2015_9_15_9_11_659tapchikhcndhdn-2015.01(86)-final-in

MỤC LỤC ISSN 1859-1531 - Tạp chí KHCN ĐHĐN, Số 0186.2015 KHOA HỌC KỸ THUẬT Ảnh hưởng của vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết đến độ nhám và độ không tròn của chi tiết khi mài vô

Lời nói đầu

Đà Nẵng được tăng kỳ xuất bản từ 03 tháng/kỳ lên thành 02 tháng/kỳ

Ngày 6 tháng 2 năm 2007, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ đã có Công văn số 44/TTKHCN-ISSN đồng ý cấp mã chuẩn quốc tế: ISSN 1859-1531 cho Tạp chí “Khoa học và Công nghệ”, Đại học Đà Nẵng

Ngày 5 tháng 3 năm 2008, Cục Báo chí, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Công văn số 210/CBC cho phép Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học

Đà Nẵng, ngoài ngôn ngữ được thể hiện là tiếng Việt, được bổ sung thêm ngôn ngữ thể hiện bằng tiếng Anh và tiếng Pháp

Ngày 15 tháng 9 năm 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có Quyết định

số 1487/GP-BTTTT cấp Giấy phép sửa đổi, bổ sung cho phép Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng được tăng kỳ hạn xuất bản từ 02 tháng/kỳ lên

01 tháng/kỳ và tăng số trang từ 80 trang lên 150 trang

Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời với mục đích:

 Công bố, giới thiệu các công trình nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực giảng dạy và đào tạo;

 Thông tin các kết quả nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước nhằm phục vụ cho công tác đào tạo của nhà trường;

 Tuyên truyền, phổ biến đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo và nghiên cứu khoa học, công nghệ Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” Đại học Đà Nẵng ra đời là sự kế thừa và phát huy truyền thống các tập san, thông báo, thông tin, kỷ yếu Hội thảo của Đại học Đà Nẵng và các trường thành viên trong gần 40 năm qua

Ban Biên tập rất mong sự phối hợp cộng tác của đông đảo các nhà khoa học, nhà giáo, các cán bộ nghiên cứu trong và ngoài nhà trường, trong nước

và ngoài nước để Tạp chí “Khoa học và Công nghệ” của Đại học Đà Nẵng ngày càng có chất lượng tốt hơn

BAN BIÊN TẬP

MỤC LỤC ISSN 1859-1531 - Tạp chí KHCN ĐHĐN, Số 01(86).2015

KHOA HỌC KỸ THUẬT

Ảnh hưởng của vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết đến độ nhám và độ không tròn của chi tiết khi

mài vô tâm chạy dao hướng kính

Influence of control wheel velocity and center height angle of workpiece on roughness and roundness error in plunge centerless

grinding

Một số đặc điểm hóa sinh của nguyên liệu phục vụ chế biến dầu gan mực

Biochemical characteristics of raw material used for processing squid liver oil

Bùi Xuân Đông, Đặng Đức Long, Phạm Trần Vĩnh Phú, Tạ Ngọc Ly, Đoàn Thị Hoài Nam, Lê Lý Thùy Trâm,

Nghiên cứu ứng dụng máy lạnh ghép tầng trong kỹ thuật bảo quản máu và các chế phẩm từ máu

Study of cascade refrigeration applications to technology of preserving blood and blood products

Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí 8Tính chất và khả năng bảo vệ kim loại của màng polypyrrole pha tạp bằng anion hexafluorotitanate TiF62-

Properties and corrosion protection for metal of polypyrrole film doped with hexafluorotitanate TiF 6 2- anion

Thực trạng cấp nước cho nhà cao tầng ở Đà Nẵng và đề xuất giải pháp cấp nước phù hợp

Water supply for high buildings in Danang and proposals for appropriate water supply

Phân tích biến thiên áp suất trong động cơ dual fuel biogas-diesel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

In cylinder pressure analysis in biogas-diesel dual fuel engine by simulation and experiment

Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng 24Nghiên cứu ứng dụng đại số gia tử để điều khiển hệ thống gương mặt trời

Research and application of hedge algebra to control the solar mirror system

Nghiên cứu khả năng giảm phát thải khí CO2 thông qua áp dụng chương trình hành động sinh thái

(eco action 21) đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại thành phố Đà Nẵng

A study of evaluating CO 2 emissions reduction by applying eco action 21 program at small & medium enterprises in Danang city

So sánh sự đóng rắn ẩm ở nhiệt độ thường của các polysilazane bằng quang phổ hồng ngoại phản xạ - hấp thụ

Moisture-curing comparison of different polysilazanes at room temperature by infrared reflectionabsorption spectroscopy

Mở rộng khả năng tạo mẫu nhanh trên máy phay CNC ba trục

Expanding the capability of the 3-axis CNC milling machine for rapid prototyping

Mô phỏng thiết kế bộ điều khiển mờ cho robot di động

Design and simulation of fuzzy control for mobile robot

Lưu Trọng Hiếu, Lê Hồng Lâm, Nguyễn Hữu Hiếu 48Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng thứ cấp đến giá trị nội lực của kết cấu cầu cong bằng bê tông cốt thép

Study on the effect of the secondary load to the instrinsic value of the curved bridge structure with reinforced concrete

Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh tráng

Research on recycling waste heat from rice paper stove for rice paper drying

Khảo sát sự tác động của tải trọng ngang đến ứng suất cắt - trượt trong kết cấu áo đường mềm

Study of the effects of horizontal load on shear stress in flexible pavement structures

Phạm vi sử dụng tín hiệu đèn tại nút giao thông vòng đảo ở thành phố Đà Nẵng

Applicability of traffic signals at roundabouts in Danang city

Vũ Quý Lộc, Phan Cao Thọ, Trần Thị Phương Anh 65Diode cộng hưởng đường hầm làm từ vật liệu lớp nguyên tử MoS2

Resonant tunneling diode made up of atomic-layered MoS 2 materials

Xây dựng mô hình điều khiển cho lò phản ứng liên tục CSTR (continous stirred tank reactor)

Building control model for continuous stirred tank reactor

Một phương pháp mô phỏng ứng xử của kết cấu sử dụng mô hình response surface meta-model

A method for structural behaviour simulation with response surface meta-model

Tiện nghi nhiệt trong một số giảng đường thông gió tự nhiên

Thermal comfort in some naturally-ventilated lecture halls

Chẩn đoán mạch từ và các cuộn dây của máy biến áp lực bằng kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số quét

Diagnosis of power transformer magnetic core and windings failure by sweep frequency response analysis

Đánh giá các phương pháp điều khiển biến tần ba pha và sử dụng FPGA trong điều chế vector không gian

Evaluation of the method of three-fhase inverter control and FPGA use in space vector modulation

Định vị sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng số liệu đo lường từ hai đầu đường dây không sử dụng

thông số và chiều dài đường dây

Fault location on transmission lines using measurement signals from two-ends, not length of line and parameters

Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Xuân Tùng, Nguyễn Đức Huy 100

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Xây dựng phân hệ xếp lịch thi và tích hợp vào hệ thống moodle tại Trường Đại học Kinh tế, Đại học Đà Nẵng

Developing the exam time table plugin and integrating it into moodle at The University of Danang, University of Economics

Building a data warehouse for duplicate detection system

Châu Thùy Dương, Võ Trung Hùng, Hồ Phan Hiếu 113Nghiên cứu thiết kế giao thức xuyên lớp PHY, MAC, network nâng cao hiệu năng mạng ad-hoc đa chặng

Research on the PHY, MAC, network cross-layer protocol design to improve the performance of multi-hop ad-hoc networks

Xác định selenium trong mẫu địa chất bằng phương pháp trùng phùng gamma - gamma

Determination of selenium in geology sample by gamma – gamma coincidence menthod

Trương Văn Minh, Phạm Đình Khang, Nguyễn Xuân Hải, Hồ Hữu Thắng, Nguyễn Ngọc Anh, Nguyễn Giằng 123

Đa dạng thành phần loài rắn ở khu bảo tồn thiên nhiên Bà Nà – Núi Chúa, thành phố Đà Nẵng

Diversity of snake composition of species from Ba Na – Nui Chua nature reserve in Danang city

Phạm Hồng Thái, Đinh Thị Phương Anh, Lê Nguyên Ngật 126Tổng hợp phức Lantan glutamat và thử nghiệm hoạt tính sinh học đến sự sinh trưởng và phát triển

cây dưa leo

Synthesis of glutamate Lanthanum complex and surveying the biological activity on the growth and development of the cucumber

Nguyễn Minh Thông, Lê Thị Thu Trang, Phạm Thị Thùy Trang, Quách Xuân Quỳnh, Bùi Thị Ngọc Hân 129

Nghiên cứu sự sinh trưởng phát triển, năng suất và phẩm chất của giống dưa trời T3291 (Trichosanthes

anguina l.) trồng ở vụ xuân hè tại Đà Nẵng

A study of the growth, development, productivity and quality of the trichosanthes T3291 planted in ecological conditions of the spring

- summer crop in Danang

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 1

ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ĐÁ DẪN VÀ GÓC CAO TÂM CỦA CHI TIẾT

ĐẾN ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ KHÔNG TRÒN CỦA CHI TIẾT KHI MÀI VÔ TÂM CHẠY DAO HƯỚNG KÍNH

INFLUENCE OF CONTROL WHEEL VELOCITY AND CENTER HEIGHT ANGLE OF WORKPIECE

ON ROUGHNESS AND ROUNDNESS ERROR IN PLUNGE CENTERLESS GRINDING

Ngô Cường 1 , Phan Bùi Khôi 2 , Đỗ Đức Trung 1*

1 Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên; *dotrung.th@gmail.com

2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; khoi.phanbui@hust.edu.vn

Tóm tắt - Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc đá

dẫn và góc cao tâm của chi tiết đến chất lượng vật mài khi gia công

tinh thép 20Cr thấm cacbon khi mài vô tâm chạy dao hướng kính.

Hai thông số đặc trưng cho chất lượng vật mài được khảo sát trong

nghiên cứu này gồm độ nhám bề mặt (Ra) và độ không tròn (∆).

Từ đó đưa ra được mức độ ảnh hưởng của vận tốc đá dẫn và góc

cao tâm của chi tiết đến độ nhám và độ không tròn bề mặt gia công.

Đồng thời, nghiên cứu này cũng chỉ ra khoảng vận tốc của đá dẫn

và góc cao tâm của chi tiết hợp lý khi gia công tinh mác thép 20Cr

thấm cacbon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính.

Sau đó, hướng nghiên cứu tiếp theo cũng được đề cập trong bài

báo này

Abstract - This paper presents the research on the influence of

control wheel velocity and center height angle of workpiece on quality of workpiece when grinding 20Cr - carbon infiltration steel uses plunge centerless grinding process Two parameters of quality of workpiece which are considered in this paper are roughness (Ra) and roundnesserror (∆) Then the influence of control wheel velocity and center height angle of workpiece on roughness and roundness error is shown Also, this work points out the logical ranges of control wheel velocity and center height angle

of workpiece when grinding 20Cr - carbon infiltration steel uses plunge centerless grinding process Finally, suggestions for further research are given

Từ khóa - mài vô tâm chạy dao hướng kính; độ nhám; độ không

tròn; thép 20X; vận tốc đá dẫn; góc cao tâm của chi tiết

Key words - plunge centerless grinding; roughness; roundness error;

20Cr steel; control wheel velocity; center height angle of workpiece

1 Đặt vấn đề

Phương pháp mài vô tâm có nhiều ưu điểm so với mài

có tâm như: do không cần định tâm chi tiết và chi tiết được

định vị bằng chính bề mặt gia công nên có thể giảm bớt

lượng dư gia công; có thể nâng cao chế độ mài vì chi tiết

được gá trên thanh tỳ và đá dẫn nên có độ cứng vững cao;

có thể giảm đáng kể số lần chạy dao dọc nếu sử dụng đá có

chiều dày lớn; thời gian gá đặt, hiệu chỉnh và tháo dỡ chi

tiết ít [1, 2, 3] Chính vì vậy mà phương pháp này được sử

dụng phổ biến trong sản xuất loạt lớn, hàng khối để gia

công các bề mặt trụ yêu cầu độ chính xác cao

Thép 20X thuộc nhóm thép hợp kim được sử dụng rộng

rãi trong ngành chế tạo máy (ở trạng thái thấm cácbon và

tôi) để chế tạo chi tiết con đội xupap của động cơ diesel,

chốt piston, gudông, đồ định vị …

Đối với các chi tiết máy tròn xoay có yêu cầu độ chính

xác và độ bóng bề mặt cao, mài thường được chọn là

phương pháp gia công lần cuối Chất lượng vật mài được

đánh giá qua nhiều thông số, trong đó độ nhám và độ không

tròn của bề mặt gia công là những thông số quan trọng Đã

có một số nghiên cứu về độ nhám và độ không tròn của bề

mặt gia công khi mài vô tâm chạy dao hướng kính được

công bố: Khảo sát độ nhám bề mặt gia công khi sửa đá mài

bằng bút kim cương và đĩa kim cương [2]; khảo sát độ

nhám bề mặt gia công khi sửa đá mài bằng phương pháp

xung điện [4, 5]; ảnh hưởng của một số thông số động hình

học của quá trình mài đến độ nhám bề mặt gia công [6, 7,

8]; ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt gia công

[9]; mối quan hệ giữa độ không tròn của bề mặt gia công

với góc nghiêng thanh tỳ γ và góc cao tâm β [2]; ảnh hưởng

của phương pháp sửa đá dẫn đến độ không tròn của bề mặt

gia công [10, 11]; ảnh hưởng của độ chính xác biên dạng

đá dẫn đến độ không tròn của bề mặt gia công [12]; vấn đề rung động và quá trình tạo độ tròn của bề mặt gia công [13]; khảo sát độ không tròn của bề mặt gia công trong trường hợp mài vô tâm mà tâm chi tiết cao hơn và thấp hơn tâm đá [14, 15]; ảnh hưởng của tốc độ đá dẫn đến độ không tròn của bề mặt gia công [8]; mối quan hệ giữa độ không tròn của bề mặt gia công với góc cao tâm β, lượng chạy dao khi sửa đá và vận tốc chi tiết [16]; vấn đề đảm bảo độ tròn của

bề mặt gia công [17]; ảnh hưởng của tỷ lệ vận tốc đá mài/vận tốc chi tiết đến độ không tròn của bề mặt gia công [18]; ảnh hưởng đồng thời của một số thông số động hình học của quá trình mài đến độ không tròn của bề mặt gia công [19, 20]; ảnh hưởng của lượng chạy dao hướng kính đến độ nhám và độ không tròn của bề mặt gia công khi mài tinh thép 20Cr thấm cacbon [21]

Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết đến

độ nhám và độ không tròn của bề mặt gia công khi gia công tinh thép 20Cr thấm cacbon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính Mục đích của nghiên cứu là xác định mức độ ảnh hưởng của vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết đến độ nhám và độ không tròn của bề mặt gia công, qua đó chỉ ra khoảng vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết hợp lý khi mài vô tâm chạy dao hướng kính mác thép

20Cr thấm cacbon

2 Hệ thống thí nghiệm

2.1 Sơ đồ gia công

Sơ đồ gia công khi mài vô tâm chạy dao hướng kính được trình bày trên Hình 1

Khi mài vô tâm, giá trị của góc cao tâm β được điều chỉnh thông qua thay đổi giá trị A Phân tích mối quan hệ

2 Ngô Cường, Phan Bùi Khôi, Đỗ Đức Trung

Trong công thức trên H là khoảng cách từ đáy thanh tỳ

đến tâm đá mài - tâm đá dẫn và có giá trị cụ thể đối với mỗi

Thí nghiệm được thực hiện trên máy mài vô tâm ký hiệu

M1080B (Trung Quốc) tại Xưởng cơ khí II - Công ty Cổ

phần Cơ khí Phổ Yên - Thái Nguyên (Hình 3)

+ Chiều sâu sửa đá: 0,01 mm

+ Lượng chạy dao dọc sửa đá: 30 mm/ph

+ Vận tốc đá dẫn khi sửa đá: 257,3 m/ph

- Sửa đá mài:

+ Chiều sâu sửa đá: 0,01 mm

+ Lượng chạy dao dọc sửa đá: 300 mm/ph

+ Vận tốc đá mài khi sửa đá: 34 m/s

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 3

3 Kết quả và thảo luận

Tiến hành mài thí nghiệm với các giá trị khác nhau của

vận tốc đá dẫn (v dd)và góc cao tâm chi tiết ( ) Tại mỗi

điểm thí nghiệm tiến hành lặp 3 lần với 3 mẫu Đo độ nhám

bề mặt gia công (R a) trên chiều dài chuẩn L = 0,08 mm, giá

trị độ nhám tại mỗi điểm thí nghiệm là giá trị trung bình

các lần đo trên 3 mẫu lặp Đối với độ không tròn của bề

mặt gia công, tiết diện đo trên các mẫu là thống nhất nhờ

có cữ chặn chiều trục được gắn trên khối V, giá trị độ không

tròn tại mỗi điểm thí nghiệm là giá trị trung bình của các

lần đo trên 3 mẫu lặp Kết quả đo độ nhám và độ không

tròn của bề mặt gia công được thể hiện trên Bảng 1, Bảng

ổn định và có giá trị nhỏ nhất, tiếp tục tăng vận tốc đá dẫn thì

a

R lại tăng; Khi góc cao tâm β tăng từ 2,40 đến 4,80 thì R a giảm, trong khoảng góc cao tâm từ 4,80 đến 9,60 thì R a ổn định và có giá trị nhỏ nhất, tiếp tục tăng góc cao tâm thì R a tăng

- Về ảnh hưởng đến độ không tròn của bề mặt gia công (): Khi vận tốc đá dẫn tăng từ 10,3m/ph đến 18,9m/ph thì

 giảm nhanh, trong khoảng vận tốc từ 18,9m/ph đến 40,3m/ph thì  ổn định và có giá trị nhỏ nhất, tiếp tục tăng vận tốc đá dẫn thì  tăng nhanh; Khi góc cao tâm β tăng từ 2,40 đến 4,80 thì  giảm nhanh, trong khoảng góc cao tâm

từ 4,80 đến 9,60 thì  ổn định và có giá trị nhỏ nhất, tiếp tục tăng góc cao tâm thì  tăng nhanh

4 Kết luận

Từ những kết quả ở trên có thể rút ra một số kết luận khi gia công tinh thép 20Cr thấm cacbon bằng phương pháp mài vô tâm chạy dao hướng kính:

- Vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết đều có ảnh hưởng đáng kế đến độ không tròn và độ nhám bề mặt gia công

- Khoảng giá trị hợp lý đối với vận tốc đá dẫn và góc cao tâm của chi tiết tương ứng là: v dd 18, 9 40, 3( / m ph)

và  4,809, 60

- Trên cơ sở khoảng tương đối hợp lý của v dd và  mà nghiên cứu này đã chỉ ra, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu tối

ưu giá trị của những thông số này trong nghiên cứu tiếp theo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Tính, Kỹ thuật mài, NXB Công nhân Kỹ thuật, Hà Nội,

1978

[2] Loan D Marinescu, Mike Hitchiner, Eckart Uhlmann and W Brian

Rowe, Handbook of machining with grinding wheels, CRC Press

Taylor & Francis Group, 2006

[3] Lưu Văn Nhang, Kỹ thuật Mài kim loại, Nhà xuất bản KH&KT, Hà

Nội, 2003

[4] H Ohmori, W Li, A Makinouchi and B.P Bandyopadhyay,

"Efficient and precision grinding of small hard and brittle cylindrical parts by the centerless grinding process combined with electro-

discharge truing and electrolytic in-process dressing", Journal of

Materials Processing Technology 98, 2000, pp322-327

[5] Loan D Marinescu, Handbook of Advances Ceramics Machining,

http://www.taylorandfrancis.com

[6] J Kopac, P Krajnikand J.M d’Aniceto, "Grinding analysis based on the

matrix experiment", 13 th International scientific conference on achievements in mechanical and materials engineering, 2005, pp331-334

[7] P Krajnik, A Sluga, J Kopac, "Radial basis function simulation and

4 Ngô Cường, Phan Bùi Khôi, Đỗ Đức Trung

metamodelling of surface roughness in centreless grinding", Joural

of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering,

Volume 14, Issue 1-2, January-February 2006, pp104-110

[8] P Krajnik, J Kopac and A Sluga, "Design of grinding factors based

on response surface methodology", Journal of Materials Processing

Technology, 2005, pp162–163

[9] S.S.Pande and B.R Lanka, "Investigation on the through – feef

centerless grinding process", International Journal of Production

Research,Volume 27, Issue 7, 1989

[10] F Hashimoto, A Kanai, M Miyashita, K Okamura, "High

Precision Trueing Method of Regulating Wheel and Effect on

Grinding Accuracy", Annals of the C/RP, Vol., 1983

[11] Albert J Shih, "A New Regulating Wheel Truing Method for

Through-FeedCenterless Grinding", Contributed by the

Manufacturing Engineering Division for publication in the journal

of Anufacturing science and engineering, 2000

[12] P R Nakkeeran and V Radhakrishnan, "A study on the effect of

regulating wheel on the roundness of workpiece in centerless

grinding by computer simulation", Int J Math Tools Manufact

Vol, 30, No 2, 1990, pp191-201

[13] Yuji Furukawa, Masakazu Miyashita and Susumu Shiozakij,

"Vibration Analysis and Work-Rounding Mechanism in Centerless

Grinding", Int J Mach Tool Des Res Vol 11, 1971

[14] N G Subramanya Udupa, M S Shubnmugam and V

Radhakristinan,"Influence of workpiece position on roundness error

and surface finish in centerless grinding", Int I Mach Tools

Manufact Vol 27 No 1, 1987, pp77-89

[15] C Guo, S.Malkin, J.A.Kovach and M.Laurich, "Computer Simulation

of Below-Center and Above-Center Centerless Grinding", Machining

Science and Technology, 1(2), 1997, pp253-249

[16] S.S Pande, A.R Naik and S.Somasundaram, Computer simulation

of the plunge centreless grinding process, Journal of Materials Processing Technology, 39, 1993

[17] F Hashimoto, G D Lahoti, M Miyashita, "Safe Operations and Friction Characteristics of Regulation Wheel in Centerless

Grinding", Tokyo, Japan Received on January 5, 1998

[18] W B Rowe, S Spraggett, R GiII and B J Davies, "Improvements in

Centreless Grinding Machine Design", Annals of the CIRP, Vol, 1987 [19] Phan Bui Khoi, Ngo Cuong, Do Duc Trung, Nguyen Dinh Man, "A study on simulation of plunge centerless grinding process", ISEPD

2014 – International Sysposium on Eco-materials Processing and Design, Ha Noi, Viet Nam, Jannuary 12~14, 2014

[20] Phan Bùi Khôi, Ngô Cường, Đỗ Đức Trung, "Mô phỏng quá trình

mài vô tâm chạy dao hướng kính", Tạp chí Khoa học và Công nghệ 52(5), 2014, pp619-626

[21] Đỗ Đức Trung, Ngô Cường, Phan Bùi Khôi, Phan Thanh Chương, Nguyễn Thành Chung, "Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chạy dao đến chất lượng bề mặt gia công thép 20X thấm các bon khi mài vô

tâm chạy dao hướng kính", Tạp chí KHCN, Đại học Thái Nguyên,

tập 127 - số 13, 2014

(BBT nhận bài: 19/11/2014, phản biện xong: 19/01/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 5

MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM HÓA SINH CỦA NGUYÊN LIỆU

PHỤC VỤ CHẾ BIẾN DẦU GAN MỰC

BIOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF RAW MATERIAL

USED FOR PROCESSING SQUID LIVER OIL

Bùi Xuân Đông * , Đặng Đức Long, Phạm Trần Vĩnh Phú, Tạ Ngọc Ly, Đoàn Thị Hoài Nam, Lê Lý Thùy Trâm, Võ Công Tuấn

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; * xdbui@dut.udn.vn

Tóm tắt - Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày kết quả thí

nghiệm xác định thành phần hóa học, đặc điểm hệ enzyme lipase

và protease, phân tích khía cạnh vệ sinh y tế của nguồn phụ phẩm

chế biến cá mực nhằm phục vụ sản xuất dầu gan mực ở quy mô

công nghiệp Nguyên liệu nội tạng mực và gan mực chứa hàm

lượng lipit vào khoảng 22,3-26,7%, hàm lượng protein dao động

từ 19,6 đến 28,6 %, hoạt độ của hệ enzyme protease trong khoảng

150-200 UI/g, lipase 170-370 UI/g phụ thuộc vào vùng pH khác

nhau Nguyên liệu an toàn về hàm lượng kim loại nặng, cũng như

vi sinh vật Từ những kết quả của nghiên cứu này, chúng tôi kết

luận, có thể sử dụng phụ phẩm mực trên địa bàn TP Đà Nẵng để

chế biến dầu gan mực phục vụ sản xuất thức ăn nuôi tôm

Abstract - In this article, we present the experimental results of

identifying chemical compositions and characteristics of lipase and protease enzymes as well as analyze the aspect of health safety

of squid wastes in order to produce squid liver oil industrially Squid viscera contain a high lipid content of 22.3% -26.7%; protein content of 19.6% -28.6%, protease activity of 150 - 200 UI/g and lipase activity of 370 UI/g at different pH values These raw materials were found to be safe in heavy metal level and microbial contamination as well Based on the results of the study, we conclude that these squid by-products can be used to process squid liver oil for producing shrimp feed

Từ khóa - dầu gan mực; lipit; protease; lipase; E Coli; Salmonella;

1 Đặt vấn đề

Gan mực và nội tạng mực là nguồn phụ phẩm chế biến

thủy sản với trữ lượng khá lớn ở nước ta hiện nay Trong gan

và nội tạng mực chứa hàm lượng lipit khá cao Thành phần

lipit trong phụ phẩm mực đã được chứng minh chứa những

axit béo có giá trị dinh dưỡng cao như axit eicosapentaenoic

(EPA) và axit docosahexaenoic (DHA) Ngoài ra, thành phần

lipit này cũng đã được chứng minh là chất kích thích tiêu hóa

và cholesterol rất tốt cho tôm vì hàm lượng cholesterol trong

máu ở mức độ ổn định làm cho tôm ít bị bệnh [1] Hiện nay,

dầu gan mực đang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy

chế biến thức ăn nuôi tôm, một mặt để tăng giá trị dinh dưỡng

và giá trị sinh học, mặt khác làm cho viên thức ăn nuôi tôm

tan chậm hơn giúp tôm dễ bắt mồi và hạn chế lượng thức ăn

bị hòa tan trong nước, gây lãng phí [2]

Tuy nhiên, hiện nay các nhà máy chế biến thức ăn nuôi

tôm nói riêng và chế biến thức ăn chăn nuôi nói chung đang

phải nhập khẩu dầu gan mực để phục vụ sản xuất Vì vậy,

trong nghiên cứu này nhóm tác giả đặt mục tiêu nghiên cứu

những đặc điểm hóa sinh căn bản của nguồn phụ phẩm nội

tạng mực trên địa bàn thành phố Đà Nẵng, nhằm cung cấp

thông tin công nghệ phục vụ cho việc sản xuất dầu gan mực

bằng nguồn nguyên liệu tại chỗ phục vụ sản xuất thức ăn

nuôi tôm thẻ chân trắng và tôm sú

2 Nguyên liệu và phương pháp

2.1 Nguyên liệu

Phụ phẩm nội tạng mực nang, mực ống tươi bao gồm

gan, buồng trứng, ống tiêu hóa… được thu nhận từ Công

ty Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Seaprodex trong tháng

10 của năm 2013 (Hình 1) Nguyên liệu sau khi thu nhận

sẽ được phân chia ra hai phần nội tạng và gan mực, sau đó

phân ra các gói nhỏ (1kg) và bảo quản ở -200C tại Phòng

Thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học – Trường Đại học

Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Hình 1 Nội tạng mực (a – mực ống; b – mực nang)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu thành phần hóa học và hệ enzyme

+ Hàm lượng protein (%) được xác định bằng phương pháp Kjeldahl

+ Hàm lượng lipid (%) được xác định bằng phương pháp Soxhlet [12]

+ Hàm lượng nước (%) xác định theo TCVN 3700 – 1990 + Hàm lượng tro (%) được xác định theo TCVN 5484:2002 (ISO 930:1997)

+ Xác định hoạt độ enzyme protease theo phương pháp Anson [12]

+ Hoạt độ enzyme lipase được xác định bằng phương pháp chuẩn độ axit béo tự do bằng dung dịch NaOH 0,1N [12]

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu kim loại nặng

+ Hàm lượng Asen xác định bằng phương pháp bạc dietylthiocacbamat theo TCVN 7601:2007; Hàm lượng Thủy ngân - phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa TCVN 7604:2007; Hàm lượng cadimi - phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử TCVN 7603:2007; Hàm lượng chì - phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử TCVN 7602:2007

6 Bùi Xuân Đông, Đặng Đức Long, Phạm Trần Vĩnh Phú, Tạ Ngọc Ly, Đoàn Thị Hoài Nam, Lê Lý Thùy Trâm, Võ Công Tuấn

2.2.3 Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu vi sinh vật

Định lượng tổng vi sinh vật hiếu khí trên đĩa thạch

(TPC) bằng phương pháp đếm khuẩn lạc (theo TCVN

4884:2005/ISO 4833:2003); Phát hiện và định lượng E.coli

giả định bằng phương pháp MNP (theo TCVN

6846:2007/ISO 7251:2005); Phát hiện Salmonella spp

trong thực phẩm theo TCVN 4829:2008/ISO 6579:2002;

Phát hiện và định lượng Vibrio parahaemolyticus trong

thực phẩm theo quyết định 3349/2001/QĐ-BYT; Phát hiện

và định lượng Staphylococcus aureus trong thực phẩm theo

TCVN 4830:2005/ISO 6888-3:2003; Phát hiện và định

lượng Bacillus aureus giả định trên đĩa thạch- kỹ thuật đếm

khuẩn lạc ở 30ºC theo TCVN 4992:2005/ISO 7932:2004

Các kết quả thí được phân tích sai số (Analysis of

Variance, ANOVA) và xử lý Ducan để xác định sự sai khác

giữa các giá trị trung bình, có ý nghĩa với độ tin cậy P < 0,05

3 Kết quả nghiên cứu và khảo sát

3.1 Thành phần hóa học của nguyên liệu gan mực và

nội tạng mực

Nghiên cứu thành phần hóa học của nguyên liệu trong

chế biến sản phẩm thủy sản từ nguyên liệu sơ cấp và thứ

cấp là công việc quan trọng nhằm định hướng các quá trình

sản xuất [3, 4, 5]

Bảng 1 Thành phần hóa học của nguyên liệu

STT nguyên liệu Loại Hàm lượng, %

Nước Protein Lipit Tro

1 Gan mực 48,5±2,2 19,6±0,4 26,7±0,3 5,7±0,5

2 Nội tạng mực 47,6±1,9 22,6±1,1 22,3±0,5 7,5±0,4

Phân tích thành phần hóa học của gan mực và nội tạng

mực (Bảng 1) nhận thấy rằng hàm lượng nước, protein, lipit

và tro khác nhau không đáng kể

Kết quả của Bảng 1 cho biết rằng, hàm lượng mỡ trong

gan và nội tạng mực khá cao, dao động từ 22,3-26,7% khối

lượng chung Điều này chứng minh được rằng, chúng có

thể được dùng để làm nguyên liệu tách chiết dầu gan mực

3.2 Nghiên cứu các hệ enzyme trong nguyên liệu phụ

phẩm mực

3.2.1 Đặc điểm của hệ enzyme lipase

Lipase (EC 3.1.1.3) thuộc nhóm enyme thủy phân tác

động vào các liên kết este, là enzyme có khả năng xúc tác

sinh học cho phản ứng thủy phân chất béo trên bề mặt phân

cách pha dầu-nước tạo thành các triglyceride, diglyceride,

monoglyceride, glycerol và các acid béo tự do [6] Vì vậy,

muốn bảo quản được dầu gan mực với chất lượng tốt, tránh

phản ứng thủy phân liên kết este làm tăng chỉ số axit của

dầu gan mực cần có biện pháp thích hợp để bất hoạt hệ

enzyme này

Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH đến hoạt độ

enzyme lipase của gan và nội tạng mực được trình bày trên

Hình 2

Trước đây, đã có rất nhiều nghiên cứu chứng minh

khoảng pH tối thích cho hoạt động của enzyme lipase thô

chiết tách từ nội tạng cá và mực nằm trong khoảng pH

7.09.0 [7], do đó kết quả nhóm tác giả thu nhận được

trong nghiên cứu này là hoàn toàn phù hợp Nghiên cứu của Kumar cùng cộng sự [8] và Aryee cùng cộng sự [9] đã

chỉ ra rằng hoạt tính của dịch enzyme lipase thô từ Bacillus

coagulans BTS-3 và từ nội tạng của cá đuối Mugil cephalus ổn định lần lượt trong khoảng pH 8.0-10.5 và 7.0-

10 Hơn thế nữa, trong nghiên cứu của Byung-Soo Chun

và cộng sự cũng đã cho thấy rằng hoạt tính của enzyme lipase thô thu nhận từ nội tạng mực đạt cực đại tại giá trị

pH 8.5 [10]; Jongwon Park và cộng sự đã khẳng định hoạt tính của enzyme lipase chiết tách và tinh sạch từ mực

Todarodes pacificus có hoạt tính mạnh nhất ở pH 8.0 trong

khoảng nhiệt độ 35-400C [11] Phân tích các đường cong, nhận thấy pH = 8,0 là pH tối thích cho hoạt động của enzyme lipase trong mẫu gan và nội tạng mực

Hình 2 Sự ảnh hưởng của pH đến hoạt độ của enzyme lipase

3.2.2 Đặc điểm hệ enzyme protease trong nội tạng và gan mực

Trong hỗn hợp phụ phẩm gan mực và nội tạng mực, các gồm các sinh chất như protein, lipit, chất màu, các kim loại,… vì vậy muốn thu được sản phẩm dầu gan mực (hoặc dầu mực) tinh sạch ở dạng tự do cần có biện pháp công nghệ nhằm loại bỏ các phần khác như là protein Vì vậy, việc nghiên cứu khám phá hệ enzyme protease của nguồn nguyên liệu này là công việc quan trọng

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã nghiên cứu hoạt tính enzyme protease của gan mực và nội tạng mực ở các vùng

pH khác nhau Kết quả được trình bày trên đồ thị Hình 3

Hình 3 Sự ảnh hưởng của pH đến hoạt độ enzyme protease

Từ Hình 3, nhận thấy rằng hệ enzyme protesae trong nội tạng mực có hoạt độ lớn hơn so với trong gan

Theo kết quả khảo sát (Hình 3) cho thấy có 2 vùng pH tối ưu cho hoạt động của hệ enzyme protease trong nguyên liệu là vùng pH kiểm (7÷8) và vùng pH acid (2÷2,5) Điều này là phù hợp với những nghiên cứu trước đây của các tác giả khác [4]

Kết quả khảo sát trên có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc

70 120 170 220 270 320 370

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 7

nghiên cứu thu hồi lipit từ gan và nội tạng mực bằng

phương pháp hóa sinh Có thể định hướng sản xuất dầu gan

mực bằng phản ứng enzyme protease thủy phân phần

protein trong nguyên liệu, sau đó tách chiết được lipit ở

dạng tự do mà không ảnh hưởng tới chất lượng lipit

3.3 Nghiên cứu mức độ an toàn vi sinh vật và kim loại

nặng trong nguyên liệu

3.3.1 An toàn vi sinh vật

Tương phản với hầu hết các phương pháp đánh giá chất

lượng khác, các phương pháp vi sinh mặc dù không đưa ra

thông tin về độ tươi hoặc chất lượng làm thực phẩm nhưng

chúng cho chúng ta nhận biết về chất lượng vệ sinh và về

sự có mặt có thể có của vi khuẩn gây bệnh [5] của nguồn

phụ phẩm phục vụ chế biến dầu gan mực

Bảng 2 Kết quả nghiên cứu khảo sát các chỉ số vi sinh vật

1 Tổng vi sinh vật hiếu khí

(số VSV/g)

2·102 1,7·102

2 Vi khuẩn đường ruột trong 1g Không tìm thấy Không tìm thấy

3 S aureus trong 0,1g Không tìm thấy Không tìm thấy

4 E.coli trong 1g Không tìm thấy Không tìm thấy

5 Salmonella spp trong 25g Không tìm thấy Không tìm thấy

6 Vibrio parahaemolyticus

trong 25g

Không tìm thấy Không tìm thấy

Sau khi đối chiếu với qui định hiện hành của Việt Nam

về các giới hạn ô nhiễm vi sinh trong mẫu thủy sản làm thức

ăn trực tiếp cho con người, nhóm tác giả đã chứng minh được

rằng mẫu nội tạng mực từ nhà máy chế biến thủy sản

Seaprodex Đà Nẵng đảm bảo yêu cầu về an toàn thực phẩm

để sử dụng làm nguyên liệu sản xuất dầu gan mực

Ngoại lệ, chỉ tiêu E.coli trong nguồn nguyên liệu này

dù vẫn trong mức cho phép dành cho nguyên liệu thủy sản

tươi sống nhưng lại cao hơn mức cho phép trong thực phẩm

dùng trực tiếp cho con người hoặc làm thức ăn nuôi tôm cá

(TCVN 6404: 2007)

3.3.2 Hàm lượng kim loại nặng

Hàm lượng lớn kim loại nặng trong thức ăn chăn nuôi

có thể là nguyên nhân dẫn tới nhiều bệnh nguy hiểm [1]

Vì thế, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu cho 2 mẫu

nguyên liệu: nội tạng mực tại Công ty Chế biến và Xuất

khẩu Thủy sản Seaprodex (M1); Gan mực tại Công ty Chế

biến và Xuất khẩu Thủy sản Seaprodex (M2)

Bảng 2 Hàm lượng các kim loại nặng

trong các mẫu nguyên liệu (ĐVT: μg/kg)

STT Mẫu Chì (Pb) Cadimi (Cd) Asen (As) Thủy ngân (Hg)

Kết quả khảo sát ở Bảng 2 cho thấy: hàm lượng Chì

trong gan và nội tạng mực nằm trong khoảng 0,32 đến

0,38µg/kg Hàm lượng Cadimi trong gan và nội tạng mực

nằm trong khoảng 15,33 đến 19,46 µg/kg Hàm lượng Asen

trong gan và nội tạng mực nằm trong khoảng 12,71 đến

15,93µg/kg Hàm lượng Thủy ngân trong gan và nội tạng mực nằm trong khoảng 0,49 đến 0,51 µg/kg

Hàm lượng kim loại nặng trong gan và nội tang mực thấp hơn nhiều so với mức cho phép của QCVN 8-1:2011/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với kim loại nặng trong thực phẩm

có thể sử dụng phụ phẩm mực trên địa bàn TP Đà Nẵng để chế biến dầu gan mực phục vụ sản xuất thức nuôi tôm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Байдалинова Л.С, Лысова А.С., Мезенова О.Я., Сергеева Н.Т.,

Биотехнология морепродуктов, Мир, 2006, 506 стр

[2] Đặng Thị Mộng Quyên, Trần Thị Xô, Nghiên cứu tận dụng các phế liệu để sản xuất dịch cao đạm dùng trong thức ăn nuôi tôm cá, Tạp

chí Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, 2006, số 16, trang 41-43

[3] Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Việt Dũng, Nguyễn

Anh Tuấn, Công nghệ chế biến thực phẩm thủy sản, NXB Khoa học

và Kỹ thuật, 2001, 379 trang

[4] Bui Xuan Dong, The assessment of activity of protease enzyme extracting from meat and from internal organs of farmed-fishes in

using them to produce non-pasteurizing canned product, Journal

Vestnik ASTU "General scientific", 2009, № 1, p 137 – 140

[5] Lê Văn Hoàng, Cá thịt và chế biến công nghiệp, NXB Khoa học và

Kỹ thuật, Hà Nội, 2004, 247 tr

[6] GS.TSKH Phạm Thị Trân Châu, PGS.TS Phan Tuấn Nghĩa, Công

nghệ sinh học, tập 3: Enzyme và ứng dụng, NXB Giáo dục, Hà Nội,

2006, 195 trang

[7] Ivan Kurtovic, S.N.M., Features: Potential of fish by-products as a

source of novel marine lipases and their uses in industrial applications, Lipid Technology, February 2013, №25(2), p 35-37

[8] Kumar, S., Kikon K., Upadhyay A., Kanwar S.S and Gupta R.,

Production, purification, and characterization of lipase from thermophilic and alkaliphilic Bacillus coagulans, Protein Expr

Purif., 2005, №41, p 38-44

[9] Aryee, A.N.A., SimpsonB K., and VillalongaR., Lipase fraction

from the viscera of grey mullet (Mugil cephalus): Isolation, partial purification, and some biochemical characteristics, Enzyme

Microb Technol., 2007 №40, p 394-402

[10] Salim Md., Uddin H.-M.A., Hideki Kishimura, and Byung-Soo

Chun, Comparative Study of Digestive Enzymes of Squid (Todarodes

pacificus) Viscera after Supercritical Carbon Dioxide and Organic Solvent Extraction, Biotechnology and Bioprocess Engineering,

2009,№14, p 338-344

[11] Jongwon Park, S.-Y.C.S.-J.C., Purification and characterization of

hepatic lipase from Todarodes pacificus, BMB reports, 2008, №

41(3), p 254-258

[12] Hà Duyên Tư, Phân tích hóa học thực phẩm, NXB Khoa học và Kĩ

thuật, Hà Nội, 2013, 323 trang.

(BBT nhận bài: 03/12/2014, phản biện xong: 29/12/2014)

8 Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY LẠNH GHÉP TẦNG TRONG KỸ THUẬT BẢO QUẢN MÁU VÀ CÁC CHẾ PHẨM TỪ MÁU

STUDY OF CASCADE REFRIGERATION APPLICATIONS

TO TECHNOLOGY OF PRESERVING BLOOD AND BLOOD PRODUCTS

Hoàng Ngọc Đồng 1* , Nguyễn Thành Văn 1 , Lê Minh Trí 2

1 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; * hndong@dut.udn.vn

2 Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế; lmtri@hueic.edu.vn

Tóm tắt - Máu và các chế phẩm từ máu là những sản phẩm đặc

biệt, nó đòi hỏi một quy trình bảo quản lạnh khắt khe với nhiều chế

độ nhiệt khác nhau (từ 24 0 C đến -196 0 C) Các bệnh viện có trung

tâm bảo quản máu đều dùng nhiều loại thiết bị lạnh để bảo quản

nhiều loại chế phẩm từ máu Các thiết bị lạnh này đều hoạt động

độc lập với chế độ nhiệt cố định được các nhà sản xuất thiết kế

sẵn Việc sử dụng đồng thời nhiều thiết bị lạnh có nhiều chế độ

nhiệt khác nhau làm cho chi phí vận hành cao, thụ động trong quản

lý, lãng phí trong đầu tư, chồng chéo chức năng giữa các thiết bị.

Bài báo này phân tích và đề xuất ứng dụng máy lạnh ghép tầng để

thiết kế một hệ thống lạnh có nhiều chế độ nhiệt phục vụ nhu cầu

lạnh tại các bệnh viện

Abstract - Blood and blood products are special products which

require a rigorous process of preservation with the temperature ranging from 24 0 C to -196 0 C Therefore, blood preserving centers

of hospitals use multiple refrigeration equipment to preserve multiple kinds of blood products The equipment is operated independently with fixed temperature modes designed by manufacturers The simultaneous use of those devices is the cause

of high operating cost, passive management, wasteful investment and overlapping functions among devices This paper proposes applying a cascade refrigeration equipment in order to design a refrigeration system whose multiple temperature modes can serve the need for refrigeration of hospitals

Từ khóa - thiết bị lạnh cryo; tế bào gốc; chu trình lạnh Pictet; sản

xuất nitơ lỏng; hệ thống lạnh ghép tầng

Key words - cryogenic equipment; stem cell; Pictet refrigeration

cycle; produce liquid nitrogen; cascade refrigeration system

1 Đặt vấn đề

Để bảo quản máu và các chế phẩm từ máu, Bộ Y tế đã

ban hành “Quyết định về việc ban hành quy chế truyền

máu, số 06/ 2007/ QĐ- BYT ngày 19 tháng 01 năm 2007”

Trong đó các chế phẩm từ máu sẽ có các yêu cầu bảo quản

- Huyết tương tươi đông lạnh, tủa lạnh được làm đông

và bảo quản ở nhiệt độ thấp hơn -180C

- Khối hồng cầu đông lạnh 40% glycerol được bảo quản

ở nhiệt độ thấp hơn -800C;

- Khối hồng cầu đông lạnh 20% glycerol được bảo quản

ở nhiệt độ thấp hơn -1200C

Việc nghiên cứu, xây dựng một chu trình lạnh thống

nhất có nhiều chế độ nhiệt phục vụ cho các bệnh viện

không những là nhu cầu cần thiết của đơn vị sử dụng mà

còn là cơ sở thiết kế, chế tạo các thiết bị lạnh Cryo

2 Kết quả nghiên cứu và khảo sát

2.1 Giới thiệu thực trạng

Qua thực tế, tại các bệnh viện Việt Nam đang sử dụng

các thiết bị lạnh có nhiều chế độ nhiệt khác nhau để bảo

quản các chế phẩm từ máu cụ thể gồm:

- Kho điều hòa (240C): dùng bảo quản khối tiểu cầu đậm đặc;

- Kho lạnh (40C): dùng bảo quản hồng cầu khối;

- Kho đông (-350C): dùng bảo quản huyết tương, tủa lạnh;

- Tủ đông âm sâu (-860C): dùng bảo quản huyết tương tươi

đông lạnh, các chế phẩm thuộc nhóm máu quý hiếm ít gặp;

- Bình bảo quản lạnh Cryo (-1960C): dùng bảo quản tế bào gốc, bảo quản noãn trứng và hộp xương sọ

Các thiết bị trên đều hoạt động độc lập, riêng lẻ gây khó khăn trong việc quản lý, điều hành và lãng phí đầu tư

2.2 Đề xuất giải pháp

Giải pháp đưa ra là sử dụng một hệ thống lạnh thống nhất có nhiều chế độ nhiệt với phạm vi từ lạnh trung bình đến lạnh Cryo phục vụ nhu cầu nhiều cấp nhiệt độ trong bảo quản tế bào

Để hệ thống tạo được nhiệt độ lạnh Cryo về lý thuyết

có thể dùng một trong ba phương pháp làm lạnh: Pictet, Linde hay Claude [7] Tuy nhiên, tại các bệnh viện có nhu cầu lạnh nhiều cấp nhiệt độ lạnh khác nhau, nên lựa chọn chu trình Pictet là hợp lý nhất

Hệ thống lạnh Cryo tại các bệnh viện Việt Nam có những đặc điểm sau:

Phòng điều hòa 240C: Sử dụng máy điều hòa không khí

để làm mát

Kho lạnh, kho đông, tủ đông âm sâu và bình lạnh Cryo:

Sử dụng chu trình Pictet để cấp lạnh cho 4 cấp nhiệt độ:

40C; -350C, -850C và -1900C với 4 tầng, cụ thể:

- Tầng 1: Sử dụng máy nén 2 cấp, cung cấp lạnh cho kho lạnh 40C và kho đông -350C;

- Tầng 2: Sử dụng máy lạnh ghép tầng, trong tầng 2 sẽ

có thêm tủ đông hoạt động ở nhiệt độ – 850C;

- Tầng 3: Sử dụng máy lạnh ghép tầng tạo ra nhiệt độ trung gian Do độ chênh lệch nhiệt độ giữa tầng 2 (-850C)

và nhiệt độ cần đạt tại tầng 4 (-1900C) rất lớn, nên cần có tầng 3 làm tầng trung gian;

- Tầng 4: Sử dụng máy lạnh ghép tầng Trong tầng 4 sẽ sản xuất ra lỏng không khí và sử dụng lỏng không khí cấp lạnh cho bình bảo quản lạnh Cryo

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 9

Hệ thống sử dụng không khí chứ không phải nitơ vì để

sử dụng nitơ yêu cầu hệ thống phải lắp thêm hệ thống phân

ly dùng để tách nitơ ra khỏi không khí lỏng, rất phức tạp,

trong lúc chỉ sử dụng chúng làm chất trung gian làm lạnh

các chế phẩm đã được đóng gói cẩn thận Mặc dù không

khí lỏng có nhiệt độ bay hơi cao hơn một ít so với nitơ

(-1900C so với -195,80C), nhưng vẫn đảm bảo độ lạnh Cryo

và không làm ảnh hưởng đến các thiết bị

Để điều chỉnh năng suất lạnh linh hoạt và phù hợp, hệ

thống sử dụng thiết bị powerboss cho các máy nén ở mỗi cấp

2.3 Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo

Sơ đồ hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện Việt Nam

được biểu diễn ở Hình 1

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh

TBTDN- Thiết bị trao đổi nhiệt MN- máy nén

VTL- Van tiết lưu BHN- Bình hồi nhiệt

BCHA- Bình chứa hạ áp TL- Tách lỏng

2.3.1 Nguyên lý làm việc của chu trình lạnh tại tầng 1

Tầng 1 là hệ thống lạnh 2 cấp, làm mát bằng nước Tầng

1 cấp lạnh cho kho lạnh 40C và kho đông -350C hoạt động

Máy nén 1 nén môi chất lên tách dầu 1 (TD1), sau đó

đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 1 (TBTDN1) môi chất được

làm mát, ngưng tụ lại thành lỏng, qua bình hồi nhiệt 1

(BHN1) hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ quá lạnh, đi qua cụm

van tiết lưu 1 (VTL1) cấp lỏng vào bình trung gian (BTG)

Hơi ra khỏi BTG sẽ được đưa ngược dòng trở lại BHN1 rồi

trở về MN1 Lỏng môi chất tại bình trung gian một phần sẽ

được sử dụng làm lạnh cho kho lạnh 40C thông qua van 1

(V1), một phần lỏng sẽ đi qua BHN2, tiết lưu vào bình chứa

hạ áp 2 (BCHA2) thông qua VTL2 Lỏng trong BCHA2 vừa cấp lỏng làm lạnh kho đông, vừa làm lạnh TBTDN3 Phần hơi sinh ra sẽ qua BHN2 rồi trở về MN2

Môi chất lạnh chọn lựa là R404a Nhiệt độ ngưng tụ do được làm mát bằng nước nên chọn tk bằng 300C và nhiệt

độ bay hơi t0 bằng -400C

Áp suất trung gian được tính bằng Ptg  P P k 0= 4,34 bar tương ứng -100C

Hình 2 Biểu diễn trên đồ thị T-S

2.3.2 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 2

Trong tầng 2, môi chất được MN3 nén lên BTD3, qua TBTDN3 hạ nhiệt độ ngưng tụ lại thành lỏng, qua BHN3 giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ quá lạnh, qua VTL3 cấp lỏng cho BCHA3 Lỏng trong BCHA3 vừa đồng thời cấp lỏng làm lạnh tủ đông (-860C), vừa cấp lỏng làm lạnh TBTDN4, phần hơi sinh ra sẽ đi qua BHN3 trao đổi nhiệt ngược chiều với lỏng đi vào, sau đó được hút về MN3

Môi chất lạnh sử dụng tại tầng 2 được lựa chọn theo hướng: ưu tiên thân thiện môi trường, có nhiệt độ cuối tầm nén thấp, có áp suất bay hơi dương Kết quả đã lựa chọn sử dụng môi chất R170 Nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi tương ứng -350C và -950C

2.3.3 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 3

Tầng 3 có nguyên lý làm việc tương tự như tầng 2, môi chất được MN4 nén qua TBTDN4, qua BHN4 vào cấp lạnh cho TBTDN5

Không khí được hút vào ở trạng thái 5A, qua TBTDN3 làm lạnh xuống trạng thái 5B, qua TBTDN4 được làm lạnh

43

44 45

46

31

32 33

33 34

35 -95 C0 36

26 21 22

23 24

25 -40 C0

-10 C 0

12

13 14 91

30,6

10 Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí

xuống trạng thái 5C Tại đây do nhiệt độ đã xuống thấp,

các chất có hại như CO, H2S, CO2 đã được ngưng tụ lại

thành lỏng, trong hệ thống bố trí thêm thiết bị tách lỏng

(TL) để tách các chất này ra khỏi không khí

Môi chất sử dụng trong tầng 3 phải thỏa mãn các yêu

cầu: có nhiệt độ điểm tới hạn lớn hơn -900C; áp suất bay

hơi dương; nhiệt độ cuối tầm nén nhỏ để tránh dầu bôi trơn

phân hủy Qua các phân tích đã chọn R50 (CH4) thỏa mãn

các yêu cầu trên, nhiệt độ tại điểm 43 chọn bằng -850C với

độ chênh lệch nhiệt độ 50C so với TBTDN4

2.3.4 Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 4

Không khí sau khi được làm lạnh xuống trạng thái 5C,

được TL loại bỏ các thành phần độc hại, tiếp tục được làm

lạnh xuống 5D thông qua TBTDN5 Sau đó hòa trộn với

phần hơi sinh ra ở thiết bị ngưng tụ lỏng (NTL) được MN5

nén lên qua TBTDN5 hạ nhiệt độ, qua VTL5 tiết lưu vào

bình phân ly (BPL), tại đây nhiệt độ không khí đã đạt đến

nhiệt độ ngưng tụ, không khí sẽ ngưng tụ lại thành lỏng

được lấy ra ngoài

Chọn nhiệt độ cho TBTDN5: nhiệt độ của TBTDN5 sẽ

là cấp trung gian giữa nhiệt độ lỏng không khí và nhiệt độ tại TBTDN4 Nhiệt độ tại TBTDN5 càng cao sẽ thuận tiện cho việc thiết kế tầng 3, tuy nhiên nếu cao quá sẽ vượt nhiệt

độ tới hạn của không khí (-1420C), do đó tác giả đã chọn nhiệt độ TBTDN5 là -1500C

2.3.5 Đồ thị T-S của hệ thống lạnh

Đồ thị T-S của hệ thống lạnh, được thể hiện trên Hình

2 Độ chênh nhiệt độ giữa các tầng là 50C Nhiệt độ cuối tầm nén cao nhất tại điểm 42 đạt 910C Nhiệt độ cuối tầm nén thấp nhất tại điểm 32 đạt 30,60C

2.4 Thông số trạng thái tại các điểm nút và thông số kỹ thuật của chu trình

2.4.1 Thông số trạng thái tại các điểm nút

Sử dụng bảng đồ thị lgp-h của các môi chất lạnh R404a, R170, R50, và không khí; xây dựng chu trình lạnh hồi nhiệt với nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi tương ứng Thông số trạng thái của chu trình lạnh Cryo được trình bày ở Bảng 1

Bảng 1 Thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 11

Bảng 2 Thông số kỹ thuật của chu trình

2.4.2 Thông số kỹ thuật của chu trình

Từ bảng thông số trạng thái tại các điểm nút, tiến hành

tính các thông số kỹ thuật của chu trình với ký hiệu n- số

tầng của chu trình Thông số kỹ thuật của chu trình lạnh

Cryo được trình bày ở Bảng 2

2.4.3 Nhận xét

Tỷ số nén tại tầng 4 rất lớn, đạt đến 30,70, tương ứng

với máy nén nén không khí từ áp suất khí quyển 1 bar tăng

đến áp suất 30,7 bar Với loại máy nén kín hiện nay có thể

đạt được áp suất trên, tuy nhiên hệ số lạnh tại tầng 4 là thấp

nhất trong các tầng

3 Kết luận và kiến nghị

- Thông số trạng thái tại các điểm nút cũng như thông

số kỹ thuật của hệ thống lạnh Cryo đều nằm trong phạm vi

cho phép hoạt động của môi chất lạnh, dầu bôi trơn cũng

như các yếu tố kỹ thuật khác Như vậy, về lý thuyết chu

trình lạnh Cryo là phù hợp, có tính thuyết phục

- Cần có những nghiên cứu về thực nghiệm để có thể

ứng dụng hệ thống lạnh Cryo vào thực tiễn phục vụ nhu cầu lạnh cho các bệnh viện Việt Nam

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bộ trưởng Bộ Y tế, Quyết định về việc ban hành quy chế truyền máu,

số 06/ 2007/ QĐ- BYT ngày 19 tháng 01 năm 2007, 2007

[2] Võ Chí Chính, Đinh Văn Thuận, Hệ thống máy và thiết bị lạnh, NXB

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2009

[3] Võ Chí Chính, Hoàng Dương Hùng, Lê Quốc, Lê Hoài Anh, Kỹ

thuật nhiệt, NXB KH&KT Hà Nội, 2006

[4] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, Bài tập cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB

12 Lê Minh Đức, Nguyễn Thị Hường

TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG BẢO VỆ KIM LOẠI CỦA MÀNG POLYPYRROLE

PHA TẠP BẰNG ANION HEXAFLUOROTITANATE TiF6

2-PROPERTIES AND CORROSION PROTECTION FOR METAL OF POLYPYRROLE FILM

DOPED WITH HEXAFLUOROTITANATE TiF62- ANION

Lê Minh Đức 1 , Nguyễn Thị Hường 2

1Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lmduc@dut.udn.vn

2Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; huongdhsp@gmail.com

Tóm tắt - Polymer dẫn điện rất được quan tâm nghiên cứu trong

thời gian gần đây do những tính chất đặc biệt của chúng.

Polypyrrole (PPy) là một trong những polymer dẫn điện có độ bền,

độ dẫn điện cao Anion đối hay anion pha tạp trong polymer đóng

vai trò quan trọng trong bảo vệ kim loại của màng polymer Trong

nghiên cứu này, anion TiF 62- được pha tạp vào polypyrrole bằng

phương pháp điện hóa Phổ tổng trở điện hóa cho thấy anion này

có thể di chuyển ra khỏi màng polymer trong quá trình khử và

không phụ thuộc kích thước cation trong dung dịch Thí nghiệm

quét thế Kelvin cho thấy anion TiF 62- có khả năng cải thiện độ bám

dính màng polymer trên nền điện cực Au/ thủy tinh Kết quả phân

tích XPS cho thấy tại điểm bóc tách, lượng Ti trong PPy ít hơn so

với vị trí khác do đã di chuyển ra khỏi màng Bằng cách trao đổi

anion pha tạp, màng polypyrrole pha tạp bằng TiF 62- đã được phủ

lên nền thép thường Khả năng tự bảo vệ ăn mòn của màng được

thể hiện qua thí nghiệm đo thế hở mạch

Abstract - Recently, much research has been done on conductive

polymer due to its special properties Polypyrrole (PPy) has been known as stable and high conductivity polymer Counter-ion or dopant anion has played an important role for corrosion protection

of polymer In this study hexafluorotitanate anion (TiF 62-) has been doped in polypyrrole electrochemically Impedance spectroscopy results showed that TiF 62- could move from the PPy film during reduction and this did not depend on size of cation in solution.

improve the adhesion of PPy on Au/glass electrode XPS results showed that Ti amount at the defect was smaller than that at other sites, due to the movement of anion from the film By anion exchange process, PPy film doped with TiF 62- could be stable on iron substrate Its self-healing property could be observed with the open circuit potential measurement

Từ khóa - polypyrrole; haxafluorotitanate; trao đổi anion; tự bảo

vệ, bóc tách màng

Key words - polypyrrole; haxafluorotitanate; anion exchange;

self-healing; delamination

1 Đặt vấn đề

Polypyrrole (PPy) được biết là một polymer dẫn điện

có độ bền trong môi trường, tính chất dẫn điện tốt Nhiều

ứng dụng của loại PPy được nghiên cứu và mở rộng khả

năng ứng dụng trong công nghiệp Điều kiện tổng hợp, cấu

trúc là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất

của PPy [1]

Nhiều tác giả cho rằng, độ dẫn của PPy bị ảnh hưởng

bởi loại anion được pha tạp trong polymer Anion pha tạp

vào polymer sẽ tương tác tĩnh điện với các tâm tích điện

trên mạch polymer Vì vậy, tính chất oxi hóa khử dẫn đến

khả năng bảo vệ của màng có thể điều khiển bằng sự di

chuyển vào ra của anion Các ứng dụng cũng được mở

rộng hơn

Chọn lựa đúng loại anion pha tạp là hết sức cần thiết,

có thể cải thiện một vài tính chất của PPy Anion oxalate,

molybdate được biết là những anion có tính ức chế ăn mòn

thép, do vậy khi được pha tạp trong PPy có thể cải thiện

tính bảo vệ cho màng Cơ chế tự bảo vệ kim loại có thể

đúng với các loại anion này khi sử dụng PPy làm lớp phủ

bảo vệ kim loại Khả năng bị bóc tách màng cũng thay đổi

theo loại anion [2, 3]

Mặc dù nhiều công trình thảo luận các phương pháp tạo

màng với các loại anion khác nhau, sử dụng các anion

thường gặp như oxalate, molybdate Nhưng nghiên cứu ảnh

hưởng của anion như TiF62-, vẫn chưa được nhiều Các thí

nghiệm khảo sát sơ bộ ban đầu cho kết quả khả quan

Bài báo này trình bày các kết quả thu được với màng

PPy được pha tạp bằng anion TiF62- PPy được kết tủa điện

hóa trên điện cực Au/ thủy tinh để nghiên cứu khả năng bóc

tách màng Bằng phương pháp trao đổi anion màng PPy được tạo ra thành công trên nền thép thường Sự có mặt của TiF62- đã góp phần cải thiện khả năng chống ăn mòn của màng PPy trên nền thép thường

2 Thực nghiệm

Màng PPy pha tạp bởi anion TiF62- (PPy/TiF62-) bằng phương pháp điện hóa trong dung dịch chứa 0,1 M monomer pyrrole, ở nhiệt độ phòng Bình điện phân gồm 3 điện cực: điện cực làm việc là điện cực Au/ thủy tinh với diện tích 1cm2, điện cực so sánh calomen (SCE), điện cực đối là điện cực thép không gỉ Monomer pyrrole được cung cấp từ hãng Aldrich 98%, bảo quản lạnh ở 4oC Sau khi tổng hợp, mẫu PPy được rửa sạch trong nước cất, sấy khô trong dòng khí

H2 Màng thu được có độ dày khoảng 150 micromet Phổ tổng trở điện hóa được đo trên thiết bị IM6 Impedance của Zahner Elektrik (CHLB Đức) Dải tần số tử

100 kHz đến 0,1 Hz Màng PPy/TiF62- bị khử từ điện thế +0,1 V đến -1V trong dung dịch (C4H9)4NBr 0,1M, thời gian chờ ở mỗi giá trị điện thế khử là 10 phút

Thép thường với diện tích 4cm2 được đánh bóng bằng giấy nhám loại 600, rồi 2000 Sau đó rửa sạch bằng ethanol trong bể khuấy siêu âm

Khả năng bóc tách màng được đánh giá bằng thiết bị Scanning Kelvin Probe Mẫu được đo trong độ ẩm 95%, dung dịch ăn mòn tách màng là KCl 0,1M Sau khi màng

bị bóc tách, màng được đo phổ quang electron (XPS) để phân tích hàm lượng Ti có trên mẫu sau khi màng bị bóc tách Các thí nghiệm này tiến hành tại Viện Nghiên cứu Sắt Dusseldorf, CHLB Đức [4]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 13

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Tổng hợp điện hóa màng PPy pha tạp bởi TiF 6

2-Màng PPy được tổng hợp điện hóa bằng phương pháp

áp dòng không đổi 0,5 mA/cm2 trong dung dịch 0,1M

H2TiF6 và 0,1M monomer pyrrole ở nhiệt độ phòng, điện

cực làm việc là Au/ thủy tinh Đường cong thế - thời gian

được thể hiện trên Hình 1

Hình 1 Đường cong thế - thời gian của quá trình

polymer hóa điện hóa PPy trong dung dịch H 2 TiF 6

Trong thời gian rất ngắn, gần như ngay tức thời, giá trị thế

điện cực tăng nhanh chóng đến giá trị không đổi Đây chính

là thế oxi hóa monomer pyrrole Quá trình tạo màng có thể

nhìn thấy bằng mắt thường qua thay đổi màu sắc của điện cực

Màng đồng nhất, không quan sát thấy vị trí bong tróc nào Cấu

trúc tế vi của màng có thể quan sát trên Hình 2

2-3.2 Phổ tổng trở điện hóa

Khả năng di chuyển ra khỏi màng PPy của anion TiF6

2-trong quá trình khử được đánh giá bằng thí nghiệm phổ tổng

trở điện hóa Phổ được ghi trong các dung dịch có loại cation

lớn (cation trong muối (C4H9)4NBr) và nhỏ (cation trong muối

KCl) Thế điện cực được thay đổi từ -0,1V đến +1V (so với

điện cực calomen SCE) Sự thay đổi điện dung và tổng trở của

màng trong quá trình khử được thể hiện trên Hình 3 Các giá

trị này thu được sau khi tiến hành ghép số liệu vào một mô

hình vật lý, thực hiện bằng phần mềm của máy đo

Kết quả trên Hình 3 cho thấy, khi màng bị khử điện hóa

trong cả hai dung dịch, anion có thể di chuyển được ra khỏi

màng Điều này được thể hiện qua điện trở của màng polymer RPM tăng dần, đồng thời với điện dung màng CPM (ở vùng tần số cao) giảm dần Anion TiF62- di chuyển ra khỏi màng dường như không phụ thuộc độ linh động của cation trong dung dịch [3, 4]

PPy/ TiF 6 2- trong hai dung dịch (C 4 H 9 ) 4 NBr (a) và KCl (b)

3.3 Khả năng bóc tách màng

Khả năng bóc tách màng được nghiên cứu qua thí nghiệm quét thế Kelvin trong dung dịch KCl 0,1M Màng PPy được phủ trên điện cực Au/ thủy tinh Độ bóc tách màng theo thời gian được biểu diễn trên Hình 4

Hình 4 Tốc độ tách màng PPy trong dung dịch KCl 0,1M

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

§iÖn thÕ / V so víi SCE

§iÖn thÕ / V so víi SCE

-300 -200 -100 0 100 200 300

14 Lê Minh Đức, Nguyễn Thị Hường

Ban đầu, màng còn bám dính rất tốt với nền kim loại

nên chưa xảy ra hiện tượng bóc màng do các phản ứng

cathode Thế điện cực đo được nằm ở vùng điện thế dương,

chính là điện thế oxi hóa khử của PPy Theo thời gian, quá

trình bóc màng xảy ra, khoảng cách tách màng lớn dần lên

Tuy nhiên, sau 15 giờ thí nghiệm, vùng tách màng chỉ

khoảng 250 micromet So với các màng PPy pha tạp

molybdate, tốc độ này nhỏ hơn nhiều [4] Sự có mặt TiF6

2-đã cải thiện khả năng bóc tách màng khi phân cực điện hóa

Sau khi bóc tách, màng được gửi đi xác định lượng

nguyên tố Ti còn lại trong màng bằng phép đo XPS Phổ

XPS được thể hiện trên Hình 5

Hình 5 Phổ XPS xác định Ti trong màng PPy 1) màng

PPy/ TiF 6 2- ; 2) ở cách xa điểm bóc tách; 3) tại điểm bóc tách

Kết quả XPS cho thấy nồng độ Ti tại điểm bóc tách

màng nhỏ hơn ở vùng khác Điều này cho thấy, TiF62- đã

di chuyển ra khỏi màng nên nồng độ Ti thấp hơn ở các vị

trí khác

3.4 Tạo màng PPy/TiF 6 2- trên thép thường

Sau nhiều cố gắng tạo màng PPy/TiF62- bằng phương

pháp điện hóa trực tiếp lên nền thép, màng vẫn không thể

tạo ra được Quá trình hòa tan thép quá nhanh đã ngăn cản

PPy tạo thành màng trên nền thép

Phương pháp trao đổi anion có thể đưa anion TiF62- vào

trong màng PPy phủ trực tiếp trên nền thép thường Quá

trình trao đổi anion được thực hiện theo từng bước kế tiếp

nhau: 1) Tạo màng PPy pha tạp bằng molybdate trực tiếp

trên nền thép [2]; 2) Màng bị khử (phân cực cathode) trong

dung dịch (C4H9)4NBr 0,1M để đuổi các anion molybdate trong màng ra bên ngoài; 3) Màng được oxi hóa trong dung dịch H2TiF6 0,1M trong 10 phút ở điện thế +0,4V; 4) Màng rửa sạch bằng nước cất và đo tổng trở điện hóa

Hình 6 Sự thay đổi tổng trở của màng 1) PPy pha tạp

molybdate trên nền thép, 2) Màng PPy ở trạng thái khử,

3) Màng PPy sau khi oxi hóa trở lại

Sự thay đổi góc pha tương ứng là các đường 1’, 2’ và 3’

Trên Hình 6 là sự thay đổi tổng trở của màng ở các trạng thái: ban đầu; sau khi khử màng và sau khi oxi hóa trở lại Ban đầu màng có độ dẫn điện cao nên tổng trở rất thấp chỉ

50  (đường cong 1) Sau khi khử điện trở màng tăng đến

10 K, màng chuyển sang trạng thái không dẫn điện Tiếp tục oxi hóa, độ dẫn điện của màng được cải thiện trở lại (tổng trở khoảng 200 ) Kết quả trên Hình 6 cũng cho thấy, góc pha trong vùng tần số từ 10 Hz đến 100Hz cũng biến đổi tương ứng, góc lệch pha tăng khi điện trở màng

RPM tăng, giảm khi RPM giảm Góc lệch pha ở đây chính là lệch pha của dòng điện và điện thế áp đặt vào hệ đang nghiên cứu, góc lệch pha nhỏ (gần bằng 0) hệ polymer tương đương chỉ với một điện trở thuần Khi điện trở tăng cao, độ dẫn của màng kém, góc pha sẽ chuyển dần về phía

âm hơn, hệ sẽ tương đương với một điện trở và một tụ điện nối song song nhau và khi đạt -90o hay –/2 hệ sẽ tương đương với một tụ điện Màng polymer sẽ không dẫn điện trong vùng tần số này [2]

Như vậy bằng cách trao đổi anion, màng PPy trên nền thép thường đã được pha tạp bởi TiF62- và độ bám dính của màng vẫn còn tốt [2, 3]

3.5 Thế hở mạch của màng trong NaCl

Sau khi trao đổi anion, màng PPy trên nền thép thường được pha tạp bởi anion TiF62- đo thế hở mạch trong dung dịch NaCl 0,1M Kết quả được thể hiện trên Hình 7 Ngay ban đầu, thế điện cực của màng giảm mạnh Thế duy trì ở -0,1 V trong một khoảng thời gian (khoảng 1 giờ) Sau đó tiếp tục giảm và dao động ở vùng thế -0,3V trong thời 2 giờ nữa Thế giảm nhẹ và duy trì trong một khoảng thời gian nữa sau khi giảm đến thế ăn mòn của thép thường Màng PPy không thể tiếp tục bảo vệ nền thép nữa Như vậy, sự dao động ổn định của thế điện cực cho thấy quá trình thụ động - phá thụ động kim loại xảy ra liên tục Anion TiF62- có thể đã tham gia vào quá trình này (sau khi

di chuyển ra khỏi màng), góp phần kéo dài thời gian thụ động cho nền thép thường

100m 1 10 100 1k 10k 100k 1k

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 15

Hình 7 Đường cong thế - thời gian của màng PPy pha tạp

bằng TiF 6 2- trong dung dịch NaCl 0,1M

4 Kết luận

Màng PPy được pha tạp bởi anion TiF62- trong dung

dịch H2TiF6 0,1M bằng phương pháp điện hóa Anion

TiF62- đủ linh động để di chuyển vào - ra khỏi màng bằng

quá trình oxi hóa - khử

Phổ tổng trở điện hóa cho thấy sự di chuyển ra khỏi màng của anion TiF62- đã làm thay đổi điện trở và điện dung của màng

Bằng cách khử và oxi hóa liên tiếp, các anion pha tạp trong màng được trao đổi, màng PPy có thể phủ trên nền thép thường bằng phương pháp điện hóa cho dù thép thường hòa tan khá nhanh khi phân cực anode

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Maria Grzeszczuk, Marcin Chmielewski, ‘Influence of electrodeposition potential on composition and ion exchange of polypyrrole films in aqueous hexafluoroaluminate featured by

EQCM molar mass to charge factors’, Journal of Electroanalytical

Chemistry, 681, 2012, 24–35

[2] U Rammelt, L M Duc, W Plieth, ‘Improvement of protection

performance of polypyrrole by dopant anions’, Journal of Applied

Electrochemistry, vol 35, Issue 12, 2005,1225-1230

[3] Vu Quoc Trung, Pham Van Hoan, Duong Quang Phung, Le Minh Duc & Le Thi Thu Hang,’Double corrosion protection mechanism

of molybdate-doped polypyrrole/montmorillonite nanocomposites’,

Journal of Experimental Nanoscience 2012, 1– 11, iFirst

[4] M Rohwerder, Le Minh Duc A Michalik, ‘In-situ investigation of corrosion localised at the buried interface between metal and

conducting polymer based on composite coatings, Electrochimica

Acta., Vol 54, Issue 25, 6075–6081, 2009.

(BBT nhận bài: 06/09/2014, phản biện xong: 08/11/2014)

16 Mai Thị Thùy Dương

THỰC TRẠNG CẤP NƯỚC CHO NHÀ CAO TẦNG Ở ĐÀ NẴNG

VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤP NƯỚC PHÙ HỢP

WATER SUPPLY FOR HIGH BUILDINGS IN DANANG AND PROPOSALS FOR APPROPRIATE WATER SUPPLY

Mai Thị Thùy Dương

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; maiduongbkmt@gmail.com

Tóm tắt - Nhà cao tầng là một công trình đòi hỏi trang bị nhiều

hệ thống kỹ thuật trong đó có cấp nước Bài báo đề xuất giải

pháp thiết kế, tính toán hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng

thông qua việc nghiên cứu sự kết hợp giữa cấp nước phân vùng,

bơm biến tần và máy điều áp nhằm tối ưu hóa hệ thống cấp nước

cho nhà cao tầng và giải quyết các vấn đề liên quan như áp lực

không đảm bảo, việc ảnh hưởng của hệ thống cấp nước đến kết

cấu, mỹ quan của công trình đồng thời làm tăng chi phí điện

năng Kết quả này có thể được sử dụng trong việc thiết kế, lựa

chọn hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng cũng như các thiết bị

kèm theo Từ đó, nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện tiêu chuẩn cấp

nước cho nhà cao tầng phù hợp với điều kiện ở Đà Nẵng cũng

như ở Việt Nam

Abstract - High buildings are constructions that require equipping

with many engineering systems including water supply system.The paper proposes the design solutions, calculation of water supply systems for high buildings through research combining partition water supply, variable-speed pumps and pressurized machines to optimize water supply systems for high buildings and solve related problems such as pressure uncertainty, the impact of water supply systems on structure and aesthetics of the building as well as high energy costs The result can be used in the design and selection

of water supply systems for high buildings as well as accompanying devices Then,, additional studies are conducted to improve water supply standards for high buildings in accordance with the conditions in Danang, as well as in Vietnam

Từ khóa - Cấp nước; nhà cao tầng; phân vùng; bơm biến tần; máy

điều áp

Key words - Supply water; high building; partition; variable-speed

pump; pressurized machine

1 Đặt vấn đề

Trên cơ sở quy hoạch chung, Đà Nẵng cũng như các

thành phố lớn ở Việt Nam đang nghiên cứu thay đổi mô

hình nhà ở cho phù hợp với một đô thị hiện đại: Trung tâm

thành phố sẽ chuyển dần mô hình nhà thấp tầng sang nhà

cao tầng, là nhà và các công trình công cộng có chiều cao

từ 25m đến 100m (tương đương 10 đến 30 tầng) [1], giảm

mật độ dân số, để tiết kiệm đất, dành đất xây dựng các

không gian công cộng như cây xanh, đường giao thông

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngành xây

dựng cũng có những bước tiến rõ rệt Nhiều công trình nhà

cao tầng với kiến trúc đồ sộ xuất hiện khắp nơi, ngày càng

đáp ứng tốt hơn như cầu nơi ở và nơi làm việc của người

dân Tuy nhiên, một trong những vấn đề còn tồn tại trong

việc xây dựng các nhà cao tầng đó là hệ thống cấp nước

(HTCN) HTCN còn gặp một số vấn đề phức tạp và những

sự cố liên quan đến cấp nước thường xuyên xảy ra như áp

lực nước không đảm bảo, phân phối nước không đều, cũng

như các công trình liên quan đến HTCN thường ảnh hưởng

lớn đến kết cấu, mỹ quan kiến trúc công trình (két nước, bể

chứa), đồng thời chi phí điện năng cho HTCN hiện tại

thường khá cao…

1.1 Hiện trạng cấp nước cho nhà cao tầng ở Đà Nẵng

Khi thiết kế HTCN cho một công trình, vấn đề quan

trọng nhất và cần phải tính đến trước hết là lưu lượng nước

và áp lực nước trong hệ thống đường ống cấp nước của thành

phố (TP) Đối với các khu nhà thấp tầng (4- 5 tầng) ở các

nước, HTCN TP thường được thiết kế đủ áp lực để đưa tới

mọi căn hộ ở cao nhất, xa nhất Trong khi đó ở Việt Nam, áp

lực nước trong đường ống truyền dẫn thường không vượt

quá 4 Kg/cm2 ở đầu mạng và đến mạng dịch vụ áp lực còn

khoảng 2 kg/cm2 ở một số khu vực, hầu hết các khu vực còn

lại trong TP áp lực dư chỉ còn nhỏ hơn 1kg/cm2 đủ để cung

cấp nước vào các bể chứa của từng công trình

Tại TP Đà Nẵng: Dùng từ mạng lưới cấp nước đường phố với bể chứa nước và trạm bơm tăng áp Ngoài ra mỗi chung cư đều có chung bể chứa nước, các hộ gia đình thường có máy bơm và két nước riêng Vào các giờ cao điểm, có những khu vực áp lực nước trung bình rất thấp, thấp hơn nhiều so với yêu cầu như khu vực quận Sơn Trà, hay gần các khu resort thuộc quận Ngũ Hành Sơn áp lực nước có khi xuống 3-5m (Hình 1) Để đáp ứng yêu cầu cấp nước thì mỗi hộ gia đình cũng như mỗi công trình bắt buộc phải trang bị bể chứa, bơm và két nước

Hình 1 Áp lực nước một số điểm tại TP Đà Nẵng năm 2012

(Nguồn: Công ty TNHH MTV Cấp nước Đà Nẵng)

Các nhà cao tầng yêu cầu lưu lượng lớn và đặc biệt cột

áp rất lớn Vì vậy, cùng với HTCN bên ngoài, mỗi toà nhà cao tầng ở Đà Nẵng như Khách sạn Novotel Sông Hàn, công viên phần mềm Softtech (Quang Trung), tòa nhà Indochina

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 17

Riverside (Bạch Đằng), hay căn hộ cao ốc 34 tầng Azura

(Trần Hưng Đạo) thường phải chọn sơ đồ cấp nước không

phân vùng có bể chứa, trạm bơm tăng áp và két nước Với

sơ đồ này, nước được bơm lên két, sau đó từ két cấp nước

cho toàn bộ toàn nhà Cứ 4 - 5 tầng được phân thành một

khu vực, nước từ bể chứa được bơm đặt ở tầng hầm bơm lên

két nước đặt ở tầng mái, ống phân phối nước từ trên mái cấp

xuống các tầng nhà theo từng vùng riêng biệt Trong từng

khu vực cấp nước của nhà cao tầng, phải thiết kế và lắp đặt

các thiết bị điều chỉnh sao cho áp lực tự do của các thiết bị

lấy nước được ổn định, tránh áp lực dư quá cao

Ngoài việc cấp nước sinh hoạt, còn phải giải quyết cấp

nước chữa cháy

Đối với công trình nhà cao tầng, rất nhiều vấn đề cần

giải quyết trong quá trình thiết kế HTCN Công trình càng

nhiều tầng bao nhiêu thì các yêu cầu đặt ra phải giải quyết

càng phức tạp bấy nhiêu

Phần lớn các công trình cao tầng tại TP Đà Nẵng đều sử

dụng sơ đồ cấp nước như Hình 2

Hình 2 Sơ đồ cấp nước điển hình

1.1.1 HTCN cho khách sạn Novotel Sông Hàn

Hình 3 Hình ảnh két nước ở tầng thượng

của khách sạn Novotel sông Hàn

- Khách sạn Novotel Sông Hàn gồm 36 tầng, được chia

thành 8 vùng cấp nước, với 2 khu vực cấp nước Từ tầng 7

đến tầng 31 là khu căn hộ chung cư cao cấp có 5 vùng cấp

nước mỗi vùng cấp cho 5 tầng

- 5 vùng cấp nước bên dưới đều sử dụng van giảm

áp đầu mỗi nhánh để giảm bớt áp lực cho các thiết bị

vệ sinh (TBVS) Ngoài ra, 3 tầng trên cùng phải sử

dụng thêm thiết bị tăng áp để đảm bảo yêu cầu cấp nước, thiết bị sử dụng là bơm và máy điều áp

- Sơ đồ cấp nước của khách sạn Novotel Sông Hàn gồm 2 bể chứa, 2 trạm bơm và 2 két nước trên mái với thể tích các két lần lượt là 220 m3 và 180 m3 cấp nước cho toàn bộ công trình với 2 khối cấp nước song song nhau

- HTCN nóng cho toàn bộ công trình là HTCN cục

bộ Trong một vùng cấp nước, cứ 1 đến 2 ống đứng sẽ

sử dụng chung 1 bình nước nóng

1.1.2 HTCN công trình Vĩnh Trung Plaza

- Sơ đồ cấp nước cho Vĩnh Trung Plaza được chia thành 2

sơ đồ riêng biệt, khối chung cư và khối văn phòng cho thuê: + Khối chung cư gồm 12 tầng được chia thành 4 vùng cấp nước Vùng I từ tầng 5 - 7, vùng II từ tầng 8 - 10, vùng III từ tầng 11 - 13, và vùng IV từ tầng 14 - 16

+ Khối văn phòng cho thuê gồm 8 tầng được chia thành

2 vùng cấp nước Vùng I từ tầng 5 - 8, vùng II từ tầng 9 - 12

- Sơ đồ cấp nước gồm 2 bể chứa, 2 trạm bơm và 2 két nước với thể tích các két lần lượt là 160 m3 và 180m3

1.1.3 HTCN khách sạn Mecure – Đảo Xanh

Khách sạn Mercure – Đảo Xanh quy mô 22 tầng - 300 phòng

Sơ đồ cấp nước gồm có 1 bể chứa thể tích 400 m3, trạm bơm và két nước trên mái Nước được bơm lên két nước trên mái, sau đó cung cấp cho các tầng bên dưới Sơ đồ gồm có 6 ống đứng với 6 vùng cấp nước:

- Vùng I: Ống đứng 1 cấp nước cho tầng hầm và tầng 1-4 Ống đứng có đặt 1 van giảm áp tại tầng 5

- Vùng II: Ống đứng 2 cấp nước cho tầng 6 - 10, van giảm áp đặt tại tầng 11

- Vùng III: Ống đứng 3 cấp nước cho tầng 11 - 14, van giảm áp đặt tại tầng 15

- Vùng IV: Ống đứng 4 cấp nước cho tầng 15 -16, van giảm áp đặt tại tầng 17

- Vùng V: Ống đứng 5 cấp nước cho tầng 17 - 18, không

có van giảm áp

- Vùng VI: Ống đứng 6 cấp nước cho tầng 19 - 21, sử dụng thêm máy bơm tăng áp và bình khí nén để đảm bảo áp lực nước cho các TBVS từ tầng 19-21 hoạt động với áp lực đảm bảo

Toàn bộ công trình sử dụng một két nước trên mái với thể tích 120 m3

1.2 Những tồn tại của HTCN cho nhà cao tầng

Việc chia thành nhiều vùng cấp nước như nhiều HTCN cho nhà cao tầng ở Đà Nẵng cũng như ở Việt Nam hiện nay

đã giải quyết được vấn đề kỹ thuật, tức là đã có thiết bị giảm

áp riêng cho từng vùng, khi đó chỉ còn độ chênh áp lực giữa các tầng trên và tầng dưới cùng của vùng nhưng sự chênh lệch nằm trong giới hạn cho phép Riêng các tầng trên cùng, tuỳ theo cao độ đặt két, nếu áp lực tự do tại các vòi nước của TBVS không đủ 3m cột nước theo yêu cầu tối thiểu của quy phạm thì phải trang bị thêm hệ thống bơm có thùng khí nén

để đảm bảo cấp nước cho các tầng sát mái này Với nhà cao tầng, không thể dùng sơ đồ hệ thống có ống đứng chung cho tất cả các tầng như các loại nhà thấp tầng

Phương án cấp nước dùng két nước trên mái, có hệ thống

18 Mai Thị Thùy Dương

các ống đứng cấp nước xuống cho các khu vực và van giảm

áp cho từng khu vực cũng như sơ đồ cấp nước có sử dụng

van giảm áp ở các tầng (Hình 2) đã giải quyết được vấn đề

phân phối nước đều và khử áp lực dư, nhưng lại tồn tại một

vấn đề rất lớn về chi phí điện năng cho máy bơm Máy bơm

phải được lựa chọn hoặc lắp đặt sao cho đủ áp lực đưa nước

lên két nước, sau đó đưa nước xuống tất cả các tầng bên dưới,

điện năng tiêu thụ sẽ rất lớn, không kinh tế Trong khi đó,

các vùng cấp nước bên dưới yêu cầu áp lực nhỏ hơn thì lại

phải khử áp lực dư bằng các van giảm áp cho từng vùng như

vậy là bất hợp lý Một HTCN hợp lý là hệ thống vừa đảm

bảo giá thành xây dựng (Gxd) thấp vừa đảm bảo chi phí vận

hành, điện năng để bơm nước - giá thành quản lý (Gql) nhỏ

để có giá dịch vụ cấp nước thấp nhất

Vì vậy, sơ đồ cấp nước không phân vùng, chỉ có một

két nước đặt trên mái chưa đáp ứng được yêu cầu về mặt

kinh tế Thực tế cho thấy giá thành quản lý (điện năng để

bơm nước) trong suốt thời gian sử dụng là rất lớn Ngoài

ra, với sơ đồ cấp nước hiện tại thì thể tích két nước rất lớn,

như tại khách sạn Novotel Sông Hàn với 2 két nước và thể

tích lần lượt là 180 m3 và 220m3, tại Vĩnh Trung Plaza là

160 m3 và 180m3 hay tại khách sạn Mercure là 120m3. Việc

xây dựng két nước vừa có chi phí xây dựng, chống thấm

lớn đồng thời ảnh hưởng đến kết cấu của công trình, đặc

biệt ở Đà Nẵng là khu vực thường xuyên xảy ra bão lớn

Vì vậy, sơ đồ cấp nước có két lớn trên mái chưa thỏa mãn

yêu cầu về kết cấu cũng như kiến trúc của công trình

Hiện nay, do tài liệu về thiết kế hệ thống cấp thoát nước

nói chung và HTCN nói riêng cho nhà cao tầng có rất ít,

việc thiết kế, thi công giám sát và vận hành quản lý HTCN

gặp nhiều khó khăn và còn nhiều bất cập, ít có lợi nhuận

kinh tế cũng như ảnh hưởng lớn đến kết cấu, mỹ quan của

công trình, không đáp ứng được yêu cầu của thực tế

Việc nghiên cứu đề xuất sơ đồ cấp nước phù hợp, đảm

bảo cả về vấn đề kỹ thuật và kinh tế cho các công trình xây

dựng nói chung và cho công trình nhà cao tầng nói riêng là

rất cần thiết Đồng thời, hiện chưa có tiêu chuẩn thiết kế cấp

nước cho nhà cao tầng nên việc đưa ra một văn bản pháp lý

phục vụ cho việc tính toán thiết kế là hết sức cần thiết

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Vấn đề phân phối nước đều trong nhà cao tầng

Theo công thức tính thuỷ lực cơ bản để tính toán lưu

lượng nước chảy qua vòi (Q) có diện tích tiết diện ω, chiều

cao (áp lực) H

Công thức tổng quát cho tất cả các loại vòi và ống ngắn là:

Trong đó:

- ω: Diện tích tiết diện lỗ ra, m2

- μ: Hệ số lưu lượng tính cho mặt cắt ra

Đối với vòi trụ tròn gắn ngoài, độ dài của vòi

l 3d, l' = l

d = 10 - 100 thì μ = 0,77 - 0,55

- H: Chiều cao (Áp lực); m

- g: Gia tốc trọng trường, 9,81 m /s2 [7]

Công thức trên cho thấy lưu lượng nước chảy qua một

vòi nước phụ thuộc vào áp lực tự do trước nó và đặc điểm

cấu tạo của thiết bị Với cùng một loại vòi nước:

 Áp lực nước ở tầng 1 là H4 (H4 4HB1);

 Áp lực nước ở tầng 2 là H3 (H3 = 3HB1);

 Áp lực nước ở tầng 3 là H2 (H2 = 2HB1);

 Áp lực nước ở tầng 4 là HB1 (Xét ở trạng thái động khi có lưu lượng nước chảy trong ống đứng, tổn thất áp lực do ma sát không đáng kể)

- Quan hệ giữa Q và áp lực tự do (Htd) ứng với mỗi loại vòi được biểu thị qua biểu đồ Ví dụ với đường kính 15mm (d15) (Hình 4)

Quan hệ trên cho thấy lưu lượng nước chảy ra từ các TBVS phụ thuộc vào áp lực tự do trước nó Còn sức kháng thuỷ lực của một loại thiết bị nào đó đã chế tạo là một đại lượng không đổi Như vậy để đảm bảo việc phân phối nước đều giữa các tầng nhà cũng như giữa các TBVS thì cần phải

có các thiết bị khử áp lực dư ở các tầng bên dưới và tăng

áp cho các tầng trên cùng Đó chính là điều kiện để phân phối nước đều giữa các tầng trong nhà

2.2 Các biện pháp phân phối nước đều trong công trình

HTCN cho nhà cao tầng có những đặc điểm khác nhà thấp tầng như sau:

- Nhà cao tầng thường có nhiều nhu cầu cao về cấp nước, đối tượng sử dụng nước khác nhau, hình thức dùng nước rất đa dạng Công trình có thể do một hoặc một số doanh nghiệp quản lý, nên đôi khi cần phân HTCN thành nhiều vùng và có đồng hồ tổng riêng

- Nhà cao tầng có chiều cao lớn, độ chênh lệch áp lực cũng rất lớn Trong công trình, khu vực phía trên áp lực nhỏ, khu vực phía dưới áp lực lớn, thậm chí rất lớn Một trong những yêu cầu cơ bản của HTCN là làm thế nào để phân phối nước đều trong toàn bộ ngôi nhà để đảm bảo chế độ làm việc của mạng lưới phân phối gần đúng với tính toán thuỷ lực của mạng lưới

Hiện nay, trong các HTCN có trạm bơm tăng áp và két nước vẫn xảy ra tình trạng các tầng dưới dùng nước thoải mái trong khi các tầng trên thiếu nước Nguyên nhân chính

là áp lực dư của các thiết bị ở tầng dưới quá lớn dẫn tới lưu lượng chảy ra ở các thiết bị lớn hơn tính toán nhiều lần Các nhà ở tầng trên luôn chịu thiệt thòi về nước dùng trong khi các nhà tầng dưới dùng thoải mái, dự trữ nước đầy vào các dụng cụ chứa và khoá các thiết bị lại thì nước mới dần dần lên được các tầng trên Ngay cả khi áp dụng sơ đồ cấp nước lên két và sau đó dùng đường ống chính trên mái để phân phối nước từ trên xuống, nhưng nếu không có các

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 19

biện pháp khống chế áp lực dư ở các tầng dưới thì các tầng

trên vẫn thiếu nước hoặc không có nước

Biện pháp khử áp lực dư ở các tầng dưới của ngôi nhà để

áp lực tự do của các ống nhánh của các tầng đều nhau và có

trị số bằng 2-4 mét cột nước có thể thực hiện bằng cách:

- Lắp đặt van giảm áp thường xuyên tại các ống nhánh

dùng để giảm áp lực và giữ cho áp lực không vượt quá giới

hạn cho phép Biện pháp này chưa được thực hiện thường

xuyên cho tất cả các công trình được vì giá thành của thiết

bị này rất đắt

- Lắp đặt các rông đen giảm áp trong các rắc co ở đầu

nhánh vào mỗi tầng - tuỳ thuộc vào mức dư thừa áp lực tự

do để chọn kích thước rông đen sao cho hợp lý nhất hoặc

lắp rông đen trong từng thiết bị dùng nước Biện pháp này

trước đây đã được thực hiện, nhưng do các đối tượng dùng

nước ở tầng dưới thích dùng nước mạnh nên họ đã tự tháo

bỏ các rông đen

- Lắp đặt van điều chỉnh tại các đầu ống nhánh của mỗi

tầng Đây là yêu cầu bắt buộc khi thiết kế, phục vụ việc

thay thế, sửa chữa các thiết bị trên ống nhánh Khi sử dụng

van điều chỉnh đặt đầu ống nhánh, tiết diện đường ống giảm

đột ngột từ Ω sang ω thì sẽ xảy ra tổn thất cục bộ tại van,

công thức tính tổn thất cục bộ:

hc = 22

C v g

Trong đó:

+ ξc: Hệ số tổn thất cục bộ; ξc =0,5 (1- );

+ v: Vận tốc qua van cũng tăng lên

Khi xảy ra tổn thất cục bộ tại van thì áp lực tự do sau

van sẽ giảm xuống giá trị áp lực yêu cầu

- Dùng các loại ống, các loại thiết bị có đường kính khác

nhau trong các tầng Những tầng dưới có áp lực tự do lớn thì

đường ống và thiết bị có đường kính nhỏ và ngược lại Biện

pháp này hiện nay chưa được thực hiện ở Việt Nam bởi vì

nguồn vật liệu và thiết bị nhập từ nước ngoài về hoặc sản

xuất trong nước đều chưa có đường kính nhỏ hơn 15mm Do

trên thị trường không có sẵn các loại thiết bị và đường ống

có đường kính nhỏ hơn 15mm, nên các nhà thiết kế và người

tiêu dùng cũng chưa quan tâm đến việc dùng các loại ống

này Điều này có thể thực hiện được theo thời gian khi nhà

cao tầng đã xuất hiện nhiều, khi mà vấn đề tiết kiệm nước đã

trở thành nhu cầu và ý thức của người sử dụng và các loại

đường ống thiết bị đã trở thành phổ biến trên thị trường Khi

sử dụng đường ống chính phân phối từ phía trên như các

HTCN nhà cao tầng ở Đà Nẵng đang sử dụng, thì việc tính

toán chọn đường kính ống đứng cấp nước theo V>Vkte vừa

giảm kinh phí lắp đặt mạng lưới vừa khử được áp lực dư ở

các tầng dưới để góp phần phân phối nước đều

Khi tính toán thiết kế HTCN, yêu cầu cơ bản là phải

đảm bảo cung cấp đầy đủ lưu lượng áp lực theo yêu cầu

của đối tượng sử dụng Về mặt áp lực, HTCN dùng két trên

mái hoặc trạm bơm khí nén đều phải đảm bảo áp lực tự do

(Htd) tại TBVS bất lợi nhất trong nhà (cao nhất, xa nhất) để

các TBVS đó làm việc bình thường

Gọi chiều cao xây dựng của mỗi tầng nhà từ i đến k là

Ht, khi đó áp lực tại TBVS ở tầng dưới kế tiếp nó là:

Htdk= Htdi + Ht - hi-k. (3)

hi-k: Là tổn thất áp lực trong đoạn ống đứng từ i đến k khi tải lưu lượng nước cho các tầng phía dưới

Tương tự ta có: Htdl= Htdk + Ht - hk-l. (2.4) Hoặc Htdl= Htdi + 2Ht -  hi-l. (2.5)

Để đảm bảo phân phối nước đều giữa các tầng hay nói cách khác áp lực tự do ở các TBVS của các tầng tương đương nhau, ta có:

tế, nhưng không lớn hơn 2,5 l/s giống như tính toán mạng lưới khi có cháy [2]

- Một trong những nguyên nhân gây thất thu, thất thoát trong các HTCN là việc dùng hợp đồng khoán Việc tính khoán tiền nước theo đầu người gây khó khăn cho việc phân phối nước đều, điều đó hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức tự giác và tinh thần làm chủ của mỗi người Hiện nay các Công ty cấp nước có chủ trương xoá hợp đồng khoán, lắp đặt đồng hồ cho tất cả các khách hàng (kể cả trong các khu chung cư) nhằm giảm thất thoát nước và tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối nước đều

Hiện nay các nhà cao tầng đều được lắp đặt đồng hồ nước cho từng căn hộ, nên việc phân phối nước đều giữa các tầng đã thuận lợi hơn và đã được khắc phục

2.3 Sơ đồ cấp nước

2.3.1 Sơ đồ cấp nước phân vùng song song

Hình 5 Sơ đồ cấp nước phân vùng song song cho nhà 12 tầng

Phân chia số tầng nhà ra các vùng khác nhau để tạo áp lực đồng đều cho các vùng Mỗi vùng từ 4-5 tầng [4] Với

20 Mai Thị Thùy Dương

số tầng nhà của mỗi vùng như vậy là hợp lý vì độ chênh áp

lực giữa các tầng không lớn lắm Hình 5 là sơ đồ HTCN

phân vùng song song áp dụng cho ngôi nhà 12 tầng Hệ

thống phân làm 3 vùng với phạm vi phục vụ của mỗi vùng

là 4 tầng Các vùng đều có số TBVS giống nhau nên các

máy bơm cấp nước cho các vùng có lưu lượng bằng nhau

(QB = Q1 = Q2 = Q3), còn cột áp của các bơm thì khác nhau

Máy bơm vùng 1 phải đưa nước lên được TBVS bất lợi

nhất ở tầng 4 nên có cột áp cần thiết của bơm HB1 Tương

tự máy bơm vùng 2 phải bơm nước lên được TBVS bất lợi

nhất ở tầng 8 nên: HB22HB1 Tương tự máy bơm vùng 3:

HB33HB1, thực ra theo nguyên tắc tính toán nếu nối bơm

- γ: Tỷ trọng riêng của chất lỏng bơm; (kG/m3);

- b: Hiệu xuất máy bơm

Nb = N1 + N2 + N3 = N1 + 2N1 + 3N1 = 6 N1 [5]

2.3.2 Sơ đồ cấp nước phân vùng nối tiếp

Theo sơ đồ này nhà cao tầng cũng chia thành nhiều

vùng khác nhau, mỗi vùng từ 4-5 tầng Tại mỗi vùng có đặt

máy bơm riêng Áp lực máy bơm tương ứng cho yêu cầu

cấp nước của mỗi vùng

Hình 6 Sơ đồ HTCN phân vùng nối tiếp nhà 12 tầng

Nguyên tắc làm việc của máy bơm là lưu lượng máy

bơm của vùng 1 bơm nước vừa cung cấp cho vùng 1 vừa

bơm vào két nước cho vùng 2 Máy bơm của vùng 2 đặt

trên tầng cao nhất của vùng 1, vừa bơm nước cho vùng 2

vừa bơm vào két nước cho vùng 3 Và cứ tương tự như vậy, các máy bơm nước của vùng trên nhận nước từ máy bơm của vùng dưới Khi đó cột áp máy bơm các vùng trên chỉ tương đương với cột áp máy bơm của vùng 1 Lưu lượng của các máy bơm của vùng dưới lớn hơn của các vùng trên Két nước (kiêm bể chứa cho vùng tiếp theo) của các vùng dưới cũng lớn hơn các vùng trên Giả sử có hệ thống phân vùng nối tiếp cho một nhà 12 tầng, có 3 vùng cấp nước với

số tầng mỗi vùng là 4 (Hình 6)

Máy bơm vùng 1 phải bơm đủ lưu lượng cho cả 3 vùng nên: QB1  3Q1, thực ra theo nguyên tắc tính toán cho từng loại ống nếu nối tiếp hệ thống lại thì QB1 < 3Q1 Đó là tính cho thời điểm dùng nước nhiều nhất, còn khi bơm làm việc điều hoà thì lưu lượng của máy bơm còn có thể giảm hơn Tương tự máy bơm vùng 2 phải bơm đủ lưu lượng cho vùng 2 và 3, nên: QB2  2Q1 Máy bơm vùng 3 chỉ phục vụ cho riêng vùng 3, nên: QB3 Q1

* Cột áp của các máy bơm:

Phương pháp phân vùng nối tiếp có thuận lợi là áp lực của máy bơm nhỏ, trang thiết bị và đường ống thuận tiện nhưng có khó khăn trong việc xây dựng các két nước kiêm

bể chứa nước của các vùng, làm tăng tải trọng của công trình

Để đảm bảo yêu cầu an toàn về chữa cháy cho nhà cao tầng, người ta thường áp dụng giải pháp cứ cách 13 đến 15 tầng thì để trống một tầng để cứu nạn và tận dụng tầng đó để

bố trí hệ thống kỹ thuật cho ngôi nhà Vì vậy, có thể sử dụng các tầng đó để đặt bể nước và trạm bơm nối tiếp Phân vùng nối tiếp chỉ nên áp dụng cho chiều cao ngôi nhà 100m [6]

2.3.3 Sơ đồ cấp nước không phân vùng

Đây là sơ đồ cấp nước mà hầu hết các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam cũng như tại Đà Nẵng đang sử dụng Trạm bơm bơm nước lên két, sau đó nước từ két sẽ cung cấp nước cho toàn bộ ngôi nhà Trạm bơm phải đảm bảo cấp đủ lưu lượng cho toàn bộ ngôi nhà cũng như đảm bảo

áp lực đưa lên két

Hình 7 là sơ đồ cấp nước không phân vùng cho nhà 12 tầng Lúc đó bơm có lưu lượng QB = 3Q1 Theo nguyên tắc

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 21

tính toán lưu lượng thì lưu lượng của toàn bộ ngôi nhà ở

đoạn ống cuối cùng phải là Q 3Q1 vì có kể đến hệ số hoạt

động đồng thời () của các TBVS trong ngôi nhà (hay xác

suất hoạt động đồng thời của chúng) Khi số TBVS trong

đoạn ống tính toán càng lớn thì hệ số này càng nhỏ Vì vậy

theo nguyên tắc đó thì lưu lượng của một máy bơm chung

cho toàn nhà sẽ nhỏ hơn tổng lưu lượng của các máy bơm

riêng cho các vùng Để thuận tiện cho việc tính toán so sánh

kinh tế, tạm coi Q  3Q1

Áp lực máy bơm chung cho toàn ngôi nhà phải đảm bảo

đưa nước lên két đặt ở tầng mái, nghĩa là HB= 3H1

Hình 7 Sơ đồ cấp nước không phân vùng

Nếu không phân vùng cấp nước thì công suất điện cho

So với HTCN phân vùng, thì HTCN không phân vùng

(có nghĩa là trạm bơm cấp nước cho toàn bộ ngôi nhà và

két nước đặt ở tầng cao nhất) sẽ có nhiều bất lợi hơn:

- Về vấn đề áp lực dư và phân phối nước đều: Nếu một

ngôi nhà cao tầng chỉ có một máy bơm áp lực thì áp lực của

máy bơm đó phải đảm bảo đưa nước lên tầng cao nhất, đảm

bảo nhu cầu dùng nước của các thiết bị ở tầng cao nhất

Như vậy áp lực nước ở các tầng dưới sẽ quá lớn Theo tính

toán sơ bộ thì áp lực cần thiết cho ngôi nhà 10 tầng là

35-40 m, 15 tầng là 60-65 mét, 20 tầng là 75-80m Lúc đó áp

lực tại chân các ống đứng ở tầng 1 cũng tương ứng là

35-40m, 60-65m và 75-80m Điều này dẫn tới việc khử áp lực

dư ở các tầng dưới để đảm bảo áp lực tự do ở các thiết bị

tương đối đều nhau để phân phối nước đều, và chế độ làm

việc của hệ thống sát với tính toán sẽ gặp nhiều khó khăn

Áp lực dư quá lớn cũng gây trở ngại cho người sử dụng,

gây tiếng ồn khi sử dụng, khó điều chỉnh nhiệt độ khi dùng

vòi trộn nóng lạnh

- Về vấn đề hiệu quả kinh tế: Trong nhà cao tầng, các

TBVS được trang bị hoàn chỉnh, số lượng thiết bị nhiều,

tiêu chuẩn dùng nước cao, lưu lượng tính toán lớn, nên

đường kính các ống đứng phân phối cũng khá lớn Nếu bố

trí đường ống chính phân phối phía trên, bơm nước lên két

rồi từ két phân phối xuống các tầng dưới thì đường ống

đứng có dạng phía trên to, phía dưới nhỏ, dung tích két

nước ảnh hưởng đến kết cấu của nhà Ngược lại nếu bố trí

đường ống chính phân phối từ dưới lên rồi dẫn đến các

tầng, đường ống lên và xuống két chung thì dung tích két nước nhỏ hơn nhưng đường ống đứng cấp nước có dạng dưới to trên nhỏ, điều đó làm cho áp lực tự do ở các tầng dưới càng lớn Cả hai trường hợp trên đều dẫn đến giá thành xây dựng mạng lớn, vì các đoạn ống phía đầu phải

có đường kính lớn để tải lưu lượng cho các đoạn sau Nếu

so với phương án phân ra từng vùng cấp nước thì đường kính ống sẽ nhỏ hơn, giá thành xây dựng sẽ giảm

- Về vấn đề tiêu hao điện năng cho máy bơm: Khi một

ngôi nhà cao tầng dùng một máy bơm chung cho toàn ngôi nhà thì máy bơm đó phải đủ lưu lượng cung cấp cho toàn ngôi nhà và áp lực phải đảm bảo đưa được nước lên tầng cao nhất Trong khi đó năng lượng điện tiêu thụ tỷ lệ thuận với lưu lượng và cột áp của máy bơm Do đó chi phí điện năng cho việc bơm nước khi không phân vùng cấp nước bao giờ cũng lớn hơn trường hợp phân vùng Tỷ số giữa chi phí điện năng khi phân vùng so với không phân vùng với số vùng là 3, 4, 5 lần lượt là: 6/9, 10/16, 15/25 Tỷ số này càng nhỏ khi số vùng càng nhiều [4]

Từ các tính toán phân tích trên, ta có thể rút ra kết luận: Với cùng điều kiện về chiều cao và số tầng nhà, nếu phân HTCN ra càng nhiều vùng thì chi phí điện năng cho máy bơm càng giảm Tuy nhiên không thể phân ra quá nhiều vùng cấp nước vì phải sử dụng nhiều loại máy bơm Việc phân chia mỗi vùng cấp nước từ 4 đến 5 tầng là vừa phù hợp cho việc phân phối nước đều, giảm chi phí điện năng vừa giảm bớt sử dụng bơm

3 Đề xuất giải pháp cấp nước phù hợp cho nhà cao tầng

Với việc sử dụng sơ đồ cấp nước phân vùng đã giải quyết được vấn đề phân phối nước đều, tiêu hao điện năng

và tính kinh tế Tuy nhiên với việc sử dụng két nước vẫn ảnh hưởng nhiều đến kết cấu của công trình, đặc biệt với nhà cao tầng, tỷ lệ chiều cao so với diện tích bề mặt xây dựng lớn thì mức độ ảnh hưởng của két nước cũng tỷ lệ theo Để giải quyết bài toàn trên thì việc tìm kiếm một thiết

bị thay thế cho két nước là một trong những giải pháp hợp

lý Một trong những giải pháp hiệu quả cho việc giảm thiểu kích thước của thiết bị cũng như giảm tác động của HTCN đến kết cấu đó chính là máy bơm có sử dụng bộ biến tần Với máy bơm có sử dụng bộ biến tần thì bơm có thể hoạt động liên tục nhưng sẽ có thời điểm lưu lượng nước sử dụng rất ít, kéo theo số vòng quay của bơm nhỏ, hại động

cơ Chính vì thế, để kéo dài tuổi thọ của bơm thì cần kết hợp bơm biến tần với máy điều áp

3.1 Trường hợp máy điều áp kết hợp với máy bơm không

sử dụng bộ biến tần

3.1.1 Tính toán thể tích nước điều hoà lưu lượng

- Khi bình vừa tích đầy nước thì thể tích bình Vn, áp lực đến P1 bơm ngừng hoạt động, lúc này trên mạng lưới tiêu thụ một lượng nước là x (m3/h)

- Thời gian làm cạn bình: t1 = Vn

- Khi bình hết nước, áp lực giảm xuống có giá trị P2, bơm tự động chạy, bơm nước vào bình và mạng có lưu lượng Qb(m3/h)

- Thời gian tích đầy bình:

22 Mai Thị Thùy Dương

b

V t

Tìm giá trị của x để cho thời gian t là lớn nhất (Chu kỳ

đóng mở bơm dài nhất) hay Vn t là nhỏ nhất Muốn vậy đạo

hàm phương trình trên theo x và cho bằng 0 ta có:

V d

n

b

V d t Q dx

Trong đó: t là thời gian cho phép của một chu kỳ đóng

mở máy, do nhà sản xuất quyết định, thường số lần đóng

mở máy bơm không quá 4 lần/h [3] Có thể viết:

Vn = 4

b

Q

Với Z là số lần đóng mở máy cho phép trong một giờ

3.1.2 Tính toán thể tích chứa khí cần thiết để điều hoà áp

lực và thể tích bình

Ở áp lực tối thiểu P2, khí choán cả bình: Vbình=V2k (14)

V1k: Thể tích khí khi bị nước nén đến áp lực tối đa P1

- P1: Áp lực tuyệt đối lớn nhất trong mạng bằng áp lực

bơm + áp lực khí quyển (Bar)

- P2: Áp lực tuyệt đối nhỏ nhất trong mạng bằng áp lực

min yêu cầu + áp lực khí quyển (Bar)

- f: Hệ số điều áp; với f = 1 2

1

P P P

Khi dung tích của thùng chứa nước càng lớn số lần

đóng mở máy trong một giờ càng ít và ngược lại

Máy điều áp thường dùng trong HTCN mạng kín bao gồm máy bơm áp lực, bình áp lực, thiết bị điều áp và thiết

bị tạo áp (máy nén khí)

Hình 8 Sơ đồ HTCN có máy điều áp

HTCN theo nguyên lý mạng kín đảm bảo duy trì được

áp lực cần thiết, đảm bảo nhiệt độ nước và đảm bảo điều kiện vệ sinh

3.2 Trường hợp máy điều áp kết hợp máy bơm có gắn bộ biến tần

Đối với bơm sử dụng bộ biến tần thì trạm bơm sẽ hoạt động theo nhu cầu về lưu lượng và áp lực nước sử dụng bên ngoài mạng lưới Việc thay đổi áp lực và lưu lượng bên ngoài sẽ được truyền về bộ cảm biến áp suất, cảm biến áp suất đưa ra điều khiển tối ưu cho bộ biến tần, bộ biến tần được xử lý để đưa ra tần số thích hợp cho dòng điện vào động cơ máy bơm Việc thay đổi tần số sẽ làm cho số vòng quay của máy bơm thay đổi kéo theo việc điều chỉnh cột áp

và lưu lượng về điểm làm việc yêu cầu

Tuy nhiên khi các tín hiệu đầu vào hay các kích thích cảm biến có độ biến thiên nhỏ hơn độ nhạy cho phép của cảm biến thì bộ vi xử lý sẽ không làm việc, tần số dòng điện không thay đổi, chế độ hoạt động của bơm cũng không thay đổi theo Điều đó sẽ làm cho nhu cầu sử dụng nước không đảm bảo cả về cột áp và lưu lượng Để giải quyết vấn đề trên thì việc bổ sung thêm một bình điều áp giúp ổn định lưu lượng và cột áp trên đường ống đẩy của bơm là rất cần thiết Đồng thời bình điều áp còn giúp cho việc ổn định cột áp và lưu lượng trong trường hợp nhu cầu dùng nước tăng lên rồi giảm xuống trong thời gian ngắn nhỏ hơn thời gian chạy tối thiểu của máy bơm, hiện tượng này thường xảy ra vào ban đêm Lúc này thể tích của bình điều áp sẽ nhỏ hơn nhiều trong trường hợp không sử dụng bộ biến tần Dung tích bình điều áp khi kết hợp với bơm biến tần được tính theo công thức sau:

- Q: Lưu lượng của 1 bơm (L/ph);

- T: Thời gian chạy tối thiểu của bơm (Phút) Đối với công trình công nghiệp T =1~2 phút, còn nhà dân

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 23

dụng thường lấy thấp hơn khoảng 5-10 giây [8];

- K: hệ số sử dụng của bình phụ thuộc vào áp suất làm

việc của hệ thống, thường K=0,9

Máy điều áp được áp dụng cho các nhà cao tầng, HTCN

được phân thành các vùng riêng biệt, mỗi vùng cấp nước

có một hệ thống điều áp riêng Máy điều áp có thể đặt ở

tầng hầm, tầng một (ở các góc chết, góc quay ô tô) hoặc

lưng chừng nhà (trong HTCN phân vùng) Các thùng khí

và nước được đặt nối với máy bơm, không nhất thiết các

thùng này phải gần máy bơm, mà có thể đặt ở bất kỳ vị trí

nào miễn là trên đường ống đẩy của máy bơm

Ngày nay các công trình cao tầng xuất hiện rất nhiều,

mặt khác thiết bị có sẵn, do đó nên sử dụng các máy điều

áp trong HTCN nhà cao tầng

Tuy nhiên, đối với các nhà cao tầng có chiều cao trên

100m thì không nên sử dụng HTCN theo nguyên lý mạng

song song Bởi vì lượng nước cấp cho nhà cao tầng này là

rất lớn, nếu sử dụng các bình khí nén để dự trữ nước thì giá

thành sẽ tăng nên rất nhiều

4 Kết luận

Nghiên cứu đã đưa ra được phương pháp cấp nước an

toàn cho nhà cao tầng, đó là chọn sơ đồ cấp nước phân vùng

với bơm biến tần kết hợp máy điều áp Bên cạnh vấn đề về

hiệu quả kỹ thuật và kinh tế như đã phân tích ở trên, sơ đồ

đề xuất đã phần nào giải quyết được bài toán kết cấu cho các công trình cao tầng do két nước trên mái tạo ra Hiện nay, ở Việt Nam, các tiêu chuẩn, quy phạm xây lắp và quản

lý hệ thống cấp thoát nước cho nhà cao tầng còn ít Việc sớm đưa ra tiêu chuẩn quy phạm về thiết kế HTCN cho nhà cao tầng một cách đầy đủ sẽ tạo điều kiện cho công tác thiết

kế và xây dựng có được những cơ sở pháp lý rõ ràng hơn

và phù hợp với xu thế phát triển của hiện tại

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bộ Xây dựng, Phòng cháy chữa cháy, Nhà cao tầng, Yêu cầu thiết

kế TCVN 6160-1996

[2] Bộ Xây dựng, Cấp nước bên trong Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4513 -1988 [3] Lê Thị Dung, Công trình thu nước và trạm bơm trong cấp thoát

nước, Nhà xuất bản Xây dựng, 2003

[4] Nguyễn Thái Hoàng, Hệ thống cấp thoát nước cho nhà cao tầng, các

giải pháp thiết kế kỹ thuật, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Môi trường,

Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 2003

[5] Nguyễn Thị Kim Thư, Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán

thiết kế hệ thống cấp nước nhà cao tầng, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

Môi trường, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 2004

[6] Nguyễn Văn Tín, Chọn sơ đồ cấp nước hợp lý cho nhà cao tầng,“Tạp

chí xây dựng”, Số 3, 2004

[7] Nguyễn Văn Tín, Tài liệu hội thảo về nhà cao tầng của ĐHXD, ĐH

Kiến trúc, 2007

[8] www.grundfos.com/industries-solutions/industries/industrial-water treatment.html

(BBT nhận bài: 23/11/2014, phản biện xong: 24/12/2014)

24 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng

PHÂN TÍCH BIẾN THIÊN ÁP SUẤT TRONG ĐỘNG CƠ DUAL FUEL

BIOGAS-DIESEL CHO BỞI MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

IN CYLINDER PRESSURE ANALYSIS IN BIOGAS-DIESEL DUAL FUEL ENGINE BY SIMULATION AND EXPERIMENT

Bùi Văn Ga 1 , Nguyễn Việt Hải 2 , Nguyễn Văn Anh 3 , Võ Anh Vũ 2 , Bùi Văn Hùng 2

1 Bộ Giáo dục và Đào tạo; Email: buivanga@dongcobiogas.com

2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

3 Trường Cao đẳng Công nghiệp Thừa Thiên Huế

Tóm tắt - Bài báo trình bày kết quả phân tích biến thiên áp suất

trong xi lanh động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động

cơ dual fuel biogas-diesel được cải tạo từ động cơ diesel Vikyno

EV2600-NB Mô phỏng được thực hiện nhờ phần mềm FLUENT.

Thực nghiệm được tiến hành trên băng thử động cơ AVL Kết quả

cho thấy công chỉ thị chu trình của động cơ cho bởi mô phỏng lớn

hơn công chỉ thị chu trình thực nghiệm khoảng 8% trong phạm vi

tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút đến 2000 vòng/phút Công chỉ

thị chu trình của động cơ cho bởi mô phỏng đạt giá trị cực đại khi

=1 trong khi đó công chỉ thị chu trình cho bởi thực nghiệm đạt giá

trị cực đại khi =1,1 Ở tốc độ định mức, công suất có ích của động

cơ dual fuel thấp hơn công suất có ích của động cơ diesel nguyên

bằng biogas chứa 60% CH 4

Abstract - The paper presents the results of analysis of pressure

variation given by simulation and experiment in cylinder of diesel dual engine converted from Vikyno EV2600-NB diesel engine Simulation was performed by the CFD software FLUENT Experiment was conducted on the AVL engine dynamometer The results showed that the indicated engine cycle work given by simulation is about 8% higher than that given by experiment in engine speed range from 1,000rpm to 2000rpm The peak of indicated engine cycle work given by simulation is found at =1.1 whereas that given by experiment is found at =1 At rated speed, brake power of dual fuel engine is less than that of original diesel engine about 12 % and 25% as engine fueled with biogas containing 80% CH 4 and 60% CH 4 respectively

biogas-Từ khóa - động cơ biogas; động cơ dual-fuel; năng lượng tái tạo;

áp suất buồng cháy; CFD

Key words - biogas engine; dual-fuel engine, renewable energy,

in cylinder pressure; CFD

Ký hiệu:

n: Tốc độ động cơ (vòng/phút);

pi: Áp suất chỉ thị (bar);

Pe: Công suất có ích của động cơ (kW);

Wi: Công chỉ thị chu trình (J/chu trình);

: Hệ số tương đương của hỗn hợp biogas-không khí;

: Góc quay trục khuỷu ();

s: Góc phun sớm ();

m: Hiệu suất cơ giới

1 Giới thiệu

Mô phỏng quá trình cháy động cơ dual fuel biogas

diesel được cải tạo từ động cơ diesel Vikyno EV2600-NB

đã được giới thiệu trong các công trình trước đây [1], [2]

Khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ dual fuel

biogas-diesel đánh lửa bằng tia phun mồi diesel, do đó

màng lửa xuất phát từ mũi tia phun nằm trong buồng cháy

omega chứ không phải nằm trên đỉnh buồng cháy Sau khi

bén lửa, tia phun cháy nhanh tạo thành một đuốc lửa với

năng lượng lớn khiến cho hỗn hợp biogas-không khí được

chuẩn bị trước bốc cháy nhanh chóng Điều này làm cho

đồ thị biến thiên áp suất của động cơ dual fuel khác với đồ

thị biến thiên áp suất của động cơ diesel

Hình 1 giới thiệu một kết quả tính toán mô phỏng tiêu

biểu về nồng độ CH4, nhiệt độ và tốc độ trong buồng cháy

động cơ khi chạy ở tốc độ 1000 vòng/phút và 2000

vòng/phút với biogas chứa 60% CH4 ở vị trí góc quay trục

khuỷu 5 trước điểm chết trên (ĐCT) Phun mồi được thực

hiện tại vị trí 25 trước ĐCT Chúng ta thấy tại cùng một vị

trí góc quay trục khuỷu, khi tốc độ động cơ càng thấp thì

màng lửa di chuyển càng xa trục buồng cháy Mặc dù khi tốc

độ động cơ tăng thì vận động xoáy lốc của hỗn hợp tăng làm

tăng tốc độ cháy nhưng yếu tố này không bù trừ được mức

độ giảm thời gian ứng với mỗi độ góc quay trục khuỷu

của môi chất trong buồng cháy động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy bằng biogas chứa 60% CH 4 ở tốc độ 1000 vòng/phút và

2000 vòng/phút, góc phun sớm 25Những kết quả tính toán mô phỏng cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm để đánh giá mức độ chính xác Trên cơ sở đó chúng ta có thể dùng mô phỏng để dự báo tính năng công tác của động cơ dual fuel biogas-diesel mà không cần phải làm thí nghiệm tốn kém

Trong nghiên cứu này, thực nghiệm được tiến hành ở Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong thuộc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Đây là phòng thí nghiệm được trang bị thiết bị đồng bộ của Hãng AVL Hình 2 giới thiệu hệ thống thí nghiệm Băng thử APA 204 được điều khiển và thu nhận dữ liệu qua hệ thống Puma Lưu lượng không khí được đo bằng lưu lượng kế ABB vận hành theo nguyên lý sợi nóng Lưu lượng biogas được đo bằng lưu lượng kế điện tử kiểu chênh áp qua màng Thiết bị Indiset

620 gắn kết với các cảm biến đo các thông số trong buồng cháy động cơ: áp suất buồng cháy, tín hiệu kích nổ, góc

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 25

đánh lửa hay góc phun sớm, độ nhấc kim phun đối với động

cơ diesel, xác định vị trí ĐCT Encoder 364C được sử dụng

để chuyển đổi tốc độ góc của trục khuỷu động cơ sang tín

hiệu số Nguồn dữ liệu trong thực nghiệm được phân tích

đánh giá và kết xuất bằng phần mềm chuyên dụng

Concerto Áp suất trong buồng cháy được ghi nhận nhờ

cảm biến áp suất GU12P được lắp trực tiếp trong buồng

cháy động cơ Tín hiệu của cảm biến được khuếch đại bởi

bộ khuếch đại tín hiệu điện áp 3067A01 Piezo Amplifier

Dữ liệu thí nghiệm được ghi nhận, xử lý và truy suất nhờ

phần mềm IndiWin Software Tín hiệu của các cảm biến

được chuyển vào máy tính thông qua bộ chuyển đổi AVL

620 Indiset

Hình 2 Băng thử công suất APA 204 và động cơ dual fuel

biogas-diesel thử nghiệm Vikyno EV2600-NB

Thí nghiệm được tiến hành trước tiên bằng việc đo

lượng phun diesel cực đại và lượng diesel phun mồi Khi

chạy bằng biogas, lượng diesel phun mồi được điều chỉnh

bằng 10% lượng phun cực đại nhờ vít hạn chế bơm cao áp

Nhiên liệu biogas được lọc H2S và CO2 bằng NaOH trước

khi nén vào bình áp lực ở áp suất 100 bar Trước khi làm

thí nghiệm, biogas được nạp vào túi chứa khí và được pha

trộn với CO2 để đảm bảo thành phần biogas theo yêu cầu

Thành phần biogas được xác định bằng máy phân tích

biogas chuyên dụng GFM435

Trong sử dụng người ta quan tâm nhiều đến công suất

động cơ dual fuel biogas-diesel so với công suất động cơ

diesel nguyên thủy Thực tế cho thấy ta có thể thay đổi

lượng phun để điều chỉnh công suất động cơ theo yêu cầu

tải bên ngoài khi động cơ làm việc với biogas nghèo [3],

nhưng điều này làm giảm tính kinh tế của động cơ biogas

[4] Do vậy trong vận hành động cơ, chúng ta duy trì lượng

phun diesel tối thiểu để đánh lửa và làm mát vòi phun

Tippayawong và cộng sự [5] cho rằng công suất của động

cơ dual fuel biogas-diesel có thể đạt giá trị tương đương

công suất động cơ diesel nguyên thủy trong khi Mitzlaff và

cộng sự [6] chỉ ra rằng công suất động cơ dual fuel

biogas-diesel có thể cao hơn công suất động cơ biogas-diesel Trong công

trình này, chúng ta sẽ nghiên cứu cả thực nghiệm và mô

hình hóa biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ để xác

định mức chênh lệch giữa công suất động cơ dual fuel so

với công suất động cơ diesel nguyên thủy

2 Kết quả và bình luận

Hình 3a, Hình 3b, Hình 3c trình bày so sánh biến thiên

áp suất trong xi lanh động cơ dual fuel biogas-diesel khi chạy

bằng biogas chứa 60%, 70% và 80% CH4 ở tốc độ 2000 vòng/phút Hệ số tương đương=1 và góc phun sớm 22,25 trước ĐCT Các hình này cho thấy áp suất trong xi lanh động

cơ cho bởi mô phỏng cao hơn áp suất cho bởi thực nghiệm trong quá trình cháy và dãn nở Áp suất cực đại cho bởi mô phỏng cao hơn áp suất cực đại thực nghiệm khoảng từ 3% đến 10% Chênh lệch giữa hai kết quả càng cao khi hàm lượng CH4 trong biogas càng bé Sự khác biệt giá trị áp suất cho bởi mô phỏng và thực nghiệm có thể được giải thích do những lý do: (1) mô phỏng tốc độ lan tràn màn lửa theo thành phần biogas trong mô hình cao hơn thực tế do sự hiện diện

CO2 trong hỗn hợp cháy ảnh hưởng đến tốc độ cháy lớn hơn

dự kiến; (2) mô phỏng đánh lửa (nguồn nhiệt hình trụ) trong

mô hình tính toán có sự khác biệt với thực tế diễn ra trong buồng cháy động cơ dual fuel (tia phun cháy khuếch tán); (3) truyền nhiệt giữa môi chất công tác và thành xi lanh trong

mô hình chưa tính chi tiết thành phần bức xạ do quá trình cháy khuếch tán tia phun mồi

(a)

(b)

(c)

Hình 3 So sánh biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ cho

bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ dual fuel chạy ở tốc

độ 2000 vòng/phút với biogas chứa 60% CH 4 (a), 70% CH 4 (b)

và 80% CH 4 (c); =1; s =25

Sự khác biệt đường cong áp suất dẫn đến sự khác biệt

về đồ thị công chu trình giới thiệu trên các Hình 4a, Hình

0 20 40 60

pi(bar)

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

0 20 40 60 80

pi (bar)

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

pi(bar)

0 20 40 60 80

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

26 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng

4b và Hình 4c tương ứng với biogas chứa 60%, 70% và

80% CH4 Trong quá trình nén, áp suất mô phỏng cao hơn

áp suất thực nghiệm làm giảm công chỉ thị mô phỏng

Ngược lại, áp suất mô phỏng trên đường dãn nở cao hơn áp

suất thực nghiệm làm tăng công chỉ thị mô phỏng Hình 5

so sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và thực

nghiệm khi động cơ dual fuel chạy bằng biogas có thành

phần CH4 khác nhau với =1 ở tốc độ 2000 vòng/phút Kết

quả so sánh này cho thấy sự khác biệt công chỉ thị cho bởi

mô hình và thực nghiệm giảm dần khi thành phần CH4

trong biogas tăng Công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng

cao hơn giá trị cho bởi thực nghiệm khoảng 10% với biogas

chứa 60% CH4 và 3% với biogas chứa 80% CH4.

(a)

(b)

(c)

Hình 4 So sánh đồ thị công chỉ thị cho bởi mô phỏng và thực

nghiệm trên động cơ dual fuel chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút với

biogas chứa 60% CH 4 (a), 70% CH 4 (b) và 80% CH 4 (c);

=1; s =22,25

Hình 5 So sánh công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng và

thực nghiệm khi động cơ dual fuel chạy bằng biogas có chứa

Hình 6 So sánh biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ cho

bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ dual fuel chạy ở tốc

độ 1700 vòng/phút với biogas chứa 80% CH 4 , hệ số tương đương =0,7 (a), =0,9 (b, =1,1 (c); =22,25

pi (bar)

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

0 20 40 60 80

pi (bar)

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

0 20 40 60 80

pi (bar)

 ()

Mô phỏng Thực nghiệm

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 27

Các Hình 6a, Hình 6b và Hình 6c so sánh biến thiên áp

suất trong xi lanh động cơ cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

khi động cơ chạy ở tốc độ 1700 vòng/phút bằng biogas chứa

80% CH4 với hệ số tương đương =0,7, =0,9 và =1,1

Chênh lệch áp suất giữa mô phỏng và thực nghiệm diễn ra

chủ yếu trên đường nén Điều này có thể giải thích do trong

mô phỏng tốc độ cháy cao hơn so với thực Chênh lệch áp

suất trên đường dãn nở cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

càng rõ nét khi hệ số tương đương càng giảm

(a)

(b)

(c)

Hình 7 So sánh biến thiên công chỉ thị theo hệ số tương đương

cho bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ dual fuel

s =22,25; (a) 60% CH 4 , n=2200 vòng/phút; (b) 70% CH 4 ,

n=1200 vòng/phút; (c) 80% CH 4 , n=1300 vòng/phút

Các Hình 7a, Hình 7b và Hình 7c so sánh biến thiên công

chỉ thị chu trình theo hệ số tương đương khi động cơ chạy

bằng biogas có thành phần CH4 khác nhau ở các chế độ tốc

độ khác nhau Kết quả so sánh trên các hình này cho ta những

nhận xét chung: (1) các đường cong biến thiên theo qui luật

chung là có một giá trị mà ở đó công chỉ thị chu trình đạt

giá trị cực đại; (2) đường cong mô phỏng đạt giá trị cực đại

ứng với  xấp xỉ 1, trong khi đó đường cong thực nghiệm

đạt giá trị cực đại ứng với xấp xỉ 1,1; (3) chênh lệch giữa

công chỉ thị cho bởi mô phỏng và thực nghiệm dưới 10% ở

tất cả các chế độ vận hành Kết quả tính toán công chỉ thị cho

thấy khi  càng bé thì mức độ chênh lệch giữa công chỉ thị

cho bởi mô phỏng và thực nghiệm càng lớn Mức độ chênh

lệch 3% khi =1,1 và 10% khi =0,7

Các Hình 8a, Hình 8b và Hình 8c so sánh công suất có ích của động cơ dual fuel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi thành phần CH4 trong biogas cũng như tốc độ động cơ thay đổi Công suất có ích mô phỏng được tính toán từ công chỉ thị chu trình và hiệu suất cơ giới Kết quả so sánh trên các Hình 8a, Hình 8b và Hình 8c cho thấy biến thiên công suất có ích của động cơ dual fuel cho bởi mô phỏng rất phù hợp với công suất có ích cho bởi thực nghiệm với giá trị hiệu suất cơ giới m=0,85

(a)

(b)

(c)

Hình 8 So sánh biến thiên công suất có ích của động cơ theo

hệ số tương đương cho bởi mô phỏng và thực nghiệm trên động cơ dual fuel s =22,25; (a) 60% CH 4 , n=2200 vòng/phút; (b) 70% CH 4 , n=1200 vòng/phút; (c) 80% CH 4 , n=1300 vòng/phút

2.3 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

Hình 9a và Hình 9b so sánh biến thiên áp suất trong xi lanh cho bởi mô phỏng và thực nghiệm khi động cơ chạy ở tốc độ 1200 vòng/phút và 2000 vòng/phút với biogas chứa 70% CH4 và hệ số tương đương =1,1 Kết quả cho thấy

áp suất cho bởi mô phỏng cao hơn áp suất thực nghiệm, nhưng giá trị chênh lệch không lớn và hầu như không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Các Hình 10a và Hình 10b so sánh đồ thị công cho bởi mô phỏng và thực nghiệm Khi tốc độ động cơ biến thiên từ 1200 vòng/phút đến 2000 vòng/phút, công chỉ thị cho bởi mô phỏng lớn hơn công chỉ thị cho bởi thực nghiệm khoảng 8% Do đó trong thực tiễn chúng ta có thể sử dụng tỉ lệ này để điều chỉnh công chỉ thị cho bởi mô phỏng để đạt được giá trị thực nghiệm

200 400 600 800 1000

2 4 6 8 10

2 4 6 8 10 12

4 6 8 10 12

28 Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng

(a)

(b)

Hình 9 So sánh đồ thị áp suất cho bởi mô phỏng và

thực nghiệm trên động cơ dual fuel =1,1; s =22,25;

(a) n=1200 vòng/phút; (b) n=2000 vòng/phút; Biogas chứa 70% CH 4

(a)

(b)

Hình 10 So sánh đồ thị công cho bởi mô phỏng và

thực nghiệm trên động cơ dual fuel =1,1; s =22,25;

(a) n=1200 vòng/phút; (b) n=2000 vòng/phút; Biogas chứa 70% CH 4

Hình 11a so sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo

tốc độ động cơ khi chạy bằng biogas chứa 60% và 80%

CH4 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm Hệ số tương đương của hỗn hợp được giữ cố định =1,1 và góc phun sớm 22,5 trong cả tính toán mô phỏng và thực nghiệm Theo kết quả nghiên cứu đồ thị áp suất cho bởi mô phỏng và thực nghiệm

ở phần trên thì công chỉ thị chu trình cho bởi mô phỏng lớn hơn công chỉ thị chu trình cho bởi thực nghiệm khoảng 8% Hình 11b cho thấy biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc

độ động cơ cho bởi mô phỏng nhân với hệ số 0,92 phù hợp với công chỉ thị cho bởi thực nghiệm

(a)

(b)

Hình 11 So sánh biến thiên công chỉ thị cho bởi mô phỏng và

thực nghiệm trên động cơ dual fuel khi chạy bằng biogas =1,1;

s =22,25; (a) chưa hiệu chỉnh; (b) hiệu chỉnh giảm 8% công

chỉ thị cho bởi mô phỏng

Công suất chỉ thị của động cơ tỉ lệ với công chỉ thị chu trình và tốc độ động cơ Do công chỉ thị chu trình giảm khi tốc độ động cơ tăng, nên đường đặc tính công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ không tuyến tính Hình 12 so sánh đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4 và 80% CH4 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm Hiệu suất cơ giới của động cơ được chọn

m=0,85 Chúng ta thấy kết quả cho bởi mô phỏng rất phù hợp với kết quả cho bởi thực nghiệm So với công suất động cơ diesel nguyên thủy ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút, công suất động cơ dual fuel nhỏ hơn khoảng 12% khi chạy bằng biogas chứa 80% CH4 và nhỏ hơn khoảng 25% khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4 Như vậy khác với nhận nhận định của Tippayawong [5] và Mitzlaff [6], công suất của động cơ dual fuel thực tế giảm đáng kể

so với công suất động cơ diesel nguyên thủy Điều này có thể giải thích do góc phun sớm của động cơ dual fuel giữ

cố định như góc phun sớm của động cơ diesel Trong thực

tế góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ biogas lớn hơn nhiều so với động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống [7] Do đó để cải thiện công suất động cơ dual fuel, chúng ta cần thay đổi góc phun sớm của động cơ Tuy nhiên, điều này có thể gây trở ngại về mặt kỹ thuật khi động

cơ sử dụng lại diesel

pi(bar)

V (lít)

Mô phỏng Thực nghiệm

600 800 1000 1200 1400

Mô phỏng Thực nghiệm

600 700 800 900 1000 1100 1200

Mô phỏng Thực nghiệm

Mô phỏng Thực nghiệm Biogas chứa 60% CH 4

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 29

Hình 12 So sánh đường đặc tính ngoài của động dual fuel khi

chạy bằng biogas chứa 60% CH 4 () và 80% CH 4 (); =1,1;

s =22,25; m =0,85 cho bởi mô phỏng và thực nghiệm và mức

độ chênh lệch giữa đường đặc tính ngoài của động cơ khi

chạy bằng diesel và biogas

3 Kết luận

Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra

những kết luận sau:

- Công chỉ thị chu trình của động cơ cho bởi mô phỏng

đạt giá trị cực đại ứng với =1 khi động cơ chạy ở tốc độ

cho trước bằng biogas có thành phần cho trước Công chỉ

thị chu trình cho bởi thực nghiệm đạt giá trị cực đại ứng

với =1,1

- Có thể sử dụng phương pháp mô phỏng để dự đoán

tính năng công tác của động cơ dual fuel biogas-diesel

Công chỉ thị chu trình của động cơ cho bởi mô phỏng lớn

hơn công chỉ thị chu trình thực nghiệm khoảng 8% khi

trong phạm vi tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút đến 2000

vòng/phút

- Ở điều kiện tốc độ định mức, công suất có ích của động cơ dual fuel thấp hơn công suất có ích của động cơ diesel nguyên thủy 12% khi chạy bằng biogas chứa 80%

CH4 và 25% khi chạy bằng biogas chứa 60% CH4 Để cải thiện công suất có ích của động cơ dual fuel chúng ta cần tăng góc phun sớm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Văn Ga, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Anh, Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình đánh lửa của hỗn hợp biogas-không

khí bằng ngọn lửa mồi Diesel, Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc,

Cửa Lò, 21-23/7/2011, pp.117-124

[2] Trần Thanh Hải Tùng, Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nghiên cứu quá

trình cháy nhiên liệu Biogas được đánh lửa bằng phun mồi Diesel,

Hội nghị Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Cửa Lò, 21-23/7/2011, pp

653-660

[3] Ga Bui Van, Nam Tran Van, Xuan Nguyen Thi Thanh, Dong Nguyen Van, Thong Nguyen Minh, Utilization of Poor Biogas in

Biogas -Diesel Dual Fuel Engine, Da Nang International Forum on

Green Technology and Management-IFGTM 2011, Danang City on

July 28-29, 2011, pp 41-50

[4] Bui Van Ga, Tran Thanh Hai Tung, Le Minh Tien, Le Xuan Thach, Economy analysis of different operation modes of biogas engines

converted from gasoline/diesel engines, National Conference on

Fluid Mechanic, QuiNhon, 22-24/7/2010, pp.185-192

[5] N Tippayawong , , A Promwungkwa, P Rerkkriangkrai, Long-term operation of a small biogas/diesel dual-fuel engine for on-farm

electricity generation, Biosystems Engineering, Volume 98, Issue 1,

September 2007, Pages 26–32

[6] Klaus von Mitzlaff, Moses H Mkumbwa, Performance of A Small

Diesel Engine Operating in a Dual Fuel Mode with Biogas, Biogas

Technology, Transfer and Diffusion 1986, pp 343-354

[7] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch, Ảnh hưởng của thành phần CH 4 , góc đánh lửa sớm và tỉ số nén đến tính

năng động cơ biogas, Tạp chí Giao thông Vận tải, 5-2013, pp 7-9

30 Trần Hữu Châu Giang, Lê Thành Bắc

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƯƠNG MẶT TRỜI

RESEARCH AND APPLICATION OF HEDGE ALGEBRA TO CONTROL

THE SOLAR MIRROR SYSTEM

Trần Hữu Châu Giang 1 , Lê Thành Bắc 2

1 Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế; thcgiang@hueic.edu.vn

2 Đại học Đà Nẵng; lethanhbac2012@yahoo.com

Tóm tắt - Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng

lượng tái tạo nói chung, nguồn năng lượng mặt trời nói riêng có ý

nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ

thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn

kiệt Để điều khiển hướng gương mặt trời được tối ưu thì hệ thống

gương phải tự điều chỉnh theo sự thay đổi hướng chiếu và tốc độ

của nguồn sáng mặt trời Công nghệ sử dụng các bộ điều khiển

kinh điển còn gặp nhiều hạn chế trong hệ thống tự động điều chỉnh

vị trí gương Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp

mới trong việc thiết kế bộ điều khiển, đó là ứng dụng đại số gia tử

để đại số hóa ngôn ngữ của các tập mờ nhằm nâng cao chất lượng

hệ thống điều khiển gương mặt trời

Abstract - The research on efectively using and exploting

renewable energy sources in general and solar energy sources in particular has practical significance to reducing the climate change and dependence on fossil energy sources which are running out and causing environmental pollution To operate efficiently, the solar mirror system must be self-adjusted to the change of projection direction and speed of the sun Controlling technology based on conventional controllers still has many drawbacks in self- adjusting controlling system The article presents a new approach

in the design of the controller; that is using the algebraic language

of fuzzy sets or hedge algebra to increase the quality of the solar mirror system

Từ khóa - đại số gia tử (ĐSGT); logic mờ; năng lượng tái tạo; năng

lượng mặt trời; gương mặt trời

Key words - hedge algebra (HA); fuzzy logic; renewable energy;

solar energy; solar mirror system

1 Đặt vấn đề

Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm

tàng nhất đang được loài người đặc biệt quan tâm Do đó

việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng

lượng mặt trời và triển khai ứng dụng vào thực tế là vấn đề

có tính thời sự

Hầu hết các hệ thống điều khiển gương mặt trời hiện nay

là các hệ hở với 3 mô hình điều khiển phổ biến là: điều khiển

tỷ lệ cố định, điều khiển bằng thuật toán Almeria

(Plataforma Solar de Almeria: PSA), điều khiển thông minh

bằng logic mờ Trong mô hình điều khiển tỷ lệ cố định, biến

tốc độ lập trình để xoay gương mặt trời có trị số không đổi

theo sự chuyển động của mặt trời Trong mô hình điều khiển

PSA, thuật toán được xác định bằng các phương trình toán

học dựa trên vị trí hiện tại của mặt trời Trong cả hai mô hình

trên, phản hồi vị trí được dùng như một tham số mẫu, tuy

nhiên thực tế điều này không thật hợp lý trong bài toán điều

khiển Trong mô hình sử dụng bộ điều khiển logic mờ, dựa

trên một thuật toán điều khiển thông minh để xác định các

tín hiệu đầu ra là tốc độ động cơ truyền động; mô hình điều

khiển này được dựa trên nền tảng với ba biến đầu vào là vị

trí gương, nhiệt độ của chất lỏng khi nó chảy qua ống dẫn

của bộ thu năng lượng khi mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ

thu, tốc độ gió và biến đầu ra là tốc độ động cơ Tuy nhiên

thời gian quá độ của các hệ thống điều khiển mờ kiểu này

hiện nay còn khá lớn, cần thiết phải giảm nhỏ hơn [3, 5]

Logic mờ và lý thuyết mờ đang chiếm một vị trí rất

quan trọng trong kỹ thuật điều khiển hiện đại Nhưng với

nhiều bài toán điều khiển đòi hỏi tính trật tự theo ngữ nghĩa

của hệ luật điều khiển để giảm thời gian tính toán của vi

điều khiển nhằm giảm thời gian quá độ thì điều khiển mờ

lại chưa đáp ứng được [3] Để khắc phục hạn chế này, bài

báo nghiên cứu đề xuất ứng dụng lý thuyết đại số gia tử, là

công cụ đảm bảo tính trật tự ngữ nghĩa để hỗ trợ cho logic

mờ trong các bài toán suy luận nói chung và điều khiển mờ nói riêng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và giảm thời gian quá độ của hệ thống

2 Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống

2.1 Các bước thiết kế thuật toán điều khiển

2.1.1 Các bước thực hiện thuật toán điều khiển dùng logic

mờ [1], [2]

Bước 1 Xác định biến vào, biến trạng thái và biến điều

khiển (biến ra) và xác định tập nền của các biến

Bước 2 Phân hoạch tập nền và gán nhãn ngôn ngữ cho

mỗi tập mờ (mờ hoá)

Hình 1 Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ

Bước 3 Xác định dạng hàm thuộc cho mỗi tập mờ Bước 4 Xây dựng quan hệ mờ giữa các tập mờ đầu vào,

tập mờ trạng thái và tập mờ điều khiển tạo thành hệ luật điều khiển (bảng điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia)

Bước 5 Giải bài toán lập luận xấp xỉ, xác định tập mờ

đầu ra điều khiển theo từng luật (phép hợp thành)

Giao diện đầu vào

Thiết bị hợp thành

Luật điều khiển

Giao diện đầu

ra

Đối tượng

Thiết bị đo (sensor)

’

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 31

Bước 6 Kết tảng các đầu ra điều khiển mờ

Bước 7 Giải mờ, xác định giá trị điều khiển thực

2.1.2 Các bước thực hiện thuật toán điều khiển dùng đại

số gia tử [3, 6]

Bước 1 Xác định biến vào, biến trạng thái và biến điều

khiển (biến ra) và xác định khoảng làm việc của các biến

Xác định các điều kiện tính toán (chọn các bộ tham số tính

toán của đại số gia tử)

Bước 2 Tính toán các giá trị định lượng ngữ nghĩa của

biến đầu vào, biến trạng thái và biến điều khiển (áp các gia

tử lên các khoảng làm việc của các biến)

Bước 3 (Tương đương với bước 3 và 4 mục 2.1.1.)

Chuyển luật điều khiển mờ sang luật điều khiển với các

tham số ngữ nghĩa định lượng của đại số gia tử

Bước 4 (Tương đương với bước 5 mục 2.1.1.) Giải bài

toán lập luận xấp xỉ trên cơ sở đại số gia tử để xác định ngữ

nghĩa định lượng của điều khiển, trạng thái

Bước 5 (Tương đương với bước 6 mục 2.1.1.) Từ các

giá trị ngữ nghĩa định lượng của điều khiển và trạng thái

xây dựng đường cong ngữ nghĩa định lượng

Bước 6 (Tương đương với bước 7 mục 2.1.1.) Trên cơ

sở điều kiện ban đầu và đường cong ngữ nghĩa định lượng,

giải bài toán nội suy đường cong ngữ nghĩa định lượng để

xác định giá trị điều khiển thực

Hình 2 Bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử

2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển

2.2.1 Mô hình toán học của hệ thống [4]

a Sensor và chuẩn hóa tín hiệu

Bộ nhận ánh sáng mặt trời bao gồm 2 cảm biến ánh sáng

được lắp đặt trên các tấm gương mặt trời Mỗi cảm biến

được đặt trong 1 ống hình trụ như Hình 3:

Hình 3 Vị trí bộ nhận ánh sáng mặt trời

Các cảm biến CB1 và CB2 được bố trí để bám theo

chuyển động của mặt trời Tín hiệu đầu ra của mỗi cảm biến

và cặp cảm biến CB1-CB2 được liên kết với một bộ khuếch

đại vi sai Các điện áp đầu ra Ch tương ứng với các sai lệch

so với điện áp đặt U0 Chúng xác định các đáp ứng phản hồi

được sử dụng làm các biến đầu vào cho bộ điều khiển để tạo

ra các đại lượng điều khiển theo mong muốn Từ đó điều

khiển tốc độ và hướng cho động cơ một chiều thích hợp

Ch = 1

Hình 4 Mô hình động cơ 1 chiều

Phương trình vi phân mô hình hóa động cơ điện 1 chiều là:

2 2



2.2.2 Thiết kế hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ

a Định nghĩa các biến vào ra

Bộ điều khiển mờ gồm có hai đầu vào và một đầu ra:

- Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều khiển, đại lượng này được ký hiệu là Ch

- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất, đại lượng này được ký hiệu là dCh

- Đầu ra của bộ điều khiển mờ là giá trị điện áp một chiều, đại lượng này được ký hiệu là U

b Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra

Điện áp vào Ch được chọn trong miền giá trị [-1,+1] V; Đạo hàm dCh có miền giá trị nằm trong khoảng: [-1,2; +1,2] V;

32 Trần Hữu Châu Giang, Lê Thành Bắc

Điện áp một chiều U nằm trong khoảng: [-4,286, +4,286] V;

Với những ký hiệu như trên thì miền xác định ngôn ngữ

của các biến vào là:

Ch  {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}

dCh  {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}

Bộ điều khiển mờ được khi thiết kế theo mô hình mờ

của Sugeno bậc "0" nên biến ra của nó có dạng các hằng số

c Xây dựng các luật điều khiển

Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây

dựng theo bảng 1, tổng cộng có 49 luật điều khiển:

Bảng 1 Luật điều khiển mờ

d Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ

Triển khai luật hợp thành và tổng hợp các giá trị mờ,

thiết bị hợp thành ta chọn theo nguyên tắc Prod – Probor

Chọn giải mờ theo phương pháp Wtaver [2]

Hình 5 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

e Sơ đồ cấu trúc và kết quả mô phỏng

Hình 6 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động

Hình 7 Đáp ứng của các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có dạng 1(t)

2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có =( và 

là 2 điểm chia bán kính mờ [4,5]) Bước 1 Chọn bộ tham số tính toán:

Bước 2 Chuyển các nhãn ngôn ngữ sang các nhãn ngôn

ngữ trong đại số gia tử cho ba biến như sau:

Đối với biến đầu vào Ch, dCh, biến đầu ra U:

đã xác định tại Bước 1, chuyển bảng FAM (Fuzzy

Associative Memory) sang bảng SAM (Semantization Association Memory) (Bảng 2)

Bảng 2 SAM (Semantization Association Memory)

C h

dC h 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 0,125 0,125

0,375 0,25 0,25 0,375 0,5 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 0,625 0,625

0,75 0,75 0,875 0,875

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 33

Bước 4 Ngữ nghĩa hóa và giải nghĩa

Bước 5 Xây dựng đường cong ngữ nghĩa định lượng

Trước hết, từ các giá trị trong Bảng 2, sử dụng phép tích

hợp các thành phần là phép lấy Product, tức là phép AND

trong các mệnh đề điều kiện của các luật chính là phép lấy

Product, ta tính toán được tọa độ các điểm trong mặt phẳng

thực (Bảng 3) Sau đó là việc xác định đường cong thực từ

các điểm

Bảng 3 Tọa độ các điểm trong mặt phẳng thực

Hoành độ: Product(Ch, dCh ) Tung độ U

Đường cong ngữ nghĩa định lượng là đường cong tuyến

tính từng khúc đi qua các luật - điểm trung bình (Hình 9)

Hình 9 Đường cong ngữ nghĩa định lượng

Hình 10 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Đại số gia tử

Chúng tôi tiến hành thay đổi giá trị của ,  Sau đó

tiến hành mô phỏng và nhận thấy bộ điều khiển Đại số gia

Hình 12 Sơ đồ mô phỏng 3 bộ điều khiển khi có nhiễu phụ tải

Hình 13 Đáp ứng của các bộ điều khiển

khi tín hiệu đặt có dạng xung vuông

Hình 14 Đáp ứng của các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có

dạng xung vuông và có nhiễu phụ tải

34 Trần Hữu Châu Giang, Lê Thành Bắc

Hình 15 Đáp ứng của các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có

dạng bậc thang và có nhiễu phụ tải

3 Đánh giá kết quả và thảo luận

Với bộ điều khiển mờ, khi thông số của đối tượng như

trên, thiết kế bộ điều khiển mờ động PD theo mô hình

Sugeno bậc không hai đầu vào (đầu vào thứ hai là đạo hàm

của đầu vào thứ nhất) và một đầu ra Kết quả mô phỏng đáp

ứng step khá tốt, cụ thể sai lệch tĩnh bằng không, thời gian

quá độ bằng khoảng 12 (s)

Kết quả khảo sát nhiễu phụ tải, và thay đổi các giá trị

đặt khác nhau, tương ứng tín hiệu vào step; tín hiệu bậc

thang đáp ứng của bộ điều khiển mờ tương đối tốt, thời

gian đáp ứng khoảng 10 (s) sau khi có tín hiệu áp đặt vào

mạch vòng điều khiển Đối với tín hiệu nhiễu phụ tải có

dạng xung vuông có biên độ vào khoảng 20% điện áp đặt,

thì thời gian triệt tiêu được nhiễu phụ tải khoảng 12(s)

Đối với bộ điều khiển Đại số gia tử, thiết kế theo 2 cách:

cách 1 cho  =  và cách 2 cho    Qua quá trình khảo

sát thực nghiệm trên máy tính với các tín hiệu đặt khác

nhau, dựa trên kết quả đánh giá các tiêu chí thời gian đáp

ứng, độ quá điều chỉnh, thời gian triệt tiêu nhiễu phụ tải với

sự tăng giảm  và  khác nhau, kết quả mô phỏng cho thấy

 = 0,4,  = 0,6 cho kết quả khả quan nhất Với độ quá điều

chỉnh là 4,3%, thời gian đáp ứng quá độ là 5(s) và sai lệch

tĩnh bằng không

Ở đây chúng tôi đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều

khiển mới dựa trên phương pháp luận xấp xỉ trong Đại số

gia tử, xây dựng thành công một modul S – funtions dành

riêng cho lập trình bộ điều khiển ĐSGT dựa trên phần mềm chuyên dụng Matlab

Kết quả khảo sát khi có nhiễu phụ tải và thay đổi các giá trị đặt khác nhau, tương ứng tín hiệu vào step, tín hiệu bậc thang, chúng tôi nhận thấy đáp ứng của bộ điều khiển ĐSGT 1 tương đối tốt, thời gian đáp ứng khoảng 5 (s) sau khi có tín hiệu áp đặt vào mạch vòng điều khiển Đối với tín hiệu nhiễu phụ tải có dạng xung vuông có biên độ vào khoảng 20% điện áp đặt, thì thời gian triệt tiêu hoàn toàn được nhiễu phụ tải vào khoảng 5 (s)

4 Kết luận

Các kết quả nhận được cho thấy nghiên cứu ứng dụng đại số gia tử để đại số hóa ngôn ngữ của các tập mờ, kết nhập các giá trị định lượng ngữ nghĩa trong việc thiết kế bộ điều khiển gương mặt trời đã góp phần nâng cao chất lượng điều khiển Bộ điều khiển gương mặt trời thiết kế trên cơ

sở của Đại số gia tử đã giảm độ phức tạp của thuật toán, giảm khối lượng tính toán so với bộ điều khiển mờ nên dẫn đến giảm thời gian quá độ hệ thống Các kết quả mô phỏng nhận được cho thấy phương pháp điều khiển này đáp ứng khá tốt với các tín hiệu đầu vào khác nhau, kể cả khi có các tín hiệu nhiễu Hướng nghiên cứu này góp phần mở ra khả năng ứng dụng lý thuyết đại số gia tử trong việc thiết kế hệ thống điều khiển quay gương mặt trời nói riêng, các hệ thống tự động trong công nghiệp nói chung

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ,

NXB KH & KT, 2004

[2] Vũ Như Lân, Điều khiển sử dụng logic mờ, mạng nơron và đại số

gia tử, NXB KH & KT, 2006

[3] Đinh Việt Cường CH-K9, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ngành tự động

hoá, Nghiên cứu úng dụng logic mờ và đại số gia tử cho bài toán

điều khiển, 2009

[4] Trần Hữu Châu Giang, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ngành tự động

hoá, Nghiên cứu úng dụng Đại số gia tử để điều khiển hệ thống

gương mặt trời, 2010

[5] Ming Qu, David H.Archer and Sophie V.Masson, A Linear

Parabolic Trough Solar Collector Performance Model, Renewable Energy Resources and a Greener Future, Vol.VIII-3-3

[6] Nguyen Cat Ho and W.Wechler, Extended hegde algebras and their

application to fuzzy logic, Fuzzy sets and Syystems 52, 1992,

259-281

(BBT nhận bài: 03/01/2015, phản biện xong: 15/01/2015)

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 35

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI KHÍ CO2 THÔNG QUA

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH HÀNH ĐỘNG SINH THÁI (ECO ACTION 21) ĐỐI VỚI CÁC DOANH NGHIỆP VỪA VÀ NHỎ TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

21 PROGRAM AT SMALL & MEDIUM ENTERPRISES IN DANANG CITY

Hoàng Hải

Đại học Đà Nẵng; haivn87@hotmail.com

Tóm tắt - Từ năm 2004, Bộ Môi trường Nhật Bản đã phát triển một

chương trình có tên là “Eco Action21” nhằm khuyến khích các

doanh nghiệp đẩy mạnh các hoạt động vì môi trường dựa trên khả

năng cắt giảm phát thải khí nhà kính, chống biến đổi khí hậu Nhiều

doanh nghiệp của Nhật Bản đã hưởng ứng và tham gia EA21 Năm

2011, 7.240 doanh nghiệp đã được cấp chứng chỉ EA21 Nghiên

cứu được tiến hành nhằm giới thiệu chương trình EA21 tới các

doanh nghiệp vừa và nhỏ ở thành phố Đà Nẵng để hỗ trợ cho các

đơn vị này phát triển sản xuất kinh doanh song song với việc bảo

vệ môi trường như là: giảm sử dụng nhiên liệu, năng lượng…; xây

dựng các hành động này thành một hệ thống quản lý môi trường.

05 công ty đã được lựa chọn cho nghiên cứu Kết quả nghiên cứu

sẽ là các gợi ý cho việc xây dựng các chính sách nhằm khuyến

khích các doanh nghiệp áp dụng EA21 theo định hướng thành phố

môi trường vào năm 2020

Abstract - Since 2004, the Ministry of Environment of Japan has

developed a program called “Eco-Action 21” to encourage businesses

to promote environment-friendly activities based on the ability to cut down greenhouse gas emissions and to contribute to the fight against climate change Many Japanese companies have taken part in the program EA21 In 2011 7.240 enterprises received the EA21 certificates This research aims to introduce EA21 program to small and medium enterprises in the city of Danang to help them implement business activities in parallel with environmental protection by reducing the use of energy, material, fuel etc and developing their activities into

an environment management system To assess the potential in the reduction of CO 2 emissions of enterprises, the author conducted the study in 05 small and medium enterprises in Danang city Based on the study results, the research team gave the suggestions for building policies and institutions to encourage SMEs to apply EA21 to build Danang into a Eco city in 2020

Từ khóa - chương trình hành động sinh thái (EA21); hệ thống quản

lý môi trường; thành phố môi trường; Đà Nẵng; doanh nghiệp

Key words - Eco Action 21 (EA21); environment management

system; eco city; Danang; enterprise

1 Đặt vấn đề

Trên thế giới hay như ở Việt Nam hiện nay, chứng chỉ

ISO 14001 cũng đã được giới thiệu cho nhiều tổ chức với

các loại hình sản xuất kinh doanh và dịch vụ khác nhau

như: chế biến thực phẩm, điện tử, hóa chất, vật liệu xây

dựng, du lịch và khách sạn Tuy nhiên, số lượng doanh

nghiệp được cấp chứng chỉ ISO 14001 trên thế giới và cả

ở Việt Nam vẫn còn rất hạn chế [10] Nguyên nhân là do

để có được chứng chỉ ISO 14001, các doanh nghiệp phải

tiêu tốn khá nhiều chi phí, thời gian; ISO 14001 đòi hỏi

phải xây dựng hệ thống quản lý môi trường hoàn chỉnh nên

khó áp dụng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ Cho nên,

chỉ các doanh nghiệp lớn mới quan tâm triển khai ISO

14001, còn các doanh nghiệp vừa và nhỏ thì cho rằng họ

có nhiều khó khăn khi áp dụng ISO 14001

Năm 2004, Bộ Môi trường Nhật Bản đã triển khai một

hệ thống quản lý môi trường gọi là Chương trình hành động

sinh thái (Eco Action 21, viết tắt là EA21) dành cho các

doanh nghiệp vừa và nhỏ Chương trình này hướng tới việc

các doanh nghiệp tự thiết lập các mục tiêu và các hoạt động

môi trường cụ thể bằng các hoạt động tiết kiệm trong sử

dụng năng lượng, nguyên nhiên liệu nhằm hạn chế các tác

động có hại đến môi trường do quá trình hoạt động của đơn

vị tạo ra mà lại có hiệu quả tốt cho kinh doanh/ sản xuất của

đơn vị Đơn giản, dễ áp dụng mà lại hiệu quả là những ưu

điểm của chương trình EA21 so với ISO 14001 Đó là lý do

vì sao, chỉ sau 07 năm triển khai (năm 2011), đã có 7.240

doanh nghiệp tại nước Nhật đã được cấp chứng chỉ EA21

Đà Nẵng là một trong những thành phố phát triển nhất

khu vực miền Trung và cả nước Với 2 ngành kinh tế mũi

nhọn chính là du lịch và chế biến thực phẩm Tại Đà Nẵng hiện nay, số lượng các doanh nghiệp vừa và nhỏ chiếm tỉ

lệ rất lớn Do đó, nghiên cứu khả năng áp dụng chương trình hành động sinh thái (EA21) cho các doanh nghiệp vừa

và nhỏ của Đà Nẵng sẽ có đóng góp thực tiễn trong việc giúp các doanh nghiệp giảm chi phí sản xuất bằng các giải pháp cắt giảm sử dụng năng lượng, nguyên nhiên liệu, tăng quá trình tái sử dụng và tái chế, xây dựng quá trình sản xuất thân thiện với môi trường; giảm lượng khí thải (CO2) ra môi trường Điều này cũng có nghĩa là hướng đến sự phát triển bền vững cho bản thân doanh nghiệp và đóng góp tích cực cho việc giảm hiệu ứng nhà kính, chống biến đổi khí hậu theo chủ trương xây dựng Đà Nẵng thành một thành

phố môi trường vào năm 2020

2 Lý do lựa chọn chương trình EA21 cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại thành phố Đà Nẵng

Hệ thống quản lý môi trường (QLMT) (Environmental Management System - EMS) là một hệ thống quản lý nhằm

hỗ trợ doanh nghiệp/ cơ quan đạt được các mục tiêu về bảo

vệ môi trường thông qua kiểm soát tất cả mọi hoạt động tại đơn vị EMS được xem như là một phần trong hệ thống quản lý kinh doanh của bất kỳ một tổ chức nào để triển khai

và áp dụng chính sách môi trường và quản lý môi trường của chính đơn vị đó [5] EMS nhằm để giảm các sự cố môi trường, tiết kiệm nguồn nguyên nhiên liệu, góp phần nâng cao nhận thức của người lao động trong công tác bảo vệ môi trường và giúp lãnh đạo công ty đề xuất các cải tiến

sản xuất nhằm hướng đến sản xuất sạch hơn [7], [8]

Hệ thống ISO 14001 cũng là một hệ thống QLMT ISO

14001 không tập trung vào mục tiêu duy nhất là giảm ô

36 Hoàng Hải

nhiễm mà tiếp cận một cách có hệ thống toàn bộ quá trình

sản xuất, kinh doanh của đơn vị [11] ISO 14001 được các

doanh nghiệp lớn áp dụng nhưng còn nhiều hạn chế khi

triển khai ở các doanh nghiệp vừa và nhỏ [6] do các yêu

cầu lớn về tài chính, nhân sự khi triển khai hệ thống Phát

triển kinh tế, nhất là công nghiệp hóa đã gây nên những

thách thức về môi trường tại nhiều quốc gia, trong đó có cả

Việt Nam, đo đó, cần có chính sách khuyến khích các đơn

vị chủ động tham gia bảo vệ môi trường dựa trên lợi ích

trực tiếp cho chính đơn vị Vậy có nên khuyến khích doanh

nghiệp vừa và nhỏ của Việt Nam áp dụng hệ thống ISO

14001 cho các hoạt động bảo vệ môi trường, tạo điều kiên

cho việc nâng cao chất lượng môi trường hay không?

Ở Việt Nam, một số các đơn vị/ tổ chức trong nước

cũng đã nhận thức được tầm quan trọng trong công tác bảo

vệ môi trường và họ cũng đã có những chiến lược trong

việc áp dụng ISO 14001 như ở các doanh nghiệp, khách

sạn, du lịch [1], [4], dệt may [2], rượu bia [12], xăng dầu

[13], in ấn [14], … cũng đều đã và đang trong quá trình xây

dựng hệ thống ISO 14001 Tuy nhiên, qua Hình 1, chúng

ta có thể thấy số lượng các doanh nghiệp áp dụng tiêu

chuẩn ISO 14001 ở Việt Nam còn rất nhỏ bé Điều này cho

thấy tại Việt Nam, các doanh nghiệp vẫn còn có nhiều khó

khăn trong việc áp dụng hệ thống quản lý môi trường theo

tiêu chuẩn ISO 14001, cụ thể như sau [10]:

- Thiếu chính sách hỗ trợ từ nhà nước: Nhà nước, cơ

quan quản lý chưa có chính sách gì cụ thể để hỗ trợ các tổ

chức/ doanh nghiệp trong việc áp dụng hệ thống QLMT

theo tiêu chuẩn ISO 14001

- Doanh nghiệp chưa đưa được chính sách môi trường

trong chính sách phát triển chung của doanh nghiệp: Hiện

nay các doanh nghiệp Việt Nam vẫn còn yếu kém trong

việc hoạch định đường hướng phát triển và tầm nhìn dài

hạn; chưa kết hợp mục tiêu môi trường trong mục tiêu phát

triển chung của đơn vị; Mục tiêu môi trường đề ra không

thực sự liên quan tới các vấn đề môi trường nghiêm trọng

mà tổ chức đang gặp phải, không rõ ràng, chung chung;

- Hiệu quả công tác đánh giá nội bộ chưa cao…

Trong nỗ lực cắt giảm phát thải khí nhà kính để chống

biến đổi khí hậu, với các khó khăn khi triển khai ISO 14001,

chương trình Eco Action 21 (EA21) sẽ khuyến khích các

doanh nghiệp, đơn vị đẩy mạnh các giải pháp nhỏ trong

việc giảm sử dụng năng lượng, nguyên nhiên liệu trong sản

xuất; vừa đạt được hiệu quả trong sản xuất kinh doanh vừa

mang lại hiệu quả tích cực trong việc cắt giảm phát thải khí

nhà kính để bảo vệ môi trường

Hình 1 Số lượng chứng chỉ ISO 14001 được cấp ở Việt Nam

Với cách triển khai linh hoạt hơn so với ISO 14001, nhóm nghiên cứu mong muốn giới thiệu chương trình EA21 tới các doanh nghiệp tại thành phố Đà Nẵng để giúp các đơn vị có thể tự thiết lập, hoạt động, và duy trì hệ thống quản lý môi trường để đạt được các mục tiêu môi trường;

áp dụng sáng kiến và đánh giá các kết quả đạt được dựa

trên các nguyên lý cụ thể như sau [3]:

- Hệ thống quản lý môi trường có thể dễ dàng áp dụng

cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ;

- Khuyến khích các tổ chức thực hiện các sáng kiến vì môi trường, chương trình hành động EA21 sẽ giúp họ triển khai việc này có hiệu quả hơn; EA21 chỉ cần cụ thể hoá các

sáng kiến môi trường;

- Mời bên thứ ba (đơn vị tư vấn) tiến hành đánh giá các

biện pháp bảo vệ môi trường

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận

Khảo sát hiện trạng hệ thống quản lý môi trường tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Đà Nẵng Đánh giá những gánh nặng môi trường mà doanh nghiệp có thể gây nên thông qua nhu cầu sử dụng điện, nước trong sản xuất, tại văn phòng Phương pháp luận của chương trình hành động sinh thái (EA21) là xây dựng hệ thống quản lý môi trường áp dụng vào hoạt động của đơn vị; duy trì bền vững và cải tiến liên tục hệ thống này Các công ty sẽ tự xây dựng mục tiêu và phấn đấu sau một thời gian thực hiện sẽ tiết kiệm được x% năng lượng, nguyên nhiên liệu và giảm phát thải y% đối với khí nhà kính (CO2) Các kết quả nghiên cứu tại các doanh nghiệp thí điểm sẽ được xây dựng thành

cơ sở lý thuyết nhằm áp dụng cho các doanh nghiệp khác Bên cạnh đó, chương trình hành động sinh thái (EA21) sẽ góp phần nâng cao ý thức, trách nhiệm cho từng cán bộ công nhân viên nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm, tránh lãng

phí, tăng hiệu quả trong sản xuất, kinh doanh

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp thu thập và hồi cứu số liệu

- Sử dụng phương pháp hồi cứu số liệu để thu thập các

dữ liệu liên quan đến hiện trạng và xu hướng phát triển các

doanh nghiệp vừa và nhỏ tại thành phố Đà Nẵng;

- Thu thập các số liệu để đánh giá hiện trạng quản lý

môi trường tại các doanh nghiệp;

- Thu thập các số liệu về điều kiện kinh tế - xã hội tại

khu vực nghiên cứu

3.2.2 Phương pháp điều tra xã hội học

- Sử dụng bảng câu hỏi để đánh giá thói quen sử dụng

điện, nước, năng lượng tại doanh nghiệp;

- Sử dụng phương pháp thảo luận nhóm nhằm làm rõ

và bổ sung kết quả ban đầu từ bảng câu hỏi;

- Tổ chức hội họp, thảo luận nhằm thu thập sáng kiến cải tiến hệ thống quản lý môi trường tại doanh nghiệp và cách thức tổ chức triển khai Eco Action 21 Các nhóm ý kiến sẽ được tổng hợp và xây dựng thành quy chế, quy định

để triển khai chương trình EA21

3.2.3 Phương pháp xử lý số liệu

- Số liệu nghiên cứu được xử lý theo các phương pháp