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