LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU các THIẾT bị CHÂN KHÔNG

Ngày nay, công nghệ và thiết bị chân không xuất hiện ngày càng phổ biến trong các ngành công nghiệp và trong cuộc sống thường ngày .Vì những lý do đó, tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN: VẬT LÝ

-

 -

TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG

Luận văn Tốt nghiệp Ngành: Sư phạm VẬT LÝ

Lớp: Sư phạm Vật lý

Mã số sinh viên: 1060137

Cần Thơ, 05/2010

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 1 SVTH: TRẦM LỘC

Trầm Lộc

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 2 SVTH: TRẦM LỘC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 3 SVTH: TRẦM LỘC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 4 SVTH: TRẦM LỘC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6

2 MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 6

2.2 Mục đích 6

2.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 6

3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

5 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 7

NỘI DUNG 8

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

1 QUÃNG ĐƯỜNG TỰ DO TRUNG BÌNH 8

2 CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN 9

2.1 Hiện tượng khuếch tán 10

2.2 Hiện tượng dẫn nhiệt 13

2.3 Hiện tượng nội ma sát 15

2.4 Kết luận chung 17

3 ÁP SUẤT THẤP 18

3.1 Chân không 18

3.2 Hiện tượng truyền trong chân không 19

3.3 Kỹ thuật chân không 20

CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG 24

1 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG 24

1.1 Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay 24

1.2 Bộ cô đặc hút chân không 25

1.3 Thiết bị cô đặc chân không hình cầu 26

2 THIẾT BỊ SẤY CHÂN KHÔNG 27

2.1 Bản chất của quá trình sấy 27

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 5 SVTH: TRẦM LỘC

2.2 Sấy thăng hoa 28

2.3 Một số thiết bị sấy chân không khác 31

3 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG 34

3.1 Giới thiệu chung 34

3.2 Chưng cất chân không trong phòng thí nghiệm 36

3.3 Chưng cất chân không trong công nghiệp 36

4 THIẾT BỊ LỌC CHÂN KHÔNG 42

4.1 Tổng quan quá trình lọc 42

4.2 Thiết bị lọc chân không thùng quay 44

4.3 Thiết bị lọc đĩa chân không 46

4.4 Thiết bị lọc băng tải chân không 46

5 CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG KHÁC 48

5.1 Bình thủy (phích nước) 48

5.2 Đèn điện tử chân không 50

5.3 Thiết bị nâng hút chân không 53

5.4 Máy đóng gói thực phẩm chân không 53

KẾT LUẬN 55

1 Ý nghĩa nghiên cứu đề tài 55

2 Tóm tắt nội dung 55

3 Phương diện ứng dụng của đề tài 55

4 Đánh giá 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 6 SVTH: TRẦM LỘC

MỞ ĐẦU

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đối với sinh viên Bộ môn Vật lý – Khoa Sư phạm – Trường Đại học Cần Thơ, công nghệ và thiết bị chân không là một đề tài tương đối mới Mặc dù công nghệ chân không đã được nhắc đến trong quá trình học, và hiện tại là một trong những vấn đề đang thu hút sự quan tâm phát triển của các nhà khoa học (không chỉ trên những nghiên cứu lý thuyết mà còn là những ứng dụng thực tiễn của công nghệ chân không vào trong thực tiễn cuộc sống) Tuy nhiên những hiểu biết của sinh viên về nó còn rất hạn chế bởi vì những nghiên cứu về công nghệ và thiết bị chân không vẫn chưa nhiều và phổ biến bởi một vài lý do khách quan Thêm vào đó công nghệ và thiết bị chân không góp phần không nhỏ vào sự phát triển, tiến

bộ của đời sống và sản xuất Ngày nay, công nghệ và thiết bị chân không xuất hiện ngày càng phổ biến trong các ngành công nghiệp và trong cuộc sống thường ngày Vì những lý do

đó, tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu các thiết bị chân không” với mục tiêu tìm hiểu bản chất của công nghệ chân không cũng như nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số thiết bị chân không tiêu biểu Với đề tài này, tôi hy vọng góp chút công sức nhỏ bé nhằm làm phong phú hơn những hiểu biết về khoa học ứng dụng cho các bạn sinh viên trong khoa nói riêng

và các độc giả của đề tài nói chung

2 MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

2.2 Mục đích

- Nghiên cứu về quãng đường tự do trung bình, các hiện tượng truyền trong chất khí

và trong chân không

- Nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật chân không

- Nêu lên được những ứng dụng của công nghệ chân không vào trong sản xuất và thực tiễn đời sống

- Tìm hiểu được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị chân không điển hình

2.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm kiếm các thông tin, dẫn chứng, hình ảnh để minh họa rõ nét cho đề tài

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 7 SVTH: TRẦM LỘC

3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Sự va chạm của các phân tử khí và hiện tượng truyền

- Công nghệ chân không

- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị chân không điển hình trong công nghiệp chế biến thực phẩm, khai khoáng, lọc dầu…; một số thiết bị chân không thường thấy trong cuộc sống hàng ngày

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập thông tin, tài liệu từ các nguồn: Internet, báo chí, sách, tài liệu khác

- Tổng hợp, phân tích các tài liệu thu thập được

5 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hịên trong thời gian 9 tháng (Từ tháng 8 năm 2009 đến tháng 5 năm 2010)

va được chia ra theo các mốc thời gian như sau:

- Tháng 8/2009: nhận đề tài từ Giáo viên hướng dẫn

- Từ tháng 8/2009 đến tháng 1/2010: tìm kiếm các nguồn tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu luận văn, hoàn thành sơ bộ luận văn (Bản nháp) và nộp cho giáo viên hướng dẫn

- Từ tháng 1/2010 – 4/2010: trao đổi với Giáo viên hướng dẫn về nội dung, điều chỉnh luận văn

- Tháng 5/2010: hoàn thành luận văn, nộp bản chính và báo cáo luận văn trước Hội đồng bảo vệ Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 8 SVTH: TRẦM LỘC

NỘI DUNG

1CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 QUÃNG ĐƯỜNG TỰ DO TRUNG BÌNH

- Trong quá trình chuyển động nhiệt, các phân tử khí va chạm nhau Độ dài quãng đường giữa 2 lần va chạm kế tiếp gọi là quãng đường tự do (λ)

- Theo mẫu khí lý tưởng, sau khi va chạm với phân tử khác thì nó vẫn tiếp tục chuyển động theo phương cũ

- Do tính hỗn loạn của chuyển động, hệ chứa vô số phân tử, nên ta nói đến quãng đường tự do trung bình ( λ ) của phân tử

- Để tính λ , ta xét một phân tử A chuyển động với vận tốc U (vận tốc trung bình số học) A va chạm với các phân tử khác trên đường đi và các phân tử ấy đều coi như là đứng yên

Gọi r là bán kính hiệu dụng của phân tử

Trên đường chuyển động (thẳng), A sẽ va chạm với các phân tử nào đó có tâm nằm cách đường đi 1 đoạn d ≤ 2r

Xét một hình trụ, trụ là phương chuyển động của phân tử (Ox), đáy có bán kính R=2r; đường sinh bằng U, thể tích trụ là V S.U 4 r2.U

N = =4π 2 (n: mật độ phân tử)

Mỗi phân tử chỉ va chạm 1 lần với phân tử A Số va chạm trung bình trong một đơn

vị thời gian sẽ bằng:

n r n U r

U Z

U

4

1

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 9 SVTH: TRẦM LỘC

n

r

2 4

=

n hạt/cm3 và

s cm

U 5.104 /

10

Z và 10−5cm

=λ

So sánh giữa r và λ , ta có r << λ , phù hợp với khí lý tưởng Kích thước phân tử có thể bỏ qua so với quãng đường tự do trung bình

2 Theo phương trình trạng thái: p = nkT nên

p r

kT

22

4 π

λ = Nếu giữ T không đổi, thì

λ tỉ lệ nghịch với áp suất p: áp suất càng tăng thì quãng đường tự do trung bình càng ngắn

3 Công thức λ chỉ là gần đúng Tùy theo điều kiện thực tế có thể thay đổi ít nhiều

Ví dụ: khi đun nóng đẳng tích (n = const), đáng lẽ λ không đổi, song thực tế thì λ tăng:

T C

T n r T

C

T

+

= +

2 4

1

2

πλ

1

2

π

λ∞ =

4 Với không khí ở điều kiện chuẩn, ta có: λ =7.10−6cm

2 CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN

- Các phân tử khí tiến hành chuyển động nhiệt (không ngừng và hỗn loạn) Nếu vì một lý do nào đó, trong bình có sự không đồng đều về: nhiệt độ, khối lượng riêng, vận tốc dòng khí (khi khí chuyển động thành dòng), thì theo thời gian, nhờ hiện tượng chuyển động nhiệt, các phân tử khí va chạm nhau, tính không đồng đều sẽ mất dần đi Ta bảo rằng trong chất khí có xảy ra hiện tượng truyền

- Chú ý rằng, hiện tượng truyền chỉ xảy ra khi đồng thời có sự va chạm phân tử và sự không đồng đều như trên Nếu chỉ có một yếu tố, hiện tượng truyền không xảy ra Sau đây ta

sẽ xét các hiện tượng truyền cụ thể

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 10 SVTH: TRẦM LỘC

2.1 Hiện tượng khuếch tán

2.1.1 Xét theo quan điểm vĩ mô

- Cho một khối lượng khí chứa trong một bình kín Tại lúc nào đấy, ta thấy khối lượng riêng (ρ) của khí chứa trong bình không đồng đều tại mọi điểm Ví dụ: ρ1 ≠ ρ2 ≠ρ3

Qua thời gian, khối lượng riêng dần trở nên đồng đều tại mọi điểm trong bình (ρ1 =ρ2 =ρ3)

Ta nói rằng: “Trong bình đã xảy ra hiện tượng khuếch tán”

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng truyền khối lượng của chất khí, từ chỗ có khối lượng riêng lớn hơn đến chỗ có khối lượng riêng nhỏ hơn

Nếu ρ1 >ρ2 thì chiều khuếch tán là chiều từ vị trí (1) đến vị trí (2)

Trong thời gian có xảy ra hiện tượng khuếch tán, tại mỗi điểm, ρ thay đổi (ρ=mn); nhưng sự thay đổi đó là khá chậm (có thể coi như ρ=mn không đổi trong khoảng thời gian dt

đủ bé), đây là hiện tượng khuếch tán dừng, (để phân biệt với khuếch tán không dừng) Ta chỉ xét khuếch tán dừng

Giả sử sự khuếch tán xảy ra dọc theo trục Ox Xét 2 điểm A và B nằm trên trục

ấy, cho ρ1là khối lượng riêng của khí tại điểm A và ρ2là khối lượng riêng của khí tại điểm

ρρ

Xét một tiết diện bất kì dS vuông góc với trục Ox Gọi dM là lượng khí truyền qua

dS trong thời gian dt Thực nghiệm cho thấy rằng:

dx

d

~ dt;

~ dS;

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 11 SVTH: TRẦM LỘC

 Dấu “-“ diễn tả chiều truyền, là chiều từ vị trí có ρ lớn đến vị trí có ρ nhỏ hơn:

2.1.2 Xét theo quan điểm vi mô

- Dùng thuyết Động học phân tử, ta xét hiện tượng khuếch tán nói trên Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng truyền khối lượng khí từ chỗ có mật độ phân tử lớn hơn sang chỗ có mật độ phân tử nhỏ hơn Các phân tử khí do chuyển động hỗn loạn, đi qua dS theo hai chiều ngược nhau Xét khoảng thời gian dt, qua dS có:

N1 phân tử chuyển động theo chiều dương trục Ox

N2 phân tử chuyển động theo chiều âm trục Ox

Gọi m là khối lượng của mỗi phân tử

Khối lượng khí đã truyền qua dS trong thời gian dt: dM =m(N1 −N2)

Muốn tính dM ta hãy tính N1 và N2

Hãy chia trục Ox ra thành từng đoạn λ , tại mỗi điểm phân chia, có xảy ra va chạm giữa các phân tử, giữa hai điểm phân chia không xảy ra va chạm Nơi va chạm là nơi

có sự thay đổi mật độ phân tử, tức là có xảy ra khuếch tán

Vùng không va chạm không có xảy ra khuếch tán Đặt dS tại nơi có khuếch tán Hai bên dS, ta tưởng tượng vẽ hai khối trụ nối đáy, đường sinh bằng λ , song song với Ox

Sự khuếch tán qua dS thực chất là sự trao đổi phân tử trong hai hình trụ này Gọi u: là vận tốc trung bình số học của các phân tử khí

n1: là mật độ phân tử trong hình trụ (A) thể tích là λ.dS Trong trụ (A) có

dS

n1λ phân tử

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 12 SVTH: TRẦM LỘC

Theo mô hình chuyển động của khí lý tưởng, trong số phân tử ấy, chỉ có

3 1

chuyển động theo phương Ox, và chỉ có n1λdS

6

1

phân tử đi qua dS theo chiều dương Thời

gian cần thiết để số phân tử này chuyển hết sang dS là

1 1λTrong thời gian dt, số phân tử đi qua dS là:

dt dS u n u

dt dS n t

dt dS n

6

1 6

1 6

1

1 1

1

λ

λλ

N m

6

1 ) ( 1 − 2 = 1− 2

Vậy:

dx

dn n

2 1

dn m u dt

dS dx

dn u m

3

1

2 6

d u dt

dS dx

mn d u

3

1

) ( 3

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 13 SVTH: TRẦM LỘC

2.2 Hiện tượng dẫn nhiệt

Do tính không đồng đều về nhiệt độ trong bình khí và sự va chạm phân tử mà trong lòng chất khí có hiện tượng dẫn nhiệt

2.2.1 Xét theo quan điểm vĩ mô

Sự dẫn nhiệt trong chất khí là do sự truyền nhiệt lượng từ lớp khí nóng hơn sang lớp khí lạnh hơn, khi hai lớp khí này tiếp xúc nhau trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt độ tại mỗi điểm phải thay đổi theo thời gian, nhưng sự dẫn nhiệt nói chung xảy ra chậm, nên có thể xem nhiệt độ không đổi trong thời gian dt đủ nhỏ

Giả sử sự dẫn nhiệt xảy ra theo trục Ox

Xét hai điểm A và B, trong bình khí, nằm trên trục Ox

Nhiệt độ TA > TB Nhiệt lượng sẽ truyền từ A đến B

Cho dQ: nhiệt lượng đã truyền qua dS trong thời gian dt Cũng lý luận như đối với

sự khuếch tán, ta có:

dt dS dx

dT D

D: hệ số dẫn nhiệt, phụ thuộc bản chất chất khí và nhiệt độ vốn có của khí

2.2.2 Xét theo quan điểm vi mô

Trong quá trình chuyển động hỗn loạn, các phân tử va chạm nhau, truyền động năng cho nhau Truyền nhiệt lượng trong chất khí chính là truyền một phần động năng trung bình của các phân tử ở lớp nóng hơn cho các phân tử ở lớp lạnh hơn, sự trao đổi năng lượng chỉ xảy ra lúc va chạm Ngoài lúc ấy không có sự thay đổi (Chỉ xét dạng chuyển động tịnh tiến)

Xét 2 trụ A và B chung đáy, như trên, sự truyền nhiệt xảy ra ngay tại đáy dS

Gọi W1: là động năng trung bình của các phân tử trong trụ (A): 1 1

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 14 SVTH: TRẦM LỘC

dt dS u n

Ta có u1 và u2 khác nhau rất ít, nên gần đúng ta coi:

Động năng trung bình của N1 phân tử là: N W n.u.W dS.dt

6

1

1 1

N W N

2

3 6

1 ) (

6

1

2 1 2

1 2

2 1

=

dt dS T T k u n W

T1− 2 = − 2λ

⇒

dt dS dx

dT k u n dt

dS dx

dT k

u n W

2

1

2 4

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 15 SVTH: TRẦM LỘC

So sánh với công thức vĩ mô: dS dt

dx

dT D

3

2 2

1

λ

= với m n=ρ(khối lượng riêng)

u C

3

1

λρ

λ nên D không phụ thuộc áp suất

Vậy hệ số dẫn nhiệt không phụ thuộc áp suất mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất chất khí mà thôi

2.3 Hiện tượng nội ma sát

2.3.1 Xét theo quan điểm vĩ mô

Cho một bình khí Ngoài chuyển động nhiệt, các phân tử khí còn chuyển động thành dòng (theo phương Ox chẳng hạn)

Trong bình tồn tại nhiều lớp khí, sắp xếp song song, theo phương Oy tức phương vuông góc Ox Tại mỗi lớp, các phân tử cùng chuyển động theo dòng theo vận tốc dòng Ω sao cho: Ω1 ≠ Ω2 ≠ Ω3 ≠

Nếu Ω1 >Ω2 thì lớp (1) kéo lớp (2) làm cho lớp (2) chảy nhanh hơn Ngược lại, lớp (2) kìm hãm lớp (1) Ta bảo trong chất khí có phát sinh lực nội ma sát Vậy hiện tượng nội ma sát là hiện tượng sinh ra lực ma sát giữa các lớp khí chuyển động thành từng dòng với vận tốc khác nhau gọi là vận tốc dòng Ω Lớp có vận tốc dòng lớn hơn kéo lớp có vận tốc dòng nhỏ hơn (theo hướng chuyển động của dòng), ngược lại lớp có vận tốc dòng nhỏ hơn kìm hãm lớp có vận tốc dòng lớn hơn Vì vậy, tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp khí xuất hiện lực ma sát f

 Nếu f là lực kéo: cùng chiều với đường dòng

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 16 SVTH: TRẦM LỘC

 Nếu f là lực hãm: ngược chiều với đường dòng

Gọi f: cường độ lực nội ma sát; dS: diện tích tiếp xúc giữa các lớp

< 0 : f có chiều ngược với dòng chảy Lực nội ma sát ám chỉ lực tác dụng của

lớp chảy chậm tác dụng lên mặt tiếp xúc của lớp chảy nhanh hơn

2.3.2 Xét theo quan điểm vi mô

Hiện tượng nội ma sát là hiện tượng truyền một phần động lượng của các phân tử khí tham gia chuyển động dòng Các phân tử này do chuyển động nhiệt nên nó đi từ lớp khí có vận tốc dòng Ω1 lớn hơn sang lớp có vận tốc dòng Ω2 nhỏ hơn Vì vậy, nó truyền bởi một phần động lượng của mình cho các phân tử ở lớp này và động lượng của chúng thay đổi theo thời gian

Do vậy tại mặt tiếp xúc xuất hiện lực gọi là lực nội ma sát Trong trường hợp này, mỗi phân

tử tham gia hai chuyển động:

 Chuyển động dòng: với vận tốc Ω và động lượng mΩ

 Chuyển động nhiệt: chạy từ lớp này sang lớp kia (lân cận) Các phân tử lớp (1) va chạm với các phân tử lớp (2) và truyền động lượng cho nhau

Nếu Ω1 >Ω2 thì mΩ1 >mΩ2: lớp (1) sẽ truyền động lượng cho lớp (2), lớp (1) kéo lớp (2) chảy nhanh thêm Bản thân lớp (1) giảm động lượng nên chảy chậm lại: lớp (2) kìm hãm lớp (1)

Xét hai lớp khí A và B, ở hai bên biên giới, tâm dS là O, hai trụ chung đáy có đường sinh bằng λ

Đặt OA = OB=λ Gọi N1 là số phân tử trong trụ A (bên lớp 1) và B (bên lớp 2) do chuyển động nhiệt đến tại dS trong thời gian dt Ta có:

dt dS u n

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 17 SVTH: TRẦM LỘC

Vì rằng n1 =n2 =n; T1 =T2 =T; u1 =u2 =u; nên N1 = N2 =N;

N1 phân tử va chạm với N2 phân tử tại dS và truyền cho chúng động lượng

dt m

dS u n

−

=

Trị số này cũng là biến thiên động lượng của N phân tử lớp (1) sau khi va chạm tại

dS Theo cơ học Niutơn, ta có:

) (

6

1

2

1 − Ω Ω

−

=

= n u dS m dt

dk f

Xét hình vẽ, ta có:

dx

d dx

= Ω

− Ω

⇒

Ω

= Ω

− Ω

2

η 3

1

u

=

2.4 Kết luận chung

Ở trên ta đã lần lượt xét ba hiện tượng truyền với các hệ số truyền tương ứng:

a/ Khuếch tán: truyền khối lượng: .λ

Trong đó dG: phần đại lượng được truyền

dx

dH

: gradien đại lượng Vật lý mang tính không đồng đều Do tính

không đồng đều của đại lượng này ở trong hệ, cộng với tác dụng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu hành hệ mà phát sinh hiện tượng truyền, nhờ truyền mà dẫn tới tính đồng đều

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 18 SVTH: TRẦM LỘC

R: là hệ số truyền Trong cả 3 trường hợp R đều phụ thuộc λ Ta có thể

đo R bằng thực nghiệm rồi tính giá trị λ

Các công thức diễn tả hiện tượng truyền đều là gần đúng Chúng đặc biệt đúng khi

ở điều kiện thường Tại áp suất khá thấp chúng sai lệch rõ

3 ÁP SUẤT THẤP

3.1 Chân không

Chân không, trong lý thuyết cổ điển, là không gian không chứa vật chất Như vậy chân không có thể tích khác không và khối lượng (và do đó năng lượng) bằng không Do không

có vật chất bên trong, chân không là nơi không có áp suất

Một số lý thuyết lượng tử cho biết khái niệm chân không theo nghĩa cổ điển không tồn tại,

do vi phạm nguyên lý bất định Chân không, theo các lý thuyết này, luôn có sự dao động khối lượng (và do đó năng lượng) nhỏ Điều này nghĩa là, ở một thời điểm nào đó, luôn có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên các hạt có năng lượng dương và một thời điểm khác hạt này biến mất Các hạt ngẫu nhiên xuất hiện trong chân không tạo ra một áp suất gọi là áp suất lượng tử chân không Các thí nghiệm đo đạc áp suất này sẽ giúp khẳng định độ chính xác của các lý thuyết lượng tử về chân không

Trong thực tế, không có nơi nào trong vũ trụ quan sát được tồn tại chân không hoàn hảo như

lý thuyết Các thí nghiệm và các ứng dụng thực tế có thể tạo ra các không gian chứa ít vật chất và có áp suất thấp Những không gian này cũng hay được gọi là "chân không" trong kỹ thuật, như khi nói về máy bơm chân không, tùy theo quy ước về giới hạn áp suất thấp Như vậy, chân không được hiểu là khoảng không-thời gian cụ thể có mật độ vật chất thấp hoặc rất thấp Lưu ý, khái niệm thấp và rất thấp ở đây được hiểu một cách tương đối

Trang thái chân không, do đó, hiểu là trạng thái có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trung bình chuẩn, và được chia thành:

 Chân không thấp (p > 100Pa)

 Chân không trung bình (100Pa > p > 0.1Pa)

 Chân không cao (0.1Pa > p >10-5Pa)

 Chân không siêu cao (p < 10-5Pa)

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 19 SVTH: TRẦM LỘC

Nói chung, nơi có điều kiện gần với chân không nhất là khoảng không giữa các thiên thể, hoặc khoảng không ở ngoài rìa vũ trụ (cách trung tâm Vụ Nổ Lớn hơn 15 tỷ năm ánh sáng) Hạt photon của ánh sáng và bức xạ điện từ được cho là di chuyển trong chân không, đúng hơn là trong không gian không có vật chất nào ngoài hạt này, với tốc độ không đổi và không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, thường được gọi là tốc độ ánh sáng

Khi ta xét các hiện tượng truyền, sự tương tác xảy ra lúc các phân tử chuyển động nhiệt mà không va chạm, chất khí có đặc điểm gì?

Biết rằng

p

1

~

λ , p giảm thì λ tăng Muốn giảm p, ta giảm mật độ khí trong bình (p

= nkT) bằng cách hút bớt khí trong bình ra Càng hút bớt khí, p càng giảm, λ càng tăng cho đến khi λ ≥d (kích thước của bình) Lúc bấy giờ, các phân tử khí chỉ va chạm vào thành bình và không hề va chạm nhau trong quá trình chuyển động nhiệt Áp suất giảm đến mức

ấy gọi là áp suất thấp

VD: p = 10-6 mmHg, bình 1m, λ = vài chục mét

Bình có áp suất thấp như vậy gọi là bình chân không Khái niệm chân không mang tính tương đối vì tùy thuộc vào d

3.2 Hiện tượng truyền trong chân không

Hãy chọn sự dẫn nhiệt làm ví dụ: Lấy 2 tấm A1 và A2 (với T1>T2) đặt cách nhau khoảng d: giữa A1 và A2 là áp suất thường (λ≤d) thì sự dẫn nhiệt xảy ra như đã mô tả ở trên: D không phụ thuộc áp suất p

Nếu thực hiện chân không giữa hai tấm: (λ≥d) thì hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra khác hẳn Xét một phân tử B nào đấy, B va chạm vào A1 sẽ có W1 tương ứng với T1 B bay sáng A2, va chạm vào A2 nó truyền bớt động năng để còn lại W <2 W1

Vậy: phân tử B đóng vai trò sự truyền nhiệt từ thành A1 sang thành A2 trực tiếp bằng cách nhận động năng của các phân tử thành A1 và mang sang truyền cho các phân tử thành bình A2 Số phân tử ngày càng giảm (tức p giảm), tức tác nhân gây truyền nhiệt ngày càng ít, thì sự truyền nhiệt càng kém Vậy trong chân không D phụ thuộc vào p

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 20 SVTH: TRẦM LỘC

Ứng dụng hiện tượng này vào việc chế tạo bình “técmốt”, thực hiện chân không giữa hai vỏ thủy tinh Hệ số dẫn nhiệt trở nên rất bé

3.3 Kỹ thuật chân không

Kỹ thuật chân không đóng vai trò rất quan trọng trong nền khoa học và kĩ thuật hiện đại Hiện nay đã đạt được đến 10-13 mmHg, với mật độ hạt 103 hạt/cm3

- Kết hợp với việc thực hiện nhiệt độ thấp, về nguyên tắc có thể đạt đến 10-30mmHg

- Kĩ thuật chân không thường được thực hiện bằng các loại bơm hút khí như bơm khuếch tán, bơm phân tử…

Trong kỹ thuật chân không, người ta thường sử dụng một số đơn vị sau:

Bảng 1-1 Một số đơn vị đo áp suất

Đơn vị áp suất

(Pa)

bar (bar)

atmôtphe kỹ thuật (at)

atmôtphe (atm)

torr (Torr)

pao (áp suất) trên một inch vuông (psi)

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 21 SVTH: TRẦM LỘC

3.3.1 Bơm khuếch tán

Bơm khuếch tán là thiết bị dùng để tạo chân không cao ở mức độ trung bình (từ 10-3 -

10-7 Torr) hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch tán các phân tử khí nhờ sự hấp phụ của các phân tử dầu bị bay hơi

3.3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm khuếch tán:

Bơm khuếch tán chỉ có thể làm

việc khi môi trường đạt độ chân không

sơ cấp cần thiết (từ 10-3 đến 10-4 Torr)

Để đạt được chân không đó, ban đầu

người ta dùng một bơm sơ cấp là bơm

chân không cơ học để tạo ra chân

không sơ cấp ban đầu Cấu tạo chính

của bơm khuếch tán là một buồng đốt

nhiều tầng Người ta sử dụng buồng đốt

để đun sôi một loại dầu (gọi là dầu

chân không) có nhiệt độ hóa hơi thấp

Các dòng hơi dầu khi bay hơi lên sẽ

hấp phụ các phân tử khí khuếch tán từ

môi trường cần tạo chân không cao

Sau khi hấp phụ, dầu được làm lạnh và bị rơi xuống, nhả các phân tử khí theo một đường khác (nhờ hệ bơm cơ học đi kèm) và quay trở lại buồng đốt

3.3.1.2 Ưu điểm và nhược điểm:

• Ưu điểm: Bơm khuếch tán có ưu điểm là dễ dàng tạo ra chân không với công suất lớn

và tốc độ làm việc nhanh (có thể tới vài chục mét khối trong một giây) và có giá thành thấp

• Nhược điểm: Điểm kém của bơm khuếch tán là giới hạn làm việc, nó không thể tạo ra các chân không quá lớn (chỉ không quá 10-7 Torr, đạt tới 10-8 Torr là rất khó khăn) và

nó đòi hỏi lượng nước làm lạnh rất lớn

Hình 1-1 Cấu tạo bơm khuếch tán

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 22 SVTH: TRẦM LỘC

3.3.2 Bơm turbo phân tử

Bơm phân tử, hay còn gọi là bơm turbo là một thiết bị tạo chân không cao (có thể đạt tới 10-7 đến 10-9 Torr), dựa trên nguyên tắc cuốn các phân tử khí dư trong môi trường chân không sơ cấp nhờ va chạm với một động cơ quay với tốc độ cao (động cơ phản lực - động cơ turbo)

Bơm turbo phân tử được phát minh vào năm 1958 bởi Becker dựa trên các thành tựu đã được phát triển từ năm 1913 (bởi Gaede), năm 1923 (bởi Helweck) và năm 1944 bởi Siegbahn Bơm phân tử thực sự đem lại hiệu quả cao nhờ ứng dụng nguyên lý động cơ phản lực

3.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm turbo phân tử:

Bơm turbo phân tử là thiết bị tạo ra chân không cao theo nguyên lý cuốn các phân tử khí ở trạng thái khí kém nhờ một động cơ quay với tốc độ rất lớn Để bơm có thể hoạt động, ban đầu cần tạo ra chân không sơ cấp (cỡ 10-3 Torr) nhờ một bơm cơ học Khi bơm hoạt động, rôto của bơm là hệ thống các cánh quạt được tăng tốc đến vận tốc lớn như động cơ phản lực và sẽ cuốn các phân tử khí để tạo môi trường chân không cao Vì quay với tốc độ rất lớn nên động cơ sẽ rất nhanh bị nóng và đòi hỏi làm mát bằng nước hoặc dầu

3.3.2.2 Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm:

Hình 1-2 Cấu tạo bơm turbo phân tử

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 23 SVTH: TRẦM LỘC

• Thời gian khởi động để bơm làm việc nhanh

• Tạo được áp suất chân không cao (10-7 - 10-9 Torr)

• Vận tốc hút khí khác nhau với các loại khí khác nhau (do đó có thể dùng để tách đồng vị)

Nhược điểm:

• Đòi hỏi cơ khí chính xác đặc biệt cao, làm cho giá thành của bơm rất cao

• Bơm dễ hỏng khi có hạt vật rắn (thủy tinh, kim loại…) rơi vào hệ thống rãnh của bơm

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 24 SVTH: TRẦM LỘC

2CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG

1 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG

1.1 Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay

Hiện nay, trên thị trường khá phổ biến loại thiết bị cô đặc chân không có dạng thùng cố định, hai vỏ, có cánh khuấy bên trong Tuy nhiên, thiết bị này có nhược điểm là chỉ sử dụng

để cô đặc các sản phẩm dạng lỏng mà không thể dùng để cô

đặc các sản phẩm dạng hỗn hợp gồm quả và miếng, bởi khi

làm việc cánh khuấy hoạt động sẽ làm vỡ, nát quả và miếng

trong dịch, ảnh hưởng xấu đến trạng thái của sản phẩm Thiết

bị cô đặc chân không dạng thùng quay do Trung tâm Công

nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm (Sở Khoa học và

Công nghệ Hà Nội) chế tạo có thể dùng cô đặc được các sản

phẩm dạng lỏng và dạng hỗn hợp, làm tăng khả năng bay hơi

của dung môi, tăng khả năng thẩm thấu chất hoà tan vào sản

phẩm (quả, miếng), giữ được màu sắc, mùi vị đặc trưng và

trạng thái của sản phẩm

1.1.1 Cấu tạo của thiết bị

Thiết bị gồm một thùng chứa hai vỏ làm bằng inox, được quay quanh một trục nghiêng nhờ hệ thống ổ trục, bánh răng, động cơ Bên trong thiết bị có các gờ để tăng hiệu suất truyền nhiệt giữa các pha, tăng khả năng bốc hơi của dung môi Độ chân không trong thiết bị được tạo ra nhờ hệ thống bơm chân không Áp suất chân không tối đa đạt -730 mmHg Trong quá trình làm việc, thùng chứa được quay, làm toàn bộ khối hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cùng quay nên sản phẩm không bị vỡ nát mà hiệu suất cô đặc vẫn đạt yêu cầu

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 25 SVTH: TRẦM LỘC

Hình 2-2 Thiết bị cô đặc chân không

ký hiệu ZN

động cơ, ổ đỡ 2 Mở van hơi cấp nhiệt cho thiết bị Dưới tác dụng của hơi nước bão hoà, hỗn hợp dịch trong thiết bị được nâng dần nhiệt độ Khi nhiệt độ dịch đạt 70-75oC, bơm chân không 1 hoạt động, hút hơi ẩm ra ngoài, tạo độ chân không cho thiết bị Khi áp suất chân không làm việc đạt p= -500 ¸ -600 mmHg, điều chỉnh van hơi sao cho thông số của thiết bị

ổn định, lúc này dịch trong thiết bị sôi, chất lỏng được hoá hơi và hơi được hút ra ngoài bằng bơm chân không Nồng độ chất hoà tan trong dịch tăng dần lên, quá trình thẩm thấu chất hoà tan vào quả, miếng diễn ra làm nồng độ chất khô trong quả, miếng cũng tăng dần Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ chất khô của quả, miếng và dịch đạt yêu cầu Sản phẩm được tháo ra ngoài qua cửa 4

1.2 Bộ cô đặc hút chân không

Tên thiết bị: Thiết bị cô đặc chân không ký hiệu ZN

Mô tả: Thiết bị bao gồm các phần: Nồi cô đặc, bộ ngưng tụ sơ bộ dùng tách khí và nước Bộ

ngưng thứ hai dùng làm mát và thu hồi dung môi

Đặc tính:

Thiết bị phù hợp cho cô đặc và tạo thuốc

kem ở nhiệt độ thấp trong dược phẩm, hóa chất,

thực phẩm Thiết bị cô có thể đạt tới tỉ lệ cô đặc

1.45 Thiết bị cũng dùng để thu hồi dung môi cồn,

và cũng dùng để chiết xuất kiểu ngược dòng Phần

tiếp xúc nguyên liệu được chế tạo bằng thép không

gỉ, máy hoàn toàn phù hợp cho việc vệ sinh, máy

không bị gỉ, ăn mòn Máy đạt tiêu chuẩn GMP

dược phẩm Phần nắp thùng bên trên có thể thiết kế

thụt xuống nhằm tương thích với bộ khuấy trộn

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 26 SVTH: TRẦM LỘC

Bảng 2-1 Thông số chính của thiết bị

Các model ZN-200 ZN-500 ZN-700 ZN-1000 ZN-2000 Năng suất bay

1.3 Thiết bị cô đặc chân không hình cầu

Mô tả: Thiết bị chính bao gồm: Thùng cô đặc, bình ngưng tụ, thùng chứa Thùng chứa hình

cầu dễ dàng cho việc vệ sinh và làm sạch nguyên liệu còn sót lại…

Đặc tính: Thiết bị này thích hợp cho làm bay hơi và cô đặc nguyên liệu dưới dạng dung

dịch lỏng và tái chế dung dịch hữu cơ và thuốc kem trong dược phẩm, thực phẩm và công nghiệp hóa chất…

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH Trang 27 SVTH: TRẦM LỘC

Hình 2-4 Thiết bị cô đặc chân không

trong thực tế

2 THIẾT BỊ SẤY CHÂN KHÔNG

2.1 Bản chất của quá trình sấy

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi sản phẩm (hoặc chuyển nước trong sản phẩm sang pha hơi) Quá trình này được thực hiện do sự chênh lệch áp suất của hơi nước ở môi trường xung quanh (Pxq) và trên bề mặt sản phẩm (Psf) Để làm cho lượng ẩm trên bề mặt sản phẩm bay hơi cần có điều kiện

Psf > Pxq và Psf - Pxq = P Trị số P càng lớn thì độ ẩm chuyển ra môi trường xung quanh càng mạnh Trị số Psfphụ thuộc vào nhiệt độ sấy, độ ẩm ban đầu của vật liệu phụ thuộc vào tính chất liên kết của nước với sản phẩm

Sự thoát ẩm trên bề mặt tăng lên khi nhiệt độ và tốc độ của luồng không khí tăng, độ

ẩm tương đối giảm và áp suất không khí giảm

Do vậy sự thoát ẩm bề mặt dẫn đến sự khếch tán bên trong Đó là kết quả của sự phá

vỡ mối cân bằng tương đối trong sản phẩm cũng có là do sự thay đổi nhiệt độ và sự phân chia nước không điều trong sản phẩm

Hình 2-3 Cấu tạo thiết bị cô đặc

chân không hình cầu