TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN: VẬT LÝ
----------------

----------------

TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: Sư phạm VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Trầm Lộc
Lớp: Sư

phạm Vật lý

Mã số sinh viên: 1060137

Cần Thơ, 05/2010


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp


...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 2

SVTH: TRẦM LỘC



...............................................................................................................................................

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 3

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 6
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................ 6
2. MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 6
2.2. Mục đích ......................................................................................................................... 6
2.3. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................... 6
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 7
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 7
5. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 7
NỘI DUNG ........................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 8
1. QUÃNG ĐƯỜNG TỰ DO TRUNG BÌNH ...................................................................... 8
2. CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN........................................................................................ 9
2.1. Hiện tượng khuếch tán ................................................................................................. 10
2.2. Hiện tượng dẫn nhiệt .................................................................................................... 13
2.3. Hiện tượng nội ma sát .................................................................................................. 15
2.4. Kết luận chung ............................................................................................................. 17

4.2 . Thiết bị lọc chân không thùng quay ............................................................................ 44
4.3 . Thiết bị lọc đĩa chân không ......................................................................................... 46
4.4 . Thiết bị lọc băng tải chân không ................................................................................. 46
5 . CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG KHÁC ...................................................................... 48
5.1 . Bình thủy (phích nước) ............................................................................................... 48
5.2 . Đèn điện tử chân không .............................................................................................. 50
5.3 . Thiết bị nâng hút chân không ...................................................................................... 53
5.4 . Máy đóng gói thực phẩm chân không ......................................................................... 53
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 55
1. Ý nghĩa nghiên cứu đề tài ............................................................................................... 55
2. Tóm tắt nội dung ............................................................................................................. 55
3. Phương diện ứng dụng của đề tài .................................................................................... 55
4. Đánh giá .......................................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 56

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 5

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đối với sinh viên Bộ môn Vật lý – Khoa Sư phạm – Trường Đại học Cần Thơ, công
nghệ và thiết bị chân không là một đề tài tương đối mới. Mặc dù công nghệ chân không đã

Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Sự va chạm của các phân tử khí và hiện tượng truyền.
- Công nghệ chân không.
- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị chân không điển hình trong công
nghiệp chế biến thực phẩm, khai khoáng, lọc dầu…; một số thiết bị chân không thường thấy
trong cuộc sống hàng ngày.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập thông tin, tài liệu từ các nguồn: Internet, báo chí, sách, tài liệu khác.
- Tổng hợp, phân tích các tài liệu thu thập được.

5. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hịên trong thời gian 9 tháng (Từ tháng 8 năm 2009 đến tháng 5 năm 2010)
va được chia ra theo các mốc thời gian như sau:
- Tháng 8/2009: nhận đề tài từ Giáo viên hướng dẫn.
- Từ tháng 8/2009 đến tháng 1/2010: tìm kiếm các nguồn tài liệu phục vụ cho việc
nghiên cứu luận văn, hoàn thành sơ bộ luận văn (Bản nháp) và nộp cho giáo viên hướng dẫn.
- Từ tháng 1/2010 – 4/2010: trao đổi với Giáo viên hướng dẫn về nội dung, điều
chỉnh luận văn.
- Tháng 5/2010: hoàn thành luận văn, nộp bản chính và báo cáo luận văn trước Hội
đồng bảo vệ Luận văn Tốt nghiệp.

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 7



U
U
1
=
=
2
2
Z 4πr .U .n 4πr .n

Trong thực tế, các phân tử đều chuyển động, chứ không đứng yên cho nên ta hiệu
chỉnh công thức λ và ta có:
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 8

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
λ=

1
4 2πr 2 .n

* Nhận xét:
1. Cho r = 10 8 cm (kích thước phân tử). Ở điều kiện thường: n = 5.1019 hạt/cm3 và
U = 5.10 4 cm / s thì Z = 3.1019 s −1 và λ = 10 −5 cm


4. Với không khí ở điều kiện chuẩn, ta có: λ = 7.10 −6 cm .

2. CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN
- Các phân tử khí tiến hành chuyển động nhiệt (không ngừng và hỗn loạn). Nếu vì
một lý do nào đó, trong bình có sự không đồng đều về: nhiệt độ, khối lượng riêng, vận tốc
dòng khí (khi khí chuyển động thành dòng), thì theo thời gian, nhờ hiện tượng chuyển động
nhiệt, các phân tử khí va chạm nhau, tính không đồng đều sẽ mất dần đi. Ta bảo rằng trong
chất khí có xảy ra hiện tượng truyền.
- Chú ý rằng, hiện tượng truyền chỉ xảy ra khi đồng thời có sự va chạm phân tử và sự
không đồng đều như trên. Nếu chỉ có một yếu tố, hiện tượng truyền không xảy ra. Sau đây ta
sẽ xét các hiện tượng truyền cụ thể.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 9

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
2.1. Hiện tượng khuếch tán
2.1.1. Xét theo quan điểm vĩ mô

- Cho một khối lượng khí chứa trong một bình kín. Tại lúc nào đấy, ta thấy khối
lượng riêng (ρ) của khí chứa trong bình không đồng đều tại mọi điểm. Ví dụ: ρ1 ≠ ρ 2 ≠ ρ 3
Qua thời gian, khối lượng riêng dần trở nên đồng đều tại mọi điểm trong bình
( ρ1 = ρ 2 = ρ 3 ).
Ta nói rằng: “Trong bình đã xảy ra hiện tượng khuếch tán”.


dM = −k

dρ
dx

dρ
dS .dt
dx

Trang 10

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Dấu “-“ diễn tả chiều truyền, là chiều từ vị trí có ρ lớn đến vị trí có ρ nhỏ hơn:
dρ

1
n1 λdS phân tử đi qua dS theo chiều dương. Thời
6

gian cần thiết để số phân tử này chuyển hết sang dS là t =

λ
u

.

Trong một đơn vị thời gian, số phân tử đi qua dS là

1 n1 λ .dS
.
6
t

Trong thời gian dt, số phân tử đi qua dS là:
1 n .λ .dS .dt 1 n1 .λ .dS .dt 1
N1 = . 1
= .
= .n1 u.dS .dt
6
6
6
t
λ
u
1

dS .dt = − u.λm dS .dt
6
dx
3
dx

Với m là một hằng số đã biết nên ta viết:
1
d (mn)
1
dρ
dS .dt
dM = − u.λ
dS .dt = − u.λ
3
dx
3
dx
1
3

So sánh với các công thức trên, ta có: k = u.λ
* Nhận xét: λ ~
u~ T

;

1
1
, do đó k ~ , hệ số khuếch tán tỉ lệ nghịch với áp suất

Xét hai điểm A và B, trong bình khí, nằm trên trục Ox.
Nhiệt độ TA > TB. Nhiệt lượng sẽ truyền từ A đến B.
Cho dQ: nhiệt lượng đã truyền qua dS trong thời gian dt. Cũng lý luận như đối với
sự khuếch tán, ta có:
dQ = − D

dT
dS .dt
dx

với dT = T2 − T1

D: hệ số dẫn nhiệt, phụ thuộc bản chất chất khí và nhiệt độ vốn có của khí.
2.2.2. Xét theo quan điểm vi mô
Trong quá trình chuyển động hỗn loạn, các phân tử va chạm nhau, truyền động năng
cho nhau. Truyền nhiệt lượng trong chất khí chính là truyền một phần động năng trung bình
của các phân tử ở lớp nóng hơn cho các phân tử ở lớp lạnh hơn, sự trao đổi năng lượng chỉ
xảy ra lúc va chạm. Ngoài lúc ấy không có sự thay đổi. (Chỉ xét dạng chuyển động tịnh tiến).
Xét 2 trụ A và B chung đáy, như trên, sự truyền nhiệt xảy ra ngay tại đáy dS.
3
2

Gọi W 1 : là động năng trung bình của các phân tử trong trụ (A): W 1 = kT1
3
2

Cũng vậy: W 2 = kT2
T1, T2 là nhiệt độ các điểm A và B do chuyển động nhiệt, sẽ có hai dòng phân tử, đi
theo hai chiều ngược nhau, qua dS dọc theo phương x. Gọi N1 là số phân tử từ phía A qua dS
để sang B trong thời gian dt. Lý luận như trên ta có:


πµ

Ta có u 1 và u 2 khác nhau rất ít, nên gần đúng ta coi:
1
6

Động năng trung bình của N1 phân tử là: N 1W 1 = n.u.W 1 dS .dt
1
6

Động năng trung bình của N2 phân tử là: N 2 W 2 = n.u.W 2 dS .dt
( T1 ≠ T2 nên W 1 ≠ W 2 )
Khi va chạm tại dS, N1 phân tử đã truyền cho N2 phân tử phần động năng trung bình
bằng:
dW = N 1W 1 − N 2 W 2 =
dW =

1
1
3
n.u.(W 1 − W 2 )dS .dt = n.u k (T1 − T2 )dS .dt
6
6
2

1
n.u.k (T1 − T2 )dS .dt
4



GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 14

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
So sánh với công thức vĩ mô: dQ = − D
Ta có:

D=

dT
dS .dt
dx

1
n.u.k .λ
2
2
3

Nhận xét: hằng số k = CV .m với CV là nhiệt dung riêng đẳng tích.
D=

1

lực ma sát f.
Nếu f là lực kéo: cùng chiều với đường dòng.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 15

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Nếu f là lực hãm: ngược chiều với đường dòng.
Gọi f: cường độ lực nội ma sát; dS: diện tích tiếp xúc giữa các lớp.
dΩ
: gradient vận tốc dòng theo phương vuông góc với dòng (phương Oz)
dx
dΩ
dS
dx

Theo thực nghiệm, ta có: f = η
Trong đó: η là hệ số nội ma sát.

dΩ
< 0 : f có chiều ngược với dòng chảy. Lực nội ma sát ám chỉ lực tác dụng của
dx

lớp chảy chậm tác dụng lên mặt tiếp xúc của lớp chảy nhanh hơn.
2.3.2. Xét theo quan điểm vi mô

6

Trang 16

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
Vì rằng n1 = n2 = n;

T1 = T2 = T ;

u 1 = u 2 = u ; nên N 1 = N 2 = N ;

N1 phân tử va chạm với N2 phân tử tại dS và truyền cho chúng động lượng.
1
dk = − n.u.dS .m.(Ω1 − Ω 2 )dt
6

Trị số này cũng là biến thiên động lượng của N phân tử lớp (1) sau khi va chạm tại
dS. Theo cơ học Niutơn, ta có:
f =

dk
1
= − n.u.dS .m.(Ω1 − Ω 2 )
dt
6

3

a/ Khuếch tán: truyền khối lượng: k = u.λ
1
3

b/ Dẫn nhiệt: truyền động năng: D = CV .ρ .λ .u
1
3

c/ Lực nội ma sát: truyền động lượng: η = ρ .u.λ
Các phương trình truyền có dạng chung:

dG = − R

dH
dS .dt
dx

Trong đó dG: phần đại lượng được truyền
dH
: gradien đại lượng Vật lý mang tính không đồng đều. Do tính
dx

không đồng đều của đại lượng này ở trong hệ, cộng với tác dụng chuyển động nhiệt của các
phân tử cấu hành hệ mà phát sinh hiện tượng truyền, nhờ truyền mà dẫn tới tính đồng đều.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 17


Trang thái chân không, do đó, hiểu là trạng thái có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trung
bình chuẩn, và được chia thành:
Chân không thấp (p > 100Pa)
Chân không trung bình (100Pa > p > 0.1Pa)
Chân không cao (0.1Pa > p >10-5Pa)
Chân không siêu cao (p < 10-5Pa)
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 18

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Nói chung, nơi có điều kiện gần với chân không nhất là khoảng không giữa các thiên thể,
hoặc khoảng không ở ngoài rìa vũ trụ (cách trung tâm Vụ Nổ Lớn hơn 15 tỷ năm ánh sáng).
Hạt photon của ánh sáng và bức xạ điện từ được cho là di chuyển trong chân không, đúng
hơn là trong không gian không có vật chất nào ngoài hạt này, với tốc độ không đổi và không
phụ thuộc vào hệ quy chiếu, thường được gọi là tốc độ ánh sáng.
Khi ta xét các hiện tượng truyền, sự tương tác xảy ra lúc các phân tử chuyển động
nhiệt mà không va chạm, chất khí có đặc điểm gì?
Biết rằng λ ~

1
, p giảm thì λ tăng. Muốn giảm p, ta giảm mật độ khí trong bình (p
p


giữa hai vỏ thủy tinh. Hệ số dẫn nhiệt trở nên rất bé.
3.3. Kỹ thuật chân không
Kỹ thuật chân không đóng vai trò rất quan trọng trong nền khoa học và kĩ thuật hiện
đại. Hiện nay đã đạt được đến 10-13 mmHg, với mật độ hạt 103 hạt/cm3.
- Kết hợp với việc thực hiện nhiệt độ thấp, về nguyên tắc có thể đạt đến 10-30mmHg.
- Kĩ thuật chân không thường được thực hiện bằng các loại bơm hút khí như bơm
khuếch tán, bơm phân tử…..
Trong kỹ thuật chân không, người ta thường sử dụng một số đơn vị sau:
Bảng 1-1. Một số đơn vị đo áp suất
Đơn vị áp suất
pao (áp
atmôtphe kỹ

suất) trên

pascal

bar

thuật

atmôtphe

torr

một inch

(Pa)

(bar)

1 at

98.066,5

0,980665

≡ 1 kgf/cm2

0,96784

735,56

14,223

1 atm

101.325

1,01325

1,0332

≡ 1 atm

760

14,696

1 torr


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
3.3.1. Bơm khuếch tán

Bơm khuếch tán là thiết bị dùng để tạo chân không cao ở mức độ trung bình (từ 10-3 10-7 Torr) hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch tán các phân tử khí nhờ sự hấp phụ của các
phân tử dầu bị bay hơi.
3.3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm khuếch tán:
Bơm khuếch tán chỉ có thể làm
việc khi môi trường đạt độ chân không
sơ cấp cần thiết (từ 10-3 đến 10-4 Torr).
Để đạt được chân không đó, ban đầu
người ta dùng một bơm sơ cấp là bơm
chân không cơ học để tạo ra chân
không sơ cấp ban đầu. Cấu tạo chính
của bơm khuếch tán là một buồng đốt
nhiều tầng. Người ta sử dụng buồng đốt
để đun sôi một loại dầu (gọi là dầu
chân không) có nhiệt độ hóa hơi thấp.
Các dòng hơi dầu khi bay hơi lên sẽ
hấp phụ các phân tử khí khuếch tán từ

Hình 1-1. Cấu tạo bơm khuếch tán

môi trường cần tạo chân không cao.
Sau khi hấp phụ, dầu được làm lạnh và bị rơi xuống, nhả các phân tử khí theo một đường
khác (nhờ hệ bơm cơ học đi kèm) và quay trở lại buồng đốt.
3.3.1.2. Ưu điểm và nhược điểm:
•


3.3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm turbo phân tử:

Hình 1-2. Cấu tạo bơm turbo phân tử
Bơm turbo phân tử là thiết bị tạo ra chân không cao theo nguyên lý cuốn các phân tử
khí ở trạng thái khí kém nhờ một động cơ quay với tốc độ rất lớn. Để bơm có thể hoạt động,
ban đầu cần tạo ra chân không sơ cấp (cỡ 10-3 Torr) nhờ một bơm cơ học. Khi bơm hoạt
động, rôto của bơm là hệ thống các cánh quạt được tăng tốc đến vận tốc lớn như động cơ
phản lực và sẽ cuốn các phân tử khí để tạo môi trường chân không cao. Vì quay với tốc độ
rất lớn nên động cơ sẽ rất nhanh bị nóng và đòi hỏi làm mát bằng nước hoặc dầu.
3.3.2.2. Ưu điểm và nhược điểm:
Ưu điểm:
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 22

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
• Thời gian khởi động để bơm làm việc nhanh.

• Tạo được áp suất chân không cao (10-7 - 10-9 Torr)
• Vận tốc hút khí khác nhau với các loại khí khác nhau (do đó có thể dùng để tách
đồng vị).
Nhược điểm:
• Đòi hỏi cơ khí chính xác đặc biệt cao, làm cho giá thành của bơm rất cao.
• Bơm dễ hỏng khi có hạt vật rắn (thủy tinh, kim loại…) rơi vào hệ thống rãnh của
bơm.

trạng thái của sản phẩm.
1.1.1. Cấu tạo của thiết bị
Thiết bị gồm một thùng chứa hai vỏ làm bằng inox, được quay quanh một trục
nghiêng nhờ hệ thống ổ trục, bánh răng, động cơ. Bên trong thiết bị có các gờ để tăng hiệu
suất truyền nhiệt giữa các pha, tăng khả năng bốc hơi của dung môi. Độ chân không trong
thiết bị được tạo ra nhờ hệ thống bơm chân không. Áp suất chân không tối đa đạt -730
mmHg. Trong quá trình làm việc, thùng chứa được quay, làm toàn bộ khối hỗn hợp (quả,
miếng và dịch) cùng quay nên sản phẩm không bị vỡ nát mà hiệu suất cô đặc vẫn đạt yêu
cầu.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Dung dịch hoặc hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên
liệu 3. Sau đó đóng chặt cửa lại. Thiết bị được quay với vận tốc 3-5 vòng/phút nhờ hệ thống
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 24
SVTH: TRẦM LỘC