PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay tại Việt Nam tình trạng ô nhiễm không khí đang trở thành một vấn đề đáng quan ngại sâu sắc Thậm chí như thành phố Đà Nẵng một trong những tỉnh được đánh giá là “thành phố sạch nhất của cả nước, những năm gần đây ô nhiễm không khí cũng đang có chiều hướng tăng cao. Số liệu cho thấy, số ngày ô nhiễm không khí vượt ngưỡng cho phép từ 40 ngày (năm 2011) đã lên tới 128 ngày (năm 2013). Theo báo cáo môi trường quốc gia, môi trường không khí hiện đang bị ô nhiễm từ các nguồn như hoạt động giao thông, công nghiệp, xây dựng, dân sinh và ô nhiễm xuyên biên giới. Trong đó, hoạt động giao thông đường bộ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bụi, nhất là các thành phố có mật độ phương tiện giao thông cao. Ngoài ra, các chất độc hại tại các đô thị lớn, khí thải từ các khu công nghiệp, cụm công nghiệp và bụi từ các công trình xây dựng cũng là nguồn gây ô nhiễm lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân. Trong những năm gần đây, hoạt động dân sinh như đốt than tổ ong, đốt rơm rạ sau thu hoạch cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường khu vực nông thôn. Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm khói mù từ các nước láng giềng cũng đã gây những tác động tiêu cực đến môi trường không khí nước ta. Thêm vào đó, hoạt động chăn nuôi theo mô hình hộ gia đình cũng là nguồn gây ô nhiễm khó kiểm soát đối với môi trường không khí tại các khu vực nông thôn. Theo thông kê, mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải ra khoảng 7585 triệu tấn chất thải ra môi trường, gây mùi hôi thối. Song song với đó, tỷ lệ che phủ rừng và diện tích cây xanh đô thị đóng vai trò điều hòa khí hậu không tỷ lệ thuận với tốc độ đô thị hóa gây ra những tác động xấu tới môi trường không khí.Ô nhiễm môi trường, nhất là môi trường không khí từ lâu đã trở thành vấn đề nhức nhối, gây ảnh hưởng rất nặng nề tới sức khỏe con người và quá trình “phát triển sạch” của đất nước
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG:THPT HÀ NỘI-AMSTERDAM-CẦU GIẤY ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015) Tên đề tài: THIẾT BỊ THƠNG GIĨ TÁI CHẾ CĨ KHẢ NĂNG LỌC BỤI VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ ẨM Lĩnh vực: Kỹ thuật: Kỹ thuật điện & Cơ khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Cô Đặng Thị Thu Hà - Đơn vị công tác: Trường THPT chuyên Hà Nội – Amsterdam TÁC GIẢ: Bùi Thế Quyền Nội - Amsterdam Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Lớp: 11 Lí Trường: THPT Hà Mục lục : Phần I: Lí chọn đề tài Trang Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu điểm Trang Phần III: Quá trình nghiên cứu kết Trang I Các kí hiệu Trang II Bộ phận lọc bụi Trang Nguyên vật liệu Trang Nguyên lí hoạt động Trang Một số hình ảnh phận lọc bụi Trang Cơ sở lí thuyết Trang 4.1 Phương pháp lọc bụi tĩnh điện Trang 4.2 Lưu lượng thơng gió Trang III Bộ phận điều chỉnh độ ẩm Trang 12 IV Hệ thống biến áp Trang 16 V Hệ thống đầy đủ Trang 17 VI Ứng dụng Trang 18 VII Các thí nghiệm kết Trang 20 VIII Nội dung nghiên cứu tương lai Trang 20 Phần IV: Kết luận Trang 21 Phần V: Tài liệu tham khảo Trang 22 Các bảng số liệu Bảng 1: Bội số tuần hoàn lưu lượng gió thơng gió, Trang 11 Bảng 2: Bảng tính giá trị độ ẩm qua tần số Trang 14 Các hình minh họa Hình 1:Cấu tạo phận lọc bụi Trang Hình 2:Cách thức dán gai kim loại Trang Hình 3:Bộ phận lọc bụi hoạt động Trang Hình 4:Sơ Đồ Ghép Nối HS1101 với NE555 Trang 12 PHẦN I: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày Việt Nam tình trạng nhiễm khơng khí trở thành vấn đề đáng quan ngại sâu sắc Thậm chí thành phố Đà Nẵng - tỉnh đánh giá “thành phố nhất" nước, năm gần ô nhiễm không khí có chiều hướng tăng cao Số liệu cho thấy, số ngày nhiễm khơng khí vượt ngưỡng cho phép từ 40 ngày (năm 2011) lên tới 128 ngày (năm 2013) Theo báo cáo môi trường quốc gia, mơi trường khơng khí bị nhiễm từ nguồn hoạt động giao thông, công nghiệp, xây dựng, dân sinh ô nhiễm xuyên biên giới. Trong đó, hoạt động giao thơng đường ngun nhân gây nhiễm bụi, thành phố có mật độ phương tiện giao thơng cao Ngồi ra, chất độc hại đô thị lớn, khí thải từ khu cơng nghiệp, cụm cơng nghiệp bụi từ cơng trình xây dựng nguồn gây ô nhiễm lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người dân Trong năm gần đây, hoạt động dân sinh đốt than tổ ong, đốt rơm rạ sau thu hoạch nguồn gây ô nhiễm môi trường khu vực nông thôn Đặc biệt, vấn đề nhiễm khói mù từ nước láng giềng gây tác động tiêu cực đến môi trường khơng khí nước ta Thêm vào đó, hoạt động chăn ni theo mơ hình hộ gia đình nguồn gây nhiễm khó kiểm sốt mơi trường khơng khí khu vực nơng thơn Theo thông kê, năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải khoảng 75-85 triệu chất thải mơi trường, gây mùi thối Song song với đó, tỷ lệ che phủ rừng diện tích xanh thị đóng vai trị điều hịa khí hậu khơng tỷ lệ thuận với tốc độ thị hóa gây tác động xấu tới mơi trường khơng khí.Ơ nhiễm mơi trường, mơi trường khơng khí từ lâu trở thành vấn đề nhức nhối, gây ảnh hưởng nặng nề tới sức khỏe người trình “phát triển sạch” đất nước PHẦN II: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI Như nói trên, vấn đề nhiễm khơng khí vấn đề thiết Tuy nhiên, khơng phải gia đình có khả mua điều hòa sử dụng, nơi có hồn cảnh khó khăn ngơi nhà nơi vùng mỏ, mà lại nơi có lượng khơng khí bị nhiễm nhiều Chính vậy, người thực đề tài nghĩ ý tưởng sử dụng vật liệu tái chế rẻ tiền chai nhựa, lon kim loại, túi hút ẩm, biến áp xung ti vi, cánh quạt cũ bỏ máy tính để làm thiết bị lọc bụi dễ sử dụng, có khả điều chỉnh độ ẩm Đây giải pháp cho nhà làng nghề hay nơi gần đường quốc lộ, chí cải tiến cịn áp dụng công nghiệp sản xuất hàng loạt Điểm đề tài việc sử dụng gần hoàn toàn vật liệu tái chế, có lượng nhỏ PHẦN III: QÚA TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ I Các kí hiệu G - Lượng chất độc hại tỏa phòng , g/h yc - Nồng độ cho phép chất độc hại, g/m3 yo - Nồng độ chất độc hại không khí thổi vào, g/m3 dmax - Dung ẩm cực đại cho phép khơng khí phịng, g/kg - Dung ẩm khơng khí thổi vào phịng, g/kg Ghn - Lượng nước toả phòng , kg/h Gb - Lượng bụi thải phòng, g/h Sc - Nồng độ bụi cho phép khơng khí, g/m3 So - Nồng độ bụi khơng khí thổi vào, g/m3 K - Bội số tuần hồn Vkk - Lưu lượng khơng khí cấp vào phịng, m3/h Vgm - Thể tích gian máy, m3 q - Điện tích tới hạn hạt bụi n - Số lượng điện tích hạt bụi tích r - Bán kính hạt bụi E: cường độ điện trường k - Hệ số nhớt động lực khí điều kiện thực tế z1: hàm lượng bụi vào thiết bị V1: thể tích khí vào thiết bị z2:hàm lượng bụi khỏi thiết bị V2: thể tích bụi khỏi thiết bị II Bộ phận lọc bụi 1.Nguyên vật liệu - chai coca nhựa to 1,5 l - chai coca nhựa nhỏ 390 ml - gai kim loại làm từ vỏ lon - vỏ chai nhựa bên dán lớp băng dính nhơm để có khả dẫn điện nối với cực dương nguồn điện - vỏ chai nhựa bên dán lớp băng dính nhơm để có khả dẫn điện dán lớp gai kim loại bên ngồi theo hình xoắn ốc vỏ nhựa bên nối với cực âm nguồn điện - chai nhựa nhỏ cố định với cố định với chai nhựa to - chai nhựa to có khe hở cho khí vào - đỉnh chai nhỏ cánh quạt 2.Ngun lí hoạt động Khơng khí đưa vào nhờ áp suất cánh quạt gây ra, nhờ gai kim loại nên khơng khí chạy thẳng xuống phần nhỏ lại bắt buộc phải chạy theo hình xoắn ốc gai kim loại tạo ra, gai bị nhiễm điện âm nên phóng electron làm cho hạt bụi khí bị nhiễm điện âm bị hút dính vào vỏ chai nhựa nhiễm điện dương sau khí lên bên chai nhỏ Nguồn điện nguồn 20000 vôn, cắm vào điện lưới hạ từ 220 vôn xuống 10 vôn lên 20000 vơn để đảm bảo an tồn Bộ phận biến áp có thành phần biến áp xung lấy tv cũ hỏng Bụi lọc phương pháp - Phương pháp lọc bụi tĩnh điện : Bụi qua thiết bị tĩnh điện âm dính vào cực dương - Phương pháp lọc bụi trọng lực : Hạt bụi to Một số hình ảnh phận lọc bụi Cửa cho khí vào Vỏ chai nhựa tích điện âm Gai kim loại Vỏ chai nhựa tích điện dương Cố định chai nhựa Hình 1: Cấu tạo phận lọc bụi Nắp chai nhựa dùng để hứng hạt bụi có kích thước khối lượng lớn nên rơi xuống Gai dán lên theo hình xoắn ốc Hình 2: Cách thức dán gai kim loại Nguồn điện Dịng khí vào Dịng khí Bụi khơng khí dính vào Hình 3: Bộ phận lọc bụi hoạt động Cơ sở lí thuyết 4.1 Phương pháp lọc bụi tĩnh điện Năm 1824, Hohlfeld người sử dụng điện hoa để tách hạt bụi khỏi son khí Tuy nhiên, việc sử dụng điện hoa chưa thương mại hoá hầu hết kỷ sau Năm 1907, Tiến sĩ Frederick G Cottrell áp dụng sáng chế vào thiết bị phóng hạt mang điện sau thu gom chúng lại nhờ lực hút tĩnh điện - thiết bị lọc bụi tĩnh điện Nguyên lí hệ thống lọc bụi tĩnh điện Khi cấp điện cao áp vào cực ion hóa, khoảng khơng gian điện cực lọc bụi xuất điện trường mà cường độ thay đổi cách thay đổi điện cấp vào Khi tăng điện đến trị số định, khoảng không gian điện cực xảy tượng phóng điện Khi dịng khí có chứa hạt bụi lơ lửng qua khoảng không gian điện cực lọc bụi hạt tích điện Các hạt bụi lơ lửng tích điện tác động điện trường chuyển động đến điện cực bám vào điện cực đó, cịn khí thổi ngồi khí Bụi lắng tụ điện cực tác dụng hệ thống rung gõ rơi vào phễu hứng bụi chuyển hố thải bụi - Ưu điểm : +) Chi phí sản xuất thấp +) Độ tin cậy cao +) Hiệu suất lọc bụi cao +) Dễ dàng chỉnh định thay thế, tự động hóa hồn tồn - Nhược điểm +) Sự cố học dễ dàng ảnh hưởng đến kết thu bụi +) Không sử dụng để lọc khí dễ cháy nổ xuất tia lửa điện +) Độ nhạy cao dễ sai lệch tính tốn - Các phương pháp lọc bụi tĩnh điện thường sử dụng nay: +) Thiết bị lọc bụi nằm ngang +) Thiết bị lọc bụi điện ẩm kiểu ống trụ vòng +) Thiết bị lọc lưới điện hai vùng Dự án sử dụng thiết bị lọc lưới điện hai vùng : Thiết bị loại có hai vùng điện trường riêng biệt Trong điện trường dùng để tích điện cho hạt bụi cịn điện trường khác dùng để lắng bụi Nhờ điện trường thực tốt vai trị 4.2 Lưu lượng thơng gió Lưu lượng gió sử dụng để thơng gió tính phụ thuộc vào mục đích thơng gió Mục đích khử chất độc hại, thải nhiệt thừa, ẩm thừa phát sinh phòng, khử bụi vv Lưu lượng thơng gió khử khí độc Lưu lượng thơng gió khử nước thừa Lưu lượng thơng gió khử bụi Bội số tuần hồn Khi thơng gió theo yêu cầu điều kiện vệ sinh nói chung mà khơng mục đích cụ thể người ta tính lưu lượng gió thơng gió dựa vào bội số tuần hoàn Bội số tuần hoàn số lần thay đổi khơng khí phịng đơn vị thời gian Điện tích tới hạn Trong điện trường hai điện cực, hạt bụi tích điện việc hấp thụ ion lên bề mặt hạt bụi Q trình tích điện hạt bụi xảy chủ yếu bên vùng quầng sáng Các hạt bụi tích điện thêm mà ion cịn tiếp tục hút bám thêm lên bề mặt hạt bụi Số ion hút bám bề mặt hạt bụi nhiều điện tích hạt bụi tăng lên, có nghĩa cường độ điện trường gây điện tích có hạt bụi tăng lên Cường độ điện trường có hướng ngược với cường độ điện trường hai điện cực Vì tốc độ chuyển động ion tới hạt bụi giảm đi, nghĩa giảm tốc độ tích điện cho hạt bụi Khi cường độ điện trường điện tích hạt bụi có giá trị cường độ điện trường ngồi tốc độ chuyển động ion tới hạt bụi khơng có nghĩa hạt bụi không nhận thêm ion Lúc ta nói hạt bụi đạt điện tích tới hạn Sự tích điện hạt bụi xảy nhanh Với hạt bụi có kích thước lớn 1mm điện tích tới hạn tỷ lệ với cường độ điện trường tỷ lệ với bình phương bán kính hạt bụi: q = n.e = 0.19 *10* r* E [C] Tốc độ chuyển động bụi Đối với hạt bụi có đường kính lớn 1mm tốc độ chuyển động hạt bụi phía điện cực lắng tỷ lệ với kích thước hạt bụi tỷ lệ với bình phương cường độ điện trường: W = E2*r*10-11/k [m/s] Đối với hạt bụi có kích thước nhỏ 1mm tốc độ chuyển động hạt bụi phía điện cực lắng khơng phụ thuộc vào kích thước hạt bụi mà phụ thuộc vào cường độ điện trường: W = E*10-11*0,17/k [m/s] Hiệu suất thu bụi H = (z1*v1 – z2*v2)/z1*v1 10 Bảng : Bội số tuần hoàn lưu lượng gió thơng gió, m3/h 11 III.Bộ phận điều chỉnh độ ẩm Dự án sử dụng cảm biến độ ẩm HS1101 1.Giới thiệu HS1101 HS1101 loại cảm biến đo độ ẩm Độ xác +-2% Dãy nhiệt độ hoạt động từ -400C à 1000C Cảm biến HS1101 sử dụng phổ biến sống, ngồi cịn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ 2.Nguyên lý làm việc Cảm biến HS1101 cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung HS1101 thay đổi Do vậy, để đo độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung HS1101 Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 IC NE555 Khi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC555 Như cần đo tần số đầu đo điện dung HS1101 Hình 4: Sơ Đồ Ghép Nối HS1101 với NE555 12 3.Cách thức đo độ ẩm Trước tiên ta đo tần số từ Hình Ta có cơng thức tính tần số sau : (1) Trong đó: oF tần số oC@%RH: độ ẩm oR2 = 576K, R4 = 49.9k Ta có cơng thức liên hệ độ ẩm điện dung: (2) Trong đó: oC@55% = 180pF ( tài liệu hãng ) oC(pf) điện dung đo Từ (1) (2) ta có liên hệ giữa tần số và độ ẩm Giải pháp tính tốn: Ta thấy hàm độ ẩm hàm mũ 3, nên rất khó tính tốn mối liên hệ F RH. Ta thấy hàm C(pf) hàm đồng biến với RH Do ta F nghịch biến với RH Từ ta có phương pháp tính độ ẩm phương pháp tra bảng ( bảng 2) Ta dùng bảng Excel như bảng tạo mối quan hệ RH F, ta thu bảng F[100] = {7410;7392;….;6019} Mảng có 100 phần tử tương đương với độ ẩm từ 0-100% Như vậy, ta đo tần số F, ta chọn F>=F sát với F Khi Độ ẩm RH =i% 13 Bảng 2: Bảng tính giá trị độ ẩm qua tần số Ta sử dụng hàm sau để lấy giá trị độ ẩm từ tần số thu được: Mã: unsigned int16 frequency; unsigned int HS1101_Get_DA (unsigned int16 frequency); const unsigned long HS1101_Table[101]={ 8109,8090,8070,8051,8033,8015,7997,7979,7961,7944, 14 7927,7910,7894,7878,7862,7846,7830,7815,7799,7784, 7769,7755,7740,7726,7711,7697,7683,7669,7655,7641, 7628,7614,7600,7587,7574,7560,7547,7534,7521,7507, 7494,7481,7468,7455,7442,7429,7416,7403,7390,7377, 7364,7350,7337,7324,7311,7298,7284,7271,7257,7244, 7230,7216,7203,7189,7175,7161,7147,7132,7118,7103, 7089,7074,7059,7045,7029,7014,6999,6984,6968,6952, 6936,6920,6904,6888,6872,6855,6838,6821,6804,6787, 6770,6752,6735,6717,6699,6680,6662,6644,6625,6606, 6587}; unsigned int HS1101_Get_DA(unsigned int16 frequency) { unsigned int i; for(i=0;iHS1101_Table[i]) return i; } return 100; } Ta dùng giá trị để nhập vào phép lập trình khác để báo đèn, đèn đỏ độ ẩm thấp bình thường, đèn xanh độ ẩm cao bình thường Khí sau xác định độ ẩm qua ngăn, ngăn có bể nước để tăng độ ẩm, bên có gói hút ẩm để giảm độ ẩm Túi hút ẩm Chốt Bể nước Khi độ ẩm khơng khí thấp mức quy định, người sử dụng kéo chắn lên, khí qua ngăn bên dưới, cịn độ ẩm khơng khí cao bình thường, chốt thả để khí qua ngăn bên 15 IV Hệ thống biến áp - Cấu tạo : 1.Biến áp thường Bộ chỉnh lưu Tụ điện Máy phát xung IC555 5.transito Cảm biến xung (bao gồm điốt chịu điện áp lớn) - Hoạt động: chuyển dòng điện 220V xoay chiều từ điện lưới sang dòng 12 V xoay chiều nhờ biến áp, sử dụng chỉnh lưu tụ để biến thành điện áp 12V chiều phẳng Sau sử dụng máy phát xung IC555 (dùng nguồn 12V) phát sóng vng đến transito đóng ngắt dịng liên tục tạo suất điện động cảm ứng với điện áp cao, máy phát xung IC 555 đồng thời sử dụng để làm nguồn cho máy đo độ ẩm Điện áp cao tạo điện trường lớn,tạo lực đẩy lên gai kim loại lớn, làm phân tử kim loại bị đẩy bật có electron, electron dính vào bụi làm bụi nhiễm điện âm dính vào cực dương 16 V Hệ thống đầy đủ Hình 5: Hệ thống đầy đủ thiết kế hộp gỗ Quạt (I) (II) (III) (IV) Nguồn biến áp Bể nước Ngăn thứ gồm quạt để tạo áp lực hút khí vào hệ thống chỉnh ẩm (I) Ngăn thứ hai ngăn hồn tồn kín, ngăn lưu giữ khơng khí sạch, nơi lắp hệ thống nguồn điện biến áp (II) Ngăn thứ ba hệ thống lọc khí (III) Ngăn thứ bể nước để dẫn bụi có kích thước lớn xuống (4), giúp thiết bị sử dụng lâu (IV) 17 VI Ứng dụng Như nói trên, dự án giải vấn đề ô nhiễm khu vực làng nghề, ngoại thành hay vùng mạng điện tải nên khơng thể lắp điều hịa Thêm nữa, dự án giúp giải vấn đề tái chế rác thải chai nhựa, túi hút ẩm, vỏ lon Ta áp dụng hệ thống vào cơng nghiệp lượng khí xử lí phụ thuộc vào công suất quạt Thêm ta dùng hệ thống nơi yêu cầu chất lượng khí cao ta tăng số lần lọc chất lượng khí tăng Hình 6: Mơ hình áp dụng nơi cần lượng khí cao (I) (II) (III) (IV) (V) (VI) 18 ... hạt bụi E: cường độ điện trường k - Hệ số nhớt động lực khí điều kiện thực tế z1: hàm lượng bụi vào thiết bị V1: thể tích khí vào thiết bị z2:hàm lượng bụi khỏi thiết bị V2: thể tích bụi khỏi thiết. .. bị lọc bụi nằm ngang +) Thiết bị lọc bụi điện ẩm kiểu ống trụ vòng +) Thiết bị lọc lưới điện hai vùng Dự án sử dụng thiết bị lọc lưới điện hai vùng : Thiết bị loại có hai vùng điện trường riêng... hoàn lưu lượng gió thơng gió, m3/h 11 III.Bộ phận điều chỉnh độ ẩm Dự án sử dụng cảm biến độ ẩm HS1101 1.Giới thiệu HS1101 HS1101 loại cảm biến đo độ ẩm Độ xác +-2% Dãy nhiệt độ hoạt động từ -400C à 1000C