Giáo trình Thủy khí kỹ thuật ứng dụng
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Låi tæa
Giao trçnh "Thuy khê ky thuát æng dung" âæåc biãn soan theo âã cæång giang day
cho sinh viãn cac nganh ky thuát cua træång âai hoc Bach khoa Âa Nàng nhàm muc âêch
giup cho sinh viãn co tai liãu tham khao trong hoc táp cung nhæ trong tênh toan thiãt kã cac
hã thäng thuy - khê.
Tai liãu âæåc biãn soan khäng thã tranh khoi sai sot trãn moi phæång diãn.
Rát mong âäc gia vui long gop y kiãn xáy dæng âã tai liãu âæåc hoan chènh.
Xin chán thanh cam ån.
Âa nàng 8 - 2005
Tac gia
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Chæång 1
Må âáu
$1 - Muc âêch, âäi tæång va phæång phap nghiãn cæu
Thuy khi ky thuát æng dung nghiãn cæu cac qui luát cán bàng va chuyãn âäng cua dong chát
long, nghiãn cæu læc tac dung cua chát long lãn vát ngáp trong chát long ténh hay chuyãn âäng va
nghiãn cæu æng dung cac kãt qua trãn vao san xuát va âåi säng.
Âäi tæång nghiãn cæu la chát long con goi la chát næåc. Cac kãt qua nhiãn cæu âæåc ap dung
cho chát khê. kim loai nong chay va hän håp thuy læc, âæåc goi chung la chát long Nui-tån. Cac bai
toan cua chát long å trang thai ténh âæåc trçnh bay trong phán ténh hoc chát long, cac bai toan
chuyãn âäng cua chát long âæåc giåi thiãu trong phán âäng læc hoc chát long.
Trong qua trçnh nghiãn cæu thuy khê æng dung phai kãt håp chàt che giæa nghiãn cæu ly
thuyãt va thæc nghiãm.
Viãc nghiãn cæu ly thuyãt bàt âáu tæ quan sat hiãn tæång va mä ta bàng mä hçnh cå hoc, vát
ly va toan hoc. Khi nghiãn cæu mät ván âã, chung ta phai ván dung cac nguyãn ly cå ban cua cå
hoc va vát ly, ngoai ra phai kãt håp chàt che kiãn thæc toan hoc, cå ly thuyãt, vát ly va nhiãt âäng
ky thuát ... . Âäi khi phai kiãm tra kãt qua nghiãn cæu ly thuyãt bàng thæc nghiãm trãn mä hçnh.
Viãc nghiãn cæu bàng thæc nghiãm âong vai tro hãt sæc quan trong vç no bä sung cho ly
thuyãt.Trong mät sä lénh væc no la phæång phap chu yãu lam cå så cho ly thuyãt, vê du nhæ nghiãn
cæu dong räi, ... .
Âã âån gian cho viãc nghiãn cæu ly thuyãt ngæåi ta thæång bàt âáu tæ chát long ly tæång,
sau âo må räng ra cho chát long thæc. Nghéa la phai xet âãn anh hæång cua tênh nhåt, tênh nen, ...
cua chát long. Trong nghiãn cæu ly thuyãt ngæåi ta tach khoi chát long mät phán tä long co hçnh
dang tuy y va co cac tênh chát cå - ly nhæ toan bä chát long. Cán læu y ràng mäi phán tä long du
nho âãn âáu cung co kêch thæåc lån hån rát nhiãu so våi kêch thæåc phán tæ va no chæa mät khäi
læång rát lån phán tæ. Mäi træång chát long âæåc coi la gäm vä sä nhæng phán tä long phán bä liãn
tuc. Våi khai niãm phán tä long cho phep chung må räng mäi træång chát long nhæ træång vát ly
âã co thã æng dung cac qui luát âäng hoc va âäng læc hoc cua cå hoc âã nghiãn cæu chuyãn âäng
cua chát long. Vç thã nhæng âai læång âàc træng âäng hoc va âäng læc hoc cua chát long co thã
biãu diãn bàng cac ham liãn tuc âäi våi toa âä khäng gian va thåi gian, âäng thåi nhæng ham sä
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
âo la nhæng ham kha têch, kha vi. Cac phæång phap âæåc sæ dung trong nghiãn cæu trong thuy khê
ky thuát :
- Phæång phap thã têch hæu han, trong âo sæ dung âënh luát gia trë trung bçnh cua têch phán
va cac biãu thæc liãn hã giæa têch phán màt va têch phán khäi.
- Phæång phap tæång tæ thuy khê-âiãn tæ, trong âo mäi træång ván täc âæåc thay bàng thã
hiãu cua mäi træång.
- Phæång phap phán têch thæ nguyãn dæ trãn cå så âäng nhát cua hã phæång trçnh vi phán
âao ham riãng.
- Phæång phap thäng kã thuy âäng thæång âæåc dung âã khao sat chuyãn âäng trung bçnh
cua dong räi.
$2 - Lëch sæ phat triãn
Nhæng nàm træåc cäng nguyãn (tr.CN) Arixtät (384-322 tr.CN) nha triãt hoc Hy lap âa mä
ta va giai thêch cac hiãn tæång chuyãn âäng cua næåc va khäng khê. Gán 100 nàm sau Asimet (287
-212 tr.CN) nha vát ly bac hoc Hy lap âa tçm ra âënh luát âáy lãn cua chát long va no trå thanh cå
så cho nganh âong tau thuyãn. Nàm 1506 LãänadaVanxi (1452-1519) dæa kãt qua cua Asimet âa
nghiãn cæu tac dung tæång hä giæa vát chuyãn âäng va mäi træång chát long. Äng âa phat hiãn ra
læc náng va âa thiãt kã may bay kiãu canh dåi. Xtãvin (1548-1620) âa âæa ra "nguyãn ly thuy
ténh". Nàm 1612 Galilã (1564- 1642) âa phat hiãn læc can mäi træång chát long lãn vát chuyãn
âäng va no ty lã våi ván täc. Nàm 1643 Tärixeli (1608-1647) tçm ra cäng thæc tênh ván täc chát
long chay ra khoi lä voi. Nàm 1650 Pascan (1623 - 1662) nghiãn cæu sæ truyãn ap suát va chuyãn
âäng kha dé cua chát long. Dæa trãn cå så âo cac may ep thuy læc, bä tàng ap âa ra âåi. Huyghen
(1629-1695) âa chæng minh læc can chát long lãn cac vát chuyãn âäng ty lã våi bçnh phæång ván
täc. Trong "Nhæng nguyãn ly cå ban cua chát long" Nuitån (1642-1727) âa tach cå hoc chát long
ra khoi lénh væc cå hoc vát ràn våi gia thuyãt nhåt cua chát long thæc. Mai âãn thã ky 18 - thåi ky
phuc hæng cac cäng trçnh nghiãn cæu cua Åle (1707-1783), Bernoulli (1718-1813), ... âa hoan
chènh cå så âäng læc hoc chát long ly tæång. Âàc biãt phæång trçnh "tuäc bin - båm" cua Åle la cå
så cho viãc thiãt kã cac may thuy - khê canh dán. Phæång trçnh Bernoulli âa âæåc sæ dung räng rai
âe giai cac bai toan ky thuát.
Cuäi thã ky 18 âáu thã ky 19 cac cäng trçnh nghiãn cæu hæång vao cac bai toan dong hai
chiãu, chuyãn âäng xoay, ly thuyãt dong tia, ... . Lagràng (1736-1813) âa giai cac bai toan phàng
khäng xoay bàng ham biãn phæc. Hemhän (1847-1894) âa chæng minh cac âënh ly cå ban cua
chuyãn âäng xoay trong chát long. No trå thanh cå så cho viãc thiãt kã canh dán theo ly thuyãt
dong xoay va viãc ngiãn cæu chuyãn âäng cua gio bao trong khi quyãn.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Cuäi thã ky 19 do yãu cáu phat triãn ky thuát cac cäng trçnh nghiãn cæu hæång vao giai
quyãt cac bai toan vã chát long thæc. Tãn tuäi cac nha bac hoc, ky sæ gàn liãn våi cac cäng trçnh,
Vê du nhæ : äng Venturi (1746-1822) dung âã âo læu læång. Cäng thæc tênh tän thát nàng læång
mang tãn hai nha bac hoc Âàcxi (1803-1858) va Váyxbac (1866-1871). Sä Ráynän (1842-1912)
âã phán biãt hai trang thai dong chay. Phæång trçnh Naviã (1785-1836) va Stäc (1819-1903) la
phæång trçnh chuyãn âäng chát long thæc co xet tåi ván täc biãn dang. Phæång trçnh vi phán låp
biãn cua Påràn âa âàt cå så ly thuyãt cho cac bai toan tênh læc can cua chát long thæc lãn vát
chuyãn âäng,... Tuy nhiãn do tênh chát phæc tap cua chát long thæc nãn bãn canh cac cäng trçnh
nghiãn cæu ly thuyãt co cac cäng trçnh nghiãn cæu thæc nghiãm. Cac kãt qua thæc nghiãm âa gop
phán khàn âënh sæ âung âàn cac kãt qua nghiãn cæu ly thuyãt. Cac bai toan chay táng trong khe
hep cua Cuet âa âæåc sæ dung trong bai toan bäi trån thuy âäng. Âãn nàm 1883 cac thæc nghiãm
cua Pãtåräp âa khàn âënh sæ âung âàn cua ly thuyãt bäi trån thuy âäng. Âãn nàm 1886 Jukäpxki va
hoc tro cua äng la Traplægin âa bä sung va hoan chènh ly thuyãt bäi trån nay. Do yãu cáu thiãt kã
tuäc bin håi næåc, tuäc bin khê va ky thuát hang khäng viãc nghiãn cæu âäng læc hoc chát khê âa
âæåc quan tám tåi. Nàm 1890 Jukäpxki âa täng quat hoa bai toan chay bao vát co âiãm råi va xac
âënh cäng thæc tênh læc náng trong chay bao präfin canh dán. Trong thåi gian nay nha bac hoc
ngæåi Âæc la Kuty cung âa cäng bä kãt qua tæång tæ. Dong væåt ám âæåc hai anh em ngæåi Ao
la Màc nghiãn cæu. Jukäpxki nghiãn cæu chã tao ra äng khê âäng va thanh láp phæång trçnh chuyãn
âäng cua âan âao phan læc co khäi læång biãn thiãn.
Viãc nghiãn cæu chuyãn âäng cua chát long thæc ma âàc biãt lam sang to nguyãn nhán xuát
hiãn dong räi va cac tênh chát cua no âang la ván âe nan giai. Ap dung phæång phap thäng kã thuy
læc va gia trë trung bçmh theo thåi gian cua cac thäng sä dong räi chung ta âa co nhæng kãt qua
gán âung vã cac bai toan dong räi.
Trong thåi âai cå giåi hoa va tæ âäng hoa cac nganh ky thuát viãc æng dumg cac thanh tæu
nghiãn cæu chát long vao cac lénh væc âo trå thanh nhu cáu. Å cac træång âai hoc, cac nganh ky
thuát män hoc thuy khê ky thuát æng dung âa âæåc âæa vao giang day mät cach co hã thäng trong
chæång trçnh âao tao.
$3 - Nhæng tênh chát vát ly cå ban cua chát long
3.1- Cáu tao phán tæ
Cac chát âæåc cáu tao tæ phán tæ. Âo la nhæng phán tæ nho be nhát. Giæa chung co læc
tæång tac tac dung. Giæa cac phán tæ co khoang cach. Nãu khoang cach nay nho hån 3.10-10 m thç
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
cac phán tæ âáy nhau, con nãu no lån hån 3.10-10 m thç chung hut nhau. Nhæng nãu khoang cach
âo lån hån 15.10-10 m thç læc tæång tac giæa cac phán tæ rát nho, cac phán tæ âæåc coi la khäng
tæång tac nhau næa. Cac phán tæ chuyãen âäng khäng ngæng. Theo thuyãt âäng nàng thç ván täc
cua chung phu thuäc vao nhiãt âä cua vát thã. Tuy theo sæ so sanh giæa læc liãn kãt va âäng nàng
cua phán tæ do chuyãn âäng nhiãt vát chát âæåc phán ra ba loai chát ràn, chát long va chát khê.
Cac phán tæ chát long chuyãn âäng quanh vë trê cán bàng, âäng thåi cac vë trê cán bàng nay lai di
chuyãn, nãn chát long co hçnh dang theo vát chæa va khäng thã chäng lai sæ biãn dang vã hçnh
dang. Do con bë anh hæång âang kã læc tæång tac giæa cac phán tæ nãn chát næåc khäng chëu nen,
khäng chëu càt va chëu keo. Tuy theo nhiãt âä va ap suát cua mäi træångng chát long co tênh chát
nhæ chát ràn hay chát khê.
Âoi våi chát khê læc liãn kãt giæa cac phán tæ nho hån âäng nàng chuyãn âäng do nhiãt. Cac
phán tæ chuyãn âäng hän loan, tæ do. Vç thã chát khê khäng co thã têch va hçnh dang nhát âënh.
Cac phán tæ khê co kha nàng âiãn âáy thã têch ma no co màt. Khi co sæ thay âäi ap suát, nhiãt âä
thç thã têch chát khê thay âäi lån. Tuy nhiãn trong âiãu kiãn ap suát nhiãt âä khê tråi va ván täc
dong khê nho thç ván co thã coi chát khê la chát long khäng nen âæåc. Nghéa la co thã ap dung cac
qui luát cua chát long cho chát khê. Chát long va chát khê âæåc coi la âäng tênh âàng hæång.
3.2 - Læc tac dung lãn chát long
Tát ca cac læc tac dung lãn chát long âãu co thã phán ra lam hai loai la læc khäi va læc màt.
Læc khäi ty lã våi thã têch chát long (con goi la læc thã têch). Læc khäi gäm co trong læång, læc
quan tênh,... . No âæåc biãu diãn bàng biãu thæc :
FR = R.ρ.dV
∫
(V )
Trong âo
V la thã têch hæu han cua chát long chëu tac dung båi læc khäi,
ρ la khäi læång riãng cua chát long,
R la gia täc khäi (hay læc khäi âån vë).
Nãu chát long chè chëu tac dung båi trong læc thç gia täc khäi la gia täc trong træång. Nãu
chát long chuyãn âäng våi gia täc thç gia täc læc khäi gäm gia täc trong træång va gia täc quan tênh
cua chuyãn âäng.
Læc màt ty lã våi diãn têch bã màt chát long. Læc màt gäm cac læc nhu læc ap, læc ma sat, ...
Læc màt âæåc tênh theo cäng thæc:
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Fp = p.dS
∫
(S)
Trong âo p la læc màt tênh trãn mät âån vë dëãn têch. Nãu Fp thàng goc våi màt chát long thç
p la ap suát. Nãu Fp tac dung theo phæong tiãp tuyãn våi màt S thç p la æng suát tiãp.
Bang 3.1
Âån vë
Pa
Pa (N/m2)
1
bar
10
1
at (KG/cm2)
1,01972.10-5
1,01972
1
atm
torr (mm Hg)
7,5006.10-3
7,5006.102
7,3556.102
7.60.102
0,98692.10-5
0,98692
0.96784
1
bar
at
105
0.98066.105
1.01325.105
1.3332.102
0,98066
1,01325
atm
torr
1.03332
1,3332.10-3 1,3995.10-3
1,31579.10-3
1
Ap suát la læc trãn mät âån vë diãn têch. Nãu chát long cán bàng goi la ao suát thuy ténh con
chát long chuyãn âäng thç goi la ap suát thuy âäng. Ap suát tai mät âiãm âæåc tênh theo :
dF
p = lim
dS→0
dS
Âån vë cua ap suát la Patxcan,kê hiãu la Pa - tæång âæång våi N/m-2 . Cac âån vë âo læång khac
våi quan hã tæång âæång âæåc trçnh bay trong bang 3-1.
3.3 Khäi læång riãng
Khäi læång riãng la khäi læång cua mät âån vë thã têch chát long, ky hiãu la ρ, âån vë la
kg/m3. Cäng thæc tênh la :
m
V
dm
dV
ρ =
hay
ρ =
(3.1)
Trong âo m la khäi læong (tênh theo kg) chæa trong thã têch V (tênh theo m3).
Khäi læång riãng thay âäi khi nhiãt âä va ap suát thay âäi. Nãu nhiãt âä tàng thç khäi læång
riãng giam. Âäi våi chát long sæ thay âäi nay khäng âang kã .Vê du khäi læång riãng cua næåc
thay âäi theo nhiãt âä âæåc trçnh bay å bang 3.2. Khi nhiãt âä tàng âãn 4oC thç khäi læång riãng
tàng (do tênh chát co thã têch cua næåc) va khi nhiãt âä tiãp tuc tàng thç khäi læång riãng giam
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
giam. Tuy nhiãn sæ thay âäi nay khäng âang kã. Trong ky thuát ngæåi ta thæång láy khäi læång
riãng cua næåc la 1000 kg/m3.
Bang 3.2
t (O C)
0
4
10
30
60
80
100
ρ(kg/m3) 999,9
1000
999,7
995,7
983,3
971,8
958,4
Âäi våi chát khê sæ thay âäi khäi læång theo nhiãt âä va ap suát âæåc biãu diãn bàng
phæång trçnh trang thai. Trong bang 3.3 la sæ thay âäi khäi læång riãng cua khäng khê theo nhiãt âä
va ap suát.
Bang 3.3
t (oC)
-3
27
106
11,27
100
106
0,916
p (Pa)
105
1.33
106
13,3
105
1,127
107
112,7
ρ (kg/m3)
Khäi læong riãng cua mät sä chát long thæång gàp :
næåc biãn
thuy ngán
grixerin
dáu
: 1030 kg/m3,
: 13546 kg/m3,
: 1260 kg/m3 ,
: 800 kg/m3.
Træåc âáy chung ta hay dung khai niãm " trong læång riãng". Chát long co khäi læång m
trong thã têch V thç no chëu sæc hut trai âát våi gia täc trong træång g va trong læång cua no la G =
m.g va trong læång riãng (trong læång cua mät âån vë thã têch chát long) la :
G
γ = = ρ.g
(N/m3 )
(3.2)
V
Vç gia trë cua g thay âäi theo vé âä âëa ly va âä cao vë trê tênh toan so våi mæc næåc biãn
nãn γ co gia trë thay âäi. Trong tênh toan ky thuát chung ta thæång láy gia trë g = 9,81 m/s2.
Trong ky thuát con dung khai niãm ty trong (ky hiãu δ). Âo la ty sä giæa trong læång riãng
cua chát long va va trong læång riãng cua næåc å 4oC
γ
δ =
(3.3)
γ
H2O,4o C
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Âäi våi chát khê chung ta con dung thã têch riãng ky hiãu la v, âån vë m3 / kg va tênh theo
cäng thæc :
1
v =
(3.4)
ρ
3.4 - Tênh nen va tênh dan nå
Kha nàng thay âäi thã têch cua chát long khi co sæ thay âäi ap suát goi la tênh nen, con do
sæ thay âäi nhiãt âä goi la tênh dan nå cua chát long.
3.4.1 Tênh nen
Tênh nen âæåc âàc træng båi hã sä nen βp (m2/N). Âo la sæ thay âäi thã têch tæång âäi cua
chát long khi ap suát thay âäi mät âån vë :
∆V
Vo ∆p
1
dV
V
1
β p = −
⋅
hay
β p = −
⋅
(3.5)
dp
Trong âo :
∆V = V-Vo la sæ thay âäi thã têch ,
Vo la thã têch ban âáu cua chát long.
∆p = p - po la sæ thay âäi ap suát.
Vç sæ thay âäi thã têch va sæ thay âäi ap suát ngæåc nhau nãn træåc biãu thæc co dáu" -".
Tæ (3.5) suy ra :
ρo
V =V0 (1− β p ∆p)
hay
ρ =
(3.6)
1− β p .∆p
Trong âo ρ , ρo la khäi læång riãng cua chát long æng våi ap suát p va po.
Âai læång nghëch âao cua hã sä nen la mä âun âan häi cua chát long, ky hiãu la E, âån vë
la N/m2 :
1
E =
(3.7)
β p
Nãu ap suát chát long khäng lam giam âi qua mät næa so våi thã têch ban âáu cua chát long
thç E khäng thay âäi va no co y nghéa nhæ mä âun âan häi cua chát ràn.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Tênh nen cua chát long phu thuäc vao ap suát va nhiãt âä. Nhæng sæ thay âäi nay khäng
âang kã. Vê du nhæ næåc :
Khi p = 10 5 Pa va t =0oC
Nãu nhiãt âä tàng lãn 20oC thç
thç
Enæåc = 2,01.109 N/m2.
Enæåc = 2,20.109 N/m2.
Âiãu nay cung giai thêch âæåc kha nàng háp thu chát khê va kha nàng hoa tan muäi trong næåc khi
nhiãt âä tàng.
Nãu ap suát tàng lãn tæ 105 âãn 400.105 Pa con nhiãt âä khäng thay âäi thç khäi læång riãng
cua næåc tàng lãn khoang 2%. Vç váy nãn chát long âæåc coi nhæ khäng nen âæåc. Tuy nhiãn trong
cung mät âiãu kiãn p=105 Pa, t=10o C thç Enæåc = 2.109 N/m2 con Ethep = 2.1011N/m2, nghéa la
mäâun âan häi cua thep lån gáp 100 lán so våi næåc. Váy tênh khäng nen âæåc cua chát long chè
âã so sanh våi chát khê.
Trong ky thuát thæång co thã bo qua tênh nen cua chát long. Nhæng nãu co sæ thay âäi ap
suát lån, âät ngät va âàc biãt âäi våi nhæng thã têch chát long lån chuyãn âäng thç khäng thã bo qua
tênh nen âæåc, vê du nhæ trong va âáp thuy læc ... .
Trong qua trçnh nen chát long thç khäi læång cua no khäng thay âäi nãn chung ta co thã viãt
m =ρ.V = const.
Láy âao ham biãu thæc nay ta co :
ρ dV + V dρ = 0
hay :
dV
V
dρ
= −
ρ
Kãt håp våi cäng thæc (3.7) tênh mäâun âan häi cua chát long :
E
dp
=
ρ
dρ
Âån vë cua biãu thæc la bçnh phæång cua âån vë ván täc. Nãn chung ta co thã viãt :
dp
E
a =
=
(3.8)
dρ
ρ
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Theo Vát ly thç a goi la ván täc truyãn ám trong chát long va cung la ván täc truyãn song ap
suát ; trong næåc a = 1414,2m/s ; trong chát long khäng nen âæåc a → ∞.
Âäi våi chát khê qua trçnh nen khê xay ra rát nhanh chung ta co thã coi la qua trçnh âoan
nhiãt va ván täc truyãn ám âæåc tênh theo cäng thæc :
p
a = k.r.T = k
(3.9)
ρ
Trong âo
k la chè sä âoan nhiãt,
r la hàng sä chát khê.
Nãu cho M trong læång phán tæ chát khê thç :
RT
a = k
(3.10)
M
Trong âo R = 8314 J.kmol/oK la hàng sä täng quat cua chát khê.
Ván täc truyãn ám trong khäng khê våi T= 288oK ; M=28,96 Kmol va k=1,4 thç a= 341 m/s.
3.4.2 Tênh dan nå.
Khi nhiãt dä thay âäi thç thã têch cac chát âãu thay âäi. Sæ thay âäi nay âæåc biãu diãn
mät cach täng quat bàng ham sä mu theo nhiãt âä :
V = Vo (1 + β1 ∆t + β2∆t2 + ... )
(3.11)
Trong âo Vo la thã têch chát khê å nhëãt âä ban âáu. Âäi våi chát long chè cán sæ dung mäi
quan hã bác nhát :
V = Vo ( 1 + βt ∆t )
(3.12)
βt la hã sä dan nå cua chát long. Âo la sæ tàng thã têch tæång âäi khi nhiãt âä cua chát long
tàng lãn 1oC. Âån vë cua hã sä dan nå la âä-1. Tæ (3.12) suy ra :
∆V
Vo ∆t
1
dV
βt =
⋅
hay
βt =
(3.13)
Vo dt
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Tênh dan nå cua chát long phu thuäc vao nhiãt âä va ap suát. Vê du næåc :
khi nhiãt âä t=4oC dãn 10oC va ap suát p=105 Pa thç βt = 0,000014 âä-1,
khi t= 10oC âãn 20oC (tàng 10 lán , p=105 Pa )
thç βt = 0,000150 âä-1
Nãu ap suát tàng lãn âãn 107 Pa thç βt = 0,00043âä -1 (tàng gáp 3 lán).
Nãu nhiãt âä thay âäi tæ tæ, âä chãnh lãch nhiãt âä khäng âang kã thç chung ta cung co thã
bo qua sæ dan nå thã têch cua chát long. Nhæng khi sæ thay âäi nhiãt âä lån thç phai xet âãn sæ thay
âäi thã têch chát long. Vê du trong hã thäng sæåi ám thç sæ thay âäi thã têch do nhiãt âä lam cho
næåc chuyãn âäng.Tæ cäng thæc trãn chung ta co thã suy ra cäng thæc tênh khäi læång riãng cua
chát long å nhiãt âä t :
ρo
ρ =
(3.14)
1+ βt .∆t
Riãng âäi våi chát khê hã sä banh træång thã têch âæåc tênh theo cäng thæc :
dp
1
βV =
⋅
(3.15)
po dt
Âäi våi chát khê ly tæång thç βt=βV=1/273,15 âä-1.
3.5- Tênh nhåt
Nàm 1686 Nuitån khao sat chuyãn âäng än âënh låp chát long trãn bã màt tám phàng theo
phæång x (hçnh 3-1). Trãn bã màt tám phàng cac phán tæ chát long co ván täc bàng khäng. Å
khoang cach y tênh tæ bã màt tám phàng ván täc la v, låp chát long y+dy co ván täc v+dv. Nhæ váy
ván täc chát long doc theo phæång y co gia trë khac nhau. Nghéa la giæa cac låp chát long co læc
tæång tac hay noi cach khac giæa cac låp chát long co læc ma sat lam thay âäi ván täc chuyãn âäng
cua cac låp chát long. Theo Nuitån æng suát tiãp cua læc ma sat ty lã thuán våi graâiãn ván täc va
phu thuäc vao chát long :
dv
τ = µ
(3.15)
dy
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Trong do µ hã sä ty lã phu thuäc vao loai chát long, goi la âä nhåt âäng læc hoc cua chát
long, âån vë la [µ ] = Pa.s hay N.s /m2.
Ngoai ra hã sä nhåt âäng læc hoc con âo bàng âån vë Poazå (ky hiãu P).
dyn.s
cm2
1 N.s
1P =
=
m2
10
Âån vë nho hån centipoazå (cP ) : P=100 cP
y
dy
y
v+dv
v
x
Hçnh 3 - 1
Ngoai hã sä nhåt âäng læc hoc trong ky thuát hay dung hã sä nhåt âäng hoc (ky hiãu la ν ) .
µ
ρ
ν =
(3.16)
Âä nhåt âäng hoc cua chát long âæåc âo [ν ]: m2/s ;
Stäc (ky hiãu la St) : 1St = 1 cm2/s.
Âån vë nho hån la centiStäc (cSt) :
1cSt = 1mm2/s ; 1St = 100 cSt
Thæång âä nhåt dáu bäi trån âæåc ghi kem theo mac dáu vê du dáu AK15 la dáu bäi trån
dung cho ätä may keo co âä nhåt ν50=15 cSt å nhiãt âä 50oC...
Ngoai ra mät sä næåc co âån vë âo âä nhåt riãng ,vê du nhæ : Nga dung âä Engle (o E),
Anh dung giáy Reâut ("R), Phap dung âä Bacbã (o B), My dung giáy Sãbän ("S).... giæa cac âån vë
nay co cäng thæc chuyãn âäi :
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
0,0631
oE
o
ν=0,073⋅1E−
(St)
1,72
ν=0,0026⋅'0'R−
(St)
''R
1,80
ν=0,0022⋅'0'S−
(St)
''S
48,5
oB
ν=
(St)
Cung cán læu y ràng khi so sanh dä nhåt cua hai chát long phai dung cung mät khai niãm la
hã sä nhåt âäng hoc hay hã sä nhåt däng læc hoc va cung å nhiãt âä. Vê du so sanh næåc va khäng
khê :
Khi nhiãt âä 20oC hã sä nhåt âäng læc hoc cua khäng khê µkk = 18.10-5 Poazå
hã sä nhåt âäng læc hoc cua næoc
lán so våi khäng khê )
Nhæng hã sä nhåt âäng hoc cua khäng khê νkk = 15.10-2 Stäc (lån hån 15 lán so
våi næåc; hã sä nhåt âäng hoc cua næåc
νnæåc = 1.10-2 Stäc )
µnæåc = 1.10-2 Poazå (lån hån 57
Âä nhåt cua chát long phu thuäc vao nhiãt âä va ap suát mäi træång lam viãc. Khi nhiãt âä
tàng âä nhåt cua chát long giam, con cua chát khê thç lai tàng (Hçnh 3-2). Tuy theo phám vi nhiãt
âä lam viãc cán chon dáu bäi trån cho phu håp. Trong cäng nghiãp thæång láy âä nhåt âäng hoc å
50oC lam chuán.
Anh hæång cua ap suát âãn âä nhåt khäng âang kã. Nãu p<200.105 Pa thç khäng cán xet
tåi sæ thay âäi cua âä nhåt khi ap suát thay âäi. Sæ thay âäi nay âæåc mä ta bàng phæång trçnh sau :
νp =ν(1+k.p)
ν
âä nhåt khi ap suát bàng ap suát khê tråi
k
hã sä phu thuäc loai dáu : dáu nhe k=0,002 ; dáu nàng k=0,003 (thæång dung trong
truyãn âäng thuy læc)
p
ap suát tênh bàng at
Hã sä nhåt âäng hoc (ν) cua mät sä chát long :
næåc : 1,01.10-6 m2/s ;
xàng = 0,83.10-6 m2/s ;
(å 20oC) ;
(å 20oC) ;
thuy ngán = 0,116.10-6 m2/s (å 18o C) ;
dáu may = 60.10 -6 m2/s ;
(å 18oC) ;
khäng khê = 14,9.10 -6 m2/s (å 30oC); ...
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
ν
(St)
chát long
chát khê
t (oC)
Hçnh 3 - 2
3.6 - Sæc càng bã màt cua chát long
Tênh chát nay cua chát long thã hiãn ro å nhæng bã màt giæa chát long nay våi chát long
khac (giæa næåc våi thanh ràn, ...) ma giæa chung khäng thæc hiãn phan æng hoa hoc. Å cac màt
tiãp xuc nay chát long tao ra mät mang mong bao quanh bã màt chát long. Nguyãn nhán xuát hiãn
sæc càng bã màt la læc hut giæa cac phán tæ. Cac phán tæ long å trong chát long chiu tac dung moi
phêa nhæ nhau. Con å cac phán tæ trãn bã màt tiãp xuc hoàc å låp ngoai co bã day nho hån 10-9 m
thç cac læc tac dung lãn chung khäng bàng nhau. Cac phán tæ nay chëu tac dung mät læc täng håp
hæång vao trong chát long va tao nãn mät mang mong trãn bã màt tiãp xuc goi la sæc càng bã màt
(hçnh 3-3a). Hã sä sæc càng bã màt (ky hiãu C) la læc tac dung lãn mät âån vë âä dai bã màt thàng
goc våi âä dai va nàm trong bã màt cua chát long (hçnh 3-3b) :
F
l
θ
F
θ
Fc
Fc
Fr
F
F
Fr
a/
b/
Hçnh 3 - 3
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
dF
c =
(3.17)
dl
Trong âo
F la læc tac dung,
l la chiãu dai bã màt tiãp xuc cua chát long.
Hã sä sæc càng bã màt chát long (hoàc goi la hã sä mao dán ) âo bàng N /m. Trong bang 3.3 la
hã sä sæc càng bã màt cua mät vai chát long å 20o C
Bang 3.3
chát long
C(dyn/cm)
næåc
72,5
dáu
27
thuy ngán
460
cän
22,5
Khi nhiãt âä tàng hã sä sæc càng bã màt chát long giam theo qui luát tuyãn tênh. Vê du hã
sä sæc càng bã màt cua næåc thay âäi theo nhiãt âä t=100oC thç c=55 dyn/cm ; t=200oC thç c=27,5
dyn/cm.
d
h
d
h
Hçnh 3 - 4
Dæa vao tênh chát sæc càng bã màt cua chát long âã khao sat cac ván âã sau:
- Sæc bã màt giæa cac låp chát long våi nhau.
- Hiãn tæång dênh æåt.
- Hiãn tæång mao dán : Khi chát long å trong äng co âæång kênh nho (goi la äng mao dán)
nãu læc dênh æåt (Fr) lån hån læc keo cac phán tæ long (Fc) thç chát long dáng lãn trong äng cao
hån mæc næåc bãn ngoai. Âä cao nay goi la âä cao mao dán (chát long la næåc). Con nãu nhæ
Fc>Fr thç chát long trong äng tut xuäng so våi mæc chát long bãn ngoai. Hiãn tæång nay goi la ha
mao dán (chát long la thuy ngán) (hçnh-3.4).
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Âä cao mao dán âæåc tênh tæ âiãu kiãn cán bàng giæa trong læång cät chát long va læc càng
π
4
4c
bã màt:
Suy ra:
π.d.c = d 2 h.ρ.g
h =
ρ.g.d
Cäng thæc nay thæång dung âã tênh hã sä sæc càng bã màt. Âã tranh hiãn tæång mao dán
trong cac dung cu âo bàng chát long (âo ap suát, nhiãt âä ) phai chon âæång kênh äng âo lån hån
10 mm.
3.7 - Sæ säi cua chát næåc
Sæ säi cua chát næåc la qua trçnh bay håi chát long âæåc xay ra khäng nhæng tæ màt thoang
ma con xay ra bãn trong chát long, cac bot khê âæåc tao thanh trong toan bä chát næåc va vå ra.
Luc âo ap suát bay håi bao hoa trong bot khê pbh> po . Nhiãt âä æng våi pbh goi la nhiãt âä säi.
Nhiãt âä säi cua chát næåc å ap suát po la khäng âäi. Nhiãt læång cung cáp tiãp cho chát næåc
âang säi dung âã sinh cäng tach cac phán tæ ra khoi pha long va chuyãn chung sang pha håi.
3.8 - Sæ háp thu khê cua chát long
Sæ háp thu khê trong chát næåc âæåc biãu thë bàng âä hoa tan chát khê trong chát long, ky
hiãu la α* :
Vk
α* =
(3.18)
V
Trong âo Vk la thã têch chát khê âæåc háp thu trong V thã têch chát long.
Thã têch chát khê å nhiãt âä t (Vk ) âæåc tênh theo thã têch khê å nhiãt âä t = 0o C (Vok ) :
VK = VOK ( 1 + βt .t )
Hã sä háp thu khê cua chát long å nhiãt âä t = 0o C ; T=273oK la :
Vok
V
Vk
V (1+ βt .t) 1+ βt .t
V
273
k
α *
273
α =
=
=
=
α* =
(3.19)
T
T V
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Hã sä háp thu khê cua næåc trong âiãu kiãn 0oC va ap suát khê quyãn la :
Oxy
: 0,0489 ;
Nitå
: 0,0231 ;
OxytCacbonêt : 1,7130 ;
Amäniàc : 1300 .
Hã sä háp thu khê giam khi nhiãt âä tàng nhæng luc âáu thç giam nhanh sau âo chám hån.
Chàn han nhæ oxy va nitå å 40oC thç hã sä háp thu trong næåc giam âi mät næa.
Khäi læång chát khê âæåc háp thu vao chát næåc âæåc tênh tæ phæång trçnh trang thai :
p.Vk
r.T
α *.p
273.r
P.VK = m.r.T
suy ra
m =
=
V
(3.20)
Nghéa la å nhiãt âä xac âënh khäi læång chát khê âæåc háp thu vao chát long ty lã våi ap
suát trãn màt thoang chát næåc.
Báy giå chung ta xet træång håp háp thu hän håp chát khê vao chát long. Trong træång håp
nay ap suát riãng phán cua tæng chát khê la :
m1.r .T1
m2 .r2 .T2
1
p1 =
;
p2 =
Vhh
Vhh
p1 m1.r
1
suy ra
=
p2 m2 .r2
Trong âo
m1 , m2 la khäi læång chát khê trong hän håp.
Vhh la thã têch hän håp cua chát khê,
T1=T2.
Båi vç mäi chát khê co kha nàng âiãn âáy thã têch khäng gian trãn màt thoang chát næåc
va nãu tach hän håp khê ra thanh nhæng thã têch riãng re thç mäi chát khê se chiãm thã têch :
m1.r .T
V1.p
1
V1 =
V2 =
suy ra
suy ra
m1.r =
;
1
p
m2 .r2 .T
p
T
V2 .p
m2 .r2 =
T
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Trong âo
p = p1+p2 (theo âënh luát Âantän ).
T la nhiãt âä hän håp.
Tæ cac phæång trçnh trãn chung ta suy ra :
p1 V1
ϕ =
=
(3.21)
p2 V2
Nghéa la ty sä ap suát riãng phán cua hän håp chat khê bàng thã têch riãng phán cua chung.
Khi hän håp nay âæåc háp thu vao chát long thç ty lã hän håp se phu thuäc vao hã sä háp thu α
cua mäi chát nghéa la :
V1h
p1.α1 α1
ϕ* =
=
=
ϕ
(3.22)
V2h p2 .α2 α2
Vê du :Trong khäng khê co 21% Oxy va 79% Nitå.
V0
0,21
Ty lã hän håp nay la : ϕ =
=
= 0,265.
Vn 0,79
Khi dæåc háp thu trong næåc å 0o C thç ty lã nay la : ϕ* =
0,21.0,0489
0,79.0,0231
= 0,563.
Nhæ váy læång äxy âæåc háp thu trong næåc gáp hai lán trong khäng khê.
Khi chát long giai phong chát khê háp thu âæåc do sæ thay âäi ap suát (giam) hoàc nhiãt âä
(tàng) lam anh hæång âãn tênh toan thuy læc va gáy ra sæ gian âoan chuyãn âäng cua chát long.
3.9 - Sæ trao âäi nhiãt va khäi læång
Hiãn tæång nay âæåc xay ra å trong mäi træång chát long å trang thai ténh lán chuyãn
âäng. Nhiãt âæåc truyãn qua chát long tuán theo âënh luát Furiã. Sæ khuyãch tan khäi læåmg tuán
theo dënh luát Fêch. Hã sä dán nhiãt va hã sä khuyãch tan phu thuäc vao nhiãt âä [1].
3.10 - Cac âai læång trang thai cua chát khê
3.10.1 - Phæång trçnh trang thai cua chát khê
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Cac thäng sä trang thai cua chát khê ly tæång co liãn quan chàt che våi nhau trong phæång
trçnh trang thai Clapeyrän (1884) :
p
p.v = r.T
hay
= r.T
(3.23)
ρ
Phæång trçnh trang thai viãt cho m kg khäi læång chát khê :
p V = m r T
(3.24)
(3.25)
m
cho n=m/M mol chát khê :
pV = R.T
n
Trong âo
M la trong læång phán tæ cua chát khê ,
r hàng sä chát khê (våi khäng khê r=287 J/kg/0K)
R la hàng sä täng quat cua chát khê,
ρ la khäi læång riãng cua chát khê ,
p la ap suát cua chát khê.
Phæång trçnh trang thai chè âæåc sæ dung khi chát khê å trang thai cán bàng.
3.10.2 - Näi màng, cäng thã têch chát khê
Theo nguyãn ly thæ nhát cua nhiãt âäng hoc chát khê thç nhiãt truyãn cho hã trong mät
qua trçnh co gia trë bàng biãn thiãn näi nàng cua hã va cäng thã têch do hã sinh ra trong qua trçnh :
dq = du + da
(3.26)
Trong âo
q la nhiãt truyãn cho hã (J/kg) ;
u la näi nàng cua chát khê (J/kg) ;
a la cäng thã têch cua chát khê (J/kg).
Näi nàng âæåc xac âënh theo thuyãt âäng læc hoc phán tæ., du = cv.dT. Näi nàng la ham
trang thai âån vë nãn no co vi phán toan phán båi vç âä biãn thiãn cua no khäng phu thuäc vao qua
trçnh .
Cäng thã têch âæåc sinh ra khi chát khê bë tac dung båi ap suát p lam thay âäi thã têch chát
khê dv la da = p dv ; (å âáy v la thã têch riãng ). Âä lån cua cäng phu thuäc vao qua trçnh lam thay
âäi trang thai chát khê, nãn cäng khäng phai la ham cua qua trçnh.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thuy khê ky thuát æng dung
Huynh Vàn Hoang
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
3.11 Chát long ly tæång
Vëãc nghiãn cæu chát long âæåc bàt âáu tæ chát long ly tæång, trãn cå så âo chung ta må
räng cho chát long thæc. Chát long ly tæång co nhæng tênh chát sau :
- Khäng co tênh nhåt
- Di âäng tuyãt âäi
- Hoan toan khäng chäng âæåc læc keo va læc càt
Chát long å trang thai ténh hoan toan tuán theo cac qui luát cán bàng cua chát long ly tæång.
Vê du 1: Næåc å nhiãt dä 20oC chay qua äng co tiãt diãn thay âäi. Ngæåi ta làp mät ap kã
thuy ngán nhæ hçnh 3-5 âã âo âä chãnh ap suát å hai tiãt diãn. Hay tênh âä chãnh lãch ap suát ? Cho
-1
biãt ρo=13600 kh/m3 å 0oC. Hã sä dan nå cua thuy ngán βt=1,815.10-4 âä va h1=350 mm ;
h2=150 mm va ρn=1000 kg/m3.
p1
p2
næåc 20oC
h1
h2
Thuy ngán
Hçnh 3-5
Khäi læång riãng cua thuy ngán å 20oC la
1
13600
1+1,815.10−4.20
ρtn = ρo
=
=13515
kg / m3
1+ βt .∆t
Tæ âiãu kiãn cán bàng hai nhanh ap kã chæ U ta co
p1 + ρn g(h1 − h2 ) = p2 + ρg(h1 − h2 )
Suy ra :
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tải về để xem bản đầy đủ
109 trang
19400
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thủy khí kỹ thuật ứng dụng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_thuy_khi_ky_thuat_ung_dung.pdf
