Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên nghành: Công nghệ Kỹ thuật nhiệt MÔ PHỎNG V

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2021

S K L 0 0 8 2 9 8

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HÓA THEO NHIỆT ĐỘ CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THEO BIÊN DẠNG CỦA THÂN CÂY BÔNG SÚNG

GVHD: ĐẶNG HÙNG SƠN SVTH: NGUYỄN SONG TIẾN LƯƠNG VĂN TRƯỜNG NGUYỄN VĂN HƯNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SÚNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên nghành: Công nghệ Kỹ thuật nhiệt

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HÓA THEO NHIỆT ĐỘ CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THEO BIÊN DẠNG CỦA THÂN CÂY BÔNG SÚNG

GVHD: TS ĐẶNG HÙNG SƠN

Nguyễn Song Tiến 17147185 Lương Văn Trường 17147194 Nguyễn Văn Hưng 17147145

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Trường MSSV: 17147194

Nguyễn Văn Hưng MSSV: 17147145

Nguyễn Song Tiến MSSV: 17147185

Chuyên Ngành: Công Nghệ Kĩ Thuật Nhiệt

Mã ngành: 147

Hệ: Đại học chính quy

2 Thông tin đề tài

Tên của đề tài: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng

Mục đích của đề tài: Nghiên cứu được trường nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo kích thước và biên dạng của than cây bông súng

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ Môn Công Nghệ Kĩ Thuật Nhiệt, Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ ngày 1/04/2021 đến 28/08/2021

3 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

- Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về cây bông súng và phần mêm mô phỏng

- Nhiệm vụ 2: Xây dựng mô hình

- Nhiệm vụ 3: So sánh các thông số từ lý thuyết và thực nghiệm

4 Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Hùng Sơn

Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng 08 năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Cơ khí Động lực

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Tên đề tài: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt

thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng

Họ tên sinh viên : 1 Lương Văn Trường MSSV: 17147194 Hội đồng: 2

2 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 17147145 Hội đồng: 2

3 Nguyễn Song Tiến MSSV: 17147185 Hội đồng: 2Chuyên Nghành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

Họ và tên GV hướng dẫn: TS.Đăng Hùng Sơn

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

Các bạn sinh viên có tinh thần và thái độ làm việc nghiêm túc, có tinh thần học hỏi và

tìm hiểu các mới

Chịu khó đi khảo sát và tìm hiểu các thiết bị để xây dựng mô hình thực nghiệm………

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)

2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

Kết cấu và cách thức trình bày của đồ án tốt nghiệp phù hợp với đồ án tôt nghiệp của

sinh viên hệ đại học chính quy………

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển) Nội dung đồ án Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án có tính mới, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển………

2.3.Kết quả đạt được: Bài luận cho đồ án tốt nghiệp, bài báo cáo, mô hình thực nghiệm, mô hình mô phỏng………

2.4 Những tồn tại (nếu có): Còn nhiều lỗi về chính tả, một số đoạn trong bài luận còn chưa hợp lí, chưa thực hiện được quá trình thực nghiệm thực, các yếu tố khảo sát còn ít, khó khăn về các dụng cụ đo lường chính xác và mô đồ toán nên sai số còn lớn

3 Đánh giá:

Điểm tối đa

Điểm đạt được

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực

tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Tên đề tài: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng

Họ tên sinh viên :1 Lương Văn Trường MSSV: 17147194 Hội đồng: 2

2 Nguyễn Văn Hưng MSSV: 17147145 Hội đồng: 2

3 Nguyễn Song Tiến MSSV: 17147185 Hội đồng: 2

Chuyên Nghành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

Họ và tên GV phản biện: (Mã GV): Th.S Nguyễn Thành Luân (0860)

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

- Kết cấu và cách trình bày phù hợp với 1 đồ án tốt nghiệp

- Bước đầu tiếp cận mô phỏng số ( cụ thể Ansys ) và ứng dụng vào mô phỏng TBTĐN

có biên dạng cây bông súng

- Bước đầu tiếp cận được phương pháp thực nghiệm và tối ưu theo phương pháp

Taguchi

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

- Cần có một mô hình vật lý mô tả đầy đủ điều kiện biên của mô phỏng

- Cần làm rõ cơ sở chọn mô hình chảy rối k-ε Standard (Tr 37)

- Kích thước lưới ? cần kiểm tra độc lập lưới (Tr43)

- Cần chỉ rõ sai số cho phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình

năng

lượng trong mô phỏng là bao nhiêu ?

- Cần Validiation – để kiểm tra độ chính xác của mô phỏng

- Cần chỉ rõ biến đáp ứng và tiêu chí lựa chọn để tính tỉ số tín hiệu/ nhiễu (S/N) ?

- Cần Phân tích ANOVA cho biết tỉ lệ phần trăm đống góp mức độ ảnh hưởng của 3

Câu 1: Cơ sở chọn mô hình chảy rối k- standard Nhóm có kiểm tra độc lập lưới không ?

Cho biết sai số của phương trình phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương

trình năng lượng Nhóm có validiation để kiểm tra chính xác của kết quả mô phỏngkhông Câu 2: Nhiệt độ nước nóng đầu ra bảng 4 (Tr 65) tại sao lại có sự khác biệt 3 giá trị nhiệt

độ đầu ra của cùng một điều kiện mô phỏng ?

Câu 3: Nhóm cho biết biến đáp ứng và tiêu chí lựa chọn để tính tỉ số tín hiệu/ nhiễu

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực

tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

LỜI CẢM ƠN

Báo cáo tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật nhiệt với đề tài “Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo kích thước và biên dạng của

thân cây bông súng” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của chúng em, sự

giúp đỡ và khích lệ của các thầy cô, bạn bè và người thân Để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này thì nhóm nghiên cứu may mắn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ thầy Đặng Hùng Sơn, từ đó nhóm phát hiện được nhiều thiếu sót của bản thân để cải thiện hơn, giúp nâng cao sự hiểu biết và vững tin hơn trong công việc tương lai sau này

Nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu nhà trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM và các quý thầy cô giáo Ngành Kỹ Thuật Nhiệt đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu cho nhóm nghiên cứu suốt thời gian vừa qua Nhóm nghiên cứu cũng xin kính chúc các thầy, cô luôn dồi dào sức khỏe và gặt hái nhiều thành công trong công việc

Đặc biệt nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đặng Hùng Sơn đã tận tình theo dõi, hướng dẫn chi tiết và đưa ra những nhận xét thiết thực trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Do thời gian nghiên cứu và sự hiểu biết còn hạn chế dẫn đến “Đồ án tốt nghiệp” của nhóm không tránh khỏi những thiếu sót trong việc trình bày, đánh giá và đề xuất ý kiến Nhóm nghiên cứu rất mong nhận được sự nhận xét và góp ý từ quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp được hoàn thiện hơn Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Trên thế giới, các nghiên cứu về thiết kế sinh học luôn là nguồn cảm hứng để cải tiến các thiết bị hiện tại Những nghiên cứu luôn hướng các thiết bị của con người hiện đại hơn, tiện lợi và nhỏ gọn hơn Nhưng ở Việt Nam vẫn chưa được đầu tư vào lĩnh vực này, các nghiên cứu dù có ý tưởng và thực hiện cũng chỉ ở mức thử nghiệm và tạo mô hình đơn giản Đó là lí do mà chúng ta cần quan tâm nhiều hơn trong việc ứng dụng các lĩnh vực này sớm ở nước ta

Mô phỏng lại quá trình trao đổi và vận động của lưu chất trong ống đa diện dạng thân cây bông súng giúp chúng ta thấy được những tiềm năng mới Việc nghiên cứu sự trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo thiết kế sinh học này giúp chúng ta có những bước tiến mới trong ngành công nghiệp

Bước đầu nhóm chúng em đã tìm hiểu về lý thuyết của đề tài, xong sau đó đã bắt đầu tìm hiểu về các phần mềm để bắt đầu cho việc mô phỏng Từ đó mô phỏng được trường nhiệt độ và tìm ra được phương án tối ưu, để so sánh với kết quả từ quá trình thực nghiệm

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ix

TÓM TẮT x

MỤC LỤC xi

MỤC LỤC HÌNH xiv

MỤC LỤC BẢNG xvii

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT xviii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về CNC 1

1.1.1 Gia công CNC 1

1.1.2 Vật liệu gia công CNC 1

1.1.3 Phương pháp gia công CNC 2

1.1.4 Ưu, nhược điểm gia công CNC 4

1.1.5 Ứng dụng công nghệ CNC 5

1.2 Giới thiệu về thiết kế sinh học 6

1.2.1 Giới thiệu cây bông súng 6

1.2.2 Các nghiên cứu trên thế giới 7

1.3 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 11

1.3.1 Các định nghĩa 11

1.3.2 Phân loại các TBTĐN 12

1.4 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu 14

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài 14

1.4.2 Lý do chọn đề tài 14

1.4.3 Mục đích nghiên cứu 14

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu 14

1.4.5 Phạm vi nghiên cứu 14

1.5 Các phần mềm hỗ trợ 14

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới 16

2.1.1 Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt 16

2.1.2 Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối 16

2.2 Giới thiệu về phương pháp Taguchi 17

2.2.1 Hình thành phương pháp 18

2.2.2 Mục tiêu của phương pháp Taguchi 19

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm: 19

2.3 Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm 20

2.4 Các bước tiến hành 21

2.4.1 Chọn yếu tố khảo sát 22

2.4.2 Chọn mức độ khảo sát 22

2.4.3 Chọn bảng quy hoạch trực giao 22

2.4.4 Phân tích dữ liệu thí nghiệm 24

2.5 Giới thiệu về phần mềm Inventor 29

2.5.1 Chức năng của Inventor 29

2.5.2 Xây dựng model bằng phần mềm Inventor 2019 31

2.6 Tiến hành mô phỏng 36

2.6.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys 36

2.6.2 Mô hình tính toán dòng chảy rối trong Ansys 37

2.7 Phần mềm Minitab 38

CHƯƠNG 3 XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG SỐ 40

3.1 Mô phỏng 40

3.2 Kiểm nghiệm lưới và mô phỏng 52

3.2.1 Kích thước và tính độc lập của lươi 52

3.2.2 Kiểm nghiệm mô phỏng 53

3.3 Mô phỏng và xử lý số liệu 53

3.3 Xử lý số liệu theo Taguchi (L9) 54

3.4.1 Kết quả mô phỏng 54

3.4.2 Kết quả mô phỏng thí nghiệm hiệu quả trao đổi nhiệt 68

3.4.3 Xử lý số liệu theo Taguchi 68

3.4.4 Xử lý theo ANOVA 75

CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM THỰC TẾ 78

4.1 Mô hình thực tế 78

4.2 Sơ đồ nguyên lý 82

4.3 Mô hình thực tế đã lắp đặt 83

4.4 Thực nghiệm 83

4.4.1 Cơ sở thực nghiệm 83

4.4.2 Các bước tiến hành thực nghiệm 85

4.5 Tính toán lý thuyết sơ bộ 85

4.5.1 Phương trình cân bằng nhiệt 85

4.5.2 Tính toán trường hợp thí nghiêm 86

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 91

5.1 Kết luận 91

5.2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Công nghệ CNC đang là xu hướng hàng đầu hiện nay 5

Hình 1.2: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ 7

Hình 1.3: Ghế Bướm thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award 2012-2013 7

Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm 8

Hình 1.5: Chim bói cá và tàu Shinkansen 9

Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim 10

Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) 10

Hình 1.8: Dự án BioArch 11

Hình 1.9: Sơ đồ khối của TBTĐN 12

Hình 2.1: Ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá, được minh họa bằng lá che nắng và bóng râm từ các loài sồi khác nhau 16

Hình 2.2: Trung tâm Eastgate 17

Hình 2.3: Model được xây dựng bằng phần mềm Inventor 32

Hình 2.4: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện 32

Hình 2.5: Hình minh họa về bộ trao đổi nhiệt ban đầu và sau khi thu phóng 33

Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau khi tăng 4 lần 34

Hình 2.7: Khối ống đa diện 35

Hình 2.8: Bộ góp xây dựng bằng phần mềm Inventor 35

Hình 2.9: Phần mềm Minitab 19 39

Hình 3.1: Import Geometry và Edit 40

Hình 3.2: Đặt tên và thay đổi thuộc tính 41

Hình 3.3: Khởi động Edit Mesh 41

Hình 3.4: Điều kiện biên của mô phỏng 42

Hình 3.5: Thiết lập các thông số trong bảng tùy chọn tạo Mesh 42

Hình 3.6: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Skewness 43

Hình 3.7: Thông số Aspect Ratio và hướng dẫn yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT 43 Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo TC Orthogonal 44

Hình 3.9: Models sau khi được chia lưới 45

Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mô hình Error! Bookmark not defined.

Hình 3.12: Gắn thuộc tính vật liệu cho mô hình 46

Hình 3.13: Setup thông số wall_shell 47

Hình 3.14 Thiết lập Momentum của Velocity inlet cold and hot water 48

Hình 3.15: Thiết lập nhiệt độ Velocity inlet cold and hot water 47

Hình 3.16: Thiết lập Hybrid Initialization 48

Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate 49

Hình 3.18: Trường nhiệt độ mặt cắt model 50

Hình 3.19: Trường nhiệt độ phần vỏ 49

Hình 3.20: Trường nhiệt độ phần hot & cold water 50

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ nhất 55

Hình 3.22: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2 55

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 3 55

Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ nhất 56

Hình 3.25: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 2 56

Hình 3.26: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 3 57

Hình 3.27: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 3 lần thứ nhất 57

Hình 3.28: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 3 lần thứ 2 58

Hình 3.29: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 3 lần thứ 3 58

Hình 3.30: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 4 lần thứ nhất 59

Hình 3.31: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 4 lần thứ 2 59

Hình 3.32: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 4 lần thứ 3 60

Hình 3.33: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ nhất 60

Hình 3.34: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 2 61

Hình 3.35: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 3 61

Hình 3.36: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ nhất 62

Hình 3.37: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ 2 62

Hình 3.38: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ 3 63

Hình 3.39: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ nhất 63

Hình 3.40: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 2 64

Hình 3.41: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 3 64

Hình 3.42: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ nhất 65

Hình 3.43: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ 2 65

Hình 3.44: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ 3 66

Hình 3.45: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ nhất 66

Hình 3.46: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 2 67

Hình 3.47: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 3 67

Hình 3.48: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means 73

Hình 3.49: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN 73

Hình 3.50: Bảng tính toán Anova từ Minitab 19 Analysis of Variance 77

Hình 4.1: Hình khối ống đa diện sau khi gia công CNC 78

Hình 4.2: Thiết bị trao đổi nhiệt thực tế qua gia công CNC 78

Hình 4.3: Bơm nước lạnh 79

Hình 4.4: Bơm nước nóng 79

Hình 4.5: Cảm biến nhiệt độ 80

Hình 4.6: Điện trở gia nhiệt nước 80

Hình 4.7: Chiết áp 81

Hình 4.8: Lưu lượng kế 81

Hình 4.9: Sơ đồ lắp đặt 82

Hình 4.10: Mô hình thực tế đã lắp đặt 83

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng Taguchi L9 20

Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi 23

Bảng 2.3: Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN 24

Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN 25

Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN 26

Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng với giá trị Means 27

Bảng 2.7: Kích thước model 31

Bảng 2.8: Bảng thu gọn các tham số tỷ lệ 33

Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ 34

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness 43

Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Orthogonal Quality 45

Bảng 3.3: Grid independence study details 52

Bảng 3.4: Bảng kết quả kiểm nghiệm 52

Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model 52

Bảng 3.6: Bảng thông số các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng 42

Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số của các yếu tố 55

Bảng 3.8: Bảng kết quả mô phỏng thí nghiệm độ chênh nhiệt độ của TBTĐN 69

Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean 69

Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN 72

Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình của tỉ số SN 73

Bảng 4.1: Mức độ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt của TBTĐN…… 83

Bảng 4.2: Bảng Taguchi L9 84

Bảng 4.3: Bảng ấn định thông số của các yếu tố 84

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

 i: số thứ tự thí nghiệm (Experiment number)

 u: số thứ tự thử nghiệm (Trial number)

 Ni: số thử nghiệm của một thí nghiệm thứ i (Number of trials for experiment i)

 𝑥̅: Trung bình chung của mẫu

 SN: Signal Noise Ratio

 MSW: Phương sai nội nhóm

 MSB: Phương sai giữa các nhóm

 MSK: Phương sai giữa các nhóm (cột)

 MSH: Phương sai giữa các khối (hàng)

 MSE: Phương sai phần dư

 Trial: Thử nghiệm

 TN: Thí nghiệm

 Lv: mức độ (level)

 F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2

 Cp: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, kJ/(kg.K)

 Q: Công suất nhiệt, W

 Nu: Tiêu chuẩn Nusselt

 Re: Tiêu chuẩn Reynolds

 Gr: Tiêu chuẩn Grashoff

 Pr: Tiêu chuẩn Prandtl

 𝜆: Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K)

 α: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/(m2.K)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về CNC

1.1.1 Gia công CNC

Gia công CNC là phương pháp gia công cơ khí bằng các máy móc ứng dụng công nghệ hiện đại CNC (computer numerial control) nhằm đạt độ chính xác cao và tốc độ làm việc nhanh chóng

CNC (computer numerical control) là việc sử dụng máy tính để điều khiển các loại máy gia công kim loại Bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts

Trong gia công CNC, các máy móc sẽ loại bỏ vật liệu khỏi một khối rắn để tạo ra chi tiết dựa trên mô hình CAD CNC sản xuất các bộ phận với dung sai rất chặt chẽ và tính chất vật liệu tuyệt vời, độ lặp lại cao, do đó tối ưu được chi phí khi sản xuất các chi tiết với khối lượng thấp đến trung bình (lên đến 1000 chi tiết)

Có nhưng phương pháp gia công CNC khác nhau tùy sản phẩm gia công mà chọn phương pháp gia công phù hợp như phay, tiện, khoan, mài, cắt bánh răng, bào, chuốt, cưa, plasma, laser [1]

1.1.2 Vật liệu gia công CNC

Có rất nhiều vật liệu dùng để gia công CNC, trong đó có 4 loại vật liệu chính là kim loại, hơp kim, nhựa và gỗ

1.1.2.1 Vật liệu kim loại

Kim loại thường như sắt, nhôm… dùng để tạo ra các chi tiết máy, các linh kiện xe… Kim loại màu như đồng, nhôm chì, kẽm, thiếc… dùng để tạo ra các sản phẩm trong nhiều ngành nghề như xây dựng, dân dụng, thiết kế…

1.1.2.2 Vật liệu hợp kim

Inox là một dạng hợp kim của sắt chứa tối thiểu 10,5% crom Đây là một trong những vật liệu hợp kim để gia công cơ khí vô cùng phổ biến

Thép có độ bền cao, độ cứng tốt Khi được phủ thêm lớp mạ kẽm, thép có khả năng chống

ăn mòn vượt trội Thép có thể gia công bằng cắt bằng máy Oxy-Gas CNC, máy Plasma CNC… để tạo ra các chi tiết phù hợp cho công trình

Gang là hợp kim của sắt và cacbon nên có nhiều đặc tính tốt, dễ dàng điền đặc khuôn, chịu lực tốt Gang qua quá trình gia công chi tiết có thể dùng làm chi tiết máy, bánh răng, bánh đà, trục cán…

Hợp kim của nhôm có thể cắt bằng máy Plasma CNC, máy Laser CNC… để tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng cho cuộc sống

Hợp kim của đồng như đồng thau, đồng đen, đồng đỏ… dễ dàng dát mỏng, cắt và uốn lượn để tạo kiểu

1.1.3 Phương pháp gia công CNC

1.1.3.1 Gia công phay CNC

Phay CNC là kiến trúc máy CNC phổ biến nhất Là quá trình gia công sử dụng dao cắt quay để cắt gọt vật liệu Các chi tiết kim loại được tạo hình bởi nhiều lưỡi dao thông qua 2 chuyển động: dao phay quay tròn và chuyển động tịnh tiến theo 3 phương

Có các loại máy phay CNC 2 trục đến 5 trục

Máy phay CNC có thể cắt gọt nhiều vật liệu như sắt, thép, inox, nhôm, titan… Gia công các mặt phẳng phức tạp, bề mặt cong và các bộ phận vỏ như ổ đĩa, khuôn, thanh nối, lưỡi cắt, vỏ máy, linh kiện máy… [2]

1.1.3.2 Gia công tiện CNC

Máy tiện CNC được sử dụng để xử lý một số bề mặt quay phức tạp như hyperboloid hoặc xi lanh tuyến tính, xi lanh nghiêng và các luồng khác nhau Tạo ra nhiều sản phẩm từ đơn giản đến phức tạp như chi tiết máy, hình khối, cắt bánh răng, vát cạnh, vê góc lượn…

1.1.3.3 Gia công khoan CNC

Đây là quá trình gia công sử dụng lưỡi khoan để khoan lỗ trên bề mặt kim loại, vật liệu Mũi khoan có độ chính xác cao, thực hiện liên tục và giảm thời gian thi công Mũi khoan có độ sâu khác nhau theo các chương trình được thiết kế sẵn

Công nghệ khoan CNC với độ chính xác cao được sử dụng để tạo ra các lỗ trên bề mặt khối sản phẩm theo đúng yêu cầu sản xuất [4]

1.1.3.4 Gia công mài CNC

Sử dụng công nghệ CNC để mài phẳng bề mặt của các loại vật liệu Đặc biệt là vật liệu có độ cứng cao như thép cứng, hợp kim cứng hay vật liệu có độ giòn như như thủy tinh, đá granite Máy sẽ làm nhẵn mịn, mài mòn, loại bỏ các chất thừa bám trên bề mặt, đánh bóng bề mặt đẹp mắt [4]

1.1.3.5 Gia công cắt bánh răng CNC

Sử dụng máy cắt tia nước CNC kết hợp cùng các công nghệ phay, xọc răng, chuốt định hình… để tạo ra bánh răng máy móc, đảm bảo độ cứng và chính xác như bản vẽ

Ứng dụng phương pháp này trong mọi hoạt động sản xuất bánh răng máy móc, xe

cộ, bánh răng, thanh răng trong các máy cơ khí [4]

1.1.3.6 Gia công bào CNC

Đây là quá trình bào mỏng bề mặt, tạo nên bề mặt đẹp, mịn, đưa về độ dày phù hợp với yêu cầu thiết kế Thường được ứng dụng trong sản xuất đồ gỗ, chế tạo vỏ máy móc…

1.1.3.7 Gia công chuốt CNC

Đây là quá trình làm rộng lỗ hiện hữu của vật liệu bằng cách sử dụng dao chuốt có hình trụ hoặc côn Dao chuốt được chế tạo bằng thép gió, hợp kim Fe-Co, Carbides (hợp kim cứng) có thể cắt tạo kích thước chính xác, không dùng để gia công cắt gọt với lượng

dư lớn

Chuốt được các lỗ thông suốt có đường tâm thẳng và tiết diện ngang không đổi Nếu

lỗ cần độ đồng tâm cao và dung sai chính xác thì cần khoan tâm hoặc khoan điểm trước, tiếp đó khoan bình thường, doa thô, sau cùng là chuốt để hoàn tất

Ứng dụng gia công lỗ tròn, các loại lỗ định hình, then, lỗ then hoa hoặc rãnh xoắn, mặt phẳng, mặt trụ ngoài [4]

1.1.3.8 Gia công cưa CNC

Máy cưa CNC dùng để cắt ra các chi tiết cong theo lập trình CNC trên bản vẽ với tốc độ nhanh và độ chính xác cao Ứng dụng để cắt các chi tiết theo bản vẽ, cắt chi tiết thừa, tạo đường cong cho vật liệu [4]

1.1.3.9 Gia công cơ khí Plasma, Laser CNC

Đây là quá trình sử dụng máy cắt có các chùm tia nhiệt độ cao, năng lượng cao để cắt bề mặt kim loại Quá trình nóng chảy diễn ra cực kỳ nhanh và ở vị trí rất nhỏ, tạo thành các đường cắt nhỏ, sắc nét, không bị sần sùi, cháy đen

Ứng dụng để cắt các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp, độ chính xác cao, đường cắt nhỏ hẹp và không cần xử lý lại Như gia công góc V, kiến trúc nghệ thuật chạm khắc tinh xảo… [4]

1.1.4 Ưu, nhược điểm gia công CNC

máy, sản xuất ô tô, xe máy hiện nay Một chiếc máy phay/tiện CNC có thể ứng dụng cho

nhiều hoạt động nhờ khả năng công nghệ rộng do đó đây là chiếc máy công cụ cơ bản, không thể thiếu cho bất kỳ xưởng cơ khí nhỏ và vừa cũng như doanh nghiệp sản xuất mô hình lớn [5]

Chi phí khởi đầu của gia công CNC cao do phải đầu tư về máy móc

1.1.5 Ứng dụng công nghệ CNC

Trong cuộc sống hiện nay, máy CNC có rất nhiều ứng dụng đáp ứng được nhu cầu

sử dụng ngày càng cao hơn của khách hàng Có thể kể đến một số ứng dụng nổi bật nhất như:

Máy CNC có thể gia công bất kì một sản phẩm nào theo nhu cầu của khách hàng hoặc gia công khuông đúc nên sản phẩm, bất kể sản phẩm đó làm từ chất liệu gỗ, đá, kim loại…

Ứng dụng trong ngành sản xuất đồ gia dụng: Với kĩ thuật chính xác từ phần mềm lập trình cnc, bề mặt các sản phẩm gia dụng đều được cắt gọt một cách chính xác và tỷ mỉ

có độ bóng cao, đạt chuẩn Nên nó được ứng dụng trong việc tạo khuôn cho các mặt hàng điện máy, điện lạnh, đồ gia dụng…

Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất đồ gỗ: Máy Cnc đã thay thế những người thợ mộc, giúp họ không cần trực tiếp tham gia vào khâu chạm khắc từng chút một trên bề mặt sản phẩm Thay vào đó bạn chỉ cần lập trình một bản vẽ và máy sẽ từ đó mà thi công

Hình 1.1: Công nghệ CNC đang là xu hướng hàng đầu hiện nay

Không những vậy chất lượng của sản phẩm được làm từ máy cnc có độ tinh xảo và tỷ mỉ không kém gì sản phẩm được làm ra từ bàn tay tài hoa của những người thợ mộc lành nghề

Bên cạnh đó máy cnc còn có thể gia công những chi tiết máy bị hỏng mà không có phụ tùng thay thế, vì vậy nó được ứng dụng chủ yếu trong những công ty chế tạo và cung cấp phụ tùng máy [6]

1.2 Giới thiệu về thiết kế sinh học

Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời… [7]

Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950 Trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982 [7]

Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature [7]

Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn Đã có rất nhiều thiết

kế dựa trên hình dáng sinh vật

1.2.1 Giới thiệu cây bông súng

Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng

Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp

Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)

Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ Cây đã lan rộng qua các nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma

Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền

Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưa thưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân [8]

1.2.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo

Hình 1.2: Ghế Bướm thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award

2012-2013 [7]

Hình 1.3: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ [7]

Mặc dù bề ngoài cồng kềnh của cá hộp, nó có sức cản dòng chảy thấp và hệ số cản

đáng kinh ngạc là 0,06 Trong khi đó, chim cánh cụt bơi trong nước có hệ số 0,19

Vào năm 2005, lấy cảm hứng từ sức mạnh cấu trúc tuyệt vời và khối lượng thấp của cá hộp, Mercedes Benz đã phát triển Xe Bionic, được báo cáo là giảm lực cản, có độ cứng lớn, trọng lượng thấp và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với các loại xe truyền thống

Tất nhiên, chỉ vì một cái gì đó có vẻ giống như thiết kế hoàn hảo trong thế giới tự nhiên, không nhất thiết có nghĩa là nó hoạt động theo cách đó trong thiết kế công

nghiệp Bạn có thể nhận thấy sự thiếu vắng rõ rệt của các phương tiện có hình dạng Ôtô Bionic trên đường, có thể là do một nghiên cứu năm 2015 cho thấy hình dạng của cá nắp hòm không làm giảm lực cản chút nào và thực sự khiến nó không ổn định hơn [7]

Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz

lấy cảm hứng từ cá nắp hòm [7]

Hình 1.5: Chim bói cá và tàu Shinkansen [7]

Nhật Bản nổi tiếng với tốc độ và hiệu quả đáng kinh ngạc của các chuyến tàu của

họ Tuy nhiên, với tốc độ vượt quá 300km / h, tàu cao tốc đã gây ra một vấn đề trong việc tạo ra âm thanh bùng nổ lớn mỗi khi chúng xuất hiện từ một đường hầm Một kết quả đáng tiếc của việc thay đổi áp suất không khí, nguồn ô nhiễm tiếng ồn này đã làm phiền rất nhiều cư dân địa phương và gây áp lực lên các kỹ sư trong việc giải quyết vấn đề [7]

Họ đã làm điều này, và lấy cảm hứng từ một nguồn khá khó hiểu: Chim bói cá Bói

cá là bậc thầy trong việc di chuyển giữa môi trường nước trong không khí, với rất ít nước bắn Cũng giống như Kingfisher, tàu cao tốc Shinkansen được trang bị một chiếc mũi hình mỏ dài Điều này làm giảm đáng kể tiếng ồn mà tàu tạo ra, nhưng cũng sử dụng ít điện hơn 15% và di chuyển nhanh hơn 10% so với trước đây [7]

Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc

"máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự

thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự

từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay [7]

Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh học: khóa dán (khóa velcro) Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau [7]

Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [7]

Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) [7]

Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi

Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình

M-là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C) Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm

và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên [7]

1.3 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước:

- Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1

- Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2

- Dùng dấu “′” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1′; ϕ2′

- Dùng dấu “″” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1″; ϕ2″ Ví dụ: Cl1, t1 ', t1'', Cl2, t2 ', t2 ''

1.3.2 Phân loại các TBTĐN

1.3.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN

 TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp Ví

dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi [9]

 TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt Quá trình TĐN là không

ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện [9]

 TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do

đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ [9]

 TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Môi chất trong các ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôi

và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng

Hình 1.9: Sơ đồ khối của TBTĐN [9]

rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2 [9]

Ví dụ:

a Bình gia nhiệt hỗn hợp (TBTDN Tiếp xúc)

b Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt (TBTDN hồi nhiệt)

c Bình ngưng ống nước (TBTDN vách ngăn)

d Lò hơi ống nhiệt (TBTDN kiểu ống nhiệt)

1.3.2.2 Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại

TBTĐN có vách ngăn

a Sơ đồ song song cùng chiều

b Sơ đồ song song ngược chiều

c Sơ đồ song song đổi chiều

d Sơ đồ giao nhau 1 lần

e Sơ đồ giao nhau nhiều lần

1.3.2.3 Phân loại TBTĐN theo thời gian

- Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ)

1.3.2.4 Phân loại TBTĐN theo công dụng

- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi)

- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu)

- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh) [9]

1.4 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng của thế giới là thu nhỏ kích thước của các thiết bị, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Thực tế hiện nay, các bộ trao đổi nhiệt có kích thước lớn chiếm một diện tích lớn nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt không cao Vì vậy, nếu cần tăng công suất giải nhiệt đồng nghĩa với việc tăng kích thước thiết bị, điều này không phải là lựa chọn tối ưu Do đó, chúng ta phải nghiên cứu một bộ trao đổi nhiệt có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn với kích thước nhỏ hơn và chi phí phải phù hợp

1.4.2 Lý do chọn đề tài

Sau khi tìm hiểu và nhận thấy ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt theo thiết kế sinh học Với ý tưởng ứng dụng thiết kế sinh học của thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt, chúng em hi vọng sẽ nâng cao hiệu suất truyền nhiệt của ống trao đổi nhiệt Vì vậy, chúng em quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và mô phỏng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện”

1.4.3 Mục đích nghiên cứu

Tính toán được kích thước tối ưu cho quá trình trao đổi nhiệt xảy ra tốt nhất và thực hiện quy trình lấy số liệu từ quá trình thử nghiệm thực tế từ đó so sánh với kết quả đã mô phỏng bằng phần mêm Ansys để đưa ra kết luận

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được CNC từ nhôm theo kích thước 1 phần cây bông súng

1.4.5 Phạm vi nghiên cứu

Trong đồ án này, với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em sẽ nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến thân cây bông súng trong ống trao đổi nhiệt đến khả năng truyền nhiệt Dựa theo thiết kế sinh học của thân cây bông súng chúng em mong muốn mô phỏng lại cấu trúc này nhầm tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất cao

1.5 Các phần mềm hỗ trợ

Một số phương tiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu:

 Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việc thiết

kế và xây dựng mô hình 3D

 Phần mềm Ansys 2014: Phần mềm Ansys hỗ trợ trong việc mô hình hoá các vấn đề

về dòng chảy của lưu chất nén được và không nén được, chảy tầng và chảy rối

 Phần mềm Minitab 19: Phần mềm minitab hỗ trợ trong việc xử lí kết quả sau quá

trình mô phỏng nhằm xác định được yếu tố nào có ảnh hưởng nhất đến mô hình

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới

2.1.1 Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt

Dưới đây là 1 bài nghiên cứu khoa học về cơ sở phỏng sinh học cho các cấu trúc

trao đổi nhiệt lấy cảm hứng từ thiết kế lá thực vật:

Bài nghiên cứu đến từ trường Nghệ thuật và Khoa Sinh học Myers, Trung tâm Nghiên cứu và Đổi mới Biomimicry, Đại học Akron, Akron, OH 44325, Hoa Kỳ Thiết kế sinh học được phỏng theo hình dạng lá cây sồi, từ đó nghiên cứu ra quá trình trao đổi nhiệt với môi trường Mục tiêu của thí nghiệm này là để định lượng sự khác biệt về hình dạng

giữa lá che nắng và bóng râm trên nhiều loài Bắc Mỹ thuộc giống Quercus [10]

2.1.2 Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối

Người ta thường nghĩ mối là loài chuyên phá hoại nhà cửa, thật ra, mối cũng là những kỹ sư xây dựng tài năng Các đền thờ Hồi giáo tại Mali hầu hết được xây dựng theo thiết kế này Tổ mối có tường dày, cấu trúc thông khí rất tốt, luôn mát mẻ Hệ thống tổ mối

Hình 2.1: Ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá, được

minh họa bằng lá che nắng và bóng râm từ các loài sồi khác nhau [10]

luôn có đường nối với nguồn nước Không khí lạnh bên ngoài luồn qua các lỗ nằm trên mặt đất, kết hợp với nước ngầm, tạo thành một lớp hơi nước làm mát tỏa ra xung quanh Khi tiếp xúc với bầy mối bên trong, không khí sẽ nóng dần lên, nhẹ hơn, và thoát ra ngoài Trung tâm của gò là một ống thông khí kết nối với mạng lưới các đường hầm và lối đi phức tạp Cấu trúc tường dạng xốp, cho phép không khí đi vào trong tổ mối và cuối cùng là thoát

ra khỏi tổ mối thông qua ống thông khí ở trung tâm tổ mối Sự luân chuyển của không khí

đi vào tổ mối, điều này giúp luôn duy trì cho tổ mối lượng oxy cần thiết và nhiệt độ ổn định [11]

Cao ốc Eastgate tại Harare được thiết kế bởi kiến trúc sư Mick Pearce phối hợp với các kỹ sư Arup, không có điều hòa không khí hoặc sưởi ấm thông thường, nhưng vẫn được điều tiết quanh năm với mức tiêu thụ năng lượng ít Họ đã thiết kế dựa theo thông gió của

tổ mối, giúp ổn định nhiệt độ quanh năm ỡ mức 270C mà vẫn tiết giảm được 90% nhu cầu năng lượng (tương đương 3.5 triệu USD) so với các tòa nhà cùng quy mô Hệ thống làm mát của toà cao ốc này có giá bằng 1/10 so với các hệ thống làm mát thông thường và sử dụng năng lượng ít hơn 35% so với các công trình có cùng kích cở và điều kiện [11]

2.2 Giới thiệu về phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần

Hình 2.2: Trung tâm Eastgate [11]

Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

kế của Taguchi để nghiên cứu biến thể, nhưng đã chỉ trích sự không hiệu quả một số đề xuất của Taguchi [13]

Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:

 Một chức năng mất cụ thể

 Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến

 Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm

Taguchi biết lý thuyết thống kê chủ yếu từ những người theo Ronald A Fisher Phản ứng với các phương pháp của Fisher trong việc thiết kế các thí nghiệm, Taguchi giải thích các phương pháp của Fisher là thích nghi để tìm cách cải thiện kết quả trung bình của một quy trình Thật vậy, công việc của Fisher chủ yếu được thúc đẩy bởi các chương trình

để so sánh năng suất nông nghiệp theo các phương pháp xử lý và khối khác nhau, và các thí nghiệm như vậy đã được thực hiện như một phần của chương trình dài hạn để cải thiện thu hoạch

Tuy nhiên, Taguchi nhận ra rằng trong sản xuất công nghiệp nhiều, có một nhu cầu

để tạo ra một kết quả đúng mục tiêu Do đó, ông lập luận rằng kỹ thuật chất lượng nên bắt đầu bằng sự hiểu biết về chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Trong nhiều kỹ thuật công nghiệp thông thường, chi phí chất lượng được thể hiện đơn giản bằng số lượng