Thủy lực ứng dụng trong công nghệ hóa học đỗ ngọc cử

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH Κ Η Α - HÀ NỘI \ίψψ Đ ỗ NGỌC CỦ THỦY Lực ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ٠ NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NÔI ٠ LỜ! NÒ! ĐẦU ٦i ỉà CO،'Ca học chíiì lone cO ứne tlụiìe !.ộne I' ‫ ؟‬١ih 0'cho‫؛‬ền lJnh virc (tù' klií hậu íhiên vãỉi١đại du'ong học đến h , đ ị a ch٤١١‫؛‬in hết c ‫؛‬١c neanh khoa học kỹ thuật, thộni ch ‫ ؛‬cả nehệ thu(tt o'‫)؛‬ T io!ì cỏne n‫ ؟‬١a học, luyện k - ) h ệ h‫؛‬n٦١ sinh học nhỉều ngành chê' thttc phẩn٦ h ‫؛‬ê'n kliUc, thủy Ittc học co sO' để liiCu b‫؛‬ẻ't cỉựne lên c٤tc tiình xảy I٠a thỉết bị đê tír thiết kếcâTu trức cổc thiết bỊ clìo phh họ'p vận hanh chứng có h ‫؛‬ ệu Cuốn sảch 'ĩ h ủ y litc ứng diing Cong nghệ hóa học' cune cấp clìo bạn đọc ứnc dụns Sdch đề cập đê'n dạng dOne nhữỉìs kỉẻ'n thức co sO thủy lực tlìco quan điển٦ chảy tliuOne eặp trone cdc hệ thOne chê' b٤ẻ'n cO áp suất va klìOng áp suit, dOns chảy vật liệu ,xốp, dOnc cO hai pha chất lOne phi Newton, dO qua biểu thức, phrfong trJnh đổ thị, c (‫؛‬u trUc dOns va quy luật b ‫؛‬ê'n đổi dược thể hỉện Phẩn lOp siOi hạn giup nẹưO'‫؛‬ dọc h ‫؛‬ểu kĩ vé cấu trdc vUns dặc biệt qtian trọng đối vó.i qua trinh chuyển chất, truyền nhiẹt va xuns dê'n bề mặt t‫؛‬ê'p xtlc pha Sdch cUng dề cập đến co sO thíiy lực cíia hai dạng dattg p h a t ứ n g dt tr ‫؛‬e'!١٧ iệt Nam cac d ‫ إ‬nh luật, tinh chất dược dưa ra, chdne minh, giải thích dựa nhiều cOng thức todn học Đỉều nầy dược trọng đạc bỉệt phần trinh bàv co học clìất lOng nhtr cac quan hệ can va chuyển dộng, cấu trUc Ihnh học vOi dOng (V ‫ ؛‬dụ: nhtrng qua t h t r c i r n s dt sane tỏ nhỉềti va'n đề t٤ỉo co sO vữns chổc clio Ung dụng nehịệm da ian١ Nội dung d ‫ا‬.fọ’c trinh bàv trone cuOn sach da dưọ'c tac gia dUc kết qua nhiều nam giang dqy oác n٦ốn học chuyên nganh va chtiyên sau cho sinh viên nghnh Qua trinh thiết b‫إ‬ nói riêng Kỹ thu^t hóa liqc nOi chune trường Đại học Bach cOne nehệ lìOa - thttc pha٩n٦ Tuy nhiên, qua trinh b Khoa Ha N()i٠‫؛‬ên soạn ci!ổ'n sắch cOn nhiều thiếu sOt VI a mone dược bạn dọc chân gdp ý dể ctiOn sáclì nghy cane dược hohn tlìiện hon ,Mọi ý kiCn dong góp xin gỉri mOn Quá trinh va Thiết bị cOng nghệ Hóa - Thtíc phẩm ện Kv thu^t hda học, trường Đại học Bách Klioa -Ha Nộỉ Đ ‫؛‬ện thoại: (04) 38680121 Email: hoaconeCo)mail.hut.edii.vn on Xin chan cản٦ Tác giả MỤC LỤC Lời nói đầu Chương MỘT SỐ VẤN ĐỂ c BẢN VỀ THỦY Lực HỌC § MỘT số TÍNH CHẤT CỦA CHAT LỎNG 1.1 Chất lỏng co dãn thể tích 1.2 Tính nhớt 10 1.3 Sức căng mặt chất lỏng, tính thấmướt mao dẫn 13 §2 VÀI NÉT C BẢN CỦA THỦY TĨNH HỌC 14 2.1 Lực áp suất thủy tĩnh 14 2.2 Phưomg trình vi phân chất lỏng cân 15 2.3 Phương trình thủy tĩnh học 16 23.1 Chất lỏng đứng yên trường trọng lực 17 2.3.2 Chất lỏng thùng chuyến động với gia tốc a theo phương ngang X 18 2.3.3 Chất lỏng thùng quay 19 2.4 Một số ứng dụng phương trình thủy tĩnh 20 2.4.1 Định luật Pascal 20 2.4.2 Định luật Arsimet chìm 22 §3 THỦY ĐỘNG Lực HỌC 23 3.1 Một số khái niệm 3.1.1 Lưu lượng tốc độ 23 ٠ 3.1.2 Đường dòng ống dòng, dòng nguyên tố 3.2 Các chế độ chuyển động chất lỏng phân bố vận tốc dòng chảy 23 24 24 3.2.1 Phân bố vận tốc dòng chảy tầng 25 3.2.2 Cấu trúc phân bô'vận tốc dòng chảy rối 29 3.2.3 Đặc trưng Reynolds chế độ chảy chất lỏng 32 3.3 Các phương trình chất lỏng chuyển động 33 3.3.1 Phương trình liên tục 33 3.3.2 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng 35 3.3.3 Phương trình Bernoulli 36 3.4 Trở lực dòng chảy ống 40 3.4 TrcV lực đối vó’i dòng chảy trone ống 40 3.4.1 Trở life ma scU 40 3.4.2 Trở life citc hộ 43 §4 DÒNG CIỈẢY VỚI I3Ề MẬT TựDG 47 ‫ ا‬ Chay tần ‫ ة‬bể mặt nshienc xiion 47 4.7 Dòng chảy kênh hở 48 4.2.ỉ Dỏng chảy 48 4.2.2 Vận tốc dòng chay đềii 51 §5 CHƯYỂN DỘNG CỦA DÒNG KHÍ 57 5.1 PhÌíơng trinh done liên tục 57 5.7 Ph‫ ا‬fơng trinh Bernoulli cho khlỉý tưởng 53 5.3 Phương trlnli năne lượng 54 5.4 Chuyển dộng ống hlnh trụ 55 5.5 Chuyển dộng tír binh chứa 56 5.6 Chuyển dộne cUa dOng trone ối٦g phun với vận tốc âm âm 58 §6 TÍNH CPIẤT PHI NEWTON 67 6.1 Tinh chất phụ thuộc t-ốc độ trượt 67 6.7 Tinh chat phụ thuộc thơi gian 66 6.3 Tinh dẻo - nhí^ (Viscoelastic) 67 6.4 Quan hệ tinh lưu biến cấu trrlc vật liệu 68 6.5 DOng chất lOng Phi Newton (FW ) o8 6.5.ỉ Đối với chất long chảy tiìng theo quy luật nul 69 Ó.5.2 Dòng chảy rang clĩất long deJo - Bingham 70 Chương CHUYỂN ĐỘNG CỬA HẠT TRONG MỎI TRƯỜNG l On G 72 §1 DÒNG CIIA y b a o HÌNH TRỤ VÀ H١ ĨNH CẦư 77 §7 Lự7 CẢN LÊN HẠT CẦU 73 §3 SựLẮNG TỰDO TRONG TRƯỜNG TRQNG L ự : 75 3.1 Tốc độ lắng hạt cầu 75 3.7 vai nhân tố ảnh hưởng 77 §4 CHƯYỂN DỘNG CỦA HẠT RHÔNG HÌNH CẦU 4.1 Anh hưởng hlnh dạne định hương lên trở lực 78 78 §5 CHUYÊN ĐỘNG CỦA BỌT VÀ GIỌT 81 §6 CHUYỂN ĐỘNG CÓ GIA T ố c CỦA HẠT 82 6.1 Phươnc trình chunc 82 6.2 Chuyển động thảne đứng 84 6.3 Chuyển động hạt trườne ly tâm 86 Chưtmg DÒNG CHẤT LỎNG QUA LỚP VẬT LIỆU HẠT cố ĐỊNH 89 § MỘT s ố ĐẶC TRUNG CỦA LỚP HẠT 89 §2 CÁC PHUƠNG TRÌNH BlỂU THỊ DÒNG CHẢY QUA LỚP XốP 91 2.1 Định luật Darcy độ thấm 91 2.2 Phương trình Kozeny—Carman dòng chảy tầne 91 2.3 Dòng chảy tầns qua lớp xốp với mao quản kích thước khác 93 2.4 Ảnh hường chế độ chảy dòng 96 2.5 Ảnh hưởng thành giá đỡ lớp hạt 97 §3 DÒNG CHẢY VÀ SỰLÀM VIỆC TRONG THÁP ĐỆM 98 3.1 Tháp đệm 98 3.2 Trở lực chế độ cùa tháp đệm 100 3.3 Tốc dộ giới hạn 103 3.4 Mật độ tưới phân bố pha lỏng tháp đệm 105 §4 SỰPHÂN TÁN 108 4.1 Ảnh hướng phân tán 108 4.2 Phân tán hướng trục hướne kính 110 Chương LỚP LỎNG GIẢ CỦA VẬT LIỆU HẠT 114 §1 NHŨNG ĐẶC TRUNG CHUNG 114 1.1 Quá trình lỏng hóa lớp hạt đạc trưng chung 114 1.2 Chênh lệch áp suất đầu lớp hạt 116 1.3 Tốc độ bắt đầu lỏng hóa 117 §2 HỆ LỎNG - RẮN 119 2.1 Sự dãn lớp lớp lỏng giả đơn dạng 119 2.2 Lớp lỏng già không đơn dạng 120 §3 HỆ KHÍ - RẮN 122 3.1 Pha bọt 122 3.1 Pha bọt !22 3.2 Phan loai theo t‫؛‬nh chrử long hOa 123 §4 SựTRỘN TRONG LỚP VÀ SựPHÂN TÁCH THLO KÍCH THƯỚC 124 4.1 Chuyển độ!ig cùa hạt tuổn hoan 124 4.2 Sự phan tách hạt 123 §3.LỚP PHCN 127 §6 LỚP LỎNG GIẢ TRONG TRƯỜNG Lực LV TÂM (LLGLT) 129 §7.IIỆ LỎNG(JIẢ HA PHA 131 §« LỚP SÔI RUNG 132 ٠ 8.1 Liai trgng thai lớp hạt Lhi rung 132 8.2 Lớp sởi rung trons dOng cha n٦ởi trLtOng 134 8.3 Một số tinh chất cha lớp sOi rung 136 8.3.J.Tínlinlĩớt 136 8.3.2 Độ xốp dãn lớp sôi rung 137 8.3.3 Tínlì cỉuíì tlìiìy động ỈI(C 138 Chương 5٠ VẬN CHƯYỂN KHÍ DAY 141 §1 NHŨNG KHAi n iệ m CHUNCt 141 1.1 phân loạỉ 141 l Một số đại lượng đặc trưng 142 §2 TỐC ĐỘ KHÍ TRONG VẬN CHƯYỂN KHÍ DAY ỐNG DẶT d L^G 143 2.1 Dối với chuyển 4ộng cha h‫؛‬ư 143 2.2 Vận tốc giới hạn d(١)ng chứa nhiều hạt 143 §3 TỐC ĐỘ GlOl HẠN Đốl vOl DONCi NGANG 146 §4 CẤƯ t r Uc d On g Và v Ạn t ố c LÀM VIỆC 148 §‫؟‬٠ TỔN t i i At Áp sư ấ t d ố i v i đ ò n g vận c h y ể n KIIÍ DẨY 132 5.1 Tổn thất áp suất dối với dOng d^tng 153 5.2 Tổn thất áp suất dối vớị dbng ngang 156 5.3 Tổi١tliất áp suh't chc dogn ống cons 157 Chưưng LỚP GIỚI HẠN 159 MỞ DẦU 159 §! LỚP GIỚI HẠN CHẢY TẦNG 160 1.1 Phươns trinh chuyển độn٤١ch‫(؛‬t !ỏnc trons lớp £‫؛‬iới hụn 1.1.1 Phương trinh Prcuuỉtl 1.1.2 Phương trinh Blasius \'à ‫’ااااأ‬٢ nghiẻin N‫ا‬.c‫اا‬rad‫ذ‬٠ e đồl với lớp giớì han cila clàìĩg chciy dọc theo tcíỉìì 1.2 Chiều dày lớp gió'i hạn 1.3 Trơ lực ma sát §2 SỰCHƯYỂN TIẾP TỪLỚP CIỚI HẠN TẦNG s a n g RỐI 160 160 ]162 165 170 171 2.1 Nguyên tắc cUa ổn định lớp giới hạn chảy tầng 171 2.2 Một số nhân tố ảnh hương 175 2.2.1 Cường độ ,٠۵‫؛‬ dỏììọ> 175 2.2.2 Tác diing Gradicnt áp siiất 176 2.2.3 Sưỉĩiit lớp giới hạn 184 2.2.4 Tác diing ciìa ỉưc ly tâm 185 2.2.5 Ảnlĩ hưởng chcnh lệch khối lượng riêng clìđr long 188 2.2.ố Ảnh hưởng cila truyền nhiệt 2.2.7 Ảnh hưởng độ nhám ciia tường §3 LỚP GIỚI HẠN RỐI 89‫اإ‬ 191 194 3.1 Gradp = 1194 3.2 Khi dòng có grandíent áp suất 1196 3.3 Tấm phẳng nlìám ٧a độ 20(1 §4 KHAI NIỆM LỚP (3IỚI HẠN NHIỆ 20.‫؟‬ 4.1 LÓ.P giới hạn nhiệt độ 20‫ؤ‬ 4.1.1 Tường lanh (nhận nliỉệĩ) 20‫؟‬ 4.1.2 Tường đoạn nhiệt (‫ا‬ 4.Ỉ.3 D()ng nhiệt qua lớp giới hạn không đổi 4.2 Lớp giới hạn nồng độ TÀI LIEU THAM KHẢO (‫ا‬ ‫ﻏﺎ‬ 21 ٤ Chương MỘT SỐ VẤN ĐỀ Cơ BẢN VỀ THỦY Lực HỌC §1 MỘT s ố TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỒNG 1.1 Chất lỏng co dãn thê tích rạng thái lỏng (quen 2ỌÌ chất lòng) trạng thái vật chất có đặc tmng khổng có trở lực biến dạn ٤ĩ, vậv, tự hình, nghĩa hình dạn٤ĩ khối vạt chất tùy thuộc liình dạng bình chứa Nguyên nhân hiộn tượng trạng thái lỏnR, nội phần tử lớn, động năn chuyển động tự chúng thắng tương tác phần tử (để giữ chúng vị trí định) Trong thực tế, trạng thái bao gồm lỏng giọt khí, khác mạt độ vạt chất, đỏ, khác vồ tính chất Một nhân tố phân biệt lỏng giọt khí tính chịu nén, hiển thị độ thay đổi thể tích tương đối thay đổi áp suất đơn vị p= (1.1) ٧ o ،‫؛؛‬،p A٧ p = Vp - v ٥; Ap = p - p،١; p, p،١: áp suất chất lỏng tích v ٠١, v ٥ (3iá trị p chất lỏng nhỏ, phụ thuộc vào bán chất chat lỏng Oối với nước, X10“'^ Ịp~ ] = 0,5x10 ^ (bar)”‫؛‬, nghĩa tăng ấp suất bar, thể tích khối chất lỏng giảm khoảng 1/2 vạn lần Chất khí gọi chịu nén, độ thay đổi thể lích theo áp suất tùy thuộc vào áp suất tính chất trình Phương trình chung khí lý tưởng có dạng: P٠١V > P V ٠١; Cn ^ ^ k = ^ ;Cp,C ١, c n = l^ k ( 2) nhiệt dung riêng đẳng áp đẳng tích Từ suy hệ số chịu nén / Pp=- V -V , ٧«-(p - Po) X٠/ p.١v pJ (1.3a) p -Po Trong trình đẳng nhiệt, với n = 1, từ (1 ■3a) nhận được: Pp = ì (1.3b) Chất lỏng thay đổi thể tích thay đổi nhiệt độ, gọi dãn nở nhiột Hệ số dãn nở nhiệt định nghĩa: VoAt (1.4) ١đô-' A V ,= V ,-V „; At = t- t„ = T -T „ Lỏng giọt có khoảng 10 nhỏ, biến đổi không nhiều theo nhiệt độ Nước áp suất thường, 20.C có p٦١= 10“^ độ- ٤ Còn khí, tròng trình đảng áp khí lý tưởng, biến đổi thể tích theo nhiệt độ: (1.5) y o١ ” T.Ü Kết hợp (1.5) (1.4) được: ( 6) Do co dãn thể tích theo nhiệt độ áp suất, khối lượng riêng chất lỏng khí biến đổi Từ (1.1) suy ra: Vp=٧„ [ l- P p ( p - P ٥)] hay biến đổi khối lượng riêng theo áp suất chất lỏng: Pp “ Po ٠ ١ / \ (1.7) i-P p(p-p.) Tươns tự, tìm phụ thuộc khối lượng riêng vào nhiệt độ (suy từ (1.4)): p>=p i +P t ( T - t ) ( 1.8) 1.2 Tính nhớt Tính nhớt tính chất quan trọng chất lỏng, biểu thị khả nãng chống lại dịch chuyển Giống lực ma sát chuyển động tương đối hai vật rắn, hai lớp chất lỏng thực chuyển động tương nhau, có tượng ma sát, nghĩa xảy truyền động lượng lớp chuyển động nhanh (lớp hình 1.1) cho lớp chuyển động chậm lơn (lớp 2), làm cho lớp bị chậm lại lớp chuyển động nhanh thêm Tính chất trnh tương tự ma sát vật rắn Do vậy, dùng định luật ma sát Newton để tính độ lớn lực ma sát nội này: 10 Mà điều kiện giới hạn là: ^ - f = f ٠= ^ = oo f = Phươn‫ ؟‬trình (6.113) biến đổi thành: dự „ _ V dị (6,114) 2C, u Trons đó: Pr = —= a Cpk Gọi lời giải phương trình (6.1 1 ) (vế phải không) 0i(‫) ؛‬, nghĩa i (‫ )؛‬thỏa mãn: Pr 0.1 + — ^ f0.1 = Với điều kiện 2Ìới hạn 0J = (6.115) T -T ^ ١ = ‫ = ؛‬y ١ =0 T^vv - Th)١ V vx Và e ١ = ^ = 00 Phương trình (6.115) tương ứng với trường hợp tường lạnh (nhận nhiệt) Còn lời giải thứ 2, 6٦(^), thỏa mãn: 0■; + - P r f 0' = - Prf■'‫؛‬ ■ (6.116) ‫؛‬ Với điẻu kiện giới hạn: 0, = = ‫؛‬ 02 = 00 - ‫؛‬ Biểu thức (6.116) tương ứim với trườnơ hợp gọi tường đoạn nhiệt (không có ١ dòng nhiệt trao đổi tường bên = ٦(O) = O ٥‫ ؛‬Ả=o Nghiệm tổng quát (6.114) có dạng: T (ạ )-T ٧ =C0,(ạ) + Ậ ( ) 2C Sau xét vài trường hợp điển hình 206 (6.117) 4.1.1 Tường lạnh (nhận nhiệt) T١ =const rườiìg nhiệt độ LGHNĐ biểu thị qua nghiệm ị(^) (6.115): Pr ‫ذا؛('ﺀ[إ‬ ‫ﺗ ﺊ‬0 e , ( ‫ ؛‬ Pr ) ‫؛‬ > p (6.118) í [ r >‫ ]'؛‬،'‫؛‬ ‫ﺗ ﺦ‬0 (‫))(=؟‬ Sử dụng c،'ic giá trj f,f ,1' tíf bảng 6.1, ta dã tim dược phân bố nhiệt độ dựa ٧ào (6.1 18), thể hlnh 6.51 Đồ thị (hlnh 6.31) cho thcíy phồn bố nhiệt độ thay dổi nhỉểu theo giá trị Pr: S : ! P r ٠ ‫؛‬l‫؛؛‬ (6.1!9) Trong dó: a= k : hệ số dẫn nhiệt độ C n -P Giá trị Pi phin dnh tương quan chuyến dộng lưọ٠ng truyền nhiệt độ (cUng tiTiyền nhiệt) LGH Khi Pr = 1١tứ٠c ١' = a, phân bố nhiệt độ giống phân bố tốc độ Klii dO: e, = T -T \v T -T v v u u() ( 120) ‫= ؛‬, u,i v.v.x Hỉnh 6.31 Phân bố nhiệt độ LGHNĐ chảy tẩng mặt phẳng vói giá trị khác số Prandtl Pr 207 Đường cong ứng với Pr = (ti.cn hình 6.31) tiếp ị* = XLÌC với trục hoành điểm có: (6.121) !- ::^ = v.x Các đường cong ứng với giá trị Pr > 1١đều nằm phía trái, đường ứng với Pr < nằm bên phải đường ứng với Pr = Đường tương ứng Pr càn lớn tiêp giáp trục hoành Ìá trị nhỏ Căn vào đồ thị suy độ dày LGHNĐ từ quan hệ: sị (6.12 la) giá trị tiếp điểm đường cong j với trục ‫؛‬ Trường hợp Pr = 1000, 0,5= ‫ ؛‬١١, đó, ỗy = ١1Ỗ١ Pr > tương ứns với Ciíc chất lỏn‫( ؟‬nước, dung dịch nước, chất lỏn‫ ؟‬hữu ) Các kim loại lỏng lại có Pr thấp 20.C, thủy ngân có Pr = 0,023 Do đó, LGHNĐ kim loại lỏng dày gấp nhiều lần LGH tốc độ LGHNĐ khí lớn LGH tốc độ Nhìn chung có quan hệ sau: ١ ô ( 122) VPr Dòng nhiệt truyền vào thànli tính theo dẫn nhiệt: % = -k ^d T ١ (6.123) ٥yA.=o Theo (6.120): dy yy=0 = (T„-T„,) de, ^ ^ ١ " í /‫؛‬,=() v ٥yy (6.124) d0, = (T „ -T J dO, E.Pohlhansen tính giá trị ،٠‫؛‬ theo biểu thức sau với giá trị Pr từ - 0,6 đến 15 (xem bảng 6.6) ^d0 , ١ 0.3 22332Pr^ Re; (6.128) X Giả dụ phẳng có chiều dài (theo hirớne i) ‫ ﻟﻢ‬th١ dOng nhiệt trung binh: q ٠b = i ‫ا‬ ‫إ‬ x= q ٧(x)dx = 0,664 -‫ ﻟ ﺌ ﺬ ﻟ ﺘ ﻠ ﻠ ﺦ‬Pr‫ ؛‬Re‫إ‬ (6.129) ‫؛‬٧ Vói Re, = ^ £ i V Tinh theo định luật cấp nlìiệt thl: b = a ( T - T ' ٧) (6.13(1) ‫ ؟‬uy la: k ‫إ‬ Ị « = 664 ‫ ع‬ ‫ ا‬Pr5.RC|2 (6.131) Hay: Nu 664‫— ت‬ ị ‫ت‬ ‫إ‬ ‫ ا‬Pr3 Re;i (6.132) Như vậy, (6.132) cho phép tính trình cấp nhiệt chất lỏng chảy tầng imạt phẳng Pr = 0,6 ^ 10 Những tính toán trường hợp Pr nhỏ lớn cho quan hệ; I a ,= 0,564 Pr K h iP r ^ O : ‫( ؛‬6.133') K h iP r - ^ 00: a, =0,339Pr^ 'Haeo cách làm nliận dược biểu thức tíirh liệ số cấp nhiệt Khi Pr nhỏ (Pr -* ()): 209 ‫و‬ ‫إ‬ ‫ذ‬ N u= — = 1,128 Pr2.Re]2 A, ( 136) ' (6.132) (6.136) khác râ١ nhỏ, chứng tỏ 1)1 tăng lớn, tinh chất dẫn nhiệt LGH chảy tầng gần giống với miền Pr = 0,6 10 ‫ ؛‬ 4.1.2 Tường đoạn nhìệt Nghiệm thứ (phương trinh (6.116) tương ứng với trư^ig hợp tười١ g chịu dốt' nóng Iihiêt ma sát u lớn —1 2C dăc trưng cho dô tang nhỉêt dô doan nhiệt tường Nghiệm 02 có dạng: ‫ت‬ = T (^ )-T q ٠٠ ‫؟‬١ ( = 2Pr l-ĨQ ٤‫ل‬ ,, ‫ ا‬1 -‫ ل؟‬١ í [fit)] ‫ةت‬ dt (6.137) ‫تﺀ‬0 Nhiệt độ đoạn nhiệt trường T١١, = T٦ tăng lên nhiệt công ma sát, tính theo biểu thức: ٦ ٦ T - T ٥ = b ( P r ) i = ١/ ^ i ٥ ٠c ?c (6.138) Trong dó b(Pr) = ễ phụ thuộc ctia Ta vào Pr, tlm dược nhơ số liệu bảng (6.6) Phân bố nhiệt độ tiarơng hợp (phương trinh (6.137)) dược biểu thị hlnh 6.32 Dựa vào dồ thị tinh ‫ ﻟ ﺔ‬theo cOng thức (6.121), (6.121a) 4.1.3 Dòng nhiệt qua LGH không đối ٩٥ = const Trong tinh toán về' LGH, phương trinh tích phân dộng lượng nầng lượiìg dược dUng phổ biến dơi) giản hơi) phươi)g pháp gần dUng Hình 6.32 Phân bố nhiệt độ LGH chảy tầng dọc theo mặt phăng trường hợp 210 ٧ orât lón (tường đoạn nhiệt) l^ong mục này, ta áp dụng phươnR trình tích phàn lượng, trước hết viộc thiết \ập [5] Đế thiết lập phương trình tích phân lưọìì٤z, neười ta xét cân nhiệt phân tố khôno; gian chất lỏng giói hạn m،ặt l - 2, - 4, - - (xem hình 6.33) mà - trùng mặt thành -4 nằm neoài LGH cách thành đoạn / mặt - cách -4 đoạn dv àV ►X Hình 6.33 Mô hình lớp giới hạn để xây dựng phương trình cân nhiệt Lượng nhiệt truyền qua phân tố bể mạt - có chiều rộng b độ dày dy cách thành đoạn y chất lỏng chảy tốc độ u١ có nhiệt độ T dq = Cppu١ T.b.dy lượng nhiệt truyền vào phân lố tính cho mặt - (vào) - (ra) là: qi = C pP b:^ Ịx u x d y dx (a) L٧ Nhiệt truyền qua mặt - (nằm ngoàiLGH tốc dộ) là: ٨ r،c ũ j(iix.dy) dx ^2 = C p - T o - b p dx (b) Trong đó: e Ị(ux.dy) dx dòng khối lượng chuyển qua mặt - vào LGH Nhiệt dẫn qua mặt 1-3: p t ٠T õ q = -k b d x ^ ^ ١ (c) Nếu Ty = const có cân nhiệt lượng sau: q, = q ٦ +q ,٩ 211 dùng biểu thức (a), (b) (c) được: k 'r r ١ õx -— ‫ﺀ‬1‫ل‬ ٠٠ j : p C p [dyy >’ ‫ ت‬0 '،‫ ؟‬T ١ \d y / (6.‫ ؤا‬9) (6 ‫ ا‬40 ) :hệsốdẫnnh,i.ệtdộ pCr (6.139) phương trình tích phân lượng Để dùng (6.139) cần biết phân bố nhiệt độ Người ta chọn phân bố tốc độ có dạnư: ٧ x = a f y ١ + a- UJ ổưx ‫ ا ا‬١‫ت‬ „I (6 ‫ ا‬41 ) v5-١ y [ Uy ' ổy ỔƯX = ‫ج‬2 + ‫ﻷ‬,‫ﻹ‬ ổy^ Xuất phát từ điều kiện chảy không trượt thành, trờ lực thành không biến đổi, sc có: a‫ ؛‬Ux d ~ ‫ د‬٦ —a 0.) —0 >‫ل‬0 y ' ỠUx K h iy = S th ìa + a ‫ ؟‬: a Ổy2 >'‫ت‬0 3ag2 + ٠ y = = y =0 aj=_3a3ỗ2 y = S lh 'iU x = aiỒ + 3a3S2 = ٧ Do dó: a, = ٧n 2Ồ u 2‫ج‬5 Phân bố cụ thể là: ‫ق‬3 — ٧ _3 f y ١ ٧٧ ^ j x 1r y ١ 2U J (6.142) Phân bố nhiệt độ LGHND dược chọn dạng phản bố tốc độ r \ ‫ﻟﻢ‬ r , ٦٠١ ‫] ك‬١ T -T w = c, + Cì + ‫ح‬2 \‫ر ﻟ ﺔ ا‬ [0 y [ỏĩ y ‫ل‬ Trong dó: T١٧: nhiệt độ thành ٧١i ٩o= const = -k íõ t ] nên ۶ ٦ [d ỵ y y : 212 không đổi ‫ ا‬6.143) ‫آ ذ ﺟﻨ ﻢ‬١ N٥„ = () [ d y l ìy:{, Cíing cách blếii đổi ‫ اﻟﺔآا‬và chiis đircíc: / '١ T- T Ì-1 Ĩ‫)(د‬- -T VỏT ,) V(VÌ: (6.!44) 3‫ﻟﻞ ل‬ ‫ﻟﻢ‬0٠- ‫ل‬ ‫! ﺟ ﻚ‬١ dy ]):{} (6.145) ‫ اة‬- Tinh tínig phần cLia (6 ‫ ) ؤ‬di.rợc san: Ux dy ỉ ( T „ - T ) ٧ xdy=(T ٠, - T w ) U „ l [ l - ị ^ ()[ ‫ ؛‬0 ‫ ر»ل‬TTTliay (6.142) (6.144) vào (6.146'), tínli dược: í(T (٠- T )U x d y = ^ (T ()-T )U (,ô \ '‫رة‬ ‫)؛‬ Ì٧ Vế phải cha 6.139 ì ) p C p ٩ f) ‫ت‬ 1V ‫ة‬ : _ Ì / ()=·.‫؛‬ > '‫ﻞ‬ ‫ ﻟ‬ ‫ا( ل‬ (6.146) (6.147) (6.148) pC p const dòne nhiệt không dổi từ thành dến LGH 'rhay (6.147) (6.148) vào (.6.139) dược: 5ĩ c (T o-T w ) ٧ oỗ \ O J ÕẴ 20 ١ ١ i (6.149) c.p Tích phân theo x phương trình (6.149) với điều kiện biên x = 5٦١ = 0, được; y ỗ / ١" ٦ (T٧ - T j u ٧ù ‫ ؛‬٢ =- ^ x 20 ‫ى‬ CpP (6.150) CO thể tínli ٩n theo (6.145): Ụ'T ‫ ج‬١ 4‫ = ﻻ‬- ‫ﺗﺈ‬ I T‫)(!ا‬/().- TIvv ‫و‬ : ‫ل‬ d yjy : (6.151) 5‫ل‬ l^iến dổi dược: _! ỗ l)ùng (.6.20b) tinh chiềư dày ‫ ج‬thay vào (6.152) dược: - ١ ‫ة‬ ^ = ,5 R e ^ P r - -١- (6.152) (6.153) 213 Hệ số cấp nhiệt tính theo dòng nhiệt qf١: f ^ k ^T_ -qo T٧ -T،, a (6.154) T ^0 - T٤w Thay (6.150) vào (6.153) được; k k a = — = ——— S ٦٦ 3,59 ٢١ , ٢٦ ١ _ Pr ^ X (6.155) Pr =X — ٠^= Nu٤ 0.417"‫ ؟‬ Re7 (6.156) ' 4.2 Lớp giới hạn nồng độ Khi có trình chuyển chất từ pha sang pha khác vùng lân cận bề mặt tiếp xúc pha có grandient nồng độ Vùnẹ có gradient nồng độ lớn, tập trung trở lực trình chuyển chất vùng có chế độ thủy dộng yếu - chảy tầng - LGHTĐL Do vậy, nghiên cứu lớp giới hạn nồng độ - vùng có grandient nồng độ s lân cận bổ mặt tiếp xúc pha có ý nghĩa lớn ứng dụng kỹ thuật Đã có nhiều thuyết đưa lý giải chế chuyển chất cách tính toán dòng chất chuyển qua vùng nầy Tim hiểu vé LGH nồng độ xem sở tốt cho lý thuyết đây, ta xét trường hợp đơn giản có khuếch tán cấu tử A qua LGH thủy động lực chảy tầng đẳng nhiệt, gradp = theo hướng chảy Nồng độ cấu tử A (là c, ١) tương đối nhỏ nên ảnh hưởng dòng (đối lưu) phía LGH không đáng kể Xét cân vật chất phân tố thể tích chất lỏng thể trén hình 6.34 Dòng có tốc độ ٧ nồng độ cấu tử A Q), nồng độ cấu tử A bề mặt tiếp xúc pha - c ١٧; LGH nồng độ có chiều dày ỗỊ) aV ►X Hỉnh 6.34 Mô hình lớp giới hạn để xây dựng phương trình cân vật chất 214 Ị.ượng chất A qua bề mặt ' chiều rộn٤‫ ؛‬b, clìiồu đày dy (C: ke/m.^) dm = bC.Uxdy Lượng qua mạt - 2: m = b ịc.U x d y Độ biến đổi ổi khối lượn» cấutửtửAAtron tron٤ĩ٤ĩ khối chất lỏng có chiều dài dx, chiều cao 1: o m‫ ؛‬- ٦ e dx (in)dx = b - ~ ịC.Uxdy õx 6X (a) ị in‫ ؛‬là trao đổi chất từ dòn» vào m٦sự khuếch tán qua bề mặt pha 1-3; niv Tron» đó: e _ ổ m ٦ = b — Jc، ٠.Ux.dy dx ỡx m ‫ = ؟‬- D.bdx (b) ^ dc^ (c) /5 y j, ٠0 1): hệ số khuếch cấu tử A Tron» điều kiện ổn định có: m‫ = ؛‬m ٦ -f m (d) dliay biếu thức (a )١(b)١(c) vào (d) phưưns trình sau: a J(C ٧ -C)Uxdy ổx "o C ١ U yy (6.157) y = í) phtrơng trình (6.157) có dạng giống hệt (6.139) Chọn hàm phân bố tốc độ phân bố nồng độ có dạng mục trước (phưcmg trình (6.141) (6.142) phân bố nồns độ tươn٤! tự (6.144)): C - C^ w c، - C í- ١ - ì ،١D y (6.158) Tron٤z đó: ô ٥ : chiều dày LGH khuê.ch tán c ١ ٠ ١٥: nồng độ A bề mặt tiếp xúc pha ١٧: ÍỔ C ١1 ٩،» « l ỡy ^ ١ = ệ A ( C ٠٠- C ١„ ỗ٥ (6.159) Tương tự trường hợp LGHNĐ, ta có: ٠ ٠ Ị(C -C )U x.dy = ưo(C، - C j J ^ n 0٧0 c - c ‫^؛‬0 "٠ , ày 215 T lia y ( ) v ( ) v o v ế p h ả i p h n g tr ìn h trê n đ ợ c : Ị ( C ، ١ - C ) U x d y = | - ( C ، ١ - C J U ، ٠ íĩ,ô Ỹ ’d ô y (6.160) T r n g h ợ p d ò n g k h u ế c h tá n c ấ u tử A q u a b ề m ặ t t iế p x ú c p h a q ‫؛‬١١ = c o n s t tr ê n to n b ề m ậ t c h ú ý đ ế n ( ) thì: -D ( 6 ) I ٦ ổy Jy.o - Sd T lia y ( ) , ( ) v o ( ) r i t íc h p h â n t h e o X v i đ iề u k iệ n X = th i ô ٥ = 0, đư ợc: D 20 ( C ,- C J Ư ,.5 V ٧ y ô V٧ y s„ ( 6 ) , ‫ ؟‬ ^ = i o ^ - s ; '- R e ; ' g2 c 5‫ ؛‬V U „ x V y : chuẩn = ^ s ố S m it h D ٠ T r o n g đ i ề u k i ệ n L G H c h ả y t ầ n g t h e o ( ) : X _ R e‫؛‬ Nên: ô i -i = (0,4S، )5 = 0,748^ Ô٥ =0,74.ÔS~3 = ,7 x R e7 ( 6 ) Theo định luật cấp khối thì: ٩m = P -(C٧ - C١„) Kết hợp (6.161), (6.163) vào (6.164): Sh, X BX D = — S‫ ؛‬.R e‫؛‬ 7,4 ٠ Tính trung bình toàn bề mạt: S h , = - Ị - s Ì Í H ٥.f V ^ d x ĩ 74‫ ؛‬V J [ S h „ = Ẽ t^ = ^ R e S ỉ "١ 216 D 74 ( 6 ) l s\\ - ١ R c f S ^ ( 165) ٠ = - — ٧ 0٠٤ Trong đó: Re T V Như chiều dày LGHNĐ LGHNGĐ cCing phân bố nhiệt độ, phân bố nồiiiĩ dộ phụ thuộc đáns kể vào chế độ chảy (dộ lớn Re) tính chất vật lý (Pr, Sc) chất lỏng Mức đô phu thuộc a p vào Re mũ —, vào Pr Sc mũ — Đối với trường hợp LGH tốc độ chảy rối, ảnh hưởng Re (của LGH) mạnh hoii, thườnc với số mũ 0,8 Ví dụ, công nhiệt LGH chảy rối phảng: Nu,١, = PH Re 0,037 ‫؛؛■’؛‬ (6.166) 217 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tài, Thiiỷ lỉfc\ Nxb Xây dựng, Hà Nội, 1995 Nguyễn Hữu Chí, Cơ học clĩcít /ở/2g ứng clung, Nxb Đại học THCN, Hà Nội, 1970 Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cun., Vũ Văn Tảo, Thủy lực, Nxb Đại học THCN, HàNội, 1987 1.1 Groskin, G T Dnutriep, F I Picalep, Thủy lực, Nxb Nônc thôn, Hà Nội, 1963 T M Coulson T F Risarcheon, Chemical En^ineeriní^, 1993 I Peưy, Chemical Engineerincị {Hand hook), 1970 V M Ramm, Ahsorhpxiia ^aclov, Khi nuia, Moskva, 1996 I M Radumov, Pxegdoojijenii y pnevmotr - ansfort Xưpiitrikh maĩerìalỉov, Khi nuia, Moskva, 1972 N B Conđurop, A N Cornilop, Injenerno, Fzytreskii jurnall, No 6, 1964 10 r^ Todes, A K Bondareva M B Grinbaun, Khimiiresskaia Pronulslennost jurnal No 6, 1966 11 p G Romancov, M B Rascovscaia; Xuscavo Vfvesennom Xoxĩoìa/ìịị, Khi nuia, Lenigrad, 1968 12 N Gelperin, G Ainstein V B Cvasa, Osnovư tekhniki Pxevdoojijeniia, Klii nuia, 1967 13 Trần Sỹ Phiệt, Ỵũ Duy Quang, Tlìiiỷ khí động lực học kỹ thuật, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1980 14 V A Trlenov, N V Mikhailov, Vibri - Kipiassỉ Xloi, Nauka, Moskva, 1972 15 B I Leontric, V p Maiakin, ifwmereiiie V đìsperxnuc Potocaklì, Enginia, Moskva, 1971 16 F H Vallentin, Absorhtỉon ỉn í^ase - liquid dispersions Some aspects o f bubble technology London, 1967 17 Fliiidiation fundamentals and application (che Eng Progress simposi V 66, 1970, New York) 18 Eluidiazation, Edited by Davidson JaFvar Harrison D, London, 1971 19 F G Zuev, Pnevrnatitreskoe trcinsportirovanie na Zernopererabatu\xiiusick predprỉiaỉtỉiay, Kolox, Moskva, 1976 218 20 Đổ Ngoe Cử, Tọp chi ỊÍ()( ị họC) Số năm 1997 21 II Schỉichline, Boundary layer Theory (do ‫ل‬ Kestin dịoh), 1968 22 I D Laiidao, E M Liisitx, Thuy ،7(5/7(‫ ؟‬lire hoc, Nxb Khoa học Kỹ tluiạt, Hà Nội 2001 22 N E Cosiiì, A Kihcii, N ٧ Kosc, Co' hoe chcìt Ỉỏỉĩ^ lý /‫ر‬77/.١‫زي‬١Nxh Khoa học Kỹ thuật, Ha Nội, 1972 24 ٧ 19 Caimazin, Tekhnica I Prinunenie Vihriruiiisei^o Xỉoỉa, Kozadumca Kiev, 1977 22 N Romaueuco, Gìdrodìamice I tepỉoìua.xxoohrneìì y povaììitsnoìì xloe, Eue٢gia, Moskva,I974 219 THỦY L ự c ỦNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI Số ] - Đại Cồ Việt —Hai Bà TrưntỊ - Hà Nội ĐT: 04.38684569; 04.22410605; 04.22410608; Fax;04.38684570 Chịu trách nhiệm xuất hản: Giám đốc - Tổng biên tập: TS PHỪNG LAN HƯƠNG Chịu trách nhiệm nội (iunẹ: Tác giă: PGS.TS ĐỖ NGỌC c Phản biện: GS TSKH NGUYỄN BIN PGS.TS NGUYỄN HỮU TÙNG Biên tập: NGHIÊM THỊ THU THANH Chế bản: NGUYỄN THỊ NHUNG Trình bày bìa: ĐÀO MINH ANH In 500 cuốn, khổ 17 X 24 cm, Công ty TNHH In TM Thuận Phát Giấy phép xuất số: 138-2011/CXB/125-56/BKHN, Cục Xuất cấp ngày 12/05/2011 In xong nộp lưu chiểu quý IV năm 2011 [...]... trone chất lỏng №nh trụ có dáy s, clhều cao H có khối lượng bằng Pr.S.H Các lực tác dụng lên ٧ật gồm: Trọng lực P = mRg = pR.S.H.g Hỉnh 1.10 Minh họa tác dụng !ực 22 Lực áp suất thủy tĩnh gổm lực tác dụng lên mặt trụ và hai đáy Vì hình ti٠Ịi đặt ứng, các lực tác dụng lôn nó bằng nhau và ngược chicu ncn triệt tiôii Còn lực tác dụng Icn 2 đáy lần lượt là: F ١= s(p ,+ pLghi) F = s(p + P٠j h p Hiệu số F٦-... vật liệu xỏ/p, xhy ra hàne ngày trong tự nhiên và trong nhiều qua trinh sản xuất §2 VÀI NÉT Cơ BẲN VỂ THỦY TĨNH HỌC ^lUy tinh học xét các vấn dề về chất lOng ỏ trạng thái cân bằng, nghla la tổng họ٠p các lực tác dụng lên phần t(f chat lOng triệt tiêu Trone thực tế, ta gập chat lOng dtmg yCn (trong binh khOng chuyển dộng) và các trường hợp chat lỏng ở trạng thái cân bằng trong cdc binh chuyển dộng, dược... tốc trong dòng chảy tầng a Trong ống tiết diện tròn Hình 1.13 Dòng chảy tầng trong ống hỉnh trụ Giả dụ có dòng chất lỏng chảy tầng trong ống trụ Xét sự chảy của hình trụ chất lỏng có bán kính s giữa 2 thiết diện AB và CD (hình 1.13) Mặt trụ cách thành ống một khoảng y Lực tác dụng lên khối chất lỏng đó gồm lực áp suất thủy lĩnh lên 2 mặt AB và CD, lần lượt là: = p.Tĩs“ F٦ = (P + — S/).Tts“ ^ Õỉ Và lực. .. được: (1.19) (1.20) u - -p = c p Trong dó: c là hằng số Phương trình trên có nghĩa là tại hai điểm A, B bất kỳ trong khối chất lòn٤g ở trạng thái cân bằng, sẽ có: 16 ‫ﻻ‬٨ - ‫ ﺣ ﺪ‬٨ - ٧ ‫ا‬١~ ‫إ‬ 1')‫ا‬١ p p (i.20) đirợc gọi là pliưnrne trinh cơ bản của thủy tinh học Sau đây chứng ta xét vài trườĩie hợp điển hlnh ( l ٠20a) 2,3.1 Chất lỏng đúng yên trong trường trọng lực Trong trường hợp chỉ có trọne lire... chỗ, được gọi là lực dấy Arsimet Nghĩa là vạt nhiìng trong chất lỏng luôn chịu lực đẩy lôn bằng trọng lượng châì lỏng bị vật chiếm chỗ (định luật Arsimet) Sự nổi chìm của vạt là do tương quan giữa 2 lực l-" = p 2 - F| và trọng lực p P - F = (Pr - P l) S.H.g Như vạy Pr > P i: vật chìm; Pr < Pl ٠ ١٦٥٠‫؛‬ Pk = Pl : vật lơ lửng trong lòng chất lỏng Trong thực tế còn trường hợp chìm một phần trong chất lỏng... thhy Itrc với lực ép rât lớn NO CLins là co sỏ để đo áp suất thủy tĩnh và sự biến đổi của áp suất trong thiCt bị 4 3 Hlnh 1.8 Nguyẻn tắc máy ép thủy !ực 1 Pittông nhỏ: 2 Chất !ỏng; 3 PittOng lớn; 4 Vật cần ép nhỏ Nguyên tắc n^áy ép thủy lực thể hiện trên hlnh 1.g Khi áộng co chạy, dạt trên pit tOng ltfc Pj, sẽ nén lên chat lOng áp suất; Ap suất đó tác dụng ,lên pitt(),ng l(^n ‫ ﺗ ﺔ‬một lực ; (1.35)... trlnlì tương ứng: 1 ỡp dV\, (I.72b) = V p ổy y 1 op p 5z ‫ة‬٧ ‫ح‬ (1 7 2 C ) dz Hệ 3 phương trinh (1.72 a,b,c) dược gọi là phương trinh vi phân của ơ-lc dối vơỉ dòng chất lỏng ly tưởng chảy ổn dịnlì (trong trương trọng lực) Đối vơi chất lOng thực, cần phải bổ sung ảnh hưỏng của Itíc nhớt và sự bíến dạng của chất lỏng khi chtu tác dụng lực Phân tích tác dụng phức tạp (ca ứng suất pháp và ứng suất tiếp)... gọi là trạng tlìái tinh tu'0'ng đối 2.1 Lực ٧ à áp suất thủy tĩnh Chat lỏng cO thể chịu tác dụne cíia nhiều Itíc Tổne hợp các lực dO cO thể phan tliành hai phần: Tiếp tuyến và pháp tuyến với bề m,ật dược xét Trong chất lOng ở trạng thái can bằng, klìOng tổn tại các l^rc tiếp tuyến, chi' cO các It.íc pháp tuyến Các lực này tạo ra áp lực trone lòng chat lỏng Gọi ap lực trên diện tlcli As cùa bề mạt laPthl... ■Ỵ S dy (1.9a) p được gọi là dộ nhớt động, vì trong đơn vị đo không còn chứa lực Trong (1.9a) y= — p hoặc khối lượng Trong hệ SI,y đo bằng nr/s; trong hệ CGS, đo bằng cm“/s, gọi là Stokes (gọi theo tén nhà vạt lý người Anh) Trong thực nghiệm, người ta hay đo độ nhớt bằng nhớt kế Engler Quan hệ giữa độ nhói quy ước Engler E với độ nhớt động có thể theo công thúrc Ubellot ٠ ^ ٠ ٠ v= I0-^.(0,0732E -0,063I/E... gradient vân tốc tai be măt tiếp xúc; dy (Dấu trừ (—) tron2 ( 1.9) chứng tỏ chiều của lực ma sát nsược chiều vectơ dv/dy) S; là dộ lớn bề mặt tiếp xúc p: là hệ số ma sái, được ٤zọi là hệ số độ nhói động lực (gọi vắn tắt là độ nhót động lực) Trong hệ Sĩ, Ị_1 đo bằng N.s/m^; trong hệ CGS, đo bằng (dyn.s/cm ٦), có tên là poazei (P) Độ nhói động lực, về giá trị, biểu thị mức truyền động lượng của 1 đơn vị khối