Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm tập 1 các quá trình và thiết bị cơ học, thủy lực và khí nén nguyễn tấn dũng pdf

- ửng dụng cơ sở lý thuyết của quá trình thủy lực để chế tạo các loại máy ép thủy lực, chê tạo các thiêt bị xác định các thông sô kỹ thuật như: lưu lượng, vận tốc, áp suất, chiểu cao cột

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRưỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHÔ Hồ CHÍ MIN

NGUYỄN TÁN DŨNG

G IÁ O t r ì n h q u ạ t r ì n h V à t h i ế t b ị

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẢM

T Ậ Pl CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

؛

ﺚ ﻨﻳ

ﺖ ﻠﺗ ود

؛

آذ ﺰﺗ

ĩ

i ٠j H i î v î | i 7

9 8 9 ي

3 0 0 3

NHÀ x u A t b ả n b ạ i h ọ c q u O c g ia

THÀNH PHÓ H ò CHÍ MINH

LỜI Νόΐ ĐẢU

Cuốn sách Quă tilnh và Thiế، bị tr(:)ns Công nghệ hóa học và

Thực phârn, Tập I, Ccìc Qiicì triiili \’(1 ĩhiêt bị cơ học, thủy lục, khi nén

(Kỹ thuật thực phấm 1) đu'ợc b؛ên soạn không ngoài mục dích !à một giáo trinh giảns dạy cho sinh viên, học viên ở Trường Bại học Sư phạm

Kỹ thuật TP HCM và cũng có thề ở các trường dại học thuộc khốỉ kỹ

thااật khác trong các lĩnh vụ'c Công nghệ hóa học, Công nghệ thực phẩm, c،'١ng nghệ môi trường và một sổ ns٤١nh kỹ tliuật khác có líên quan.

Nơoài ra, cuốn sách này mang lại nhiều lợi ích cho các dọc giả, các sinh viên, học viên ở cdc trường đại học có thể tham khảo, tỉm hiểu

và nghiên cứu về các Quá trinh co học, thUy lực, khi nén, các quá trinh dồng nhất và phân riêng các hệ khi, hệ lỏng không dồng nhất Bồng thờỉ Lrng dụng chUng vào thực tiễn sản xuất

Tác giả xin chân thành cám on PGS.TS Nguyễn ٧ ăn Sức (khoa CNtlH&TP), PGS.TS Thái Bá cần, PGS.TS Bỗ ٧ ăn BQng (BGH

Trường BHSPKT TP HCM) dã khuyến kliích, ủng hộ cho sự ra dời của cuOn sdch này

Vỉ khối lưọng kiến thUc trong nội dung của cuốn sách này khá lớn nên quá tiình biên soạn khOns trdnh khOi những sai sót Tác giả rất mong các hạn dọc giả góp ý dể cuốn sách nhy ngày càng hoàn thiện hơn

dê trườc khi tái bản lân liêp theo

Mọi liên hệ với tác gi٤١ xin gửi về dịa chỉ email:

tandzung072@ vahoo.com vn xin chần thầnh cám on > ■'

Tác gíả

NGƯYỄN TẤN BŨNG

1.1.2.2 Phương trình cơ bản thủy tĩnh học của Euler

1.1.3 Một số ứng dụng thủy tĩnh học trong kỹ thuật

1.1.3.1 Định luật Pascal

1.1.3.2 ứng dụng trong việc chế tạo máy ép thủy lực

1.1.3.3 Điều kiện bình thông nhau

1.1.3.4 Dụng cụ đo áp suất pezomet

16 1717

31 3133

34

34 34

1.2.2.3 Dòng chảy quá độ 35

1.2.3 Sự phân bố tốc độ trong tiết diện ngang của dùng chúy 36

1.2.4.3 Hệ phương trình Navier - Stockes của dòng thủy dộng 42 học

1.2.4.5 Một số ứng dụng các phương trình cơ bản của thủy 51động học

1.2.4.6 Phạm vi áp dụng của phương trình Becnully 56

Các giả thiết ban đầu

2.2.3.4 Công suất trục của bơm 68

2.2.4 Chiều cao hút của bơm và hiện tượng xâm thực - 68

2.2.6 Xây dựng đường đặc tuyến mạng ống và điểm làm việc 73 của bơm

2.2.7.1 Phương pháp thay đổi số vòng quay trục bơm 74

1.2.1.1 Phương pháp bằng cách điều chỉnh van chặn đẩy 75

2.5.3 Bơm xi phông 89

2.8 MỘT SỐ LOẠI BƠM THUỜNG DÙNG TRONG SẢN 95 XUÁT

Chương 3 : Quá trình vận chuyển chất khí (Máy nén khí,

quạt, máy hút chân không)

3.1 MỘT số KHÁI NIỆM C ơ BẢN

3.1.1 Quá trình nén đẳng nhiệt

3.1.2 Quá trình nén đoạn nhiệt

3.1.3 Quá trình nén đa biến

3.1.4 Hệ số năng suất hút của máy nén

3.1.5 Công suất động cơ lắp đặt cho máy nén

3.2.5 Máy nén không có chi tiết truyền động

3.2.6 Một số phương pháp điều chỉnh năng suất hút của máy

146

148 150

3.3.1 Một sổ khái niệm cơ bản

3.3.2 Cấu tạo của quạt gió ly tâm

3.3.3 Nguyên lý làm việc

3.3.4 Xây dựng đường đặc tuyến của quạt

3.3.5 Xây dựng đường đặc tuyến mạng ổng và điểm làm việc

của quạt

3.3.5.1 Đường đặc tuyến mạng ống của quạt

3.3.5.2 Điểm làm việc của quạt

3.3.6 Hiệu suất và công suất của quạt

3.3.6.1 Hiệu suất lưu lượng của quạt

3.3.6.2 Hiệu suất thủy lực của quạt

3.3.6.3 Hiệu suất trục của quạt

3.3.6.4 Công suất hữu ích của quạt

3.3.6.5 Công suất trục của quạt

3.3.6.6 Công suất động cơ điện của quạt

3.3.7 Tự động hóa động cơ quạt

3.3.7.1 Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB khởi động A - A

3.3.7.2 Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc,

3.5 BÀI TẬP ÁP DUNG VÀ CÂU HỎI ÔN TẬP

156

156

156

156 156156

190

192 192

4.2.1.! Cấu tạo cánh khuấy và sơ dồ thiết bị khuấy 192

4.4.1 Phương pháp phân tích thứ nguyên xây dựng mô hlnh 201 vật ly xác định công suất cánh khuấy

4.6.2 Thiết bỊ có tấm chắn, ống hướng dòng và ống tuần hoàn 212

Chương 5: Phân riêng hệ khí không đồng nhất

5.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG

223 224

5.1.1 Các phương pháp phan riêng hệ khí không đồng nhất 224

5.8 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LẮNG BẰNG Lực QUÁN TÍNH 241

5.9.6 Tính kích thước buồng thiết bị lọc bụi tĩnh điện 251

5.11.4 Hiệu quả lọc theo khối lượng của hệ thống 259

ƯỚT BỀ MẶT

6.1 MỘT số KHÁI NIỆM CHUNG 269

6.1.2 Phân loại quá tiình phân riẽng hệ lỏng không đồng nhất 270

6.3.5.4 So sánh quá trình lọc với tốc độ, íip suất không đổi 282

.% ٢

مﺛ

'- ؛

ء.ا

í

Chương 1

Cơ SỞ LÝ THUYẾT CÙA CÁC QUÁ TRÌNH

THỦY LỰC

٠ Mục tiêu

- Chương 1 sẽ trình bày các kiến thức về cơ sở của quá trình thủy

lực (thủy tĩnh học và thủy động hục) Giúp chơ sinh viên và các đọc giả nắm được và vận dụng lý thuyết để giải thích các hiện tượng xảy ra liền quan đến quá trình thủy lực.

- ửng dụng cơ sở lý thuyết của quá trình thủy lực để chế tạo các loại máy ép thủy lực, chê tạo các thiêt bị xác định các thông sô kỹ thuật như: lưu lượng, vận tốc, áp suất, chiểu cao cột áp, khối lượtĩg riêng, thê tích v.v.

• ửng dụng

Trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: ngành Công nghệ hóa học

và Thực phẩm, ngành Công nghệ nhiệt, ngành Công nghệ xử lý môi trường, .v.v ٠ _

1.1 QUÁ TRÌNH THỦY TĨNH HỌC

1.1.1 Môt số khái niêm ٠ ٠

Khi nghiên cứu về thủy tĩnh học cần phải tìm hiểu rõ về một số khái niệm cơ bản như: môi chất, khôi lượng riêng, trọng lưọTig riêng, áp suất, các quá trình cơ bản của thủy tĩnh học, một số ứng dụng của chúng

1.1.1 ỉ Môi chất

■ Môi chất là chất trung

gian (môi giới) tham gia quá

trình vận chuyển năng lượng hay

vật chât từ nơi này đên nơi khác

Bàí tập 1.1;

- Trong hệ thống làm lạnh

đông thường sử dùng môi chất

Freon hoặc NH 3 (ga lạnh) để lấy

nhiệt từ nguồn lạnh tải ra ngoài

môi trường, môi chất này gọi là

môi chất lạnh

15

Hiiúi 1.1 Biểu ílieu mối qunu hệ giíín

lứúệt độ vũ ctộ idiõt (1): chất khí; (2); chất lon g

- Trong quá trinh sấy vật liệu ẩni thường sử dụng khi nóng dể

làm khô vật liệu (thUy sản sấy khô’dộ ẩm còn khoảng 8‘7٠>.

" Môi chất gồm ba loại: khi (hoi), lOng, rắn

- Đối vói chất khi: phân làm hai loại, dó là khi' thực và khi ly

- Đối vớỉ chất lỏng; phần làm hai loại, dó là chất lỏng thực và

chât lOng lý tưỢng

Chất lỏng ly tưởng là chất lOng không bị nén không có nội lực ma sát bên trong, khi áp suất thay dổi thi nhiệt độ và thể tích ít thay dổi và xem như không dáng kể

Chất lỏng thực thi ngược lại với chất lỏng lý tưởng, chiu nén, có nộí lực ma sát bên trong, khi áp sUất thay dổi thi thể tích và nhiệt độ thay dổi dáng kể

- ٥ ốỉ vói chất rắn: chất rắn dạng xốp, dạng keo, dạng keo xốp,

dạng cứng tuyệt dối, dạng dẻo, dạng dàn hồi, tùy thuộC vào tinh chất lưu biến của chting

- Sự khác nhau giữa chất lOng và chất khi: Khi nhiệt độ tăng thì dối với chất lOng độ nhớt của chUng giảm, còn vơi chất khi, độ nhớt tăng,

khi áp suất tẫn۶, vớỉ chất lỏng thể tích và nhiệt độ gần như khbng thay

dổi, còn với chất khi thay dổi rất rõ ràng

1.1.1.2 Khối lu m g riêng

Nếu V ؛m^l chất lOng có khốỉ lu۶ng G [kg] thì khối Ittợng riêng

của chât lỏng dó dược định nghĩa theo b؛ểu thức:

Căn cứ vào giá trị của áp suất so

v('h áp suất khi quyển thi áp suất dược

chia làm hai loại: áp suất dư và áp suất

chân không

" Nếu p ١ > Pa = 1 at thi áp suất —

dư dược xác định, xem hình 7.2:

Pdự = P i - P ٥

(1.4)

- Nếu P 2 < Pa = 1 at thi áp suất Hud،l.٩.B،ề«tó؛ai؛juãtàvònp^٠br

Pkq = P ، = la t٠P،k = P،-P2

1 (

chân không dược xác định, xem hìnìi 7.2;

Pck = P a - P 2 ( 1 5 )

Một số đon v؛ áp suấ،:

lat = 9,81.1س Pa = 9.81.1س N/m2 = 90,981 = 3 ا81.10ﻵ bar = 735,6 mmHg = 10^ mm H2O = 10 m H2O = 1 kg/cm2 = 2049 lb/ft2

latm = 760mmHg

Bài tập 1.4: Một lực F = 9000N tác dụng lên vưông g؛ c lên bề

mặt của vật có diện tích s = l,3m2 khi dó áp sưất sinh ra lên bề mặt vật thể đó duoc xác định:

F 9000

P = i_ = = 6923.077 N/m0.0706 = ؛ at

S 1,3Neu như vật đó đật trong bầu khí quyển khi đó: p = 1 + 0.0706 = 1.0706 at

1.1.2 Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học

Hình 1.3 a) Vật tĩnh tuyệt đối, b) Vật tĩhh tương đối

Áp suất thủy tĩnh là áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích của cột chât lỏng đứng yên, nó phụ thuộc vào khôi lượng riêng, chiều cao cột chât lỏng, ở mỗi vị tri' khác nhau ở trong cột chất lỏng, sẽ có áp suất thủy tĩnh khác nhau

Căn cứ vào vật tĩnh tuyệt đối và tĩnh tương đối sẽ có áp suất thủy tĩnh tuyệt đôi và áp suât thủy tĩnh tưong đối

1.1.2.2 Phương trình cơ bản thủy tĩnh học của Euler

Khi xét một khối chất lỏng đứng yên, trong cột chất lỏng đó tách

ra một phân tô hình hộp chữ nhật có cạnh dx, dy, dz Như vậy, thể tích của phân tố chất lỏng đó là dV = dxdydz

Giả sử: khi phân

tích tưcmg tác của áp suất

lên hai bề mặt của phân tố

theo trục Ox, tại mặt A có

·p + — dx

ax

Hiidi 1.4 Pliàn íirli lựr ti١êii 1 phôii tố clu٦t lÓH

được tnch 1.0 tìi khỏi clùt (hiiisyéu

tọa độ Xo thì áp suất tương tác là p = p(xo), còn tại mặt B có tọa độ X = Xo + Ax thì áp suất tương tác là p(x) = p(xo + Ax), nếu khai triển p(x) dưới dạng chuỗi Taylor tại điểm Xo sẽ nhận được:

—++

١

,_

١

p(x) = p(xo) + - ^ d x = p + ■^dx

= ؛F

Phương trình (1.10) là một phương trình véc tơ, vì vậy khi giải cần phải chuyển về phương trình đại số, bằng cách chiếu lên ba phương

Ox, Oy, Oz

■ Chiếu (1.10) lên phưcmg Ox:

=pdxdy- p + — dz dxdy-gdm

<؛=>

0

^ =ma

dy dp

ỄE3z

Thay (1.18) vào (1.17) sẽ được: -d p -p g d z = 0

Vì g = const, p = const, nên (1.19) có thể viết:

d(p + pgz) = 0 =:í> Jd(p + pgz) = c

(1.19)

z = c+

Trong (1.20) thành phần — ; gọi là cột áp thủy tĩnh, z: gọi là cột

mặt đáy là Z2, khi đó quan hệ áp suất

thủy tĩnh tại (a) và (b) xác định theo

■ Nếu p = 1000 kg/m^ g = 9,81mys"; Pa = 1,25 at; Pb = 1,87 at

hãy xác định khoảng cách giữa hai,điểm (a) và (b).

Giải:

Pa = 1,25.9,81.10' N / m 2 6 2 5 ,12 = ؛.Ỉ0'، N/m؛

Pb= 1,87.9,81.10' nW = 18, 3447.10''nW

Từ (1.24) sẽ xác định được:

P b - P ٥

Az = Zj - Z2 =

pg18,3447.10'' -12,2625.10'

= 6,2 m9,81.10^

1.1.3 Một số ứng dụng thủy tĩnh học trong kỹ thuật

Phát biểu định luật: tại một điểm bất kì nào đó trong khối chất

lỏng đứng yên, nếu tăng áp suất tại điểm đó từ giá trị p lên giá trị Pi thì mọi điểm trong khối chất lỏng đó đều tăng thêm một lượng là Pi và phưorng trình định luật Pascal đã nói lên ý nghĩa đó

1.1.3.2 ứng dụng trong việc chế tạo máy ép thủy lực

Xem hình 1.7, sẽ nhận thấy F|, ĩ"2 là ký hiệu lực tác dụng lên diện tích bề mặt piston 1,2; f|, Ĩ2 là tiết diện bề mặt piston 1, 2.

Từ (1.3) có thề viết được áp suất tác dụng lên bề mặt piston 1 và 2như sau:

Thực tế thì các loại máy nâng, con đội đều có nguyên lý làm việc

như hình 1.7.

Bài tập 1.6 : Một máy ép (thực phẩm) theo sơ đồ nguyên lý như

hĩnh 1.7, biết piston 1 có đường kính D| = 60 mm, piston 2 có đường

kính D2 = 800 mm, nếu tương tác vào piston 1 một lực Fi = 300 N thì lực

ép sinh ra ở piston 2 là bao nhiêu F2 = ?

1.1.3.3 Điều kiện bình thông nhau

• Hai bình thông nhau kín: Dùng chất lỏng đồng nhất với mục

đích là đo áp suất dư (áp suất trên đồng hồ), xem hình 1.8.

)53333,33

N (rất lớn

=

؛ ؛ ^ ؟ 300

-=

^ ,

F = F٦

Từ phương tiình cơ bản của thủy tĩnh học áp dụng cho sơ dồ lììiili

Bàí tập 1.7: Xét hai binh thông nhau kin như hình 1.8, biết chất

!ỏng chứa trong bình (1), (2) là dầu có khối lượng riêng p = 935,24 kg/щЗ

và Z| = 0,8 m; Ζ2 = 0,34 m hây xác định áp suất dư của binh (2)

٠ Do áp suất với dụng cụ do này rấ^

suất cho phép do khoảng từ (0 5 ب)at, nếu áp suất càng lớn thi thiết bị

càng cồng kềnh không phù hợp trong kỹ thuật

Thiết bị đo này thườn, ứng dựng trong chưng cất, tách li các chất lỏng có giá trị kinh tê trong công nghệ dược, công nghệ thực phàm.

■ Hai bình thông nhau hỏ': dùng cho chất lỏng không hoàn tan

lẫn vào nhau, với mục đích xác định khối lượng riêng của chât lỏng

Từ phưong trình cơ bản cùa thủy tĩnh học áp dụng cho sơ đồ hình

1.9, có thể viết;

1 - 0: p٥ = p +pgZ| = p ٥+pgz.

2 - 0; Po=P2+PgZ2 = Pa+PgZ2Như vậy, sẽ nhận được: P؛ + p|gZj = P؛J + p2gZ2 Pi2^92 = [؛؛

ĩ.

Bài tập 1.8; Khi cho 2 chất lỏng H2O Pn = 1000 kg/m^ và dầu ăn

chưa biết khối lượng riêng Pd = ? cho vào 2 bình thông nhau hở như hình

1.9, sau khi cân bàng sẽ ra mặt phân lớp và xác định được Zi = 0,8 m; Z2

và hiệu quà, trong công nghiệp thường ứng dụng phưcmg pháp này đê đo khối lượng riêng là chủ yếu.

Khi sử dụng phương pháp này đo khối lượng riêng, phải chọn chât lỏng không hòn tan với nó có khôi lượng riêng đã biêt trước Chăng hạn như: muốn đo khối lượng của dầu thì nên chọn nước làm chất đối kháng

1.1.3.4 Dụng cụ đo áp suất peiomet

■0 (mặt chuẩn)

Hình Ỉ.IO Sơ đồ dụng cụ đo áp suất pezomet

Chọn mặt chuẩn như hình 1.10, theo phưomg trình cơ bản của thủy tĩnh học, có thể viết:

1 - 0: Po = p٠+pgz.

2 - 0: Po=Pa+pgZ2

Như vậy, sẽ nhận được: Pi +pgZ| = Pa +pgZ2

Tưomg đương: Pi = Pa + Pg(Z] - Z2) = p٥ + pgAz

Áp suất dư được xác định: Pd = Pi ~Pa “ PgAz (1-32)

Bài tập 1.9: Xác định áp suất dư ở bình (1), biết Zi = 0,35 cm, Z2

Hùửi 1.11 Sơ đồ lĩguyêư ly của ảp kế chữ u

Bàí tập 1.10; Xác đlnh áp suất dư ở binh (1), hình 11, b؛ết Ζ2 =1.4 m; Z] = 0,2 m chất JOng ở trong binh là Η2Ο có Pi = 1000 kg/m^, chất lOng trong áp kế chữ ư là Рг = 950 kg/ni^

Như vậy, hlệư áp suất Ρ2 và Pi dược xác dinh như sau:

ا

(

(1.35)

Bàỉ tập 1.11; Cho hệ thống khuấy trộn bằng kliông khi theo sơ dồ

hình ỉ 13, biết khối tượng riêng của benzen Pb = 700 kg/na^, Pd = 900

kg/щЗ, Δζ = 700 mm, tínli H dể quá trinh sụt klií chỉ xảy ra sủi bọt

Muổn cho khi nén sUi bọt thỉ Pkn ة Pa

Khi mới bắt dầu sủi bọt : Pkn = Pa

Theo hình 1.13, có : Pkn = Ρ2 = Рз

٧ iết phương trinh cơ bản của thUy tĩnh học cho 1 - 2:

Pkn = P2 = Pa+Pdg ۵ Z

Viet phương trinh cơ hản của thíiy tĩnh học cho 3 - 4 :

1 Một số khái niệm cơ bản của thủy tĩnh học?

2 Phương trinh cơ bản thUy tĩnh học: thành lập hệ phương trinh cân bằng của Euler? Giải hệ phương trinh cân bằng của Euler dế xác lập phương tiình thUy tĩnh học?

3 Một số úng dụng quá trinh thủy tĩnh học trong kỹ thuật: ©Inh luật Pascal? Nguyên ly chế tạo máy ép? Các thiết bị do lường

áp suất, khối lượng riêng và xác dinh chíều cao cột áp?

4 Dối với ngành công nghệ hóa học thi quá trinh thủy tĩnh học dược ứng dụng ờ dâu ? ứng dụng như thế nào? Anh (chl) cho

ví dụ cụ thể

5 Dối với ngành công nghệ thực phẩm, quá trinh thUy tĩnh học dược ứng dụng ở dâu? ứng dụng như thế nào? Anh (chl) cho vídụ cụ thể

6 Dối với ngành công nghệ môi trường thl quá trinh thủy tĩnh học dược ứng dụng ơ dâu? ú'ng dụng như thế nào? Anh (chị) cho ví dụ cụ thể

1.2 QUÁ TRÌNH THỦY DỘNG HỌC

1.2.1 Một số kháỉ níệm cơ bản

Khi nghiên cứu về tlìUy dộhg liọe lliì cần phải nắm vững một số khái niệm cơ bản của các thông số ảnh hưởng dến các quá trinh thUy động học cUa dOng chảy Chẳng hạn như: Lưu lượng, vận tôc (tôc độ),

ma sát (độ nhớt tuyệt dối và độ nhớt tương dối), chế độ dOng chảy,

12.1.1 Lmi lưọìig

Là lượng (thể tích hoặc khối lượng) chất lOng chảy qua một dơn

vị tiết diện ngang của ống dẫn

" Nếu lưu lượng dlch chuyển qua tiết diện ngang tinh theo khố lư،.mg dược gọi là lưu lượng khối lượng Kí hiệu: G hoặc m (kg/s)

Với: V [nrVs]: lưu lượng thể tích; p [kg/ni؟]: khối lượng riêng chất lỏng; f [m^]: tiết diện.ngang của ống dẫn.

■ Nếu lưu lượng dịch chuyển qua tiết diện ngang tính theo thể tích được gọi là lưu lượng thể tích Kí hiệu: V hoặc Q [m^/s]

Bài tập 1.12: Nước chảy qua tiết diện ngang của một ống dẫn

hình tròn có đường kính D = 21mm, với vận tốc w = 0,36 m/s Hãy xác định lưu lượng thể tích và khối lưọng của nước dịch chuyển qua ống dẫn

Giải:

Khối lưọng riêng của nước là p = 1000 kg/m'١.

Tiết diện ngang của ống dẫn:

chuyển động không với vận

tốc không bằng nhau, thông

thường trong một dòng chảy

tại tâm dòng chảy vận tốc lÓTi

nhất (W n١ax) do lực ma sát nhỏ

nhất, còn ở thành ống do lực

ma sát lớn nhất nên tốc độ bé

nhất, gần bằng 0, xem hình 1.14.

Tốc độ dòng chảy phụ thuộc bản chất của chất lỏng, độ nhớt động

học (độ nhớt tuyệt đổi), độ nhớt động lực học (độ nhót tương đối), khối

lượng riêng Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất

W(r = rw) = 0

Hình 1.14 Sự phân bố vận tốc theo tiết

diện ngang của dòng chảy

Trong kỹ thuật để thuận tiện, thirOng !ấy tốc độ ti'ung bỉnh của

dòng chảy dê tinh toán, tôc độ truns bĩnl١ của dOng chảy dược xác dinh

Với : V [m^/sj Itru lượng thể tích của dOng chảy, f [m2] tiết díện ngang của dOng chảy

1.2.1.3 Chế độ dòng cìiảy ổn địnìi và không ổn „ , í

Khi nghiên cứu cliế độ dòng chảy di trong ống thi tốc độ, áp suất,

chiêu cao của dOng chày luô!١ phụ tliuộc vào thOi gian (ĩ) và không gian

(X, y, z) Vì vậy, có thê viêt dưới dạng tổng quát như sau :

w = W(x, y, z, T); p = p(x, y, z, T); z = Z(x, y, z, T) (1.43)

dĩ dr dx

Bàí tập 1.13: Đối với nudc sinh hoạt thông thường dOng cấp là

dOng ôn định, còn dOng tiêu thụ là dòng không ôn định

12.1.4 Độ nhót

Khi dòng chảy trong ống chuyển dộng, vận tốc của các phân tử ở những vị trí khác trên cùng một tiết diện dều chuyển dộng với vận tốc khác nhau Sở dĩ có sự kliác nhau này là do độ nhớt của lớp chát lOng gây

ra, hay còn gọi là ma sát của các lớp chất lOng trượt lên nhau trong lúc chuyên dộng Vì vậy, dẫn dến sự phân bố về tốc độ của chất lOng chuyển

động trong ống, xem hĩnh 1.14 sẽ thấy rõ và Newton đã kết luận ràng

«Bản chất của độ nhớt chất lỏng chính là ma sát»

Giả thiết rànậ, khi khối chất lỏng chảy tron؟ dòng là bao gồm tập hợp nhiều lớp chuyển động trượt lên nhau, trong khối đó tách ra 2 lóp chất lỏng A, B kế cận nhau và ^

trượt lên nhau xem hình 1.15.

Bằng thí nghiệm năm g

1676 Newton đã nghiên cứu

đưa ra công thức tính lực ma ؛Tmh 1.15 Sơ đồ hai lóp chất lỏng sát khi 2 lóp chất lỏng chuyển trưọt lên nhau

động trượt lên nhau, đây là một trong những phát minh nổi tiếng khi nghiên cứu về lĩnh vực cơ lưu chất

s = tjf = -pfgradW = -|if dW

dndW

^

fdn

■ v: độ nhớt động lực học được xác định theo biểu thức sau:

p

Bài tập 1.14; Xác định độ nhớt của một chất lỏng chuyển động

trong ống dẩn và ứng suất tiếp tuyến, biết lực ma sát sinh ra s = 1500N, trường vận tốc tuyến tính theo phương pháp tuyến X, với quy luật w =

2,45x +289, diện tích hề mặt tác dụng lực 1ﻷ f = 1,2.10و n٦2, khối lượng

riêng của chất lỏng là p = 120() kg/rn'\

Glảí:

289١

+x

ịX s _ 1500

2,45

١

-'2.10,

ا

-ح

dn

trong các trường hợp sau:

Do tiết diện ngang của môi

Hình 1.16 Mô tả một tỉết dỉện ngang của

ống dẫn

D ،d =

4f

Trong đó: f: tiết diện môi chất, (m2); n : chu vi dính ướt, (m)

Bài tập 1.15: Tính đường kính tương đương của một tiết diện ống

theo mô tả hĩnh 1.16, biết hình tròn có đường kính D = 60mm, hình chữ

nhật bên trong có chiều dài 29mm, chiều rộng 26mm

DOng chảy tầng là dOng chảy

mà các phân tử chuyển, dộng theo

các tia song song với nhau một

hướng ổn định WiOng thay dổi, Hlnh 1.17 Mô tả chảy dòng tầng không có sự trao dôi chât với nhau

Trong thực tế, chảy tầng thường gặp ở dOng chảy có tốc độ nhỏ

tầng là chảy rối mà trong dó các / j ệ ) / - ) \ Π

phân tử chạy hỗn loạn không theo ( / 1 - / ﻼ ﻃ ٠

hướng cố định, trong dó có sự trao

dổi chất với nhau Trong thực tế, Hình 1.18 Mô tả chảy dòng rối dOng chảy này thường gặp trong các

dOng chảy có vận tốc tương dối lớn và rất lớn Chinh vận tốc lớn này tạo

ra dộng lực làm cho các phân tử chuyên dộng không theo hướng nhât dinh

1.2.2.3 Ddng cliay qua do

Khi mot dong chay vua c6 che do chay tang vua c6 che do chay roi, mien ngan each giua chiing dirge goi la che do chay qua do

1.2.2.4 Dai lurnig xdc dinh ede che do chay

Dai lugng xac dinh che do chay dugc ggi la chuan so dong dang khong thii nguyen cua Renoylds, ky hieu: Re va dugc xac dinh nhu sau

Thi nghiem cua Renoylds voi so do nguyen ly dugc mo ta nhu

hinh 1.19, ban dau mo van 2 va 1 nho Khi mo van 2 nho toe do dong

chay di trong ong nho, nuoc mau chuyen dong thanh nhung tia song song, che do do la che chay t4ng Sau do ma van 2 Ion dan tai mot thoi diem nao do khong con xuat hien cac tia song song nua, do la dong chay roi Qua cac thi nghiem tren Renoylds do dugc van toe dong chay, duong kinh ong, khoi lugng, do nhot dong hoc va do nhot dong lire hgc biet truoc Do do chuan so nguyen dong dang Re xac dinh dugc

Bang thuc nghiem Renoylds da tinh toan dugc gia tri Re:

■ Khi dong chay a che do chay tang:

■ Khi dong chay o che do chay roi:

Re > 10'Khi dòng chảy ở chế độ chảy quá độ;

2320 < Re < 10'

(1.53)

(1.54)Như vậy, để biết dòng chảý ở chế độ chảy tầng, chảy rối hay chảy quá độ chỉ cần xác định chuẩn số Re, sau đó so với (1.52), (1.53) và (1.54)

Bài tập 1.16: Xác định ché độ chảy trong ống dẫn có tiết diện ngang là hình tròn với đường kính D = 21mm của một chất lỏng có độ nhớt tưoTig đối V = 1,8.10٠٥ m^/s, biết vận tốc của chất lỏng chuyển động trong ống là w = 5,6 m/s

Theo (1.53) thì chất lỏng trong ống dẫn chảy rối

1.2.3 Sự phân bố tốc độ trong tiết diện ngang của dòng chảy

một phân tố chất lỏng dạng hình trụ có bán kính là r và đường sinh dx

Hình 1.20 Mô tả phân tích lực cho

phân tố

١ , X ١ d p

■ Với chảy tâng thì: — = const

dx

■ Phân tích lực cho phân tố đã tách được mô tả hình 1.20.

Theo định luật II Newton sẽ có:

Như phương Ox là phương chuyển động, con phương Or là phưcmg pháp tuyến của chiều chuyển đông, chiếu (1.55) lên phương Ox,

Điều kiện biên để giải (1.60):

Như vậy, (1.60) tương đưcmg:

Khi r = rth ìW = W Khi r = rwthìW = 0

wmax ^jw 2 V _ ^jw 2

٠ /

٠ ٤

٦ /

2|^r١١, 0 2|xr١١,

(1.62)

■ Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường xung quanh đến sự phân bô

tôc độ trong tiêt diện ngang của dòng chảy, được mô tả ở hình 1.21.

Hình 1.21 Mô tả sự phân bố tốc độ khi nhiệt độ môi trường

thay đổi

Trường họp 1: Do nhiệt độ lưu chất trong dòng chảy bằng

nhiệt độ môi trưòmg xung quanh (Tm = Tf), không xảy ra trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, độ nhớt không thay đôi Do đó sự phân bô tốc độ theo phương trình parabol (1.61)

Trường họp 2: Do Tm > Tf, nhiệt độ lưu chất chảy trong ống

nóng hơn so với nhiệt độ môi trưÒTig xung quanh, độ nhớt dòng chảy giảm, theo (1.61) thì tốc độ dòng chảy tăng, lúc này sự phân bố tốc độ dòng chảy không tuân theo mặt parabol mà có dạng phình ra, xem mô tả

hình 1.21.

Trường họp 3; Do T„١ < T f, nhiệt độ dòng chảy bên trong bị

lạnh đi, độ nhớt tăng, ma sát tăng, theo (1.61) thì tốc độ giảm Do đó sự phân bố tốc độ dòng chảy không tuân theo mặt parabol mà có dạng co

lại, xem mô tả hình 1.21.

• Tính vận tốc trung bình: rõ ràng có thể thấy rằng, tốc độ

trên tiết diện ngang không chỉ thay đổi theo vị trí, mà còn chịu ảnh hưởng đến nhiệt độ, áp suất và độ nhớt, rất phức tạp Vì vậy, khi tính toán thường sử dụng vận tốc trung bình của dòng chảy, và được xác định theo phương trình sau:

١ F

^ 0

(1.63)

Mà F = Ttr؛ tiết diện ngang của ống dẫn tại vị trí r = r, khi đó:

dF = 2Tirdr thay vào phương trình (1.63) sẽ nhận được

Trong chảy rối các phần tử

chuyên động hỗn loạn Vì vậy việc ^

xác định tốc độ gặp rất nhiều khó

khăn Thực tế thường xác định tốc

độ theo hàm Renoylds được mô tả

ở hình 1.22 và tốc độ tmng bình

của dòng chảy rối được xác định

theo như sau;

Bài tập 1.17: Xác định W(r = l/5rw), Wtb và Wn١ax của chất lỏng

chảy tang trong ống dẫn tiết diện hình tròn có đưòng kính D = 40mm, có

độ nhớt tuyệt đối p = 1,23.10"^ N sW , ứng suất tiếp tuyến tại thành ống

đo được Tjw = 1,6 N/m^

Giải:

Ta có: D = 2rw = 40mm = 0,04m; r = l/5r١v = 0,02/5 = 0,004m

Vận tốc tại điểm r = 0,004m được xác định theo (1.61)

w ( r ) = - r ١,2) => W (0,004)

2)ir١١,

1,6

(0,004^-0,02^)2.1,23.10“l0 ,0 2

W(0,004) = 12,4878 m/sVận tốc lớn nhất của dòng chảy (r = 0) được xác định theo (1.62)

1.2.4 Các phương trình cơ bản của thủy động học

I.2.4.I Phương trình của dòng chảy liên tục

Xét dòng chảy có khối lượng

không đối, xét n tiết diện ngang có

diên tích f|, Í2

Giả thiết rằng: dòng chảy

không bị nén, khi nhiệt động tăng thì

thể tích chất lỏng dường như không

thay đổi Nên G = const, (kg/s); p =

،'/1 /_ ٠ 3 ١ ١ , ٠ _ ، ^ „ 3 / ١ Hình 1.23 MÔ tả tiết diện ngang

const, (kg/m ); V = — = const, (m /s) , V r .7 7L

Wr

Như vậy sẽ có: G = p؛ V؛ = Pjf؛ Wị = const

Triển khai (1.67) sẽ nhận được:

G = Pjf|W| = P2Í2W2 = = P„fn w ٠١ = const

Triển khai (1.68) sẽ nhận được:

V = — = fjWj = Í2W2 = = fn w ٠١ = constp

ỉ 2.4.2 Hệ phương trình thủy động họi' của Euler