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

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRưỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHƠ Hồ CHÍ MIN
NGUYỄN TÁN DŨNG

G IÁ O

t r ìn h

q u ạ

t r ìn h

Và

t h iế t

b ị

CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẢM

TẬ Pl
CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
C ơ HỌC, THỦY L ự c VÀ KHÍ n Ển


V■‫ل‬
B ộ CilAO 1 . (^ VÀ DÀO TẠO
‫ز‬

‫ا‬

‫ا‬

TRƯÒ^G ĐẠI HỌC Sư PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỚ HỒ CHÍ MINH
‫؛ﻳﻨﺚﺗﻠﺖ دو؛ ذآ ﺗﺰ؛‬ií ‫؛‬i‫؛ ﺗﺄ؛؛ل؛؛‬،‫ ؛؛؛;؛؛؛‬:‫ ؛؛‬ị ٠‫؛‬f:‫؛|؛‬H‫؛؛‬f‫؛؛‬l‫؛‬

NGIIYEN TẤN DtlNG

QUẤ TRÌNH VÀ THIET bị
cOng nghệ hOa học và thực ph Am
Ẹ
Tậpl
C Á C Q U Á T É H V Ả T H IẾ T B ỊC Ơ H Ọ C ,
THỦY LỰCVÀKHÍ NEN
ĩ .‫؟‬ư[ĩỊĩ6,F‫؛‬

|

i

٠

ẠỉífỌCí،HAĨftA

j H iỵv ỵ|i7

3 0 0 3 ‫ ي‬989
NHÀ

x u At b ả n b ạ i h ọ c q u Oc g ia

THÀNH PHÓ H ò CHÍ MINH


LỜI Νόΐ ĐẢU
Cuốn sách Quă tilnh và Thiế، bị tr(:)ns Cơng 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 khơng ngồi 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 Cơng nghệ hóa học, Công nghệ thực phẩm,
c،'١ng nghệ môi trường và một sổ ns٤١nh kỹ tliuật khác có líên quan.
Nơồi 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


MỤC LUC
LỜI NÓI ĐÀU
MỤC LỤC

Trang
3
5

Chưong 1: Cơ sỡ iý thuyết của các q trình thủy Iụ٠c

15

1.1. Q TRÌNH THỦY TĨNH HỌC
1.1.1. Một số khái niệm

15

1.1.1.1. Môi chất

15

1.1.1.2. Khối lưọng riêng

16

1.1.1.3. Trọng lượng riêng

17

1.1.1.4. Áp suất

17

1.1.2. Phường trình cơ bản của thủy tĩnh học

18

1.1.2.1. Áp suất thủy tĩnh học

18

1.1.2.2. Phương trình cơ bản thủy tĩnh học của Euler

18

1.1.3. Một số ứng dụng thủy tĩnh học trong kỹ thuật

22

1.1.3.1. Định luật Pascal

22

1.1.3.2. ứng dụng trong việc chế tạo máy ép thủy lực

22

1.1.3.3. Điều kiện bình thơng nhau

23

1.1.3.4. Dụng cụ đo áp suất pezomet

26

1.1.3.5. Áp kế chữ u

27

1.1.3.6. Áp kế vi phân
1.1.4. Các câu hỏi ơn tập
1.2. Q TRÌNH THỦY ĐỘNG HỌC

27
29

1.2.1. Một số khái niệm cơ bản
1.2.1.1. Lưu lượng

29

1.2.1.2. Vận tốc

30

1.2.1.3. Chế độ dịng chảy ổn định và khơng ổn định

31

1.2.1.4. Độ nhớt

31

1.2.1.5. Đường kính tương đương

33

1.2.2. Các chế độ của dịng chảy

34

1.2.2.1. Chế độ chảy tầng

34

1.2.2.2. Chế độ chảy rối

34

15

29
29

5

1.2.2.3. Dòng chảy quá độ

35

1.2.2.4. Đại lượng xác định các chế độ chảy

35

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

36

1.2.3.1. Chế độ chảy tầng

36

1.2.3.2. Chế độ chảy rối

\

39

1.2.4. Các phưomg trình cơ bản của thủy động học

40

1.2.4.1. Phương trình của dịng chảy liên tục

40

1.2.4.2. Hệ phương trình thủy động học của Euler

41

1.2.4.3. Hệ phương trình Navier - Stockes của dịng thủy dộng
học

42

1.2.4.4. Phương trình Becnully của thủy động học

44

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

51

1.2.4.6. Phạm vi áp dụng của phương trình Becnully

56

1.2.5. Các câu hỏi ơn tập

58

1.3. BÀI TÀP ÁP DỤNG

59

ChưoTig 2: Quá trình vận chuyển chất lỏng (Máy bo'm
chất lỏng)
2.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM C ơ BẢN

61
61

2.2. BƠM LY TÂM
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm

62
63

2.2.2. Sự chuyển động chất lỏng trong bơm và phương trình cơ
bản của bơm ly tâm

63

2.2.2.1. Sự chuyển động chất lỏng trong bơm
Các giả thiết ban đầu

63

2.2.2.2. Phương trình cơ bản của bơm ly tâm

65

2.2.2.3. Hiệu suất thủy lực của bơm

66

2.2.2.4. Các dạng cánh guồng trong bơm ly tâm

٠

67

2.2.3. Tính tốn hiệu suất và cơng suất bơm

68

2.2.3.1. Hiệu suất thể tích của bơm

68

2.2.3.2. Hiệu suất trục của bơm

68

2.2.3.3. Cơng suất hữu ích của bơm

68


2.2.3.4. Công suất trục của bơm

68

2.2.3.5. Công suất động cơ điện của bơm

68

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

68

2.2.4.1. Hiện tượng xâm thực

68

2.2.4.2. Chiều cao hút của bơm

69

2.2.5. Xây dựng đường đặc tuyến bơm H = f(Q)

70

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

73

2.2.7. Điều chỉnh bơm ly tâm

74

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

2.2.8. Bơm ghép nối tiếp và song song

76

2.2.8.1. Bơm ghép nối tiếp

76

2.2.8.2. Bơm ghép song song

77

2.3. BƠM THỂ TÍCH

77

2.3.1. Bơm piston

77

2.3.1.1. Phân loại

77

2.3.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm piston tác

dụng đơn

78

2.3.1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm piston tác
dụng kép

79

2.3.1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm vi sai

81

2.3.1.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm màng

82

2.3.1.6. 'Cẩu tạo Và' nguyến íý 'hóạt động cua 6ơm nlíúng.clíì rn ' ٠ ' 8.3
2.3.1.7. Cơng suất và hiệu suất của bơm

84

2.3.1.8. Đồ thị cuns cấp chất lỏng của bơmpiston

85

2.3.1.9. So sánh bơm ly tâm

86

và bơm piston ٠١

2.4. MỘT SỐ LOẠI BƠM THÊ TÍCH KHÁC

86

2.4.1. Bơm bánh răng

86

2.4.2. Bơm Rơto

87

2.5. BƠM KHƠNG CĨ CHI TIẾT TRUYỀN ĐỘNG

88

2.5.1. Bơm thùng nén

88

2.5.2. Bơm sụt khí

88


2.5.3. Bơm xi phông

89

2.5.4. Bơm Ejecter

89

2.6. ĐỊNH LUẬT TỈ LỆ

90

2.7. T ự ĐỘNG HÓA VÀ VẬN HÀNH MÁY BƠM

92

2.7.1. Tự động hóa máy bơm

92

2.7.2. Vận hành máy bơm

94

2.8. MỘT SỐ LOẠI BƠM THUỜNG DÙNG TRONG SẢN
XUÁT

95

2.9. BÀI TẬP ÁP DỤNG

95

2.10. CÁC CÂU HỎI LÝ THUYẾT

103

Chương 3 : Quá trình vận chuyển chất khí (Máy nén khí,
quạt, máy hút chân khơng)

107

3.1. MỘT

số KHÁI NIỆM Cơ BẢN

107

3.1.1. Quá trình nén đẳng nhiệt

108

3.1.2. Quá trình nén đoạn nhiệt

108

3.1.3. Quá trình nén đa biến

107

3.1.4. Hệ số năng suất hút của máy nén

111

3.1.5. Công suất động cơ lắp đặt cho máy nén

112

3.2. MÁY NÉN KHÍ

113
113

3.2.1. Định nghĩa

3.2.3.1. Máy nén piston

113
114
114،

3.2.3.2. Máy nén trục vít

138

3.2.3.3. Máy nén rôto
3.2.3.4. Máy nén cánh xoắn

141

3.2.4. Máy nén ly tâm

144

3.2.5. Máy nén khơng có chi tiết truyền động
3.2.6. Một số phương pháp điều chỉnh năng suất hút của máy
^٠٠
nen

145
146

3.2.7. Tự động hóa và vận hành máy nén
3.3. QUẠT GIĨ

148

3.2.2. Phân loại
3.2.3. Máy nén thể tích

143

150


3.3.1. Một sổ khái niệm cơ bản

150

3.3.2. Cấu tạo của quạt gió ly tâm

151

3.3.3. Nguyên lý làm việc

151

3.3.4. Xây dựng đường đặc tuyến của quạt

151

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

155

3.3.5.1. Đường đặc tuyến mạng ống của quạt

155

3.3.5.2. Điểm làm việc của quạt

155

3.3.6. Hiệu suất và công suất của quạt

156

3.3.6.1. Hiệu suất lưu lượng của quạt

156

3.3.6.2. Hiệu suất thủy lực của quạt

156

3.3.6.3. Hiệu suất trục của quạt

156

3.3.6.4. Cơng suất hữu ích của quạt

156

3.3.6.5. Cơng suất trục của quạt

156

3.3.6.6. Công suất động cơ điện của quạt

157

3.3.7. Tự động hóa động cơ quạt

157
157

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,
mớ máy trực tiếp

159

3.3.7.3. Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB rotor lồng sóc hai cấp tốc
độ
3.3.7.4. Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB rotor lồng sóc dùng
biến tần

159

3.4.

161
162

MÁY HÚT CHÂN KHÔNG

3.5. BÀI TẬP ÁP DUNG VÀ CÂU HỎI ÔN TẬP

164

ChưoTíg 4 : Khuấy trộn chất lỏng

189

4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM Cơ BẢN
4.1.1. Định nghĩa
4.1.2. Mục địch khuấy trộn

189

4.1.3. Phân loại khuấy trộn

190
192

4.2. KHUẤY TRỘN HỆ CHÁT LỎNG BẰNG
4.2.1. Khuấy trộn bằng cánh khuấy mái chèo

189
189

cơ KHÍ

192


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

192

4.2.1.2. Nguyên ly làm việc

193

4.2.1.3. ư u và nhược điểm

193

4.2.2. Khuấy trộn bằng cánh khuấy chân vịt

194

4.2.2.1.Cấutạo

194

'

4.2.2.2. Nguyên lý làm việc

194

4.2.2.3. ư u và nhược điểm

195

4.2.2.4. Bố trí cánh khuấy trong thiết bị khuấy

195

4.2.3. Khuấy trộn bằng cánh khuấy ly tâm

196

4.2.3.1. Cấutạo

196

4.2.3.2. Nguyên lý làm việc

197

4.2.3.3. ư u và nhược điểm

197

4.2.3.4. Bố trí cánh khuấy trong thiết bị khuấy

1.97

4.2.4. Thiết bl khuấy tĩnh

198

4.2.5. Cơ chế thUy dộng lực trong thiết bị khuấy

199

4.3. K Ì Ắ Y TRỘN BẰNG KHÍ NÉN

199

4.‫ ؛‬. XÁC BỊNH Cì ẨN S ố
BỘNG CG CÁNH K i A Y

su ất

200

4.4.1. Phương pháp phân tích thứ nguyên xây dựng mô hlnh
vật ly xác định công suất cánh khuấy
4.4.2. Phương pháp thực nghiệm xác định các hệ số

201

4.5.

207

công

SUẤT١ c ơ n g

MỘT SƠ MƠ HỈNH XÁC BỊNH CHUẨN
SƯẨT

CƠNG

4 .6 . XÁCBỊNHTHỜIGIANKHUẨY
4.6.1. Thiết bị thành trơn

209
209

4.6.2. Thiết bỊ có tấm chắn, ống hướng dịng và ống tuần hồn

212

4.6.3. Hàm phân bố thời gian khuấy
4.7. BÀI TẬP AP BỤNG

212

213

4.8. CÂU HỎI ÔN TẬP

220

4 .9 . BÀITAP

220

Chương 5: Phân riêng hệ khí khơng đồng nhất

223
224

5.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG
1.

số

202


5.1.1. Các phương pháp phan riêng hệ khí khơng đồng nhất

224

5.1.2. Nguyên tấc chung

224

5.2. PHÂN RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG

224

5.2.1. Lắng bàng lực trọng trường

224

5.2.1.1. Sơ đồ thiết bị

224

5.2.1.2. Nguyên lý làm việc
5.2.2. Lắng bằng lực quán tính

225
225

5.2.2.1. Sơ đồ thiết bị

225

5.2.2.2. Nguyên lý làm việc

226

5.2.3. Lẩng bàng lực ly tâm

226

5.2.3.1.Sơđồthiếtbị

226

5.2.3.2. Nguyên lý làm việc

227

5.2.4. Lắng bằng lực điện trường

228

5.2.4.1. Sơ đồ thiết bị

228

5.2.4.2. Nguyên lý hoạt động

228

5.3. PHÂN RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM ƯỚT BỀ MẶT

231

5.3.1. Sơ đồ thiết bị

231

5.3.2. Nguyên lý hoạt động

231

5.4. PH.\N RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC

232

5.4.1. Sơ đồ thiết bị

232

5.4.2. Nguyên lý hoạt động

232

5.5. PH.\N RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ
5.5.1. Một số khái niệm cư bản

234
234

5.5.2. Thiết bị hấp phụ

235

5.6. PH,\N RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

236

5.6.1. Một số khái niệm cơ bản

236

5.6.2. Thiết bị hấp thụ

237

5.7. TÍNH TỐN LẲNG BẰNG L ự c TRỌNG TRƯỜNG

237

5.7.1. Xác định vận tốc lắng

237

5.7.2. Kích thước phịng lắng

239

5.7.3. Cân bàng vật chất trong quá trình lắng

240

5.7.4. Hiệu suất của quá trình lắng

240
11


5.8. TÍNH TỐN THIẾT BỊ LẮNG BẰNG Lực QN TÍNH

241

5.8.1. Hiệu suất thiết bị

241

5.8.2. Tính cân bằng vật chất

243

5.8.3. Tính tốn thiết bị

244

5.9. TÍNH TỐN THIẾT BỊ LẮNG BẰNG Lực ĐIỆN

247

TRƯỜNG
5.9.1. Tính cân bằng vật chất

247

5.9.2. Xác định tổng số điện tích ion hóa

248

5.9.3. Năng lượng điện trường

249

5.9.4. Xác định kích thước thiết bị

250

5.9.5. Tính hiệu suất lắng

250

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

251

5.10. TÍNH TỐN THIẾT BỊ LỌC TÚI VẢI

251

5.10.1. Xác định vận tốc lọc

252

5.10.2. Tính tốn thiết bị túi vải

253

5.10.3. Tính cân bằng vật chất

254

5.11. TÍNH TỐN THIẾT BỊ LẮNG BẰNG Lực LY TÂM

255

5.11.1. Tính tốn xyclon

255

5.11.2. Xác định đường kính giód hạn của hạt bụi

257

5.11.3. Hiệu quả phân riêng của xyclon

258

5.11.4. Hiệu quả lọc theo khối lượng của hệ thống

259

5.11.5. Tính cân bằng vật chất

259

5.11.6. Tổn thất áp suất trong xyclon

261

5.12. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHÂN R ÊN G BẰNG LÀM
ƯỚT BỀ MẶT

262

5.12.1. Tính tốn thiết bị ventury

263

5.12.2. Tính tồn thất áp suất của thiết bị

264

5.12.3. Hiệu suất lọc

264

5.12.4. Tính cân bằng vật chất

265

5.13. CÂU HỎI ÔN TẬP

266

5.14. BÀI TẬP ÁP DỤNG

267

Chương 6: Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất

269

6.1. MỘT

số KHÁI NIỆM CHUNG

269

6.1.1. Định nghĩa

269

6.1.2. Phân loại quá tiình phân riẽng hệ lỏng khơng đồng nhất

270

6.2. PHÂN RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG
6.2.1. Phương pháp lẳn. gián đoạn

270
270

6.2.2. Phương pháp lắng bán liên tục

271

6.2.3. Phương pháp lẳng liên tục

271

6.2.3.1. Thiết bị lắng hình phều
6.2.3.2. Thiết bị lắng răng cào

271
272

6.2.4. Tính cân bằng vật chất

272

6.2.5. Hiệu suất q trình lắng

273

6.2.6. Xác định tốc độ lắng

273

6.2.7. Tính tốn các thơng số thiết bị

274

6.3. PHÂN RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC

276

6.3.1. Định nghĩa

276

6.3.2. Vận tốc của quá trình lọc

276

6.3.3. Cân bằng vật chất của quá trình lọc

277

6.3.4. Trở krc riêng của bã lọc
6.3.5. Phương trình lọc

279
280

6.3.5.1. Lọc với áp suất khơng đổi
6.3.5.2. Lọc với tốc độ không đổi

280
281

6.3.5.3. Lọc với tốc độ, áp suất thay clổi

282

6.3.5.4. So sánh quá trình lọc với tốc độ, íip suất khơng đổi

282

6.3. PHÂN RIÊNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LY TÂM LẮNG
6.4. PHÂN RÊNG BẰNG PHUƠNG PHÁP LY TÂM LỌC

283
285

6.5. TÍNH TỐN CÁC Q TRÌNH PHÂN RIÊNG

287

6.5.1. Tính tốn thiết bị lắng gián đoạn
6.5.2. Tính tốn thiết bị lắng bán liên tục
6.5.3. Thiết toán thiết bị lọc
6.6. CÂU HỞI ÔN TẬP

287
.288
291
294

6.7. BÀI TẬP ÁP DỤNG

294

TÀI LIỆU THAM KHẢO

297
13


‫‪τ‬‬

‫‪٢ .%‬‬

‫ﺛم‪'-.‬؛ا‪.‬ء ‪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 Cơng nghệ hóa học
và Thực phẩm, ngành Công nghệ nhiệt, ngành Công nghệ xử lý môi
trường, ...v.v.
٠
_____________________________________

1.1. Q TRÌNH THỦY TĨNH HỌC
1.1.1. Mơt
٠ số khái niêm
٠
Khi nghiên cứu về thủy tĩnh học cần phải tìm hiểu rõ về một số
khái niệm cơ bản như: môi chất, khơi lượng riêng, trọng lưọTig riêng, áp
suất, các q 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 (mơi giới) tham gia q
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 NH3 (ga lạnh) để lấy
nhiệt từ nguồn lạnh tải ra ngồi
mơi trường, mơi chất này gọi là
mơi chất lạnh.

Hiiúi 1.1. Biểu ílieu mối qunu hệ giíín
lứúệt độ vũ ctộ idiõt
(1): chất khí; (2); chất long

15


- Trong quá trinh sấy vật liệu ẩni thường sử dụng khi nóng dể
làm khơ vật liệu (thUy sản sấy khơ’dộ ẩm cịn khoảng 8‘7٠>.
"

Mơi chất gồm ba loại: khi (hoi), lOng, rắn.

- Đối vói chất khi: phân làm hai loại, dó là khi' thực và khi ly
tưởng.
Khi lý tưởng là một loại khi mà pliân tử khi có ki'ch tliuOc rất hé
khơng dáng kể, khơng có lực tác dụng giữa chUng.
Khi thực thỉ ngược lại với khi lý tưởng, có kích thước bản thân
dáng kể, có lực tương tác qua lại giữa các phân tử.
Điểm chung của chUng là khi áp suất thay dổi, khi thực và klií lý
tường dều có thể tích và nồng độ thay dổi.
- 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 khơng bị nén khơng có nội lực ma
sát bên trong, khi áp suất thay dổi thi nhiệt độ và thể tích ít thay dổi và
xem như khơng 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, cịn 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:
_G . ‫ﻻ‬

P = ^ ١kg/m:

( 1. 1)

Bàí tập 1.2: Khi cân V = Im^^chất lOng Η 2Ο sẽ xác định dược
khối lượng G = 998,S7kg. Như vậy, khối lượng riêng của Η2Ο sẽ là:
0 : 998,87 87 998 ‫ ت‬kg/m3
V
I
18


l.l.ã.3. Trọng lưỢíig riêng
Trọng lượng riêng chính là trọng lực tác dụng lên một đơn vị thể
tích„ được xác định theo biểu thức sau:
p _ mg _ pVg
= pg,N/m^
Y V
V
٧

( 1. 2)

Bài tập 1.3: Khi cân V = Im^ chất lỏng H2O sẽ xác định được
khốii lượng G = 998,87kg. Như vậy, trọng lượng riêng của H 2O sẽ là:
p =—=
V
I

= 998,87 kg/rn^

_p ^ mg ^ pVg ^
V
V
V

=9

81.998 87 = 9798,915 N/m‫؟‬

1.1.1.4. Áp suất
Áp suất chính là lực tác dụng lên bề mặt một diện tích theo
phương pháp tuyến, được xác định theo biểu thức:
p=

N/m^

(1.3)

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 P2 < Pa = 1 at thi áp suất
chân khơng dược xác định, xem hìnìi 7.2;
Pck = P a - P 2

Pi
Pòr = Pi-P،

—

Pkq= P ،= la t ٠
P،k = P،-P2

Hud،l.٩.B،ề«tó‫؛‬ai‫؛‬jtàvịnp^٠br
(1‫ ﺛﺈ ااى‬1‫ا‬0‫ةاا‬

(1.5)

Một số đon v‫ ؛‬áp suấ،:
lat = 9,81.1‫ س‬Pa = 9.81.1‫ س‬N/m2 = 90,981 = 3‫ ا‬81.10‫ ﻵ‬bar =
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 vương 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:
17


F 9000
P = i_ =
= 6923 .077 N/m0.0706 = ‫ ؛‬at
S
1,3
Neu 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
1.1.2.1. Áp suất thủy tĩnh

^ --------J r ^

٠٤‫؛؟‬h 'Iivcl dv١i

a)

\ ٠âí (ílllt ỈUOỈILÍ đỏl

.........

n

b)

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 khơi 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 đơi và áp st 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 tơ hình hộp chữ nhật có cạnh dx, dy, dz. Như vậy, thể tích
của phân tố chất lỏng đó là dV = dxdydz.
Giả thiết rằng,
khối lượng riêng chất

lỏng p = const, áp suất
thủy tĩnh của khối chất
lỏng chỉ phụ thuộc vào
không gian (x, y, z),
khơng phụ thuộc vào thời
gian (t), vì vậy có thể
biểu diễn áp suất dưới
dạng hàm: p = p(x, y, z).
Giả sử: khi phân
tích tưcmg tác của áp suất
lên hai bề mặt của phân tố
theo trục Ox, tại mặt A có
18

·p + — dx

ax

Hiidi 1.4. Pliàn íirli lựr ti١êii 1 phơii tố clu٦t lĨH.
được tnch 1.0 tìi khỏi clùt
(hiiisu


tọa độ Xo thì áp suất tương tác là p = p(xo), cịn 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:
^ = p(xo)^ + — ------- ٧ 1 +:—
3^P(x-Xo)“
p(x)
----- ^ ٧

3x

Hay:

1!

3"p(x-Xo)"
٧ £ - + ...-|-.

2.

dx.

dx"

n!

0p Ax 0 "‫؛‬p Ax "‫؛‬
d ٠١p Ax "
p(x) = p(x٠) ^ ị ، : ị ‫؛‬.^ ٠' ^ ٠ ٢ +...
+ ^+ —
^

( 1.6 )

Khi (1.6) viết dưới dạng vi phân sẽ được:
p(x) = p(xo) + - ^ ^ d x
i!dx

2!dx

(dx)^ +... + -‫؛‬-|-^ (d x )" +...
n!9x

(1.7)

Vì dx, dy, dz là các vô cùng bé nên từ số hạng thứ ba trong biểu
thức (1.7) xem gần bằng 0, do đó (1.7) có thể viết lại:
. ١_ , ١ 8p
ờp
p(x) = p(xo) + -^ d x = p + ■^dx
ơxơx

( 1.8)

Như vậy, theo phương Oy, Oz tại yo, zo vẫn có p = p(yo), p = p(zo)
{xem hình 1.4) và:
p(y) = p + |^ d y ; p(z) = p + ‫ ؛‬dz
ơy
dz

(1.9)

Từ phân tích lực ở trên, khi cột chất lỏng đứng yên, theo định luật
II Newton:
‫ ] ؛‬F‫ = ؛‬mã ‫ = ؛‬0

( 1. 10)

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:
/
^

í

١١

F ,،= m ax= 0 <=> pdydz- p + — dx dydz = 0
Ix dx ;

( 1. 11)

■ Chiếu (1.10) lên phương Oy:
^ F y = m .a y = 0

dp

<=> pdxdz- P + ^ d y dxdz = 0

I

dy

( 1. 12)

■ Chiếu (1.10) lên phương Oy;

19


^ F‫ = ؛؛‬ma ^ = 0 <‫ >=؛‬pdxdy- p + — dz dxdy-gdm = 0 ( 1.13)
٠z j
V
Vi dm = pdV = pdxdydz , nên (1.13) viết lại
^

dp

١١

pdxdy - p + — dz dxdy - gpdxdydz = 0
\
dz )

(1.14)

Từ (1.11), (1.12) và (1.14) khai triển và đơn giản sẽ nhận được hệ
phương trình của Euler có dạng như sau:
- |p = 0
3x
(1.15)

dy
dp
-p .g = 0
dz

Hệ phương trình (1.15) là hệ phương trình cơ bản thủy tĩnh học.
Phương trình (1.15) có thể viết lại:
ap
.dx= 0
dx
(1.15)

ỂR .dy = 0
dy

(1.16)

ỄE .dz - p.g.dz = 0
3z
Giải hệ phương trình Euler: cộng 3 phương trình trong hệ (1.16) sẽ
nhận được:
^ dp

dp .

dp

— dx + — d y + — dz - pgdz = 0
dx
dy
dz

(1.17)

Vì p = p(x, y, z) nên khi viết dưới dạng vi phân tồn phần sẽ có:

. _ dp
dp
dp
dp= — d x + — dy + — dz
dx
dy
dz
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
20

(1.18)
(1.19)


<=^p + pgz = c <‫ — >؛=؛‬+ z = c

( 1.20)

pg

Phương trình (1.20) gọi là phương trình cơ bản của thủy tĩnh học,
triên khai phương trình (1.20) như sau:

Hay:

Pl+pgz. =P2 +pgZ2 =...= Pn+PgZ„ =c

( 1.21 )

-^ + Z|
pg

( 1 .2 2 )

= ^ + Z2 =... = .‫ ^؟‬+ z„

pg

pg

=c

Trong (1.20) thành phần — ; gọi là cột áp thủy tĩnh, z: gọi là cột
pg ■
■
áp hình học.
r>

Bài tập 1.5: Xét 2 điểm (a) và
(b) trong một cột chất lỏng có khối
lượng riêng là p = const đứng yên, (xem
hình 1.5), (a) cách mặt đáy là Zị, (b) cách
mặt đáy là Z2, khi đó quan hệ áp suất
thủy tĩnh tại (a) và (b) xác định theo
( 1.20 ):

-

p ١r
(â)
(b).

Zi
Z2

Hình 1.5. Phân bố áp suất
Pa+PgZl =Pb+PgZ2 =COnSt
— + Z| = — + Zj = const

pg

■ pg

(1.23)
(1.24)

^

■ Nếu p = 1000 kg/rn^ g = 9,81im/^s^; Zị = l,2m; Z2 = 0,8m;

Pa = 1,2 at hãy xác định áp suất tại điểm (b) Pb = ?
Giải:
Pa = 1,2.9,81.10' N/m- = 1] ,772.10 ■N/m'
Từ (1.23) sẽ xác định được:
Pb = Pa+ pg(z, -Z 2 )= 11,772.10'،+ 10^9,81.(l,2-0,8)
= 11,772.10^ + 3,924.110' = 1.5,696.1 o'N /m 1,6 = ‫ ؛؛‬at
■ 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''n W
21


Từ (1.24) sẽ xác định được:
Az = Zj - Z2 = P b -P ٥
pg
18,3447.10'' -12,2625.10'
9,81.10^

= 6,2 m

1.1.3. Một số ứng dụng thủy tĩnh học trong kỹ thuật
1.1.3.1. Định luật Pascal
Xem hình 1.6, cố thể viết:
1-

0; p٥ = P |+ p g z٥ (1.25)

2-

0: p٠ = p 2 +pgz (1.26)

Từ (1.25) và (1.26) sẽ có:

0 (gọi mặt chuẩn)

Hình 1.6. Ấp suất của cột chất
lỏng đứng yêu

Pl+PgZo=P2+PgZ
=> p. = P 2 + P g (z -Z .)

(1.27)

Phưcmg trình (1.27) là phưcmg trình của định luật Pascal
Phát biểu định luật: tại một điểm bất kì nào đó trong khối chất
lỏng đứng n, 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

22


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 2
như sau:
-h

(1.28)

Theo định luật Pascal thì Pi = P2١như vậy:

(1.29)
Phưcmg trình (1.29) cho thấy, vì fi quá nhỏ nên chỉ cần tác dụng
một lực Fi đủ lớn thì sinh ra một lực ?2 rất lớn để thực hiện quá trình ép
vật thể.
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 = ?.
Giải;
D| = 60mm = 0.06m; D2 = 800mm = 0,8m
Như vậy tiết diện piston 1, 2 là fi và G được xác định như sau:
f٠ = ^

,2

4

^

_.r، r>^١2

= ir 0,002826.‫؛؛‬

4

Từ (1.29) sẽ xác định được:
F = F٦, ^ = 3U
300

U- ‫ ؟ ^ ؛ ؛‬- = N (rất lớn 53333,33)
fi
0,002826
1.1.3.3. Điều kiện bình thơng nhau
Hai bình thơng nhau kín: Dùng chất lỏng đồng nhất với mục
đích là đo áp suất dư (áp suất trên đồng hồ), xem hình 1.8.
•

23


Từ phương tiình cơ bản của thủy tĩnh học áp dụng cho sơ dồ lììiili
1.8, có thể viết^
1 - 0: P٥ =P ١+PgZi
2 - 0: P o= P 2 +PgZ2
Như vậy, sẽ nhận dược: Pi +pgZj = Ρ2 tp g Z j
«

P2 - P i= p g ( z ١- Z 2) = pg٨z

Áp suất dư của binh (2) dược xác dinh:
Pdu=P 2 -Pi=PgA ,z

( 1. 20 )

p
Bàí tập 1.7: Xét hai binh thơng 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).

G‫؛‬ảí:
Từ (1.30) sẽ xác định dược áp suất dư của binh (2):
Pdu =P 2 _Pi =ρ§Δζ = 935,24.9,81.(0,8 - 0,34) = 4220,36 N/m2
= 0,043 at
Nếu Pi = 1 at thỉ Ρ2 = pi + pdu = 1 + 0,043 = 1,043 at
Nhận xét:
٠ Do áp suất với dụng cụ do này rấ^
suất cho phép do khoảng từ (0 5 ‫)ب‬at, nếu áp suất càng lớn thi thiết bị
càng cồng kềnh không phù hợp trong kỹ thuật.
24


Thiết bị đo này thườn, ứng dựng trong chưng cất, tách li các
chất lỏng có giá trị kinh tê trong cơng nghệ dược, cơng nghệ thực phàm.
■ Hai bình thơng nhau hỏ': dùng cho chất lỏng khơng hồn 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+PgZ2
Như vậy, sẽ nhận được: P‫؛‬. + p|gZj = P‫؛‬J + p 2gZ2

Pi2^92 = [‫؛؛‬
(1.31)

p 2 =Pl·■

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 thơng nhau hở như hình
1.9, sau khi cân bàng sẽ ra mặt phân lớp và xác định được Zi = 0,8 m; Z2
= 1,05 m. Hãy xác định Pd = ?
Giải:
Từ phương trình (1.31) sê xác định được khối lượng riêng của
dầu ăn.
p - p. Ì = 1000—- = 761,9048 kg/m.
z1,05 ‫؟‬
Nhận xét:
Hai bình thông nhau ở trạng thái hờ cho phép đo khối lượng
riêng của một chất lỏng bất kỳ bàng thước đo. Phương pháp này đơn giản
2S


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 khơng hịn tan với nó có khơi 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 +pgZ 2
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
= 80,5cm, chất lỏng ở trong bình là H 2O có p = 1000 kg/m^.
Giải:
Từ (1.32) sẽ xác định áp suất dư ở bình (1).
P،J = P |- p ٥ =pgAz= 1000.9,81.(0,805 -0,035) = 7553,7
N/m^ = 0,077 at
Áp suất tuyệt đối của bình (1) là.
Pi = Pđ + Pa = 0,077 + 1 = 1,077 at
26