Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn chế độ chảy nhớt Độ dẫn khí của ống tiết diện vuông cạnh a: ab Độ dẫn khí của ống tiết diện elip Với a, b – chiều dài trục nhỏ và trục lớn của eli
Trang 1BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MÔN HỌC
KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG
Mã số: 605066
Tác giả:
ThS Hoàng Minh Nam
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG TRÌNH GIÁO TRÌNH
Trang 2M C L C U U
Chương I: Khái niệm cơ bản
Chương II: Khí tự do.
Chương III: Khí tự do ở trạng thái chuyển động.
Chương IV: Dòng chảy của khí trong các thể tích, ống dẫn.
Chương V: Khí liên kết và vật liệu ứng dụng trong KTCK.
Chương VI: Tính hệ thống chân không.
Chương VII: Kỹ thuật tạo chân không.
Chương VIII: Thiết kế hệ thống chân không.
Chương IX: Phương pháp đo và kiểm tra chân không.
Chương X: Phương pháp làm kín các chi tiết quay trong KTCK.
Trang 3Tài liệu tham khảo
1 “High Vacuum Technology” – Groskowski – NXB Mir.
2 “Ứng dụng chân khơng trong kĩ thuật” – Lê Nguyên Đương – NXB KHKT.
3 “Technology for Vacuum systems” – Vacuum brand
Trang 4CH ƯƠ NG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Định nghĩa chân không
1.2 Khái niệm về khí trong chân không
1.3 Định luật Avogadro
1.4 Chân không tuyệt đối
1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chân không tuyệt đối
1.6 Khí trong thể tích và trên bề mặt bình chứa
Trang 51.1 Định nghĩa chân không
Chân không là trạng thái khí ở trong một thể tích nhất định có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển.
Kỹ thuật chân không: là các kiến thức liên quan:
• Tạo chân không
• Ổn định chân không
• Sử dụng chân không trong kỹ thuật
• Đo và kiểm soát chân không
Phạm vi ứng dụng chân không:
• Giảm nhiệt độ các quá trình công nghệ
• Tăng cường khả năng bay hơi
• Tạo các kết cấu ổn định và bền vững
Trang 61.2 Khái niệm về khí trong chân
không
Khí là tập hợp các phần tử trong nguyên tử
• Có dạng hình cầu (d0,m0)
• Chuyển động tự do theo quỹ đạo thẳng trong không gian
• Không tác động lẫn nhau khi ở trạng thái tĩnh
Hơi quá nhiệt có thể coi là khí
Khí ở trạng thái bảo hòa sẽ không có tính chất của khí lý tưởng
Khí có thể là khí:
1 nguyên tử (Ar, Ne, He)
2 nguyên tử (H2, O2, N2 …)
3 nguyên tử hoặc lớn hơn (CO2, SO2,SO3,CH4)
Trang 7 Thể tích mol: 22,4 lít/mol
Số Avogadro: Số phân tử trong 1 gram phân tử hay số nguyên tử
trong 1 gram nguyên tử.NA = 6,023.1023
Trang 81.4 Chân không tuyệt đối
Aùp suất chân không
Aùp suất tuyệt đốiP
P
O
Trang 91.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ
chân không tuyệt đối
Khi t0 = 00K:
• Không có dao động nguyên tử
• Khí đứng yên không chuyển động
• Khi do PTĐ = 0,nhưng độ chân không ≠ 0
Khi t0 ≠ 00K: khí sẽ chuyển động nên PTĐ ≠ 0
Trang 101.6 Khí trong thể tích và trên bề mặt
bình chứa
Khí tự do: khí trong thể tích bình chứa (sẽ va đập khi chuyển động)
Khí liên kết: khí nằm trên bề mặt bình chứa hay trong bề dày bình chứa (Hấp phụ) Khí này nằm yên không va đập.
Khí tự do sẽ quyết định áp suất trong bình chứa: Nồng độ khí tự do - số lượng phân tử trong một đơn vị thể tích:n= N/V(1/cm3 hay 1/m3)
Khối lượng riêng của khí tự do: ρk=m/v (g/cm3 hay kg/m3)
Nồng độ bề mặt:N1=N/A (1/cm2, 1/m2)
Trang 11CH ƯƠ NG II: KHÍ TỰ DO
2.1 Khí tự do ở trạng thái tĩnh:
2.2 Aùp suất khí
2.3 Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí
2.4 Chiều dài chuyển động trung bình của phân tử khí
Trang 122.1 Khí tự do ở trạng thái tĩnh:
Năng lượng: đặc trưng bởi vận tốc các phân tử khí khi chuyển động hỗn loạn M v C. T
W: Động năng của phân tử khí;
M0 : Khối lượng phân tử;
v: Vận tốc phân tử khí;
C: Hệ số phụ thuộc vào phương pháp xác định vận tốc;
T: Nhiệt độ trung bình của thể tích khí.
10 v
N 2c.
v =
Khí càng nhẹ vận tốc càng lớn
Trang 13Các phương pháp xác định vận tốc khí
Vận tốc trung bình gần đúng:
Chọn c = k = 1,38.10-16 - hằng số Bosman
Vận tốc trung bình bình phương:
N c 2
v =
0
T 29
, 1
0
4 gđ
T 10
58 , 1 v
2
3
0
4 gđ
T 10
46 , 1 v
Trang 14Vận tốc chuyển động của phân tử (nguyên tử) của một vài loại khí ở các nhiệt độ khác nhau (m/s)
Trang 152.2 Aùp suất khí
Aùp suất trên bề mặt bình chứa tạo bởi sự va đập của các phần tử khí có khối lượng M0 chuyển động với vận tốc v.
Aùp suất khí lên tường phẳng:
Aùp suất khí lên tường cong:
N - Số phân tử khí; r - bán kính cong
Định luật Dalton:
Aùp suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các khí thành phần
2 BP
k v 3
1
P = ρ
2
2 0
Trang 16 Phân loại chân không
760 Tor - Aùp suất thường
10 - 100Tor - Aùp suất thấp
1 - 10-3 Tor - Chân không
10-4 - 10-7 Tor - Chân không thấp
10-8 - 10-11 Tor - Chân không rất thấp
10-12 - 10-15 Tor - Siêu chân không
Trang 172.3 Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí
Trang 182.4 Chiều dài chuyển động trung bình
của phân tử khí
do - khoảng cách giữa 2 phân tử khí (cm)
) cm
( n d 2
1
2 0
o
π
= λ
Quan hệ giữa λ o = f(P, T)
P d
T 10
3 ,
0
20 o
−
= λ
Với: T = 2930K; do = 3,7.10-8cm (Ar, O2, N2); λ o= 5.10-3.(cm)
Với không khí: T = 2930K thì λo= 4,7.10-3 (P tính bằng Pa)
Trang 19CH ƯƠ NG III KHÍ TỰ DO Ở TRẠNG
THÁI CHUYỂN ĐỘNG
3.1 Nguyên nhân chuyển động
3.2 Các định luật cơ bản của chất khí:
3.3 Giá trị R0 phụ thuộc vào thứ nguyên
3.4 Trạng thái chuyển động của chất khí
Trang 203.1 Nguyên nhân chuyển động
Dòng khuếch tán:
do chênh lệch nồng độ ( ∆ n)
Dòng đối lưu:
do chênh lệch nhiệt độ ( ∆ T)
Trang 213.2 Các định luật cơ bản của chất khí:
Định luật Bôi - Mariot: PV = KTm/M0
Ở T = const, m = const thì PV = const
Định luật Gay - Lussac:
Trang 223.3 Giá trị R0 phụ thuộc vào thứ nguyên
Trang 233.4 Trạng thái chuyển động của chất khí
Kí hiệu:
Các quá trình cơ bản
trao đổi năng lượng với nhau Đây là quá trình chảy nhớt.
lượng với thành bình chứa Đây là quá trình chảy phân tử.
Số Knudsen: Kn =X/ λ0
Trang 243.4 Trạng thái chuyển động của chất khí
Trong ống dẫn hình trụ tròn kích thước d:
- Chảy nhớt
- Chảy phân tử
- Chảy chuyển tiếp
Chế độ chảy khi chảy nhớt:
Ở nhiệt độ t0 = 200C
Q - Lưu lượng dòng chảy - Tor.l/s
d - Đường kính ống dẫn - cm
Khi Re > 2200 - chế độ chảy nhớt rối
Khi Re < 1200 - chế độ chảy nhớt - dòng
01 ,
0
d0 ≤
λ
33 ,
0 d
0 ≥ λ
01 ,
0 d
33 ,
0 ≥ λ0 >
d 889 ,
0 Q
Trang 25CH ƯƠ NG IV Dòng chảy của khí trong
các thể tích, ống dẫn
4.1 Các khái niệm cơ bản:
4.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:
4.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn:
Trang 264.1 Các khái niệm cơ bản:
Lưu lượng dòng chảy Q - lượng khí di chuyển qua một đơn vị diện tích trong 1 giây
w 133 ,
0 s
l.
Tor 1
; s
Pa.m -
; s
Tor.lít -
; s
Tor.cm -
d
dV P
= τ
hay
P
Q
S = = (tại ống dẫn với áp suất P0)
Độ dẫn khí của ống dẫn - L
) s / m
( P P
Trang 274.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:
Ống nối tiếp:
Ống song song:
1 L
1 L
1
3 2
1 nt
3 2
1 nt
+ +
+
=
+ +
W L
W 2 L 2
W
1 W
1 W
1 W
1
L L
L L
3 2
1 SS
3 2
1 SS
+ +
+
=
+ +
+
=
Trang 28 Khi có trở lực cục bộ:
4.2 Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:
L 1 L 2
D 1 D 2 D 3
3 2
1 2
1
1 D
1 D
1 L
1 L
1 L
1
+ +
+ +
=
(kích thước ống dẫn phải lớn hơn ống hút của bơm chân không)
Trang 294.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
a Chảy qua lỗ: (h << d)
Lỗ nhỏ khi d << D
Lỗ lớn khi d có kích thước gần bằng kích thước bình
chứa
Lưu lượng khí qua lỗ nhỏ:
P1 - Aùp suất của bình chứa có Aùp suất cao hơn Pa
F - Tiết diện lỗ - m2;
r - Tỉ số Aùp suất: r = P2/P1;
k - Chỉ số đoạn nhiệt
Độ dẫn khí của lỗ nhỏ
P 2
P 1
D d
M
RT
1 k
k
2 r
1
r F P
1 k k
1
Trang 304.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
Nếu P2 << P1 thì vận tốc khí qua lỗ sẽ tăng và sẽ ít phụ thuộc vào P2 và đạt giá trị tới hạn
F
200
528 , 0 r nếu
r
1
F 200
1 r 528 , 0 nếu
r
1 r 1
F r
766 L
286 , 0 714
, 0
Độ dẫn khí qua lỗ lớn: L = L'.f
L' - Độ dẫn khí qua lỗ nhỏ; f - Hệ số hiệu chỉnh
F F
F f
D
D
−
=
Trang 314.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
b Chảy qua ống dẫn:
Lưu lượng khí chảy qua ống dẫn
R – Bán kính tiết diện ống (m);
l chiều dài ống (m)
m - Độ nhớt của khí (Pa.s);
Áp suất trung bình (Pa)
Độ dẫn khí cuả ống tiết diện tròn
Nếu T = 293oK (đối với không khí) thì
µ
− π
=
8
P
P P R
( ) m s
8
P R
Trang 324.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
Đối với khí bất kỳ: L’ = L.b
L - Độ dẫn khí của không khí;
β - Hệ số hiệu chỉnh
a/b 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
K’ 1 0,99 0,98 0,95 0,9 0,82 0,71 0,58 0,42 0,23
Độ dẫn khí của ống tiết diện hình chữ nhật
Đối với không khí ở 2930K
a,b – kích thước lỗ (m);
l chiều dài ống (m)
K’ – Hệ số phụ thuộc vào tỉ số a/b = rộng/dài
2 2
K 1950
Trang 334.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
Độ dẫn khí của ống tiết diện vuông cạnh a: ab
Độ dẫn khí của ống tiết diện elip
Với a, b – chiều dài trục nhỏ và trục lớn của elip
) s / m
(
P a 10 52 , 3
3 3
b a
b
a
P 64
n L
+ µ
=
Trang 344.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
Độ dẫn khí của ống hình vành khuyên
Với không khí ở 2930K
=
2 1
2 2 2
2 1 4
2
4 1
R
R lg
R R
R R
.
P 8
n L
2 2 2
2 1 4
2
4 1 3
R
R lg
R R
R R
P 10 67 , 21 L
Trang 354.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(chế độ chảy nhớt)
Độ dẫn khí của ống ngắn l < 20D
Đối với không khí ở 2930K
Độ dẫn khí của ống ngắn có tiết diện bất kỳ
L – Độ dẫn khí của ống dài có tiết diện tròn;
Lo – Độ dẫn khí qua lỗ
s / m
T R
Q
10 54 , 4 1 128
P D
P 1360
1 L
1
+
=
Trang 364.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Không có sự va chạm giữa các phân tử do vậy sử dụng lý thuyết
động học chất khí hay môi trường liên tục để tính
a Dòng chảy qua lỗ:
L – Độ dẫn khí tính như lỗ nhỏ;
f - Hệ số hiệu chỉnh như phần chảy nhớt
( P P ) ( Pa m / s )
M
RT
8 4
( M
T F 4 , 36
Trang 374.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
b Dòng chảy qua ống dẫn (l > 20D)
Ống dài có tiết diện bất kỳ:
vsh – Vận tốc trung bình số học của khí - m/s;
DTĐ – Đường kính tương đương của ống – m;
F – Tiết diện ống – m2 ;
l Chiều dài ống – m
Nếu ống dài có tiết diện không đổi theo chiều dài
Với không khí ở 2930K: L = 618
s /
m d
F D
v
F 194
L
TD
Trang 384.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Ống dài có tiết diện elip
Với không khí ở 2930K:
Ống hình vành khuyên
Với không khí ở 2930K
T b
a
b
a 7 , 53
2 2
b a
L
b a 170
D
D
D K
1 , 38
L
2 1
2 2
2 1 '
+
−
=
( D D ) . ( D D ) /
K 121
2
2 1 2
1
=
Giản đồ xác định hệ số
K ' với ống hình vành
khuyên
Trang 394.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Đối với rãnh hẹp
Với không khí ở 2930K:
Ống ngắn hình trụ
D
D D
.
a a
2
D
D ln 2
1 114
L
2 1
2 1
2 2
D D
a a
2
D D
ln 2
1 362
L
2 1
2 1
2 2
1
3
D α
α : Hệ số Klauzin
8 1 2 4 6 8 10 20 40 60 80 100
α 0,03
6 0,055 0,068 0,13 0,21 0,28 0,3 0,38 0,54 0,7 0,77 0,81 0,84 0,91 0,95 0,97 0,98 1
Trang 404.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Có thể tính:
Nếu D0 < 10D
với D0 – kích thước bình chứa;
D – kích thước ống dẫn
Tính độ dẫn khi ống ngắn bằng giản đồ
TD: L = 1m; D = 0,5m
( ) ( ) ( ) ( )2
2
D
12 D
38 20
D
12 D
15
+
= α
1
2 0
2
1 33 , 1 1
m 4 , 8 6 , 0 14
L
⇒
Trang 414.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Giản đồ xác định độ dẫn khí ống tròn ở chế độ chảy phân tử với không khí ở 2930K
Trang 424.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Công thức thực nghiệm Klauzin:Để tính toán độ dẫn khí của ống
ngắn Klauzin đề xuất công thức:
Với F – Diện tích tiết diện ống m2;
Đối với không khí ở 293oK: L = 116.K.F
K – Hệ số KlauzinĐể tính toán độ dẫn khí của ống ngắn Klauzin đề xuất công thức:
M
T
F K 4 , 36
L =
Trang 434.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Hệ số K đối với ống trụ tiết diện tròn
Trang 444.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Hệ số K đối với ống có tiết diện vành khuyên D1>D2
Trang 454.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Hệ số K đối với các lỗ hình côn
Hệ số K đối với các ống:
Tiết diện hình chữ nhật với b>>a
và Lỗ có chiều dài >> cạnh a
Trang 464.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Trang 474.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Trang 484.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Trang 494.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Trang 504.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
c Chế độ chảy chuyển tiếp
Độ dẫn khí trong ống trụ tròn với 0,01<Kn<0,33 có thể tính qua phương trình Knudsen: L = L1 + ZL2
L1 – Độ dẫn khí ở chế độ chảy nhớt
L2 – Độ dẫn khí ở chế độ phân tử
Áp suất trung bình hai đầu ống (Pa)
Với không khí ở 2930K:
µ +
p D 24 , 1 1
RT
M
p D 1
) p D 236 1
(
) p D 191 1
(
+
+
= Ζ
Trang 514.3 Xác định độ dẫn khí trong ống dẫn
(Chế độ chảy phân tử)
Xác định L theo giản đồ
Tính độ dẫn khí với: l =1m;
Trang 52CH ƯƠ NG V KHÍ LIÊN KẾT VÀ VẬT
LIỆU ỨNG DỤNG TRONG KTCK
5.1 Khái niệm:
5.2 Yêu cầu vật liệu:
5.3 Giới thiệu vật liệu
Trang 535.1 Khái niệm khí liên kết:
Khí liên kết là khí nằm trên bề mặt hay thẩm thấu vào bên trong vật liệu làm bình chứa.
Khi áp suất trong bình chứa giảm đến một áp suất giới hạn khí này sẽ thoát ra và làm giảm độ chân không trong thể tích.
Trang 545.2 Yêu cầu vật liệu ứng dụng trong
kỹ thuật chân không:
Độ thẩm thấu khí không đáng kể
Khả năng hấp phụ khí kém (bề mặt nhẵn)
Vật liệu sử dụng:
Làm thiết bị: Kim loại (Inox) - Thủy tinh - Ceramic
Làm chi tiết bít kín: Cao su, Silicon, Keo, Dầu (có nhiệt độ bay hơi cao)
Trang 555.3 Giới thiệu vật liệu
Thủy tinh:
Ưu điểm:
Không hấp phụ hay thấm khí,
Nhiệt độ nóng chảy cao
Dễ tạo dạng và kết dính
Nhược điểm: dễ vỡ, không làm kích thước lớn
Nhiệt độ nóng chảy:
Thủy tinh thường:490 - 610oC
Thạch anh: 15000C
Cách bài khí trong bình thủy tinh:
Rửa bằng axit loãng - tráng nước sạch - nung khô
Sứ:
Có nhược điểm giống thủy tinh
Nhiệt độ nóng chảy cao hơn
Tạo được kích thước lớn hơn
Trang 565.3 Giới thiệu vật liệu
Cao su:
Mềm, đàn hồi, dễ bít kín
Dễ hấp thu khí chỉ dùng ở thiết bị
Có độ chân không thấp.
Khi t0<-200C cao su bị cứng dễ vỡ
Nhựa:
Đàn hồi, cứng hơn cao su
Chịu ăn mòn tốt, ít hấp thu khí
Không chịu được nhiệt độ cao
Chất bôi trơn:
Glyxerin, Thủy tinh lỏng, Dầu hydrocacbon
Trang 57CH ƯƠ NG VI TÍNH HỆ THỐNG CHÂN
KHÔNG
6.1 Vận tốc hút khí của hệ thống
6.2 Xác định vận tốc hút khí của bơm và chiều dài ống dẫn
6.3 Thời gian hút khí và áp suất giới hạn của hệ thống
Trang 586.1 Vận tốc hút khí của hệ thống
Sb – Vận tốc hút khí của bơm chân không
St – Vận tốc hút khí thực tế của ống dẫn
L – Độ dẫn khí của ống dẫn
V
P1
P2
Bơm CK
St
Sb
L
Trang 596.1 Vận tốc hút khí của hệ thống
Lưu lượng khí trong ống dẫn:
t
1 S P S L P P P
b
1 S
1 L
1
−
=
L S
L S S
1 L
1
1 S
b b
b
t
+
= +
=
Trang 606.1 Vận tốc hút khí của hệ thống
Kết luận:
Khi tăng độ dẫn khí của ống dẫn thì vận tốc hút thực tế của ống dẫn sẽ tiệm cận đến vận tốc hút của bơm;
Để tăng độ hút khí của hệ thống thì phải tăng độ dẫn khí của ống dẫn.
Trang 616.2 Xác định vận tốc hút khí của bơm
và chiều dài ống dẫn
Trang 626.2 Xác định vận tốc hút khí của bơm
và chiều dài ống dẫn
Bài 1: d = 5cm; = 9m; P = 0,1 Tor Xác định Sb
- Nối điểm A (d = 5cm) với điểm B (= 9m) Xác định điểm C
- Nối C với D (P = 0,1 Tor) Xác định E (S = 50m3/h)
Bài 2: Sb = 50m3/h;P = 0,1 Tor;d = 5 cm Xác định l Nối D (P = 0,1 Tor)
với E (S = 50m3/h) Xác định C
- Nối C với A (d = 5cm) Xác định B (= 9m)
(Phương pháp này xây dựng trên điều kiện hiệu suất bơm lớn hơn 70%)