Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí Trình độ Cao đẳng)

❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 1: Sau khi học xong chương này, người học có khả năng: ➢ Về kiến thức: - Trình bày khái niệm về động và tĩnh lực học chất lỏng - Trình bày được các chế độ chuyể

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ



GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG

NGHỆ HÓA HỌC

NGHỀ: VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020

của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020

(Lưu hành nội bộ)

L ỜI GIỚI THIỆU

Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa học được xây dựng trên cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật Đặc điểm của lĩnh vực này là nghiên cứu những quy luật hoạt động của các quá trình để nghiên cứu ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sản xuất Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho người học có khả năng vận hành các loại thiết bị thông dụng trong công nghệ hóa học

Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học là môn học cơ sở rất quan trọng cho học sinh ngành Vận hành thiết bị chế biến dầu khí Mục đích trang bị cho học sinh những kiến thức về các quá trình thủy lực, truyền nhiệt và quá trình truyền chất Trong từng phần sẽ trình bày cơ sở lý thuyết và mô tả nguyên lý cấu tạo của thiết bị điển hình

Mặc dù cuốn sách được biên soạn trên cơ sở tham khảo của những tài liệu trong

và ngoài nước, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý độc giả

Trân trọng cảm ơn./

Bà rịa - Vũng Tàu, tháng 3 năm 2020

Tham gia biên soạn

M ỤC LỤC

TRANG

M ỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

GIÁO TRÌNH MÔN H ỌC 8

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC 14

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG VÀ TĨNH LỰC HỌC CHẤT LỎNG 15

1.1.1 Tính chất vật lý của chất lỏng 15

1.1.2 Khái niệm về động và tĩnh lực học chất lỏng 17

1.2 CHẾ ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG 26

1.2.1 Phân loại các chế độ chuyển động của dòng chất lỏng 26

1.2.2 Dòng ổn định và dòng không ổn định 28

1.2.3 Phương trình Bernouli 29

1.3 TRỞ LỰC TRONG ÔNG DẪN CHẤT LỎNG 30

1.3.1 Trở lực do ma sát lên thành ống 30

1.3.2 Trở lực cục bộ 31

1.3.3 Chọn đường kính ống dẫn 31

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT 33

2.1 CÁC HÌNH THỨC TRUYỂN NHIỆT 34

2.1.1 Dẫn nhiệt 34

2.1.2 Đối lưu nhiệt 36

2.1.3 Bức xạ nhiệt 37

2.2 TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP 38

2.2.1 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống 38

2.2.2 Chọn chiều chuyển động của lưu thể 43

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 32

3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 33

3.1.1 Khái niệm chung 33

3.1.2 Sơ lược về các quá trình chuyển khối 38

3.2 QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 38

3.2.1 Khái niệm chung 38

3.2.2 Cân bằng pha lỏng – hơi 39

a Dung dịch lý tưởng 39

b Dung dịch thực 41

3.2.3 Nguyên tắc của quá trình chưng luyện 41

3.2.4 Quá trình chưng luyện liên tục, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và tỷ số hồi lưu đến

quá trình 43

a Chưng luyện liên tục 43

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng luyện 43

3.3 QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 44

3.3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ 44

a Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ 44

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ 45

c Phân loại chất hấp thụ (dung môi) 46

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp thụ 46

a Thiết bị hấp thụ loại bề mặt 46

b Thiết bị hấp thụ loại màng 47

3.3.3 Tháp hấp thụ 49

a Tháp đệm 49

b Tháp đĩa 50

3.4 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 53

3.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ 53

a Khái niệm và động học của quá trình hấp phụ 53

b Phân loại các hình thức hấp phụ 53

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 54

3.4.2 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị hấp phụ 54

a Thiết bị hấp phụ loại đứng 54

b Thiết bị hấp phụ loại nằm dùng để hấp phụ khí 56

3.4.3 Các chất hấp phụ 57

a Cấu trúc xốp của chất hấp phụ 57

b Ứng dụng của các chất hấp phụ 58

3.5 QUÁ TRÌNH KẾT TINH 61

3.5.3 Khái niệm chung 61

3.5.2 Các phương pháp kết tinh 62

3.6 QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ 65

3.6.3 Khái niệm chung 65

3.6.2 Vật liệu sấy 67

3.6.3 Thiết bị sấy 68

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các lực tác dụng lên chất lỏng ở trạng thái tĩnh 18

Hình 1 2 Nguyên lý làm việc của áp kế 19

Hình 1 3 Đo áp suất bằng áp kế chất lỏng (ống Pezomet) 20

Hình 1 4 Đo áp suất bằng áp kế chữ U 21

Hình 1 5 Đo áp suất bằng áp kế kiểu chén 21

Hình 1 6 Đo áp suất bằng áp kế vi sai 21

Hình 1 7 Sơ đồ làm việc của máy ép thủy lực 22

Hình 1 8 Áp suất ở hai bình thông nhau dạng kín (a) và hở (b) 24

Hình 1 9 Biểu đồ thể hiện chuyển động của các lớp chất lỏng trượt lên nhau 25

Hình 1 10 Thí nghiệm Reynolds nghiên cứu chế độ chảy của dòng chất lỏng 27

Hình 1 11 Profil chảy dòng (chảy tầng) của dòng chất lỏng 27

Hình 1 12 Profil chảy rối (chảy xoáy) của dòng chất lỏng 28

Hình 1 13 Minh họa dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định 29

Hình 2 1 Thành phần của dòng nhiệt bức xạ Q khi đập vào bề mặt của vật thể 38

Hình 2 2 Quá trình truyền nhiệt qua tường phẳng một lớp 39

Hình 2 3 Quá trình truyền nhiệt qua tường ống một lớp 41

Hình 2 4 Hai lưu thể chảy xuôi chiều 43

Hình 2 5 Đặc trưng thay đổi nhiệt độ của lưu thể khi chảy xuôi chiều 43

Hình 2 6 Hai lưu thể chảy ngược chiều 44

Hình 2 7 Đặc trưng thay đồi nhiệt độ của lưu thể khi chảy ngược chiều 44

Hình 2 8 Hai lưu thể chảy chéo dòng 45

Hình 2 9 Hai lưu thể chảy theo dòng chảy hỗn hợp 45

Hình 2 10 Thay đổi nhiệt độ của lưu thể khi truyền nhiệt ổn định 46

Hình 3 1 Sơ đồ di chuyển của cấu tử M từ pha y vào pha x 34

Hình 3 2 Sơ đồ tiếp xúc giữa hai lưu thể 37

Hình 3 3 Sơ đồ quá trình chưng hỗn hợp cấu tử A và B 39

Hình 3 4 Sơ đồ quá trình chưng cất nhiều lần 41

Hình 3 5 Sơ đồ quá trình chưng cất nhiều lần có hồi lưu 42

Hình 3 6 Hệ thống tháp chưng cất 43

Hình 3 7 Quan hệ X – Y 45

Hình 3 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ 46

Hình 3 9 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu ống 47

Hình 3 10 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu vò 47

Hình 3 11 Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống 48

Hình 3 12 Thiết bị hấp thụ loại tấm 49

Hình 3 13 Sơ đồ tháp đĩa chóp 51

Hình 3 14 Chế độ thủy động của tháp đĩa chóp không có ống chảy chuyền 51

Hình 3 15 Kết cấu xu páp trên đĩa 52

Hình 3 16 Tháp đĩa sóng hình chữ S 52

Hình 3 17 Thiết bị hấp phụ khí loại đứng BTP 55

Hình 3 18 Thiết bị hấp phụ khí loại đứng với lớp hấp phụ hình xuyến 55

Hình 3 19 Tháp hấp phụ dầu 56

Hình 3 20 Thiết bị hấp phụ nằm ngang 57

Hình 3 21 Chất hấp phụ than hoạt tính 59

Hình 3 22 Các hạt silicagel 60

Hình 3 23 Cấu trúc phân tử của Zeolit 61

Hình 3 24 Thiết bị cô đặc kết tinh 63

Hình 3 25 Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng dung dịch 64

Hình 3 26 Thiết bị kết tinh chân không 65

Hình 3 27 Thiết bị sấy bằng tia hồng ngoại (bức xạ kiểu đèn) 66

Hình 3 28 Phòng sấy bằng không khí nóng tuần hoàn có đốt nóng giữa chừng 69 Hình 3 29 Hầm sấy (tuy nen) với lớp vật liệu sấy di động 70

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Độ dẫn nhiệt của các kim loại thường dùng 35

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC

1 Tên môn học: CƠ SỞ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ

HÓA HỌC

2 Mã môn học: CNH19MH13

3 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

3.1 Vị trí: Là môn học thuộc các môn học chuyên môn của chương trình đào tạo

Môn học này được dạy trước môn sản phẩm dầu mỏ và sau các môn học, mô đun như: Nhiệt kỹ thuật, điều khiển quá trình, hóa lý

3.2 Tính chất: Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học là môn học kỹ

thuật cơ sở của chương trình đào tạo cao đẳng liên quan đến công nghệ và thiết bị dầu khí

3.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học này trang bị những kiến thức cơ bản

về một số quá trình trong công nghiệp hoá học, nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của một số thiết bị cơ bản

4 Mục tiêu của môn học:

4.1 Về kiến thức:

A1 Trình bày được kiến thức cơ bản về thủy lực học

A2 Trình bày được kiến thức cơ bản về quá trình truyền nhiệt

A3 Trình bày được kiến thức cơ bản về quá trình chưng cất, kết tinh, sấy khô

A4 Trình bày được kiến thức cơ bản về quá trình hấp thụ, hấp phụ

A5 Trình bày được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị cơ bản

4.2 Về kỹ năng:

B1 Phân biệt được các thiết bị trong sơ đồ công nghệ

B2 Tính toán được hiệu số nhiệt độ trung bình

4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

C1 Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ và khả năng làm việc theo nhóm

C2 Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trong quá trình làm việc

5 Nội dung của môn học:

Cơ sở quá trình và thiết

bị trong công nghệ hóa

Mã MH/MĐ/HP Tên môn h mô đun ọc, tín S ố

CNH19MĐ22 Vchưng cất dầu thô ận hành phân xưởng 6 145 42 94 3 6

CNH19MĐ23 Vchận hành phân xưởng ế biến dầu I 6 145 42 94 3 6

CNH19MĐ24 Vchận hành phân xưởng ế biến dầu II 4 100 28 66 2 4

CNH19MĐ25 Vxưởng chế biến khí ận hành các phân 6 150 36 108 2 4

Th ực hành

Ki ểm tra

1 Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy

6.2 Trang thi ết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn

6.3 Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, mô hình học tập,…

6.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về ứng dụng các thiết bị trong

công nghệ hóa học tại doanh nghiệp

7 Nội dung và phương pháp đánh giá:

7.1 N ội dung:

- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

7.2 Phương pháp:

Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau:

7.2.1 Cách đánh giá

- Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư

số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh

và Xã hội

- Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Dầu khí như sau:

+ Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40%

+ Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2)

+ Điểm thi kết thúc môn học 60%

1

2

Sau 19 giờ Sau 43 giờ

Kết thúc môn

học Viết trTắc nghiệmự luận và A1, A2, A3, A4, A5, 1 Sau 45 giờ

8 Hướng dẫn thực hiện môn học

8.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng HSSV trường Cao đẳng Dầu khí

8.2 P hương pháp giảng dạy, học tập môn học

8.2.1 Đối với người dạy

* Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình ngắn, nêu

vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận…

* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra

* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra

* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong nhóm

tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày

nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm

8.2.2 Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu )

- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết Nếu người học vắng >30% số

tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau

- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân Một nhóm gồm 8-10 người học sẽ được cung cấp chủ

đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về

1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm

- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ

- Tham dự thi kết thúc môn học

- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học

9 Tài liệu tham khảo:

[1] Trường Cao Đẳng Dầu khí, Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ

hóa h ọc, Lưu hành nội bộ, 2017

[2] Đại học Bách Khoa Hà Nội, Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học

(tập 1,2,3,4), 2015

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC

❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1

Chương 1 là chương giới thiệu bức tranh tổng quan về một số nội dung cơ bản như động và tĩnh lực học chất lỏng để người học có được kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo

❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 1:

Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức:

- Trình bày khái niệm về động và tĩnh lực học chất lỏng

- Trình bày được các chế độ chuyển động của chất lỏng

- Trình bày được các nguyên nhân gây tổn thất năng lượng của chất lỏng

- Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ

và khả năng làm việc theo nhóm

- Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trong quá trình làm việc

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng,

v ấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận

và bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm)

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1

- Phòng h ọc chuyên môn hóa/nhà xưởng: Không

- Trang thi ết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

- H ọc liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu

tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1

- Nội dung:

✓ Ki ến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến

th ức

✓ K ỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)

✓ Ki ểm tra định kỳ lý thuyết: không có

❖ N ỘI DUNG CHƯƠNG 1

1.1.1 Tính chất vật lý của chất lỏng

a Khối lượng riêng của chất lỏng

− Khối lượng riêng của chất lỏng là khối lượng của chất lỏng chứa trong một đơn vị thể tích

Khối lượng riêng của chất lỏng được tính theo công thức sau:

Trong đó:

m - khối lượng chất lỏng, kg

V - thể tích của chất lỏng, m3 Đối với 1 dung dịch hoặc hỗn hợp có nhiều chất lỏng, khối lượng riêng được tính như sau:

dd = 0.01 (1a1 + 2a2+ … + nan ) (1.2) Trong đó:

1, 2… - khối lượng riêng của từng cấu tử trong dung dịch, [kg/m3]

a1, a2 … - nồng độ phần trăm theo khối lượng của từng cấu tử

Khối lượng riêng của chất lỏng có thể thay đổi khi thay đổi nhiệt độ và áp suất

− Khối lượng riêng của chất khí tính theo phương trình trạng thái khí lý tưởng:

M - khối lượng phân tử khí, g

b Trọng lượng riêng của chất lỏng

Trọng lượng riêng của chất lỏng là trọng lượng của chất lỏng trong một đơn vị thể tích

Trọng lượng riêng của chất lỏng được tính theo công thức sau:

γ = GV= ρ g [N/m3] (1.5) Trong đó:

G - trọng lượng của chất lỏng, kf (kilogam lực)

từ 0- 200C thì hệ số thể tích βw ≈ 0 (βw = 0,00005 cm2/kG) Như vậy, chất lỏng coi như không nén được và không dãn ra dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ

e Áp suất

Áp suất là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được tính như sau:

P = FS (at, atm; N/m2; mmHg; mH2O; kf/cm2) (1.6)

− Cách đổi đơn vị áp suất:

Atmosphe vật lý: 1atm = 760 mmHg = 10,33 mH2O = 1,033 kf/cm2 = 1,033.105 Pa Atmosphe kỹ thuật: 1at = 735,5 mmHg = 10 mH2O = 1 kf/cm2 = 8,91.104 N/m2

P = Pa + Pdư = γ h + ρ g h (1.8)

+ Áp suất chân không (Độ chân không): Có giá trị là hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối

Ví dụ: Một phòng khách có kích thước: sàn 3.5m và 4.2 m, chiều cao 2.4 m Tính:

a Trọng lượng không khí trong phòng

b Lực do khí quyển tác dụng lên sàn

Đáp án: a Trọng lượng không khí trong phòng

Gọi V là thể tích của phòng và  là khối lượng riêng của không khí ở 20 o C

áp suất 1atm ta có trọng lượng của khối không khí trong phòng được tính:

tâm, quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp… đều có liên quan đến chuyển động dòng

và tuân theo các định luật thuỷ lực học Vì vậy các quá trình này đều được gọi là quá trình thuỷ lực

Thuỷ lực học có đối tượng là lưu chất (bao gồm cả lỏng và khí) và nghiên cứu các quy luật tác dụng lên lưu chất Trong môn học này chỉ nói về đối tượng là chất lỏng Thủy lực được nghiên cứu theo 2 phần là tĩnh lực học và động lực học

− Tĩnh lực học: Nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng và tác dụng của nó lên các vật thể rắn ở trạng thái yên tĩnh khi tiếp xúc với nó

− Động lực học: Nghiên cứu các định luật chuyển động của chất lỏng và tác dụng của nó lên các vật thể rắn chuyển động hay đứng yên khi tiếp xúc với nó Khi nghiên cứu tĩnh lực học của chất lỏng ta coi chất lỏng ở trạng thái yên tĩnh tương đối Nghĩa là khối chất lỏng trong 1 không gian có giới hạn cùng chuyển động với bình chứa nó, còn các phân tử chất lỏng trong khối thì không có chuyển động tương đối với nhau Ở trạng thái tĩnh trong chất lỏng không có nội lực ma sát, khi đó chất lỏng được coi như chất lỏng lý tưởng

A

B

P dP

M dF F

Hình 1 1 Các lực tác dụng lên chất lỏng ở trạng thái tĩnh

Xét 1 thể tích chất lỏng giới hạn bởi diện tích F, nếu ta cắt khối chất lỏng bằng mặt phẳng AB, chất lỏng phần I tác dụng lên phần II qua diện tích mặt cắt F, Nếu ta bỏ

I, mà vẫn giữ II ở trạng thái cân bằng, thì cần phải thay I bằng 1 lực P gọi là áp suất thủy tĩnh tác dụng lên mặt F

Đơn vị tính áp suất [N/m2] = [Pa]

Đặc điểm của áp suất thuỷ tĩnh

− Tác dụng theo phương pháp tuyến và hướng vào trong chất lỏng.Vì nếu theo phương bất kỳ và có lực kéo về phía ngoài thì sẽ làm chất lỏng chuyển động, trái với điều kiện cân bằng tĩnh của chất lỏng

− Tại 1 điểm bất kỳ trong chất lỏng có giá trị bằng nhau theo mọi phương

− Áp suất thuỷ tĩnh còn phụ thuộc vào những tính chất vật lý của chất lỏng, như khối lượng riêng và gia tốc trọng trường

Các phương pháp đo áp suất

❖ Nguyên lý làm việc của áp kế

Hình 1 2 Nguyên lý làm việc của áp kế

(a: Ở điều kiện hoạt động thông thường; b: Đo áp suất; c: Đo áp suất chân không) Hình a: dạng đơn giản nhất của áp kế là 1 ống chữ U với chất lỏng đổ khoảng nửa 1 ống Hai đầu ống hở, chiều cao của chất lỏng ở mổi bên bằng nhau

Hình b: Khi áp suất dương được cấp vào 1 bên ống, chất lỏng sẽ giảm xuống ở bên đó và tăng lên ở ống bên kia Sự chênh lệch độ cao h là tổng thông số trên và dưới

0, cho thấy mức áp suất

Hình c: Chân không được cấp vào 1 bên ống, chất lỏng tăng lên ở bên đó và

giảm xuống ở ống bên kia Sự chênh lệch độ cao h là tổng thông số trên và dưới 0, cho thấy độ chân không

❖ Đo áp suất dư bằng áp kế chất lỏng hay ống Pezomet

− Chiều cao pezomet là chiều cao của cột chất lỏng có khả năng tạo ra 1 áp suất bằng áp suất tại điểm ta đang xét

Hình 1 3 Đo áp suất bằng áp kế chất lỏng (ống Pezomet)

− Xét điểm C trong bình kín chứa nước có áp suất trên bề mặt Po > Pa Ống kín đầu có mức h’ tương ứng với áp suất tuyệt đối trong bình là Po’=0

− Để đo áp suất trên đường ống hút và ống đẩy của bơm, người ta dùng chân không kế và áp kế Thiết bị gồm 1 ống thủy tinh đường kính không nhỏ hơn 10

mm Đầu dưới nối với nơi cần đo áp suất, đầu trên hở thông với khí quyển (để

đo áp suất dư) hoặc kín được hút hết không khí trong ống ra (để đo áp suất tuyệt đối)

− Khi nối ống đo áp vào nơi cần đo, chất lỏng sẽ dâng lên trong ống 1 độ cao nhất định, ta sẽ xác định được áp suất tại điểm đó:

❖ Đo áp suất bằng áp kế kiểu chén

Hình 1 5 Đo áp suất bằng áp kế kiểu chén

Phương pháp đo và cấu tạo giống như áp kế chữ U nhưng có thêm cái chén ở nhánh bên trái Mức Hg trong chén được chọn là mức O, do đó thiết diện của chén phải chọn sao cho khi Hg dâng lên hay tụt xuống bên ống phải không làm thay đổi mức Hg trong chén, nên khi đo ta chỉ cần đọc số chỉ mức ở nhánh phải

Áp suất tại điểm A là:

Phương pháp này được ứng dụng để đo hiệu số áp suất giữa 2 vị trí khác nhau Cấu tạo của áp kế gồm 2 ống vi sai nối với nhau, trong đó có Hg

Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng

Phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng được dùng để xác định áp suất thủy tĩnh trong khối chất lỏng tại những điểm khác nhau và chỉ rõ trong khối chất lỏng thì mọi điểm cùng nằm trên một mặt phẳng ngang đều có cùng 1 áp suất thủy tĩnh

g

P z

2

/ /

/

m N g

Nội dung: “Trong 1 bình kín chứa chất lỏng ở trạng thái tĩnh, áp suất do ngoại

lực tác dụng lên mặt thoáng được truyền nguyên vẹn tới mọi điểm của chất lỏng”

Giải thích định luật: nếu ta tăng áp suất Po tại zo lên 1 giá trị nào đó, thì áp suất

P ở mọi vị trí trong chất lỏng cũng tăng lên 1 giá trị như vậy

Hình 1 7 Sơ đồ làm việc của máy ép thủy lực

Cấu tạo:

− Hai xy lanh A và B thông nhau và chứa chất lỏng trong đó;

− Pittong nhỏ T1 có tiết diện F1; Pit tong lớn T2 có tiết diện F2

− Cánh tay đòn xoay quanh trục O

Công thức tính:

Pd = 𝛾 𝑉 = 𝜌𝐿 𝑔 𝑉 (1.17) Trong đó:

Pd – Lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật; [N]

V – Thể tích của vật, m3

𝜌 – Khối lượng riêng của vật, [kg/m3]

𝛾 – Trọng lượng riêng của chất lỏng, [N/m3]

❖ Sự cân bằng của chất lỏng trong bình thông nhau

(a) (b)

Hình 1 8 Áp suất ở hai bình thông nhau dạng kín (a) và hở (b)

✓ Đối với bình hình (a):

Chất lỏng đồng nhất có khối lượng riêng 𝜌 đựng trong 2 bình ở đáy có ống thông nhau; Tác dụng lên bề mặt chất lỏng ở 2 bình áp suất lần lượt là P01 và P02; Xét tại một điểm trên mặt so sánh O-O ta có:

Bình A: P 1 = P 01 + ρ.g.h 1

Bình B: P 2 = P 02 + ρ.g.h 2

− Đối với bình kín: Chất lỏng ở trạng thái cân bằng nên: P1 = P2 tức P01/P02 =

h1 - h2 Vậy 1 chất lỏng thông nhau ở 2 bình kín có mức chênh lệch mặt thoáng của chất lỏng trong các bình tỷ lệ thuận với mức chênh lệch áp suất trong các bình đó

− Đối với bình hở hoặc áp suất bình trên bề mặt bằng nhau: tức P01 = P02; P1

= P2 nên h1= h2 Vậy 1 chất lỏng thông nhau trong 2 bình áp suất bằng nhau thì mức chất lỏng trong các bình nằm trên cùng 1 mặt phẳng

✓ Đối với hình (b):

Chất lỏng không đồng nhất (không tan lẫn vào nhau) có khối lượng riêng 𝜌1;

𝜌2; đựng trong 2 bình ở đáy có ống thông nhau; Tác dụng lên bề mặt chất lỏng ở 2 bình áp suất lần lượt là P01 = P02 = Pa; Xét tại một điểm trên mặt so sánh O-O ta có:

Bình A: P 1 = P a + ρ.g.h 1

Bình B: P 2 = P a + ρ.g.h 2

Khi cân bằng P1 = P2 nên P a + ρ 1 g.h 1 = P a + ρ 2 g.h 2; Suy ra

1 2

Vậy 2 chất lỏng không tan lẫn có khối lượng riêng khác nhau thông nhau trong

2 bình để hở, thì chiều cao mức chất lỏng tính từ mặt chuẩn của 2 bình tỷ lệ nghịch với

khối lượng riêng của nó

b Động lực học chất lỏng

Lưu lượng:

Lưu lượng của chất lỏng là lượng chất lỏng chảy qua thiết diện ngang của ống dẫn trong 1 đơn vị thời gian

Đơn vị tính: [kg/s], [kg/h]; [m3/s], [m3/h], [l/s] (lưu lượng thể tích)

Lưu lượng của chất lỏng chỉ được tính khi dòng chất lỏng đã choán đầy ống dẫn Ở tâm ống có tốc độ lớn nhất, càng gần thành ống tốc độ càng giảm, ở sát thành

ống tốc độ bằng 0 do chịu ảnh hưởng của ma sát Trong trường hợp dòng chảy không

ổn định, vận tốc còn phụ thuộc vào thời gian Do đó người ta tính vận tốc trung bình

Với m = V.ρ – lưu lượng khối lượng của chất lỏng, kg/s

Vận tốc chất lỏng có ảnh hưởng đến trở lực của đường ống Vận tốc càng lớn, trở lực càng tăng, do đó tốn năng lượng của thiết bị vận chuyển chất lỏng hay khí Ngược lại nếu vận tốc bé thì trở lực bé, nhưng để đảm bảo lưu lượng thì cần đường kính ống lớn, như vậy sẽ làm tăng giá thành xây dựng

Độ nhớt:

Khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng,

vì có ma sát trong Lực ma sát này gây ra sức cản của chất lỏng đối với chuyển động tương đối của phần tử chất lỏng Tính chất này của chất lỏng gọi là độ nhớt

Hình 1 9 Biểu đồ thể hiện chuyển động của các lớp chất lỏng trượt lên nhau

Từ biểu đồ cho thấy lớp A chuyển động với vận tốc ω, lớp B chuyển động với vận tốc ω+dω Hai lớp chuyển động song song, vận tốc tương đối của lớp sau so với lớp trước là dω, khoảng cách giữa 2 lớp là dn Công thức tính độ nhớt động lực như sau:

bề mặt của nó và để tạo ra bề mặt mới cần tốn 1 công gọi là sức căng bề mặt.

Ký hiệu của sức căng bề mặt là: 𝜎 có đơn vị là: N/m

1.2 CHẾ ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG

1.2.1 Phân loại các chế độ chuyển động của dòng chất lỏng

Chất lỏng có hai dạng chuyển động tùy theo tốc độ chảy: chuyển động xoáy và chuyển động dòng (chuyển động thành lớp) Để nghiên cứu chế độ chuyển động của dòng lưu chất, Reynolds đã tiến hành thí nghiệm chứng minh tồn tại hai dạng chảy:

Hình 1 10 Thí nghiệm Reynolds nghiên cứu chế độ chảy của dòng chất lỏng

Mô tả hiện tượng thí nghiệm: Bằng cách điều chỉnh van 1, vận tốc lưu chất

trong ống thuỷ tinh sẽ thay đổi và Reynolds nhận thấy, khi vận tốc nhỏ, dòng mực chuyển động trong ống thuỷ tinh như một sợi chỉ xuyên suốt trong ống Tiếp tục tăng vận tốc tới một lúc nào đó dòng mực bắt đầu gợn sóng Nếu tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì dòng mực hoà trộn hoàn toàn trong nước, tức là không còn thấy dòng mực nữa Hiện tượng này Reynolds giải thích như sau, khi vận tốc lưu chất còn nhỏ, chất lỏng chuyển động theo từng lớp song song nhau nên dòng mực cũng chuyển động theo đường thẳng Trường hợp này Reynolds gọi là chế độ chảy tầng (chảy dòng) Khi vận tốc tăng đến một giới hạn nào đó, các lớp chất lỏng bắt đầu có hiện tượng gợn sóng do

đó dòng mực cũng có sự giao động tương ứng và chế độ này gọi là chế độ chảy quá

độ Tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi phương

do đó dòng mực bị hoà trộn hoàn toàn trong lưu chất, trường hợp này gọi là chế độ chảy rối (chảy xoáy)

a Chế độ chảy dòng (Chảy tầng)

Giữa tâm dòng vận tốc cực đại, càng gần thành ống, vận tốc càng giảm và có giá trị 0 ở sát thành ống Vì vậy profil vận tốc là 1 parabol Khi tính toán ta dùng vận tốc trung bình

Hình vẽ dưới đây chỉ ra Profil chảy dòng:

Hình 1 11 Profil chảy dòng (chảy tầng) của dòng chất lỏng

b Chế độ chảy rối (Chảy xoáy)

Khi tốc độ tăng lên, dòng chảy bị rối nên xuất hiện dòng xoáy Các phần tử chuyển động với tốc độ thay đổi cả giá trị lẫn hướng tạo thành 1 parabol tù Dọc thành ống có lớp biên, ở lớp biên tốc độ giảm dần và bằng 0 ở sát thành ống

Hình 1 12 Profil chảy rối (chảy xoáy) của dòng chất lỏng

Với việc nghiên cứu dòng mực chuyển động trong ống khi thay đổi vận tốc của nước Reynolds đã tìm ra một chuẩn số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của lưu chất và được gọi là chuẩn số Reynolds tính theo công thức:

 – vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong ống, m/s

d – đường kính tương đương, m Reynolds đã chứng minh được rằng nếu:

Re < 2320: lưu chất chảy tầng

Re = 2320  1000: lưu chất chảy quá độ

Re > 10000: lưu chất chảy rối

h

P

wL

Hình 1 13 Minh họa dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định

Chất lỏng trong bình chứa được tháo ra trong điều kiện mực chất lỏng trong bình không đổi, thì độ sâu, áp suất thủy động, vận tốc chảy… chỉ phụ thuộc vào điểm

ta đang xét mà không phụ thuộc thời gian, ta có dòng chảy ổn định

Trái lại, chất lỏng tháo ra cùng với sự thay đổi mực chất lỏng trong bình thì độ sâu, áp suất thủy động, vận tốc chảy cũng thay đổi theo, ta có dòng không chảy ổn định

1.3 TRỞ LỰC TRONG ÔNG DẪN CHẤT LỎNG

1.3.1 Trở lực do ma sát lên thành ống

Trở lực do ma sát của chất lỏng lên thành ống, gọi tắt là trở lực ma sát, ký hiệu

h1, công thức tính như sau:

ℎ1 = 𝜆 ∙𝑑𝑙 ∙𝜔2g2 (1.24) Trong đó:

𝜆 – hệ số ma sát dọc theo chiều dài ống, là đại lượng không thứ nguyên

Yếu tố ảnh hưởng đến 𝜆 là độ nhám của ống dẫn Độ nhám do vật liệu, cách chế tạo, tác dụng ăn mòn, đóng cáu của chất lỏng tạo sự sần sùi Độ nhám càng tăng thì mức độ xoáy của dòng chảy càng tăng

Bảng 1.1 Độ nhám của các loại vật liệu

Khu vực 2: Chế độ chảy quá độ với 2300 < Re < 4000 ứng với chế độ quá độ

từ chảy dòng sang chảy xoáy

𝜆 = 0,3164𝑅

Khu vực 3: Khu vực chảy xoáy

Nếu thành ống nhẵn có độ nhám nhỏ m > và tuy Re>4000 nhưng vẫn nằm trong giới hạn 4000 < Re < 105 nên  vẫn tính theo công thức ở khu vực 2

Nếu chiều dày lớp màng rất nhỏ m << và Re ≥ 105 thì  không phụ thuộc vào

Re nữa, mà chỉ phụ thuộc vào độ nhám tương đối của thành ống /r

Nếu hệ số ma sát không đổi thì Re=1000.r

Nếu ốngcó độ nhám lớn thì

25 , 0

2.111,

Đường ống đơn giản: Là đường chỉ có một đường ống có lưu lượng không đổi

trển cả chiều dài và có nhiệm vụ dẫn chất lỏng từ bình chứa vào không khí hoặc vào một bình chứa khác

Đường ống phức tạp: Bao gồm một hệ (mạng lưới) ống, có nhiệm vụ cùng một

lúc dẫn nước đến nhiều dideerm Mạng lưới có thể là hở (hoặc cụt) hoặc khép kín

(vòng) và có nhiệm vụ chuyển tải (không phân phối chất lỏng trên đường đi), cũng như cấp nước đến các điểm

Khi lựa chọn đường kính ống dẫn, chúng ta xét đường ống đơn giản và điều kiện cho trước là lưu lượng Q, chiều dài l và cột nước H

Công thức tính có dạng như sau:

❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG 1

Câu h ỏi 1: Trình bày các khái niệm về tĩnh lực học chất lỏng?

Câu hỏi 2: Trình bày các khái niệm về động lực học chất lỏng?

Câu h ỏi 3: Chất lỏng có những chế độ chuyển động nào? Mô tả chi tiết và lấy ví

dụ minh họa?

Câu hỏi 4: Trình bày các trở lực trong ống dẫn chất lỏng?

Câu h ỏi 5: Trình bày thí nghiệm của Reynold trong việc xác định chế độ chuyển

động của chất lỏng?

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT

❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2

Chương 2 là chương giới thiệu các phương pháp nhận dạng quá trình truyền nhiệt để

người học có được kiến thức và kỹ năng thực hành nhận dạng trao đổi nhiệt phức tạp

và tính toán hiệu số nhiệt trung bình

❖ MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG 2:

Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức

- Trình bày được kiến thức về các hình thức truyền nhiệt

- Trình bày được kiến thức về trao đổi nhiệt phức tạp

- Tính toán được hiệu số nhiệt trung bình

➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm chỉ

và khả năng làm việc theo nhóm

- Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trong quá trình làm việc

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 2

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 2 (cá nhân hoặc nhóm)

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 2 theo cá nhân hoặc nhóm và

n ộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI GIẢNG CHƯƠNG 2

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 2 (cá nhân hoặc nhóm)

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 2 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 2

- Phòng h ọc chuyên môn hóa/nhà xưởng: Không

- Trang thi ết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

- H ọc liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu

tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 2

- Nội dung:

✓ Ki ến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến

th ức

✓ K ỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên c ứu bài trước khi đến lớp

+ Chu ẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình h ọc tập

- Phương pháp:

✓ Ki ểm tra định kỳ lý thuyết: 1 điểm kiểm tra (hình thức: tự luận/ trắc nghiệm)

❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 2

Dẫn nhiệt cũng xảy ra trong môi trường khí và lỏng nếu chất khí và lỏng ở trạng thái đứng yên hay chuyển động dòng

a Nhiệt trường

Độ nóng lạnh của một vật thể hay một môi trường được đặc trưng bời nhiệt độ Tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ trong vật thể, trong môi trường tại một thời điểm nào đó gọi là nhiệt trường

Nhiệt trường bao gồm: Nhiệt trường ổn định và nhiệt trường không ổn định

- Nhiệt trường ổn định: Phụ thuộc vào không gian và không phụ thuộc vào thời gian

- Nhiệt trường không ổn định: Phụ thuộc vào cả không gian và thời gian

b Độ dẫn nhiệt và định luật Phurie về cách tính độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt (𝜆): là lượng nhiệt tính bằng Jun dẫn qua 1 m2 bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt trong một đơn vị thời gian lá 1 giây khi chênh lệch nhiệt độ trên

1 đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là 1 oC/m

Độ dẫn nhiệt được tính theo định luật Phurie, có công thức như sau:

Nếu F = 1m2, τ = 1s, dn/dt = 1oC/m, thì ta có Q = λ

Độ dẫn nhiệt λ biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất nên nó là đặc trưng cho tính chất vật lý của vật chất, cụ thể độ dẫn nhiệt của các vật thể rắn, lỏng, khí như sau:

− Đối với các vật thể rắn: Độ dẫn nhiệt của các chất khác nhau thì rất khác

nhau Ví dụ độ dẫn nhiệt của các kim loại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của kim loại và cấu trúc của hợp kim và đều phụ thuộc vào nhiệt độ, độ dẫn nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng Sau đây là một vài trị số trung bình về độ dẫn nhiệt của các kim loại thường dùng:

Bảng 2 1 Độ dẫn nhiệt của các kim loại thường dùng

− Đối với các chất lỏng và khí:

+ Chất lỏng và khí có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn chất rắn rất nhiều Ở nhiệt độ bình thường độ dẫn nhiệt λ của nước là 0.593 W/m.độ, của không khí đứng yên khoảng 0.023 W/m.độ, trong khi đó thì độ dẫn nhiệt λ của thép cácbon là 46.5 W/m.độ

+ Khác với vật thể rắn, hầu hết các chất lỏng đều có độ dẫn nhiệt λ giảm khi nhiệt độ tăng, chỉ trừ nước và glyxerin thì độ dẫn nhiệt λ tăng khi nhiệt độ tăng

+ Độ dẫn nhiệt λ của chất khí chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ

2.1.2 Đối lưu nhiệt

a Khái niệm về đối lưu nhiệt

Đối lưu nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc khí đổi chỗ cho nhau

Hiện tượng đổi chỗ các phần tử khí hoặc lỏng xảy ra là do chúng có nhiệt độ khác nhau nên khối lượng riêng khác nhau Các phần tử có nhiệt độ cao hơn thì khối lượng riêng bé hơn sẽ nổi lên để các phần tử có nhiệt độ thấp hơn thì khối lượng riêng lớn hơn chìm xuống

Quá trình vận chuyển nhiệt lượng do các phần tử chất lỏng hoặc khí có nhiệt độ khác nhau (khối lượng riêng khác nhau) đổi chỗ cho nhau Các phần tử có nhiệt độ cao hơn (khối lượng riêng bé hơn) sẽ nổi lên nhường chỗ cho các phần tử có nhiệt độ thấp hơn (khối lượng riêng lớn hơn) chìm xuống chiếm chỗ Đó chính là quá trình vận chuyển nhiệt lượng do đối lưu tự nhiên

Trên thực tế có quá trình vận chuyển nhiệt do đối lưu cưỡng bức, là quá trình bắt buộc các phần tử của môi trường có nhiệt độ khác nhau đổi chỗ cho nhau bằng cách dùng quạt, máy nén, bơm, khuấy trộn… Tốc độ của quá trình đối lưu cưỡng bức lớn hơn rất nhiều lần so với đối lưu tự nhiên

Như vậy đối lưu nhiệt chỉ xảy ra trong môi trường lỏng hay khí Còn quá trình

trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể rắn với môi trường xung quanh (lỏng, khí, hơi) là quá trình dẫn nhiệt

b Định luật cấp nhiệt Newton và hệ số cấp nhiệt

Định luật cấp nhiệt Newton được phát biểu như sau: Lượng nhiệt dQ do một phần tử bề mặt của vật thể rắn dF cấp cho môi trường xung quanh (hay ngược lại) tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ bề mặt vật thể rắn tiếp xúc với môi trường và nhiệt độ của môi trường (hay ngược lại), với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt dF, với thời gian dτ

Công thức tính của định luật như sau:

𝑑𝑄 = 𝛼 × (𝑡𝜏 − 𝑡) × 𝑑𝐹 × 𝑑𝜏 [Jun] (2.2) Trongđó:

tτ– nhiệt độ của vật thể rắn tiếp xúc với môi trường, oC

t – nhiệt độ của môi trường, oC

α – hệ số cấp nhiệt

Nếu quá trình cấp nhiệt là ổn định, Q được tính bằng công thức sau:

Q = α(tτ– t).F , [w] (2.3) Khi F = 1m2, (tτ– t) = 1oC, thì ta có Q = α

Vậy hệ số cấp nhiệt α là lượng nhiệt do một đơn vị của tường cấp cho môi trường xung quanh (hay ngược lại nhận từ môi trường xung quanh) trong khoảng thời gian 1 giây, khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hay ngược lại) là 1 độ

Đơn vị tính hệ số cấp nhiệt được suy ra từ công thức 2.2, cụ thể:

[𝛼] = (𝑡 𝑄

Hệ số cấp nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau:

− Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi)

− Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt (dòng hay xoáy)

− Tính chất vật lý của chất tải nhiệt (độ nhớt, độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, áp suất…)

− Kính thước, hình dạng, vị trí và trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt…

2.1.3 Bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt là quá trình truyền nhiệt bằng dạng sóng điện từ, nghĩa là nhiệt năng thành tia bức xạ truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng bức xạ

sẽ bị vật thể đó hấp thụ, một phần phản chiếu lại và một phần xuyên qua vật thể

Trao đổi nhiệt bằng bức xạ là một dạng trao đổi cơ bản mà không cần có sự tiếp xúc trực tiếp (như đối lưu, dẫn nhiệt) giữa các vật tham gia trao đổi nhiệt và cóý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật, đặc biệt trong kỹ thuật nhiệt độ cao

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều có khả năng bức xạ năng lượng do quá trình dao động điện từ ở bên trong các nguyên tử, phân tử của vật chất Các dao động điện từ nay được truyền trong không gian theo mọi hướng dưới dạng sóng điện từ Trong kỹ thuật người ta chỉ khảo sát những tia như tia hồng ngoại, tia sáng trắng (còn gọi là tia nhiệt) Các tia này truyền đi trong không gian và đập vào 1 vật khác, chúng

bị hấp thụ một phần hay toàn bộ để biến thành năng lượng nhiệt

Như vậy quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm 2 lần biến đổi dạng năng lượng: biến đổi nội năng thành sóng điện từ ở vật phát và quá trình biến đổi ngược lại ở vật thu Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ, mà còn phụ thuộc vào bản chất, trạng thái bề mặt, hình dạng, kích thước… của vật thu và vật phát

Ta xét 1 dòng nhiệt bức xạ năng lượng Q đập vào bề mặt một vật thể, thấy rằng một phần năng lượng bị hấp thụ QH, một phần bị phản xạ QP, và một phần khúc xạ qua vật thể QK

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Hình 2 1 Thành phần của dòng nhiệt bức xạ Q khi đập vào bề mặt của vật thể

2.2 TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP

2.2.1 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống

Trong các quá trình nhiệt, phần lớn việc vận chuyển nhiệt lượng xảy ra đồng thời theo cả 3 phương thức: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu Quá trình trao đổi nhiệt

như vậy gọi là trao đổi nhiệt phức tạp Một trong những trường hợp trao đổi nhiệt phức tạp thường gặp là trao đổi nhiệt giữa vật thể rắn và môi trường khí, quá trình này gồm

a Truyền nhiệt đẳng nhiệt

Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo cả vị trí và thời gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian

Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp và nhiều lớp:

Giả sử có một tường phẳng một lớp chiều dày δ, bề mặt tường F, độ dẫn nhiệt λ, một phía tường là lưu thể nóng có nhiệt độ t1 và một phía tường là lưu thể nguội có nhiệt độ t2

Hệ số cấp nhiệt từ lưu thể nóng đến tường là α1; từ tường đến lưu thể nguội là α2

Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng sang lưu thể nguội gồm 3 giai đoạn:

− Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến bề mặt tường (cấp nhiệt)

− Nhiệt dẫn qua tường (dẫn nhiệt)

− Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể nguội (cấp nhiệt)

α2 α1

δ

Hình 2 2 Quá trình truyền nhiệt qua tường phẳng một lớp