Nghiên cứu thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV Nghiên cứu thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BUỒNG LẠNH
Hệ thống trang thiết bị kiểm nghiệm trên thế giới
1.1.1 Sơ lược về hệ thống thiết bị kiểm định và thử nghiệm
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng nói chung, việc đưa một chiếc máy bay từ thiết kế, chế tạo, tới vận hành, khai thác là cả một hành trình dài với nhiều thành công và cả thất bại Suốt cả quá trình này luôn cần tới sự giám sát chặt chẽ của đội ngũ kĩ sư trải dài trên tất cả các mảng cấu thành thiết bị bay Và không thể không kể đến hệ thống trang thiết bị hỗ trợ tân tiến nhất phục vụ cho công việc ấy
Một lĩnh vực nói riêng khác, máy bay không người lái (UAV-viết tắt của cụm từ
“Unmanned Aerial Vehicle”) là thành tựu lớn của khoa học-công nghệ ngày nay Những ưu điểm của UAV khiến nó không ngừng được cải tiến, cách tân Như đối với vấn đề năng lượng, các mẫu UAV mới được nghiên cứu sử dụng pin năng lượng mặt trời Ứng dụng của UAV trải dài trên nhiều lĩnh vực Và việc nghiên cứu thử nghiệm các thiết bị UAV tại các cấp bậc từ trung tâm nghiên cứu cho tới trường đại học vẫn tiến hành đều đặn Tuy nhiên, trong tương lai, với sự phát triển của thiết bị, cũng như mục tiêu đặt ra ngày càng cao hơn, việc xử lí các thách thức mới là công việc quan trọng cần ưu tiên Một trong những vấn đề có thể thấy rõ ràng nhất là khi các UAV hoạt động tại độ cao lớn hoặc trong vùng thời tiết có nhiệt độ thấp, các tác động từ môi trường tới hệ thống, kết cấu, thiết bị là một câu hỏi lớn Các kết cấu có thể bị phá hủy, các chi tiết và thiết bị điện có thể bị đóng băng dẫn tới ngừng hoạt động
Thực tế rằng, các nghiên cứu về thiết bị thử nghiệm quá trình giảm nhiệt độ thường không được công khai và nếu có thì các phòng nghiên cứu cũng chủ định giữ lại để phát triển riêng Chính vì vậy, việc tìm hiều về hệ thống thiết bị kiểm định và thử nghiệm trong hàng không trước mắt cung cấp những kiến thức nhất định Trên những cơ sở đã có và vẫn đang được sử dụng, chúng ta hiểu được bản chất tại sao hệ thống cần phải đạt điều kiện như vậy, và từ đó đề ra những phương hướng nghiên cứu, thiết kế chế tạo phục vụ phù hợp nhất với những những đặc tính yêu cầu riêng Ví dụ, những thành phần có thể thử nghiệm với quá trình giảm nhiệt độ là: chi tiết vật liệu, trang thiết bị điện tử, cơ cấu cơ khí, pin năng lượng,… và chúng đều có những thông số hoạt động riêng biệt Hình ảnh một thiết bị đo lực đẩy UAV được chế tạo phục vụ thử nghiệm đo lực đẩy UAV Thực nghiệm ở đây tiến hành với nhiều mẫu UAV và lấy kết quả so sánh là tỉ số giữa khối lượng UAV và lực đẩy tương ứng cung cấp được
Hình 1.1 Thiết bị đo lực đẩy UAV [1]
1.1.2 Một số thiết bị kiểm định và thử nghiệm đang được sử dụng
Trên thế giới vẫn có một số tên tuổi lớn trong ngành trang thiết bị hàng không chuyên cung cấp những sản phẩm chất lượng tốt nhất để đảm bảo việc kiểm thử là chính xác an toàn cho cả hệ thống Những trang thiết bị này được chia thành nhiều nhóm tùy vào tiêu chí cũng như khía cạnh kiểm định Dưới đây là một cách phân loại theo tiêu chí cùng tính chất kiểm định
Phân loại một số nhóm sản phẩm: [2]
- Pitot Static / Air Data Test Sets (Bộ kiểm tra dữ liệu tĩnh / không khí của Pitot)
- Pitot Static Adapters (Bộ điều hợp tĩnh Pitot)
- NAV/COM/VOR/ELT Simulators/Testers (Bộ kiểm định mô phỏng NAV/COM/VOR/ELT)
- Transponder /DME TCAS Test Sets (Bộ kiểm tra Transponder / DME TCAS)
- Communication Service Monitors/Radio Testers (Bộ kiểm tra hệ thống radio và truyền thông)
- Portable Data Loaders (Bộ tải dữ liệu)
- Fuel Quantity Testers (Bộ kiểm tra số lượng nhiên liệu)
- Temperature & Thermal Switch Testers (Máy đo nhiệt độ và nhiệt)
- Pressure Testers / Gauges (Máy đo áp suất / đồng hồ đo)
- Engine Test sets (Bộ kiểm tra động cơ)
Ngoài ra còn một số nhánh thiết bị kiểm tra nhỏ khác như:
- Stormscope Analyzers (Hệ thống dò sét)
- Cable, Antenna Testers (Kiểm tra dây cáp và ăngten)
- Tilt & Turn Tables (Bàn nghiêng và xoay)
- Tensiometers/ Tools (Máy đo độ căng / Dụng cụ)
- Flight Management Computer (Máy tính quản lí chuyến bay)
Trong quá trình tìm hiểu, thật sự có rất nhiều công ty và tập đoàn lớn liên quan tới lĩnh vực này từ rất lâu đời Một số cái tên có thể kể đến như bảng được liệt kê dưới đây, đi vào cụ thể là một chút thông tin về sản phẩm của hãng Barfield có liên quan tới yếu tố nhiệt độ
Bảng 1.1 Một số thông tin về các hãng sản xuất thiết bị thử nghiệm
Hãng Trụ sở Năm thành lập
1 Barfield Miami, Florida, USA 1945 https://www.ba rfieldinc.com
1938 https://www.d ma-aero.com
1906 https://www.ho neywell.com
Diab St, Saint- Laurent, QC H4S 1M1, Canada
1960 http://www.nav aidsltd.com
3216 S Nordic Rd Arlington Heights, IL
2002 http://www.cob rasys.com
6001 America Center Drive, 6th Floor San Jose, CA 95002, USA
1947 https://www.tel instrument.com
1964 https://www.tel edynecontrols. com
1978 https://www.atl antisavionics.c om
Barfield, Inc là một công ty bảo trì máy bay với mục tiêu tập trung vào sửa chữa và hỗ trợ khắc phục sự cố Các dịch vụ của hãng bao gồm sửa chữa và đại tu thành phần, thiết bị kiểm tra hỗ trợ mặt đất và các chương trình dịch vụ hàng không Sản phẩm ví dụ: Barfield TT1000A Digital Turbine Temperature Test Set - Part Number: 101-00901
Hình 1.2 Máy đo nhiệt độ và nhiệt Barfield TT1000A [3]
Barfield TT1000A là máy kiểm tra hệ thống nhiệt độ tuabin máy bay chạy bằng pin, hoàn toàn khép kín, có khả năng đo điện trở dẫn của hệ thống, cách điện và thực hiện chỉ thị với phạm vi lên tới 1000°C TT1000A được thiết kế để dễ dàng vận hành nhất, tích hợp màn hình kỹ thuật số tự động giúp loại bỏ lỗi thực tế của con người và giảm thời gian thử nghiệm xuống mức tối thiểu
Một số đặc điểm của thiết bị này:
- Cỡ chữ hiển thị 0,35” (9mm) lớn và rõ ràng, màn hình tinh thể lỏng 3,5 chữ số với các chú giải được lập trình sẵn
- Tự động bù nhiệt độ môi trường tại điểm kết nối thử nghiệm hoặc chỉ ra nhiệt độ điểm giao nhau lạnh
- Phạm vi: từ 0 đến 1000ºC được chứng nhận, mở rộng -60 đến 1160ºC
- Đo và hiển thị các giá trị của cặp nhiệt điện CH / AL theo nhiệt độ độ C (ºC)
- Đo nhiệt điện trở và chì đến 0,01 ohm và đo cách điện lên đến hai (2) megohms
- Độ chính xác: Sai số điển hình ở môi trường xung quanh (25ºC) nhỏ hơn ± 1ºC
- Mô phỏng cặp nhiệt điện CH / AL có hoặc không có điện trở dẫn của hệ thống Bảng sau là giới hạn đo và sai số của thiết bị này được trích từ hướng dẫn sử dụng đi kèm đăng tải trên trang thông tin sản phẩm của hãng Có thể thấy giới hạn dưới của thiết bị cho phép xuống tới được những nhiệt độ âm sâu, nhưng ngay từ giai đoạn -20 o C thì sai số đã khá lớn, lên đến mức gần 2 o C
Bảng 1.2 Giới hạn đo của Barfield TT11000A và sai số [4]
1.1.3 Một số thiết bị cung ứng tại thị trường Việt Nam
1.1.3.1 Thiết bị đo kiểm hệ thống chỉ thị nhiên liệu bay PSD90-1C AC/DC
Hình 1.3 Thiết bị đo kiểm hệ thống chỉ thị nhiên liệu bay PSD90-1C AC/DC [5]
Thiết bị kiểm tra dung tích AC/DC PSD90-1C sẽ thử nghiệm bất kỳ hệ thống cung cấp nhiên liệu bay nào bao gồm cả AC và DC PSD90-1C có các tính năng cho phép người dùng khắc phục sự cố và xác định các vấn đề về hệ thống nhiên liệu Với thiết kế chắc chắn, cơ động thiết bị này có thể được sử dụng ở mọi nơi mọi lúc khi có yêu cầu khắc phục sự cố Có thể hoạt động với nguồn điện bên ngoài, PSD90-1C thích hợp cho việc bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống nhiên liệu bay tại trung tâm bảo dưỡng hoặc trực tiếp tại sân bay
Một số đặc điểm của thiết bị:
- Dễ vận hành / hiệu chuẩn
- Sử dụng pin hoặc nguồn điện ngoài với khả năng hiện thị dung lượng pin
- Tự động kiểm tra khi khởi động
- Tự độ hiểu chỉnh hoặc hiệu chỉnh bằng tay
- Phù hợp với thông số Boeing 10-61959 Rev H
- Chứng nhận quân sự MIL-STD-810 - 511.4
- Kiểm tra bất kỳ hệ thống nhiên liệu bay AC-DC, nước, LOX / dầu động cơ hoặc các hệ thống điện dung AC khác
1.1.3.2 Thiết bị đo kiểm hệ thống Nav/Comm IFR 4000
Hình 1.4 Thiết bị đo kiểm hệ thống Nav/Comm IFR 4000 [5]
IFR 4000 là thiết bị nhỏ gọn, cơ động được thiết kế để kiểm tra các hệ thống thông tin vô tuyến trên máy bay VLSM, VOR, Marker Beacon và VHF / UHF
IFR 4000, với kích thước gọn nhẹ (dưới 3,6kg), dung lượng pin lớn (8 giờ) và thiết kế công thái học, cung cấp cho người dùng một thiết bị kiểm tra rất cơ động Chức năng điều khiển menu và khả năng kiểm tra có hướng dẫn từng bước làm cho thiết bị này cực kỳ dễ sử dụng Kết hợp những lợi ích này với giá thành phù hợp, người sử dụng có thể thu được những kết quả kiểm tra có ý nghĩa trong công việc đo kiểm hệ thống
Một số đặc điểm của thiết bị:
- Đo chính xác tần số máy phát tín hiệu báo hiệu khẩn cấp 121,5 / 243 MHz, công suất đầu ra, điều chế (AM) Sử dụng headphone để theo dõi giọng tràn
- Đo chính xác tần số máy phát tín hiệu khẩn cấp COSPAS / SARSAT 406 MHz, công suất ra Giải mã và hiển thị tất cả vị trí cùng với các giao thức người dùng
- Đo chính xác máy phát HF, tần số, công suất đầu ra, độ nhạy của máy thu (AM và SSB USB / LSB)
- Đo chính xác máy phát VHF / UHF, tần số, công suất đầu ra, điều chế (AM và
FM và độ nhạy của máy thu)
- Tạo ARINC 596 cuộc gọi thoại chọn lọc
- Đo chính xác ăng-ten VHF / UHF và nguồn cấp dữ liệu SWR (Tỉ lệ sóng đứng)
1.1.3.3 Thiết bị đo kiểm hệ thống đo độ cao ALT-8015
Hình 1.5 Thiết bị đo kiểm hệ thống đo độ cao ALT-8015 [5]
Thiết bị kiểm tra hệ thống đo độ cao trên máy bay của Aeroflex ALT-8015 cung cấp khả năng mô phỏng độ cao bằng sóng RF, nhanh chóng kiểm tra cài đặt hoặc kết nối trực tiếp với thiết bị được kiểm tra để khắc phục sự cố Một màn hình cảm ứng màu lớn hiển thị các phép đo, tham số và cho phép cấu hình chi tiết để thiết lập mô phỏng các điều kiện không khí thực tế
Giao diện người dùng dựa trên Windows ™, cung cấp các cửa sổ khác nhau để kiểm soát quá trình kiểm tra và hiển thị các phép đo tham số bao gồm: công suất TX, tần số TX (trung tâm), tốc độ quét, độ rộng xung TX (hệ thống xung)
Một số tính năng của thiết bị:
- Kiểm tra thiết bị đo độ cao bằng xung vô tuyến của quân đội: AN / APN-171 (V),
AN / APN-194 (V) và AN / APN-209 (V), bao gồm các biến thể LPI
- Kiểm tra thiết bị đo độ cao bằng xung vô tuyến FMCW bao gồm các loại CDF
- Tích hợp bộ theo dõi thiết bị đo độ cao LPI có khả năng điều chỉnh công suất
- Kết nối trực tiếp với cổng thu/phát của UUT hoặc thông qua các bộ ghép ăng ten
- Phương pháp đo lường loopback cho phép xác định các lỗi TX, RX, ăng ten hoặc lỗi nguồn cấp dữ liệu
1.1.3.4 Thiết bị đo kiểm cầm tay IFR 6000, IFR 6015
Hình 1.6 Thiết bị đo kiểm cầm tay IFR 6000, IFR 6015 [5]
IFR 6000 là một thiết bị nhỏ gọn, cơ động được thiết kế để kiểm tra các bộ phát đáp chế độ A / C / S, 1090 MHz ADS-B, 978 MHz UAT, TCAS I, II và DME Giao diện IFR 6000 rất dễ sử dụng, mọi thông số cần thiết được hiển thị ngay trên màn hình IFR 6000 là thiết bị kiểm tra duy nhất, kiểm tra tất cả các bộ phát đáp (transponder) thế hệ kế tiếp, bao gồm kiểm tra ADS-B, FIS-B và TIS-B Hầu hết các bài kiểm tra có thể được hoàn thành mà không hiển thị trên màn hình người dùng chính Điều này đơn giản hóa nhiệm vụ thử nghiệm của kỹ thuật viên.
Buồng lạnh trong thực tế và yếu tố nhiệt độ
1.2.1 Một số sản phẩm buồng lạnh trên thế giới
Thiết bị buồng lạnh trên thị trường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực Dễ thấy nhất là trong việc bảo quản thực phẩm, chế phẩm y tế,… Tuy nhiên thực tế, những thiết bị này đều được thiết kế theo các yêu cầu riêng để phù hợp với từng lĩnh vực đặc thù nó phục vụ Một số hình ảnh về thiết bị buồng lạnh trên thị trường:
Hình 1.7 Kho lạnh mini bảo quản thực phẩm [6]
Hình 1.8 Tủ bảo quản chế phẩm y tế [7]
Một mẫu ví dụ về thiết bị buồng lạnh trên thị trường kèm hình ảnh sản phẩm:
Tủ lạnh âm sâu -40 o C loại đứng HAIER (-40 o C Upright Deep Freezers)
Model DW-40L262, Nhà sản xuất Haier Đặc trưng nổi bật của Tủ lạnh âm sâu -40 o C loại đứng:
- Thiết bị đã đạt nhiều tiêu chuẩn y tế, được thiết kế để bảo quản mẫu Plasmas, các nguyên liệu sinh học, vaccine, thuốc thử,… cần nhiệt độ âm sâu trong khoảng -
- Được sử dụng tại viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm, ngân hàng máu, bệnh viện, các trung tâm phòng chống và kiểm soát bệnh, trung tâm y tế dự phòng,…
- Hiệu quả làm lạnh nhanh, cho phép hạ nhiệt độ xuống -40 o C sau 1,5 giờ sử dụng
- Thiết bị kiểu đứng, rất thuận tiện trong quá trình sử dụng, hình thức hiện đại
- Có acqui dự phòng trong thiết bị, cho phép cảnh báo bằng âm thành và hình anh đến 72 giờ sau khi mất điện, với thiết bị có bộ ghi dữ liệu nhiệt độ 7 ngày, thiết bị ghi nhiệt độ này vẫn hoạt động sau khi sự cố mất điện xảy ra
- Sử dụng máy nén khí cho quá trình làm lạnh hiệu Danfoss và quạt của Đức cho hiệu quả làm làm mát cao
- Tác nhân làm lạnh free CFC, thân thiệt với môi trường
- Hệ thống cách nhiệt hiệu quả cao đảm bảo hiệu năng cao của thiết bị làm lạnh
- Hệ thống lạnh kiểu bốc hơi cho phép làm lạnh nhanh các khay giá để bên trong Điều khiển nhiệt độ:
- Điều khiển vi xử lý với màn hình hiển thị số
- Khoảng điều chỉnh nhiệt độ từ -10 o C đến -40 o C
- Điều chỉnh được khoảng nhiệt độ buồng lạnh và có hệ thống cảnh báo bảo vệ khi nhiệt độ ngoài khoảng cho phép (quá cao hoặc quá thấp)
- Có chức năng lưu trữ nhiệt độ đã đặt khi xảy ra hiện tượng mất điện, các thông số hệ thống vẫn giữ nguyên
- Cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh, cảnh báo từ xa (cài đặt thêm)
- Các yếu tố được cảnh báo: Nhiệt độ buồng lạnh ngoài khoảng nhiệt độ cho phép (quá cao hoặc quá thấp), lỗi các đầu đo
- Có khả năng tự bảo vệ khi khởi động (khởi động trễ)
- Màn hình hiển thị số LED, dễ dàng quan sát
- Bảng mạnh bù điện áp, dùng cho khoảng điện áp sử dụng rộng từ 198V đến 252V
- Thiết kế chân bằng bánh xe, dễ dàng di chuyển
- Có khóa an toàn, tránh sự truy cập trái phép
- Cho phép kết nối với thiết bị lưu trữ nhiệt độ 7 ngày
Hình 1.9 Mẫu tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8]
Bảng thông số kỹ thuật của Tủ lạnh âm sâu -40oC loại đứng mã DW-40L262:
Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật của tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8]
Khoảng nhiệt độ -10 o C tới -40 o C Nhiệt độ hoạt động 10 o C tới 32 o C Điện áp sử dụng 220-240V/50Hz Điều khiển nhiệt độ Điều khiển vi xử lí
Cảnh báo Âm thanh và hình ảnh
Kích thước trong (mm) 910 x 835 x 1950 Kích thước ngoài (mm) 1060 x 945 x2127
Qua mẫu sản phẩm nói trên, có thể thấy rằng với các đặc tính riêng từ thiết kế hình hài kích thước tới nguyên lí làm lạnh, vận hành hệ thống đều bám sát theo các yêu cầu kĩ thuật của lĩnh vực chính sử dụng Việc này đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả nhất, đem lại các kết quả chính xác cũng như duy trì các trạng thái đạt được mục tiêu đề ra ban đầu Đơn cử như thiết bị tủ lạnh dạng này sẽ cần khoảng 1,5 giờ để hạ được tới nhiệt độ -40 o C và thuận tiện để giữ nguyên nhiệt độ đó trong mục đích bảo quản Vậy nếu như bài toán đặt ra là cần giảm nhiệt với tốc độ nhanh hơn và cũng không cần thiết duy trì ở môi trường đó trong thời gian dài thì cần thực hiện xây dựng một thiết bị chuyên dụng riêng biệt đáp ứng yêu cầu đó
1.2.2 Yếu tố nhiệt độ và nội dung nghiên cứu của luận văn
Trong một số yếu tố biến thiên, nhiệt độ luôn đóng một vai trò quan trọng và có tác động to lớn tới độ ổn định cũng như hiệu suất hoạt động của linh kiện trang thiết bị trên UAV Việc “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV” nhằm mục đích hoàn thiện thiết bị có khả năng giả lập lại điều kiện giảm nhiệt độ ở môi trường khi vật thể bay tăng độ cao Với những ứng dụng trải rộng trên nhiều lĩnh vực của UAV, công trình này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu và phát triển máy bay không người lái
Nhưng chính xác thì cần đưa ra một vài con số cụ thể để trả lời hai câu hỏi sau:
- Nhiệt độ cần hạ xuống là bao nhiêu?
- Thời gian để hạ xuống nhiệt độ ấy là bao lâu? Đối với câu hỏi đầu tiên, thực tế máy bay thương mại thì thường hoạt động ở độ cao trên 10000m để tránh các tác động của môi trường cũng như va chạm với vật thể lạ, ngoài ra phi công còn có thể kịp xử lí tình huống nếu sự cố xảy ra
- Độ cao kỷ lục một máy bay phản lực đạt được là 37.648 m, do Alexandr Fedotov lập năm 1997 trên một chiếc MiG-25M Độ cao kỷ lục của một chiếc máy bay giấy là 27.307 m (được thả từ bóng helium) [10]
- Còn UAV thì tùy vào mục đích sử dụng và thiết kế trong tầm bay nhất định, thường là xung quanh 1000-3000m, mở rộng tới 5000m Ngoài ra điều này còn phụ thuộc vào giới hạn độ cao bay ở từng quốc gia và khu vực
Hình 1.10 Độ cao hoạt động của một số loại máy bay [9]
Theo lí thuyết, nhiệt độ của khí quyển Trái Đất biến đổi theo độ cao so với mực nước biển Ở đây chỉ xét tới tầng đối lưu, là từ bề mặt Trái Đất tới độ cao 16 km, riêng hai vùng cực là 7–10 km Phụ thuộc vào vĩ độ và các yếu tố thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao, mỗi 100 m nhiệt độ giảm 0,6°C [10]
Mùa đông năm 2018, một phi công người Nga đã điều khiển cho chiếc máy bay mô hình lên tới độ cao hơn 10km Quy định về UAV tại Nga không có giới hạn về độ cao tối đa, điều này khác với nhiều nước khác Tuy nhận lại nhiều chỉ trích về an toàn hàng không do những khả năng rủi ro va chạm với may bay thương mại, đây vẫn có thể được xem là một kỉ lục đối với UAV Chuyến bay đã kéo dài 25 phút và độ cao tối đa đạt được là 10200m, với vận tốc lên độ cao trung bình khoảng 10m/s [11]
Dựa theo thông số ghi lại từ thực nghiệm đó, bảng sau được lập ra như một tham chiếu thực tế về mối liên hệ giữa độ cao và nhiệt độ Lưu ý rằng nhiệt độ tại điểm cất cánh đã rất lạnh, 0 o C từ lúc bắt đầu, và sau khi chuyến bay kết thúc thì ở khoảng -10 o C
Bảng 1.4 Tham chiếu thực tế mối liên hệ giữa độ cao và nhiệt độ [12]
STT Thời gian (phút, giây) Độ cao (m) Nhiệt độ ( o C)
Hình 1.11 Hình ảnh UAV bay tại độ cao 8200m [12]
Một số hình ảnh được ghi lại cũng cho thấy khó khăn khi điều khiển thiết bị bay tại điều kiện môi trường như vậy Bản thân người thực hiện luận văn cũng đã có cơ hội được đi cùng đoàn làm phim triển khai cảnh quay flycam tại tượng Phật A Di Đà trên đỉnh Fanxipan, nơi có độ cao hơn 3000m và nhiệt độ dao động khoảng dưới 10 o C Dù đây là chiếc Matrice M600 giá thành lên tới cả trăm triệu đồng, thực sự vẫn có rất nhiều vấn đề xảy ra khi nhiệt độ xuống quá thấp, chưa kể tới điều kiện môi trường ở tầng cao thay đổi nhanh chóng và bất ngờ Một số công đoạn phát sinh có thể kể đến như là phải thay hệ thống cánh quạt thiết kế riêng cho độ cao bay trên 2500m, rồi tới bảo quản ủ ấm pin cũng như trang thiết bị để chúng vận hành hiệu quả nhất (nếu không sẽ có cảnh báo nguy hiểm không cho phép bay)
Hình 1.12 Hiệu chỉnh và bay flycam tại độ cao hơn 3000m
Còn trong một chuyến bay Hà Nội - Hồ Chí Minh gần đây (Tháng 7/2020, nhiệt độ ở mặt đất 29 o C), người thực hiện cũng đã theo dõi thông số nhiệt độ biến thiên theo độ cao và có ghi lại một số kết quả như hình dưới đây Trong tham chiếu thực tế này, nhiệt độ giảm chậm tới -20 o C ở khoảng độ cao 8000m và tiến nhanh xuống -50 o C ở hơn 12000m, cũng là độ cao bay ổn định suốt chuyến hành trình
Hình 1.13 Tham chiếu thực tế về giới hạn nhiệt độ tại Việt Nam
Trên những cơ sở đó, nội dung nghiên cứu của luận văn hay đối tượng chính buồng lạnh cần đạt được mức độ giảm nhiệt xuống cỡ từ -20 o C tới -50 o C trong thời gian khoảng
10 phút Đặc biệt nên có cơ chế điều tiết tốc độ giảm nhiệt để đáp ứng được nhiều bài toán thử nghiệm trong những môi trường khác nhau
Khi đã xác định được đối tượng chính của đề tài, việc triển khai các bước sẽ theo một lộ trình rõ ràng và bám sát vào khung sườn cụ thể của kế hoạch thực hiện Nội dung tiếp tục của luận văn sau đây trình bày những cơ sở lí thuyết chính, phân tích những kết quả đã đạt được, định hướng chi tiết về sản phẩm buồng lạnh dự định thiết kế chế tạo.
Cơ sở lí thuyết
Nguyên lý làm việc của buồng lạnh là quá trình trao đổi nhiệt giữa nito lỏng và không khí bên trong, do đó ta cần nghiên cứu quá trình này để hoàn thiện cơ sở tính toán Dựa vào các quy luật trao đổi nhiệt, ta có thể xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt và sự phân bố nhiệt trong buồng lạnh
Có thể chia quá trình truyền nhiệt thành các dạng trao đổi nhiệt cơ bản như sau:
- Trao đổi nhiệt bằng đối lưu;
- Trao đổi nhiệt bằng bức xạ
Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau [13] Để có quá trình dẫn nhiệt xảy ra thì các vật phải có độ chênh lệch nhiệt độ và phải trực tiếp tiếp xúc với nhau
Trong buồng lạnh, quá trình dẫn nhiệt sẽ xảy ra khi dòng nito lỏng tiếp xúc trực tiếp với thành ống đồng Khi đó, nito lỏng sẽ đóng vai trò là chất thu nhiệt, lớp đồng đóng vai trò là chất tỏa nhiệt Giữa lớp đồng và không khí trong buồng thì lớp đồng sẽ lại là chất thu nhiệt và không khí là chất tỏa nhiệt
Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong vật rắn, chất lỏng, chất khí Nhưng trong vật rắn chỉ xảy ra quá trình dẫn nhiệt thuần túy, còn trong chất lỏng và chất khí có thể xảy ra cả quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu hay bức xạ
Dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là Q (W)
Mật độ dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian Mật độ dòng nhiệt kí hiệu là q (W/𝑚 2 ) Trong đó mặt đẳng nhiệt là bề mặt mà chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm
Phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp:
𝑄 = 𝑘 𝐴 𝜏 𝛥𝑡 PT 1.1 [13] Đại lượng K gọi là hệ số truyền nhiệt Khi A = 1𝑚 2 , 𝜏 = 1𝑠, 𝛥𝑡 = 1 𝑜 thì Q=K và thứ nguyên của K là: [𝐾] = [𝑊/𝑚 2 độ]
Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1 đơn vị bề mặt tường phân cách là 1𝑚 2 khi hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 1 độ
Hệ số dẫn nhiệt λ là lượng nhiệt tính bằng J truyền đi trong 1s từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1 đơn vị chiều dài của tường ống và khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là 1 độ đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể, đơn vị (𝑊/𝑚 𝑜 𝐾) Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất các chất: 𝜆 𝑟ắ𝑛 > 𝜆 𝑙ỏ𝑛𝑔 > 𝜆 𝑘ℎí Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào nhiệt Thông thường sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ có thể lấy theo quan hệ sau:
- 𝜆 0 là hệ số dẫn nhiệt ở 0 𝑜 𝐶;
- 𝑏 được xác định bằng thực nghiệm, b có thể âm hoặc dương
Hệ số dẫn nhiệt của kim loại nguyên chất giảm khi nhiệt độ tăng Đối với các chất các chất cách nhiệt , thông thường hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng khi nhiệt độ tăng Hầu hết chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng Hệ số dẫn nhiệt của chất khí tăng khi nhiệt độ tăng Đối với một số vật liệu xây dựng, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm Các chất có hệ số dẫn nhiệt 𝜆 ≤ 0.2 (𝑊/𝑚 𝑜 𝐾) có thể làm các chất cách nhiệt Đây là một yếu tố quan trọng để lựa chọn vật liệu cho buồng lạnh cũng như phần cách nhiệt cho buồng lạnh Một vật liệu có hệ số 𝜆 càng nhỏ cách nhiệt càng tốt
Nhiệt lượng truyền qua phương thức dẫn nhiệt từ bề mặt nóng sang bề mặt lạnh của một vật liệu được tính theo công thức Fourier:
- 𝜆 là hệ số dẫn nhiệt
- 𝐴 là diện tích bề mặt
- 𝑇 ℎ𝑜𝑡 là nhiệt độ bề mặt nóng
- 𝑇 𝑐𝑜𝑙𝑑 là nhiệt độ bề mặt lạnh
- 𝑡 là thời gian dẫn nhiệt
- d là khoảng cách giữa hai bề mặt
1.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ vào sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau Vì trong khối chất lỏng hay chất khí luôn tồn tại những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hay chất khí Trong thực tế, ta hay gặp quá trình trao đổi chất giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động [13]
Một số yếu tố có thể ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu:
- Nguyên nhân gây ra chuyển động;
- Tính chất vật lý của chất lỏng/chất khí;
- Hình dạng, kính thước bề mặt trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Để xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lỏng hay chất khí người ta dùng công thức Newton Công thức Newton có hai dạng:
- q là mật độ dòng nhiệt (W/𝑚 2 )
- 𝑡 𝑤 là nhiệt độ bề mặt vách
- 𝑡 𝑓 là nhiệt độ của chất lỏng ở xa bề mặt vách
- 𝐴 là diện tích bề mặt
- 𝛼 là hệ số tỏa nhiệt
Hệ số tỏa nhiệt đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu 𝛼 chính là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian khi độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vách và chất lỏng (hay chất khí) là 1 độ Hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố
1.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ
Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ Mọi vật đều có nhiệt độ khác không độ tuyệt đối, do kết quả của quá trình dao động điện từ của các phân tử và nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng Quá trình phát sinh và truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt Các tia nhiệt truyền đi trong không gian khi đập vào các vật khác chúng bị hấp thụ một phần hay toàn bộ để lại biến thành năng lượng nhiệt Như vậy quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biến năng lượng: nhiệt năng (nội năng) biến thành năng lượng bức xạ và năng lượng bức xạ lại biến thành nhiệt năng [13]
Một vật không chỉ có khả năng phát đi năng lượng bức xạ mà còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, trị số năng lượng bức xạ bằng trị số năng lượng hấp thụ, ta nói các vật ở trạng thái cân bằng
Khác với hai dạng trên, cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của các vật Đối với môi trường trong buồng lạnh, sẽ không xét tới hiện tượng trao đổi nhiệt bức xạ này.
Phân tích những kết quả đã đạt được
Với tính thiết thực cũng như những tiềm năng phát triển đặc thù, buồng lạnh là một đề tài được chú trọng và đã có một số thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và dưới nước, nơi người thực hiện luận văn tiến hành công tác Trong quá trình xây dựng luận văn, theo đó cũng đã có những sự trao đổi họp bàn thảo luận cùng đội nhóm về các vấn đề xung quanh dự án buồng lạnh này Tiến hành phân tích những ưu nhược điểm của các kết quả ẩy nhằm mục đích tìm hướng tiếp cận mới, khắc phục được những thiếu sót còn tồn tại Từ đó hoàn thiện sản phẩm theo tiêu chí hiệu quả, an toàn, tiết kiệm
1.4.1 Lựa chọn chất lỏng làm lạnh
Chất lỏng làm lạnh được lựa chọn là nito lỏng vì một số đặc tính phù hợp, cũng như giá thành rẻ và dễ dàng sử dụng Nitơ lỏng là nito trong trạng thái lỏng ở nhiệt độ rất thấp Nó được sản xuất công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng Nitơ lỏng là một chất lỏng trong suốt không màu Tại nhiệt độ 20°C, tỉ lệ giãn nở của nito lỏng là 1:694 Bảng thông số đặc điểm của Nito lỏng:
Bảng 1.5 Thông số nito lỏng [14] Đặc tính Giá trị
Kí hiệu, tên N2, LN (liquid nitrogen)
Nhiệt hóa hơi (101,325kPa) 198,3 kJ/kg Nhiệt dung riêng (0 o C, 101,325kPa) 2,04 kJ/kg.K Độ nhớt 157,9 kg/m-s.10 6
Nhiệt độ tới hạn 126,2 K Áp suất tới hạn 3,399 MPa
Mật độ chất lỏng bão hòa 808,6 kg/m 3
Dạng nhiệt độ phòng 0,97 Độ tan 20 mg/l
Tỉ lệ giãn nở thể tích ở 20 o C 1:694 Bảng so sánh phương pháp làm lạnh sử dụng nito và máy nén:
Bảng 1.6 So sánh ưu nhược điểm nguồn lạnh sử dụng nito và máy nén
Nito lỏng Máy nén Ưu điểm
- Thời gian hạ nhiệt nhanh
- Phù hợp cho yêu cầu thí nghiệm
- Dễ dàng vận hành khi hoàn thành cơ cấu
- Phù hợp với mục tiêu duy trì nhiệt độ âm lâu dài
- Còn khó khăn trong cơ cấu tự động hóa
- Cần lựa chọn vật liệu có tính chịu nhiệt âm sâu tốt
- Thời gian hạ nhiệt lâu
- Tốn kém về chi phí
1.4.2 Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên
Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên được thực hiện bởi Nguyễn Việt Nghĩa, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K58 Bắt nguồn từ phiên bản đầu thô sơ, sau quá trình điều chỉnh thiết kế và chế tạo, buồng lạnh thử nghiệm đã hoàn thành và cũng đã có thể vận hành được một số thực nghiệm nhất định
Hình 1.15 Sản phẩm buồng lạnh phiên bản đầu [15]
Buồng lạnh được bao ngoài bởi lớp cách nhiệt là thùng xốp Đặc điểm sản phẩm:
- Buồng lạnh có dạng hình hộp chữ nhật
- Lớp trong : 51cm×33cm×19.5cm
- Lớp ngoài : 54cm×36cm×21cm
- Bao ngoài là hộp xốp giữ nhiệt, kích thước cả buồng: 65cm×47cm×35cm
- Dung tích trống giữa 2 lớp khoảng 7l
Buồng lạnh phiên bản này còn tồn tại một số nhược điểm:
- Kết cấu còn nhiều điểm chưa hợp lý
- Sự thoát nhiệt ra môi trường còn khá lớn
- Nhiệt độ phân bố trong buồng lạnh chưa đồng đều
- Bình chứa Nito lỏng chưa thật sự có tính bảo quản tốt
- Chưa thể xác định chính xác được lưu lượng qua van
Hình 1.16 Kết cấu buồng lạnh ban đầu [15]
1.4.3 Cải tiến cơ cấu phụ trợ van tiết lưu
Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh là cải tiến của Ngô Xuân Chính, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K56 Van bước đầu đã có sự điều chỉnh lưu lượng nhằm kiểm soát được độ giảm nhiệt độ trong buồng lạnh
Tuy nhiên, vẫn còn một số khó khăn xoay quanh vấn đề thất thoát nhiệt ra môi trường cũng như tính hợp lí của cơ cấu để tránh lãng phí và tăng hiệu quả làm lạnh trong quá trình thực nghiệm
Hình 1.17 Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng nito lỏng [16]
1.4.4 Một số hướng tìm hiểu đã thực hiện
Trong thời gian làm việc tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước, người thực hiện luận văn cũng đã cùng một số bạn sinh viên từng bước thảo luận, đưa ra ý tưởng cũng như xây dựng một sản phẩm buồng lạnh hoàn thiện hơn Một số hướng nghiên cứu cũng đã có những phát kiến nhất định
Ví dụ như việc thiết kế thêm các gờ cản từ hai thành thùng phía tiếp xúc với nito để làm giảm tốc độ chảy dòng, giúp phân bố đều chất lỏng làm lạnh và tăng hiệu suất quy trình giảm nhiệt Các gờ cản này cũng như những gân cứng, giúp tăng độ cứng chắc cho toàn kết cấu buồng lạnh [18]
Hình 1.18 Thiết kế các gờ cản ở hai thành thùng phía tiếp xúc với nito [17] Đặc biệt có thể kể đến ở đây là việc so sánh giữa các thiết kế hình hộp chữ nhật, hình lập phương, hình trụ của buồng lạnh Thông qua quá trình mô phỏng cũng như dựa vào các kết quả đạt được, dạng hình trụ của buồng lạnh được cho là tối ưu hơn cả, cụ thể là hiệu quả hơn khoảng 50% dựa trên lượng nito lỏng và thời gian để hạ tới nhiệt độ yêu cầu [19]
Hình 1.19 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình hộp chữ nhật [18]
Hình 1.20 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình trụ [18]
Nhưng xét về tính ưu việt, việc đặt mẫu thử ở tâm và làm lạnh từ rìa ngoài vào trong dường như chưa phải là phương án thật sự tốt Việc thi công cách nhiệt đã rất khó khăn thì trong trường hợp này càng gặp vấn đề hơn khi nguồn lạnh lại là từ rìa bên ngoài
Vì vậy cơ chế làm lạnh mới đã được xem xét và sẽ trình bày ở mục tiếp theo.
Định hướng mục tiêu
Sau khi phân tích một số ưu nhược điểm bên trên, cũng như trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm một số thiết kế, tìm kiếm vật liệu phù hợp, sản phẩm buồng lạnh phiên bản mới được dự định triển khai với một số ý chính sau đây:
- Buồng lạnh sẽ có dạng hình trụ (thay vì hình hộp chữ nhật như trước đây)
- Cơ chế giảm nhiệt sẽ là ống chứa chất lỏng làm lạnh đi xuyên qua bên trong buồng (thay vì là bao phủ ở phía bên ngoài như trước đây)
- Điều tiết lưu lượng qua độ đóng mở của van tiết lưu (thay vì là cơ chế thô sơ như trước đây)
- Bổ sung các hệ thống phụ trợ với thiết kế điều chỉnh thuận tiện nhất, sao cho phù hợp với từng bài toán thử nghiệm riêng biệt (thay vì là gắn kết cố định hoặc không có như trước đây)
Ví dụ về hình ảnh van tiết lưu được sử dụng, là dạng van bi với cơ chế đóng mở thuận tiện, dễ dàng thay đổi mức lượng nito một cách tương đối để điều chỉnh tốc độ hạ nhiệt trong buồng
Hình 1.21 Cơ cấu và cơ chế tiết lưu của van bi [19]
Như đã đề cập ở phần trước, buồng lạnh sẽ được đặt mục tiêu là có thể giảm nhiệt độ về -20 o C tới -50 o C sau một khoảng thời gian khoảng 10 phút Phần tiếp theo sẽ triển khai sơ đồ nguyên lí, thiết kế buồng lạnh, mô phỏng quá trình giảm nhiệt này
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BUỒNG LẠNH DẠNG HÌNH TRỤ
Sơ đồ nguyên lí
Hệ thống buồng lạnh ngoài khu vực trung tâm nơi tiến hành quá trình giảm nhiệt độ, sẽ cần có đường vào cho nito lỏng và đường thoát ra Ngoài ra không thể thiếu chính là cửa đặt các mẫu thử cũng như dây tín hiệu và cảm biến
Bên ngoài buồng lạnh là lớp cách nhiệt dày, nhưng cần cắt bỏ hai mảng trên tấm này Vì với những thực nghiệm chọn đối tượng mẫu thử là tấm pin mặt trời, cần có một nguồn sáng đặt bên cạnh Và cần bố trí để có thể quan sát được hiện tượng bên trong buồng Các mảng cắt ra này vẫn có thể sử dụng lắp vào lại khi không cần sử dụng đèn chiếu để tránh thất thoát nhiệt và tăng hiệu quả của buồng
Phía trên là van tiết lưu điều tiết lưu lượng nito chảy vào từ nguồn lạnh Phía dưới là cửa đưa vật mẫu cũng như đi dây cảm biến, và van đóng mở xả nito thoát ra
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí buồng lạnh
Thiết kế
Để dễ dàng tiếp cận thì phần này được chia thành hai nội dung gồm có thiết kế buồng chính và định hình các cơ cấu phụ trợ Với mục tiêu chế tạo sản phẩm hoạt động ổn định chính xác nhất, trong quá trình này cũng cần khảo sát thị trường vật liệu, linh kiện để đối chiếu, điều chỉnh thiết kế cho phù hợp Và theo một số thông tin tìm được, để tránh tốn kém về chi phí và thời gian, trong công trình này ta sẽ làm một sản phẩm buồng lạnh với kích cỡ trung bình để chắc chắn về hiệu năng, giải quyết dứt điểm các vấn đề còn tồn đọng
Một số chi tiết cần gia công với máy cắt laze được vẽ bằng phần mềm AutoCAD, còn cả hệ thống được vẽ mô hình 3D trong Ansys để tiện cho công cuộc mô phỏng ở bước tiếp theo
Hình 2.3 Hình ảnh thiết kế trong phần mềm
Với phương án dạng hình trụ tròn làm trọng tâm, thành buồng được lấy kích thước là hình trụ đường kính 25cm, chiều cao 50cm, bề dày là 2mm Đặc biệt là vật liệu có tính trong suốt để dễ dàng quan sát cũng như thực hiện các thử nghiệm liên quan đến năng lượng ánh sáng sau này (với pin mặt trời) Vật liệu có thể được lựa chọn là mica trong và nhựa PVC Buồng chứa này có thể khả dụng với các mẫu thử kích thước trung bình, đặc biệt phù hợp với các chi tiết linh kiện trên UAV như tấm pin mặt trời, mạch điều khiển, mẫu vật liệu thân cánh,… Lớp cách nhiệt bao bên ngoài, và có khoét cửa sổ nhìn được vào bên trong để quan sát cũng như cho ánh sáng chiếu vào với các thực nghiệm liên quan Cần lưu ý có độ dôi trong thiết kế để khi lắp đặt các lớp vật liệu bao trọn nhau và hoàn thành kín khít cho buồng
Hình 2.4 Bản vẽ chế tạo thành buồng, lớp cách nhiệt và kích thước
Hình 2.5 Thiết kế thành buồng
Hình 2.6 Thiết kế lớp cách nhiệt
Với phương án làm lạnh từ bên trong, cơ cấu làm lạnh chính là hệ thống 4 ống xuyên tâm với đường kính ngoài 12,7mm và chiều dài 50cm dọc theo thân buồng, bề dày thành ống là 0,61mm Vật liệu của đường ống này là đồng Còn đường kính chính là kích thước tiêu chuẩn của ống đồng làm lạnh trong các hệ thống điều hòa nhiệt độ Đây là kết quả suy ra từ công đoạn nghiên cứu thị trường kết hợp đối chiếu với thiết kế để có bố cục phù hợp nhất Phù hợp ở đây tức là đường kính ống không nên lớn quá, vì mục tiêu giảm nhiệt độ từ từ trong quá trình tăng độ cao Các kích thước bé thường được đóng gói dưới dạng cuộn và cần sử dụng công cụ để uốn và cố định thêm Tiếp đến nữa là bề dày thành ống nên thật là mỏng để quá trình truyền nhiệt ra không khí là hiệu quả nhất Qua khảo sát, 12,7mm/0.61mm là kích thước ống đồng thẳng nhỏ nhất và thông dụng, với độ cứng vững ổn định Nito lỏng sẽ chảy theo trọng lực và lan tỏa nhiệt ra xung quanh không gian trong buồng
Hình 2.7 Thiết kế ống làm lạnh
Hình 2.8 Bản vẽ chế tạo nắp trên dưới và kích thước
Hình 2.9 Thiết kế nắp trên
Nắp trên được giữ nguyên dạng hình tròn Cơ cấu cửa được xây dựng bằng việc cắt từ tấm đáy ra một hình chữ thập, tận dụng được tối đa không gian để đưa các mẫu thử vào buồng
Hình 2.10 Thiết kế nắp dưới và cửa
Hình 2.11 Mô hình các thành phần của buồng chính
2.2.2 Bố cục các cơ cấu phụ trợ
Cơ cấu phụ trợ ở đây từ những chi tiết nhỏ tới lớn như sau:
- Hệ thống ống dẫn chất làm lạnh và van tiết lưu
- Van xả nito và thoát khí
- Giàn đèn (phục vụ cho các thực nghiệm liên quan đến pin mặt trời)
- Giá đỡ bộ thí nghiệm
Riêng bình chứa nito lỏng dù là làm bằng chất liệu gì cũng cần là được kiểm tra tiếp xúc với nito lỏng đầu tiên, nhằm đảm bảo có thể hoạt động ổn định mà không chịu biến dạng phá hủy nào Và xung quanh bình sẽ cần được gia cố cách nhiệt một cách chắc chắn để tránh thất thoát nhiệt lượng của chất lỏng làm lạnh
Hệ thống ống dẫn chất làm lạnh cũng cần được chú ý hơn cả vì ảnh hưởng trực tiếp của nó tới hiệu suất làm việc của buồng Đây là con đường mà nito lỏng từ bình chứa đi xuống và xuyên qua buồng lạnh Với thiết kế 1 van tiết lưu, cần gộp 4 nhánh ống đồng lại thành một đường duy nhất Để đảm bảo dòng chảy là xuyên suốt, cần chọn các ống cấp tổng có tiết diện lớn hơn Qua tính toán cơ bản sơ bộ về tiết diện và lưu lượng, đối chiếu với hệ thống ống đồng tiêu chuẩn, ta có kết quả:
- Hai ống đồng 12,7mm sẽ gộp thành một ống đồng 19,05mm
- Hai ống đồng 19,05mm sẽ gộp thành một ống đồng 28,58mm
Bảng 2.1 Kích thước ống đồng tiêu chuẩn [20]
Van tiết lưu được lựa chọn có kích thước danh nghĩa là DN25 (đường kính ngoài của van là 34mm), đảm bảo cung cấp đủ lưu lượng khi hoạt động với dòng chảy tối đa trên cả 4 ống Chi tiết thêm và hình ảnh về van tiết lưu cũng như hệ thống ống đồng sẽ được đề cập tới ở phần chế tạo
Van xả nito và thoát khí được lắp đặt nối tiếp với 4 ống đồng và cũng cần thao tác nhanh gọn để điều chỉnh độ đóng mở của đường dẫn kịp thời theo những yêu cầu hay trường hợp riêng khác nhau trong bài thực nghiệm
Giàn đèn được dựng cạnh phía cửa nhận ánh sáng, phục vụ cho các bài thực nghiệm liên quan tới pin mặt trời Khi không sử dụng, có thể lắp các tấm cách nhiệt trở lại bề mặt để hạn chế quá trình thất thoát năng lượng
Giá đỡ bộ thí nghiệm tạm thời có thể ở dạng đơn giản, linh động và tự do, tùy vào hướng phát triển của sản phẩm mà định hình để đảm bảo tối ưu hóa cơ cấu một cách chất lượng cũng như giữ được hiệu suất của quá trình thực nghiệm
Hình 2.12 Đường đi của nito qua hệ thống van và ống dẫn
Mô phỏng
Để bám sát mục tiêu chế tạo thành công một sản phẩm hoạt động ổn định và chính xác nhất, mà lại hạn chế thất thoát tốn kém về mặt chi phí cũng như thời gian, mô phỏng chính là bước quan trọng trước khi bắt tay vào quá trình thực hiện chế tạo Dựa trên các kết quả thu được có thể tinh chỉnh lại thiết kế cũng như bố cục lại các cơ chế phụ trợ sao cho phù hợp tránh ảnh hưởng tổn hại tới quá trình thực nghiệm Ở đây bài toán được chia thành hai giai đoạn để từng bước tiếp cận:
- Mô hình 1 ống làm lạnh: Với kích thước nhỏ hơn và bố cục đơn giản Việc thực hiện thiết lập tính toán với bài toán này sẽ xác minh tính khả thi của phương pháp làm lạnh được sử dụng Với kinh nghiệm và kết quả thu được từ đây sẽ tránh được những sai sót trong quá trình triển khai bài toán gốc
- Mô hình 4 ống làm lạnh: Với kích thước tiêu chuẩn như thiết kế và bố cục đầy đủ Sau khi kiểm nghiệm với mô hình 1 ống làm lạnh, xác định phương án là khả thi và tiến hành mô phỏng sát nhất với thực tế Dựa trên những điều rút ra được từ giai đoạn đầu, việc thực hiện quy trình sẽ đơn giản hơn và đảm bảo cho ra sai số ít nhất
Phần mềm tính toán được sử dụng là ANSYS với modul chính là Fluent Các công đoạn triển khai bài toán mô phỏng được thực hiện tuần tự theo từng bước:
- Geometry: Xây dựng mô hình
- Mesh: Chia lưới mô hình
- Setup: Đặt các điều kiện cho bài toán
- Results: Xử lý kết quả
2.3.1 Một số tiêu chí đánh giá chất lượng lưới
Trước khi bắt đầu bài toán mô phỏng, hiểu rõ ràng về một số tiêu chí đánh giá chất lượng lưới sẽ cung cấp cơ sở đối chiếu để bước giải chính xác hơn Chia một lưới thích hợp là điều quan trọng nhất trong bài toán mô phỏng và có tác động to lớn tới kết quả mô phỏng Mặc dù không có quy tắc cụ thể cho chia lưới, tuy nhiên, ngoài số lượng phần tử, một số tiêu chí được xác định như một cách đánh giá để đưa ra mô hình lưới phù hợp Có thể kể đến bốn thông số sau:
- Cell aspect ratio: tỉ số dạng của phần tử
Trong bài toán chia lưới buồng lạnh, người thực hiện luận văn chọn đánh giá theo hai tiêu chí Skewness và Orthogonality Ngoài ra có đề cập thêm tới số lượng phần tử để có cái nhìn tương đối về độ tinh thô của lưới
2.3.1.1 Độ lệch Đây là một trong những biện pháp giám định lưới chính Theo định nghĩa của độ lệch, giá trị là 0 cho thấy một phần tử tốt nhất và giá trị 1 sẽ chỉ thị cho một phần tử kém nhất Độ lệch lớn của phần tử là không thể chấp nhận được và sẽ gây nên các tính toán sai lệch Một số dạng phần tử được xác định tương ứng với tiêu chí như sau:
- Hình khối hộp chữ nhật: độ lệch không được vượt quá 0,85
- Khối tam giác: độ lệch không được vượt quá 0,85
- Tứ diện: độ lệch không được vượt quá 0,9
2.3.1.2 Tỉ số dạng phần tử
Tỉ số dạng là tỉ lệ chiều dài cạnh dài nhất trên chiều dài cạnh ngắn nhất Giá trị của nó bằng 1 với một lưới lí tưởng Tuy nhiên với lớp biên thì nó ít quan trọng hơn
2.3.1.3 Tính trực giao Độ trực giao liên quan đến góc giữa vector nhập hai lưới cùng điểm nút và vector thường tương ứng bề mặt điểm hội tụ gắn liền với cạnh Thông số này càng gần 1 thì lưới càng có chất lượng tốt Trong thực tế, một số bài toán với lưới không trực giao (non-orthogonality) lại được đánh giá tốt hơn, điều đó một phần phụ thuộc vào phần mềm tính toán Ví dụ thường tiêu chuẩn là dưới 0.6 với phần mềm OpenFOAM
Hiểu đơn giản đây là việc thay đổi kích thước phần tử Một cách lý tưởng thì sự thay đổi lớn nhất trong kích cỡ nên là nhỏ hơn 20%, hay có nghĩa là hai mắt lới cạnh nhau sẽ có tỉ lệ là 1,2 Tỉ lệ ấy được phát triển theo hướng một chiều góp phần gia tăng độ mịn cho lưới
Dưới đây là hai bảng thông số đánh giá chất lượng lưới theo tiêu chuẩn Orthogonal và Skewness
Bảng 2.2 Thang tiêu chuẩn Orthogonal [21]
Tốt Rất tốt Ưu việt
Bảng 2.3 Thang tiêu chuẩn Skewness [21]
0.97-1 Ưu việt Rất tốt Tốt Chấp nhận được
Tồi Không chấp nhận được
2.3.2 Mô hình 1 ống làm lạnh
Tiến hành vẽ mô hình 1 ống làm lạnh với kích thước nhỏ hơn:
- Buồng lạnh: Kích thước đường kính 30cm, chiều cao 20cm
- Ống làm lạnh: Kích thước đường kính 12,7mm, chiều dài 20cm, bề dày thành ống là 0,61mm
Tiếp đến là thực hiện chia lưới với ICEM CFD
Có 3 khối: không khí, nito, đồng Tiến hành chia lưới mô hình với mật độ dày tại khu vực tâm hình trụ và khu vực rìa ống đồng tỏa ra ngoài tiếp xúc với không khí Các ô lưới ở khu vực rìa ngoài có thể thưa hơn để giảm khối lượng tính toán Đồng thời cũng cần kiểm tra số phần tử và tiêu chuẩn đánh giá, đối chiếu với bảng để xác định chất lượng lưới
Hình 2.13 Lưới không khí mô hình 1 ống và chất lượng
Hình 2.14 Lưới nito mô hình 1 ống và chất lượng
Hình 2.15 Lưới đồng mô hình 1 ống và chất lượng
Kiểm tra theo tiêu chuẩn Orthogonal, chất lượng lưới không khí từ 0,8 tới 1; chất lượng lưới nito từ 0,79 tới 1; chất lượng lưới thành ống từ 0,999 tới 1
Hình 2.16 Chất lượng lưới không khí mô hình 1 ống
Hình 2.17 Chất lượng lưới nito mô hình 1 ống
Hình 2.18 Chất lượng lưới đồng mô hình 1 ống
Bảng 2.4 Tổng hợp số phần tử các khối mô hình 1 ống và tiêu chí Determinant
STT Khối Số phần tử
Như vậy, chất lượng lưới mô hình là rất tốt, tiếp tục tiến hành mô phỏng bằng modun Fluent Kết nối bề mặt các khối bên trong buồng với nhau Đặt điều kiện biên cho buồng lạnh theo thông số:
- Inlet: vận tốc dòng vào (Velocity-Inlet) là 0,75m/s, môi chất là nito lỏng, ở nhiệt độ -196 o C (77K)
- Outlet: đặt điều kiện áp suất ra đẩu ra (Pressure-Outlet) là 1 pascal
- Wall: đặt điều kiện tường (Wall), vật liệu buồng lạnh copper (Cu)
- Không khí ở điều kiện nhiệt độ phòng 27 o C (300K) Ở đây có một số lưu ý, người thực hiện chọn mô hình Laminar vì trong ống coi như là dòng chảy tầng, tập trung vào tính toán quá trình truyền nhiệt là chủ đạo của bài mô phỏng này Và mục multiphase cần lựa chọn phương pháp VOF (Volume of Fluid) trong giai đoạn tiếp xúc nito với không khí ban đầu vì khả năng tính toán của nó với mặt giao giữa các pha không trộn lẫn với nhau Tiêu chuẩn hội tụ được thiết lập là 1.e-4 Kích cỡ bước thời gian là 0,1 và số lượng là 10000, tương ứng với thời gian 1000s của quá trình giảm nhiệt
Số nhân chạy là 12, thời gian chạy bài toán mô phỏng là hơn nửa ngày, khoảng
17 tiếng Một số hình ảnh về quá trình giảm nhiệt:
Hình 2.19 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 1 ống làm lạnh
Bảng kết quả và đồ thị sau được thành lập từ thông số nhiệt độ tại khu vực rìa mô hình qua các giai đoạn thời gian
Bảng 2.5 Kết quả nhiệt độ thay đổi theo thời gian mô hình 1 ống
STT Mốc thời gian (s) Nhiệt độ (C)
Hình 2.20 Kết quả mô phỏng mô hình 1 ống
Nhìn vào kết quả ta có thể thấy tốc độ giảm nhiệt của mô hình 1 ống đã gần phù hợp với tiêu chí đặt ra ban đầu là giảm dần về -50 o C sau khoảng thời gian cỡ 10 phút
Vì thế phương án làm lạnh bằng ống lồng xuyên qua thân bình có tính khả thi cao Tuy nhiên, chắc chắn trong thực nghiệm sẽ còn xuất hiện những sai số, cũng như hao phí thất thoát về nhiệt năng ảnh hưởng tới hiệu suất buồng lạnh Ngoài ra để thay đổi khả năng giảm nhiệt độ bằng tiết lưu lượng nito thì cần cơ chế nguồn vào nito nhiều hơn, để sau này có thể điều chỉnh tùy ý Do đó mô hình 4 ống làm lạnh được phát triển và như vậy thì tùy vào điều kiện thực nghiệm yêu cầu mà ta có thể cho giảm nhiệt độ nhanh hơn nữa hoặc chậm đi một cách linh động
2.3.3 Mô hình 4 ống làm lạnh
Mô hình 4 ống làm lạnh với kích thước tiêu chuẩn như thiết kế:
- Buồng lạnh: Kích thước đường kính 25cm, chiều cao 20cm, bề dày thành là 2mm