представлены 
в приложении Б. Технические характеристики жидкостей и материалов 
представлены в приложении В.

ВВЕДЕНИЕ

4

При выполнении работ необходимо соблюдать требования инструкций по 
охране труда и пожарной безопасности, которые должны постоянно находиться 
в специальном месте учебной аудитории. При эксплуатации и техническом 
обслуживании лабораторных установок необходимо соблюдать требования 
ГОСТ 
12.3.019-80 
Система 
стандартов 
безопасности 
труда 
(ССБТ) 
«Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности (с 
изменением №1)», «Правил эксплуатации электроустановок потребителей» и 
«Правил охраны труда при эксплуатации электроустановок потребителей».

Любые 
подключения лабораторных установок 
и 
работы 
по 
их 
техническому обслуживанию производить только при отключённом питании и 
исполнительных механизмов. Не допускается попадание влаги на контакты 
разъёмов и внутренних элементов лабораторных установок. Подключение, 
регулировка и техобслуживание приборов должно производиться только 
квалифицированными специалистами.

Общие правила при нахождении в учебной аудитории

1. Обучающиеся допускаются к выполнению работ после ознакомления 
на первом занятии с требованиями инструкций по охране труда и пожарной 
безопасности, проверки преподавателем их усвоения и оформления в журнале 
регистрации инструктажа.

2. Обучающиеся обязаны знать и соблюдать правила внутреннего 
распорядка, в аудитории не разрешается находиться в верхней одежде, 
запрещается курить, не допускается приносить и употреблять алкогольные, 
наркотические и токсические вещества.

3. 
Обучающиеся 
должны 
бережно 
относиться 
к лабораторному 
оборудованию 
(макетам, 
моделям, 
приборам, 
установкам), 
а 
также 
методическим указаниям, плакатам и другим пособиям, поддерживать чистоту 
и порядок. Запрещается делать какие-либо пометки в методических указаниях и 
других пособиях.

4. Включение приборов и установок осуществляется преподавателем или 
лаборантом с соблюдением требований электро- и пожаробезопасности, или 
обучающимися с разрешения преподавателя.

Общие требования к оформлению выполненных работ

Для успешного выполнения и представления к защите выполненных 
работ необходимо соблюдать следующие требования.

1. Обучающийся допускается к выполнению работы после усвоения 
необходимых теоретических сведений и подготовки бланка отчёта.

2. Выполненные работы оформляются в виде отчёта.
3. Отчёт о каждой отдельной работе должен содержать порядковый 
номер, название и цель работы, приборы и оборудование, основные сведения, 
схемы изучаемых конструкций машин и лабораторных установок, расчётные 
формулы (при необходимости), таблицы для записи результатов измерений и 
вычислений, выводы с оценкой полученных результатов.

Общие требования при выполнении работ

5

4. Таблицы и иллюстрации (рисунки, схемы, графики) нумеруются 
последовательно 
в 
пределах 
каждой 
отдельной 
работы. 
Например, 
«Таблица 1.3» (третья таблица первой работы) или «Рисунок 2.1» (первый 
рисунок второй работы). После номера следует название таблицы и рисунка. 
Номер и название таблицы помещают непосредственно над таблицей, а номер и 
название рисунка -  под иллюстрацией. Поясняющий текст, в котором 
расшифровываются принятые условные обозначения на рисунке, помещают 
непосредственно под иллюстрацией перед номером и названием рисунка.

5. Вычисления должны представляться в развёрнутой форме с указанием 
единиц измерения величин на всех этапах расчёта.

6. Результаты измерений физических величин необходимо представлять 
с точностью, соответствующей точности применяемого средства измерения. 
Результаты расчётов желательно представлять с точностью до трёх значащих 
цифр, например, 0,0011526 = 0,00115; 3,24692 = 3,25; 54,362 = 54,4; 129,328 = 
129.

6

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1 
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ

Цель работы: усвоить общие теоретические сведения об основных 
физических свойствах жидкостей и приобрести практические навыки по их 
измерению.

Приборы и оборудование: приборы для измерения физических свойств 
жидкостей, устройство № 1 портативной лаборатории «Капелька».

Общие сведения

Жидкостью называют малосжимаемое тело, изменяющее свою форму 
под действием весьма малых сил. Основные свойства жидкости -  плотность, 
сжимаемость, температурное расширение, вязкость, поверхностное натяжение. 
Плотность р, кг/м3, -  отношение массы т, кг, к объёму W, м3, жидкости:

( 1.1)

Сжимаемость -  свойство жидкости уменьшать объём под действием 
давления -  оценивается коэффициентом объёмного сжатия Д,,, П а1, 
показывающим 
относительное уменьшение 
объёма жидкости 
AW при 
повышении давления Ар на единицу:

AW 
Ар '
( 1.2)

Температурное расширение -  свойство жидкости изменять объём при 
нагревании -  характеризуется коэффициентом температурного расширения
/?,, °С'1, равным относительному приращению объёма AW при изменении 
температуры At на 1°С при постоянном давлении:

Как правило, при нагревании объём жидкости увеличивается.
Вязкость 
-  
свойство 
жидкости 
сопротивляться 
относительному 
скольжению её слоёв -  оценивают динамическим коэффициентом вязкости 
р, Па-с, равным касательному напряжению между соседними слоями, если их 
относительная скорость перемещения численно совпадает с толщиной слоя.

В расчётах часто используется кинематический коэффициент вязкости 
v, м2/с, -  отношение динамической вязкости р к плотности р жидкости:

v = - .  
(1.4)

Р

Коэффициенты вязкости определяются видом жидкости, не зависят от 
скорости течения и существенно уменьшаются с возрастанием температуры.

Поверхностное 
натяжение 
-  
свойство 
жидкости 
образовывать 
поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул -  характеризуется 
коэффициентом поверхностного натяжения ег, Н/м, равным силе на единице 
длины контура свободной поверхности.

7

Значения р, Д,, /3,, v и <т указаны в таблице 1.1

Таблица 1.1 -  Значения р, Д„, Д, v и сгпри температуре 20°С

Жидкость
А

кг/м3

АД 0‘3, 
МПа'

Д-ю-3,

°с -'

v-10'6,
м2/с

<тТ0'3,
Н/м

Вода пресная
998
0,49
0,15
1,01
73

Спирт этиловый
790
0,78
1,10
1,52
23

Масло:

моторное М-10
900
0,60
0,64
800
25

индустриальное 20
900
0,72
0,73
110
25

трансформаторное
890
0,60
0,70
30
25

АМГ-10
850
0,76
0,83
20
25

Примечание. В таблице 1.1 приведены значения коэффициента вязкости 
жидкостей при температуре 20°С. Поэтому опытные значения, полученные при 
другой температуре, могут существенно отличаться от табличных значений.

Описание устройства № 1 портативной лаборатории «Капелька»

Устройство № 1 портативной лаборатории «Капелька» для изучения 
физических свойств жидкостей содержит общий корпус с отдельными 
прозрачными герметичными полостями, в которые встроены пять приборов с 
исследуемыми жидкостями (рисунок 1.1). На корпусе указаны названия 
приборов с параметрами для обработки опытных данных. Приборы 3-5 
начинают действовать при перевёртывании устройства № 1. Термометр 1 
показывает температуру окружающей среды и, следовательно, температуру 
жидкостей во всех устройствах.

1 
2 
3 
4 
5

1 -  термометр; 2 -  ареометр; 3 -  вискозиметр Стокса; 
4 -  капиллярный вискозиметр; 5 -  сталагмометр 
Рисунок 1.1 -  Схема устройства № 1

8

Порядок выполнения работы

В ходе выполнения работы в конце каждого пункта необходимо 
определить относительную погрешность вычислений по формуле:

<5 = ?-^--100%, 
(1.5)

х

где 
х' -  экспериментальное значение;
х -  теоретическое значение (таблица 1.1).

1. Определение коэффициента теплового расширения жидкости
Термометр 1 имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненные 
термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на 
тепловом расширении жидкостей. Варьирование температуры окружающей 
среды приводит к соответствующему изменению объёма термометрической 
жидкости и её уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение 
температуры.

Коэффициент температурного расширения термометрической жидкости 
определяется на основе мысленного эксперимента в следующем порядке.

Предполагается, что температура окружающей среды повысилась от 
предельного нижнего (нулевого) значения до предельного верхнего значения 
термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину /.

В ходе работы выполнить следующие операции.
Измерить расстояние /, м, между крайними штрихами шкалы термометра 
и подсчитать общее число градусных делений At в шкале.

Вычислить приращение объёма термометрической жидкости:

AW=n-r2-l, 
(1.6)

где 
г -  радиус капилляра термометра, м.
С учётом начального (при 0°С) объёма термометрической жидкости W 
найти значение коэффициента температурного расширения Д , по формуле (1.3) 
и сравнить его со справочным значением Д (см. таблицу 1.1).

Полученные результаты занести в таблицу 1.2. 
Таблица 1.2 -  Результаты измерений и вычислений

Вид

ЖИДКОСТИ

г-10'3 * *,

м

Г-10'6, 
м3 '

/-10'3,

м

At,
°С

AW-10'6,

м3

д',-10'35

оС-1

Д-10-3,

ЧГ1

<5,
%

Спирт
0,10
23,94

2. Измерение плотности жидкости ареометром
Ареометр 2 служит для определения плотности жидкости поплавковым

методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой
и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой 
жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра является 
мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска 
жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована 
сразу по плотности.

В ходе работы выполнить следующие операции.

9

Измерить глубину погружения h, м, ареометра по миллиметровой шкале 
на нём.

Вычислить опытное значение плотности жидкости по формуле:

р = 4-т/(x-S -И), 
(1.7)

где 
т -  масса ареометра, кг;
d -  диаметр ареометра, м.
Эта формула получена путём приравнивания силы тяжести ареометра 
G = mg и выталкивающей (архимедовой) силы Рд = pg-W, 
где объём 
погруженной части ареометра W = {x-cf / 4)-h.

Сравнить опытное значение плотности р со справочным значением р

(см. таблицу 1.1). Полученные результаты занести в таблицу 1.3. 
_____Таблица 1.3 -  Результаты измерений и вычислений______

Вид

жидкости

/и-10'3,

кг

d-10'3, 
м

ЛЮ'3,

М

р ,
кг/м3

А

кг/м3

<5,
%

Вода
6,1
11,0
998

3. Определение вязкости вискозиметром Стокса
Вискозиметр Стокса 3 достаточно прост, содержит цилиндрическую 
ёмкость, заполненную исследуемой жидкостью, и шарик. Прибор позволяет 
определить вязкость жидкости по времени падения в ней шарика в ходе 
выполнения следующих операций.

Повернуть устройство № 1 в вертикальной плоскости на 180° и 
зафиксировать секундомером время т, с, прохождения шариком расстояния /, м, 
между двумя метками в приборе 3, Шарик должен падать по оси ёмкости без 
соприкосновения со стенками. Опыт выполнить три раза, а затем определить 
среднеарифметическое значение времени т.

Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости 
жидкости у , м2/с, по формуле:

где 
g -  ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; 
d -  диаметр шарика, м;
D -  диаметр цилиндрической ёмкости, м; 
рш -  плотность материала шарика, кг/м3. 
р  -  плотность жидкости, кг/м3.
Сравнить опытное значение коэффициента вязкости v с табличным

значением у (см. таблицу 1.1). Полученные результаты занести в таблицу 1.4. 
_____Таблица 1.4 -  Результаты измерений и вычислений____________ ^____

Вид

жидкости

Рш,
кг/м3

А

кг/м3

d-W \

М

D-10'3,

м

/10°,

М

Г,
с

у -10'6, 
м2/с

у-Ю-6, 
м2/с

<5,
%

М-10
1089
900
8
20
800

10

4. Измерение вязкости капиллярным вискозиметром
Капиллярный вискозиметр 4 включает ёмкость с капилляром. Вязкость 
определяется по времени истечения жидкости из ёмкости через капилляр.

В ходе работы выполнить следующие операции.
Перевернуть устройство № 1 в вертикальной плоскости и определить 
секундомером время г, с, истечения через капилляр объёма жидкости между 
метками (высотой S) из ёмкости вискозиметра 4 и температуру /, °С, по 
термометру 1.

Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости 

V,  м2/с, по формуле:

v = M - r ,  
(1.9)

где 
М - постоянная вискозиметра, м2/с2.
Сравнить опытное значение коэффициента вязкости v с табличным

значением v (см. таблицу 1.1). Полученные результаты занести в таблицу 1.5 
Таблица 1.5 -  Результаты измерений и вычислений__________________

Вид

ЖИДКОСТИ

М-10'6,
м2/с2

Г,
с

t,
°с

v-10'6,
м2/с

w-10'6,
м2/с

<5,
%

М-10
23,94
800

5. Измерение поверхностного натяжения сталагмометром
Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяжения 
жидкости методом отрыва капель и содержит ёмкость с капилляром, 
расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила 
поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна её весу (силе тяжести) 
и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному 
при опорожнении ёмкости с заданным объёмом.

В ходе работы выполнить следующие операции.
Перевернуть устройство № 1 и подсчитать число капель, полученных в 
сталагмометре 5 из объёма высотой S между двумя метками. Опыт повторить 
три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа капель п.

Вычислить опытное значение коэффициента поверхностного натяжения 
а , Н/м, по формуле:

сг’ = К-p/ п, 
(1.10)

где 
К -  постоянная сталагмометра, м3/с2.
Сравнить опытное значение коэффициента поверхностного натяжения а

с табличным значением сг (см. таблицу 1.1).

Полученные результаты занести в таблицу 1.6. 
_____Таблица 1.6 -  Результаты измерений и вычислений

Вид

ЖИДКОСТИ

ЛМО'3,
м3/с2

Л

кг/м3

п,
шт.

о-’-Ю'3,

Н/м

ст-10'3,
Н/м

<5,
%

М-10
6,67
900
25

11

Отчёт о выполненной работе оформить с учётом общих требований, 
проанализировать полученные в процессе проведения опытов и обработки 
экспериментальных 
данных 
результаты, 
сделать 
выводы 
о 
точности 
применяемых 
приборов 
и 
относительной 
погрешности 
измерений 
и 
вычислений, ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

L Перечислите основные свойства жидкости и укажите единицы их 
измерения.

2. Что называют плотностью жидкости?
3. Какие приборы служат для измерения плотности жидкости?
4. Для чего служит ареометр?
5. Изменяется ли плотность жидкости при изменении её температуры?
6. Как определяется коэффициент объёмного сжатия жидкости?
7. Как определяется коэффициент температурного расширения жидкости?
8. Что называют вязкостью жидкости?
9. Как взаимосвязаны динамическая и кинематическая вязкость жидкости?
10. Какие приборы служат для измерения вязкости жидкости?
11. Как определить вязкость вискозиметром Стокса?
12. Как измерить вязкость капиллярным вискозиметром?
13. Какие 
приборы 
служат для 
измерения 
поверхностного 
натяжения 
жидкости?

14. Как измерить поверхностное натяжение сталагмометром?

Оформление отчёта

12