Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử, viễn thông: Thiết kế hệ thống làm giàu khí oxy trong y tế

Hệ thống máy làm giàu khí O2 mà nhóm thiết kế sử dụng công nghệ hấp thụ áp suất chuyển đổi Pressure Swing Adsorption để nén xả luân phiên qua hai cột lọc có chứa vật liệu Zeolite.. Theo

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Khí Oxy chiếm khoảng 21% trong bầu khí quyển và là yếu tố thiết yếu cho quá trình hô hấp của mọi sinh vật sống Trong ngành công nghiệp, đặc biệt là y tế, Oxy đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, với hàm lượng O2 chỉ 21% so với 78% nitơ và các khí trơ khác, Oxy không đủ để đáp ứng nhu cầu điều trị cho nhiều bệnh lý mãn tính hoặc cấp cứu Do đó, việc làm giàu khí Oxy lên trên 90% là cần thiết để điều trị hiệu quả các vấn đề hô hấp như hen suyễn, viêm phổi, viêm phế quản và bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính.

Hiện nay, các bệnh viện lớn tại tuyến thành phố, tỉnh và trung ương đều trang bị hệ thống máy làm giàu khí Oxy công suất lớn để phục vụ điều trị bệnh nhân Đồng thời, các nhà máy sản xuất khí Oxy tinh khiết cũng được phát triển để cung cấp cho các ngành công nghiệp như cơ khí, hàn, thực phẩm và hóa chất.

Nghiên cứu về máy làm giàu khí Oxy cỡ nhỏ tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, với một trong những nghiên cứu tiêu biểu được công bố trên tạp chí Xúc Tác và Hấp Phụ Việt Nam Nghiên cứu này do Tiến sĩ Vũ Đình Tiến cùng các cộng sự Lê Văn Dương, Mai Đức Minh và Vũ Duy Hưng thực hiện tại Viện Hóa Học, Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2023.

Bài nghiên cứu khoa học về Hoàn Thiện Công Nghệ Sản Xuất Máy Làm Giàu Oxy

Di Động và Hệ Thống Báo Gọi Y Tá là một phần của chương trình Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ nhằm bảo vệ, chăm sóc và nâng cao sức khỏe cộng đồng, do Kỹ Sư Cao Thị Vân Điểm thực hiện.

Nhóm quyết định nghiên cứu đề tài “Thiết Kế Hệ Thống Làm Giàu Khí Oxy Trong Y Tế” với mục tiêu phát triển máy làm giàu khí oxy phục vụ cho các cơ sở y tế, xe cứu thương, và bệnh nhân tại nhà hoặc ở vùng sâu, vùng xa Hệ thống này sử dụng bộ vi xử lý trung tâm Arduino Uno R3, kết hợp với công nghệ nén xả luân phiên qua hai

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 2 giới thiệu hệ thống lọc khí sử dụng hai cột lọc chứa vật liệu Zeolite Không khí từ môi trường được nén và làm mát, sau đó đi qua hai cột lọc khí qua hệ thống van điện từ O2 được làm giàu lên đến hơn 90% và được chuyển vào bình chứa O2, với lưu lượng được điều chỉnh qua van điều chỉnh Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ thiết kế bộ vi điều khiển để ứng dụng vào hệ thống máy, nhằm xử lý quy trình đóng xả, quản lý nhiệt độ, lưu lượng và nồng độ khí O2, đồng thời cung cấp cảnh báo và hiển thị thông tin trên màn hình LCD.

MỤC TIÊU

Hệ thống làm giàu khí oxy được thiết kế để cung cấp lưu lượng từ 3 đến 5 lít/phút, với nồng độ tinh khiết trên 90% và hiển thị trên màn hình LCD Thiết kế của hệ thống hướng tới sự tinh giản và nhỏ gọn, giúp người dùng dễ dàng thao tác và di chuyển.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- NỘI DUNG 1: Khảo sát các công nghệ tạo Oxy, lựa chọn phương án phù hợp

- NỘI DUNG 2: Thiết kế các bộ phận: lọc khí, nén khí, bình chứa, đường ống dẫn

- NỘI DUNG 3: Lựa chọn vật liệu, các linh kiện phù hợp

- NỘI DUNG 4: Chế tạo thử nghiệm mô hình máy hoạt động

- NỘI DUNG 5: Đánh giá các thông số: nồng độ O2, áp suất, lưu lượng, độ tin cậy

- NỘI DUNG 6: Hoàn thiện thiết kế và viết tài liệu hướng dẫn sử dụng.

GIỚI HẠN

- Chỉ tập trung vào hệ thống tạo khí Oxy PSA quy mô nhỏ

- Mô hình hệ thống hoạt động, chưa đi sâu vào việc chế tạo thành sản phẩm thương mại, chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu và học tập

- Chỉ có thể tiếp cận với các nguyên vật liệu trong nước có sẵn.

BỐ CỤC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 3

Chương 1 xoay quanh về nội dung trình bày đặt vấn đề, nêu lên lý do chọn đề tài, những mục tiêu cũng như các nội dung nghiên cứu, bố cục mà bài nghiên cứu triển khai và các giới hạn mà đề tài còn gặp hạn chế.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ KHÍ OXY NỒNG ĐỘ CAO TRONG Y TẾ

Trong những năm 1960 và 1970, sự phát triển của máy thở cơ học áp suất dương đã nâng cao khả năng cung cấp Oxy nồng độ cao, giúp cải thiện trao đổi khí cho bệnh nhân thông qua ống nội khí quản hoặc ống mở khí quản Mặc dù ban đầu bệnh nhân nhận được lượng Oxy lớn khi điều trị các vấn đề hô hấp, nhưng sau này, việc sử dụng dung tích khí Oxy lớn đã được nhận thức là có hại nhiều hơn lợi Trong giai đoạn dịch COVID-19, kỹ thuật sử dụng Oxy kết hợp với ECMO đã trở nên quan trọng trong việc duy trì trao đổi khí cho bệnh nhân nặng thiếu Oxy cấp tính Vì vậy, việc cung cấp, sử dụng và lưu trữ khí Oxy cùng các hệ thống khí khác đã trở thành yếu tố thiết yếu trong các cơ sở y tế toàn cầu.

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM GIÀU KHÍ OXY

2.2.1 Phương pháp PSA (Pressure Swing Adsorption)

Hấp phụ áp suất đổi động (PSA) là phương pháp kỹ thuật hiệu quả để tách các loại khí khỏi hỗn hợp, chủ yếu là không khí, dựa trên đặc tính phân tử và khả năng hấp phụ của vật liệu PSA hoạt động ở nhiệt độ gần với môi trường xung quanh, khác biệt so với phương pháp chưng cất đông lạnh Trong quá trình PSA, các vật liệu hấp phụ chọn lọc như Zeolite, than hoạt tính và các chất liệu khác được sử dụng để hấp phụ khí mục tiêu ở áp suất cao, sau đó giảm áp suất để giải phóng khí đã bị hấp phụ.

Nguyên lý hoạt động PSA

Nguyên lý hoạt động chính của hệ thống PSA là tăng và xả áp suất luân phiên ở hai cột lọc, với quá trình diễn ra song song giữa hai bình.

Hệ thống PSA (Pressure Swing Adsorption) trong lĩnh vực điện tử công nghiệp - y sinh hoạt động dựa trên nguyên lý tách Nitơ và Oxy thông qua việc tăng áp suất Khi bình tăng áp suất để tách Nitơ, bình còn lại cần phải xả áp suất Các hệ thống PSA có thể được chia thành nhiều giai đoạn nạp/xả, cho phép kiểm soát và quản lý hiệu quả Ví dụ, một hệ thống PSA có thể bao gồm 4 chu trình nạp/xả, giúp tối ưu hóa quá trình tách khí.

Hình 2.1: Sơ đồ hoạt động của phương pháp hấp phụ PSA

Trong giai đoạn tăng áp (Pressurize), khí nén đã được làm mát sẽ đi vào van điện từ 4 chiều, trong đó van V11 và V14 mở, trong khi tất cả các van khác đều đóng Quá trình này cho phép khí nén đi qua bình lọc A nhằm tăng áp lực cho bình A.

Trong giai đoạn hấp phụ (Chu trình 2), khi áp suất trong bình A đạt ngưỡng yêu cầu, van V15 và V16 sẽ mở Khí O2 được cung cấp ra ngoài, trong khi một phần khí này đi qua van V15 để đẩy khí N2 từ bình B ra ngoài qua van V14.

Trong giai đoạn xả đáy bình (Blowdown), khi cột A đã đầy khí N2 và không còn khả năng lọc khí O2, van V12 và V13 sẽ được mở, trong khi tất cả các van khác đóng lại Điều này giúp xả áp suất cho bình A và nạp áp suất cho bình B để tiếp tục hoạt động hiệu quả.

Trong giai đoạn thanh lọc (Purge), khi áp suất tại bình B đạt ngưỡng yêu cầu, các van V17, V16 và V15 sẽ mở Khí O2 được cung cấp ra ngoài, trong khi một phần khí O2 đi qua van V15 để đẩy khí N2 từ bình A ra ngoài qua van V13.

Trong quá trình phân tích từng bình, có thể nhận thấy những điểm tương đồng giữa chu trình 1 và 3, cũng như giữa chu trình 2 và 4 Điều này dẫn đến sự đối xứng trong

Bảng 1: Mô tả trạng thái đóng ngắt luân phiên trong bình lọc trong 4 chu trình

Tăng áp Mở Đóng Đóng Đóng Đóng

Hấp thụ Mở Đóng Mở Đóng Mở

Xả đáy Đóng Mở Đóng Đóng Đóng

Thanh lọc Đóng Mở Mở Mở Mở

Các giai đoạn của khí Oxy trong toàn bộ hệ thống PSA làm giàu khí Oxy:

Trong giai đoạn 1, không khí nén chứa 78% nitơ, 21% oxy và dưới 1% khí trơ, khí hiếm được lọc thô Tiếp theo, trong giai đoạn 2, không khí được đưa qua các rây phân tử, nơi nitơ được hấp phụ bởi các hạt Zeolite, giúp tăng nồng độ oxy lên đến 95%.

Giai đoạn 3 diễn ra khi oxy được tạo ra rời khỏi sàng phân tử và được chuyển vào bể chứa Đồng thời, nitơ được giải phóng qua một lối thoát kín và được đưa ra bên ngoài.

Trong giai đoạn 4, một phần Oxy được sản xuất sẽ được sử dụng để khử nitơ trong một bình, trong khi bình còn lại đảm bảo quá trình sản xuất Oxy tiếp tục diễn ra.

Giai đoạn 5: Hệ thống cân bằng bình tự động và khí nén đảm bảo dòng Oxy liên tục

2.2.2 So sánh các phương pháp tạo khí Oxy

Khí Oxy (Oxygen) đóng vai trò quan trọng trong y tế, công nghiệp và khoa học Để sản xuất khí Oxy với độ tinh khiết cao, cần lựa chọn phương pháp phù hợp nhằm đảm bảo an toàn, hiệu suất và tính cơ động Các phương pháp sản xuất khí Oxy bao gồm điện phân nước, PSA hấp thụ và lọc màng, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế riêng Dưới đây là bảng so sánh đánh giá các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp.

Bảng 2: So sánh các phương pháp điều chế khí Oxy Đặc tính Điện phân H2O Màng PSA

Nguyên lý làm việc Điện phân H2O thành O2 và H2

Dùng màng thẩm thấu để phân tách các thành phần khí

Sử dụng chất hấp phụ Zeolite để hấp phụ N2 và tách O2

Lưu lượng khí < 0.5 L/phút 1-2 L/phút >5-10 L/phút

Di chuyển Khó di chuyển do sử dụng bể hóa chất

Chi phí Chi phí đầu tư thấp nhưng tốn điện năng cao

Chi phí đầu tư vận hành thấp

Giá thành để đầu tư cao nhưng về lâu dài, chi phí bảo trì sẽ thấp hơn

Bảo dưỡng Thường xuyên Đơn giản Đơn giản Độ ồn < 40dB < 50dB Từ 50 đến 60 dB

An toàn Nguy cháy nổ An toàn cao An toàn cao

2.2.3 So sánh kỹ thuật các máy làm giàu khí Oxy trên thị trường

Công nghệ sàng phân tử Zeolite đang được ứng dụng phổ biến trong máy làm giàu khí Oxy cho y tế và công nghiệp Nhiều nhà sản xuất lớn như Invacare, Philips Respironics, Hakawa, Imedicare và Yuwell đã cung cấp sản phẩm dựa trên nguyên lý này.

Bảng 3: Các mẫu máy làm giàu khí Oxy có trên thị trường

STT Tên máy Kiểu máy Giá bán

Bảng 4: So sánh đặc tính kỹ thuật của từng loại máy

Lưu lượng Phút Độ ồn

Theo dự báo, giá trị thị trường của hệ thống máy tạo oxy sẽ tăng từ 3,54 tỷ USD năm 2022 lên khoảng 5,27 tỷ USD vào năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) ước tính đạt 8,3% trong giai đoạn này.

TIÊU CHUẨN Y TẾ VIỆT NAM VỀ MÁY LÀM GIÀU KHÍ OXY

Để đảm bảo an toàn và quản lý hiệu quả các vấn đề kỹ thuật cũng như kiểm soát rủi ro trong hệ thống khí y tế, Bộ Y Tế Việt Nam đã ban hành các tiêu chuẩn và quy định nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn trong quá trình sử dụng.

Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu thiết kế, lắp đặt, chức năng và tài liệu liên quan đến hệ thống đường ống khí nén y tế, nhằm đảm bảo phân phối liên tục khí và chân không trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe Đặc biệt, cần chú ý đến các quy định liên quan đến thiết bị tạo khí oxy cầm tay theo tiêu chuẩn TCVN 8022.

Máy làm giàu oxy được sử dụng trong gia đình và y tế, cung cấp khí oxy với nồng độ cao Tiêu chuẩn áp dụng cho các thiết bị này nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả trong việc cung cấp oxy Sản phẩm này rất quan trọng trong việc hỗ trợ sức khỏe, đặc biệt cho những người có nhu cầu cao về oxy.

Oxy >90%) được dùng trong y tế (như nguồn cấp Oxy cho các hệ thống khí) hoặc dung trong gia đình như nguồn cấp Oxy trực tiếp cho người dùng [10]

Tiêu chuẩn 7007:2002 chủ yếu dựa trên các quy định của TCVN 7303-1:2009 (hoặc IEC 601-1:1988), bao gồm yêu cầu về an toàn và tính năng cho thiết bị y tế, với các nội dung như yêu cầu chung, yêu cầu thử nghiệm, nguồn điện, an toàn cơ bản và điều kiện môi trường Tuy nhiên, tiêu chuẩn 7007:2002 cũng có một số bổ sung liên quan để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ hơn.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Trong chương này, nhóm thực hiện tính toán và thiết kế hệ thống làm giàu khí Oxy y tế với các chức năng chính như đo áp suất nén khí, đo lưu lượng ngõ ra, và đảm bảo nồng độ Oxy lớn hơn 90% Hệ thống sẽ hiển thị các thông số về lưu lượng và nồng độ tinh khiết của khí Oxy, đồng thời đưa ra cảnh báo khi có sự cố như quá nhiệt, quá áp suất, lưu lượng không ổn định, hoặc nồng độ Oxy thấp Quá trình thiết kế bao gồm việc xác định yêu cầu hệ thống, áp dụng các phương pháp tính toán thông số, thiết kế sơ đồ nguyên lý hoạt động, vẽ sơ đồ khối, tính toán thiết kế mạch, và tạo lưu đồ giải thuật cho việc lập trình hệ thống.

YÊU CẦU THIẾT KẾ ĐẶT RA CHO ĐỀ TÀI

Nhóm phát triển máy làm giàu khí Oxy đã thiết kế thiết bị nhỏ gọn, giá thành hợp lý và có tính cơ động cao, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn y tế và nhu cầu sử dụng trong xe cứu thương, phòng thí nghiệm, cũng như các bệnh viện tư vừa và nhỏ Thiết bị này cho phép người dùng sử dụng khí Oxy với nồng độ cao và an toàn, đảm bảo các thông số kỹ thuật cần thiết.

- Lưu lượng ngõ ra của khí Oxy từ 3 đến 5l/phút

- Nồng độ % Oxy tinh khiết dao động từ 90 – 99%

- Áp suất của hai bình lọc Zeolite: 2bar – 3bar.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG VẬN HÀNH

Hệ thống làm giàu khí oxy áp dụng công nghệ lọc phân tử PSA (Pressure Swing Adsorption) là quy trình tự động hóa với nhiều bộ phận chính Sơ đồ vận hành dưới đây sẽ minh họa nguyên lý hoạt động và chức năng của từng bộ phận trong hệ thống PSA.

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống làm giàu khí Oxy bằng phương pháp PSA

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHO HỆ THỐNG

3.4.1 Yêu cầu tính toán đặt ra cho hệ thống máy làm giàu khí Oxy

Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), nồng độ Oxy trong y tế cần đạt từ 90 đến 96% Các thiết bị sản xuất Oxy bằng phương pháp PSA thường thu được nồng độ Oxy khoảng 90-93% với tốc độ dưới 10L/phút Đối với việc sử dụng y tế, các thông số kỹ thuật của Oxy có thể thay đổi tùy thuộc vào tình trạng bệnh nhân và hoạt động của họ, bao gồm cả tốc độ dòng chảy và độ tinh khiết Mục tiêu chung cho các hệ thống làm giàu Oxy bằng PSA là duy trì nồng độ Oxy trên 90% và lưu lượng khí tối thiểu 3 lít/phút Bảng 13 dưới đây tổng hợp các phương pháp nghiên cứu và xây dựng hệ thống tạo Oxy bằng PSA từ các bài báo khác nhau.

Bảng 11: Các nghiên cứu về máy làm giàu khí Oxy dùng công nghệ PSA

Tác giả Chất hấp thụ

Thời gian hoàn thành 1 chu kỳ PSA Áp suất máy nén - Ph(bar) và áp suất bình lọc PL(bar)

Nồng độ Oxy (%) Độ phục hồi (%)

Các nghiên cứu về hệ thống tạo khí Oxy cho thấy sự tương đồng trong kết quả đầu ra Nhóm nghiên cứu của Santos [18] đã chỉ ra rằng bột hấp phụ Oxysiv 7 có hiệu suất tách tốt nhất với độ tinh khiết lên đến 94.5% và lưu lượng khí đạt 3.7 lít/phút, có thể tăng lên 4.3 lít/phút trong một nghiên cứu khác [20] Trong khi đó, nhóm tác giả Rao [19] đã thiết kế quy trình PSA tối giản với chu kỳ ngắn, đạt được nồng độ Oxy 90% và lưu lượng 5 lít/phút Tương tự, nhóm Chai và các cộng sự cũng thực hiện chu kỳ PSA ngắn và điều chỉnh áp suất đầu vào, mang lại kết quả Oxy với nồng độ 90% và lưu lượng 5 lít/phút.

Các nghiên cứu mặc dù có tiêu chí khác nhau, nhưng đều hướng đến mục tiêu đạt 90% nồng độ Oxy và 3 lít/phút cho hệ thống tạo làm giàu khí Oxy kích thước vừa phải Nhóm thực hiện đề tài đã quyết định tập trung vào việc đạt được các thông số này, từ đó tạo tiền đề cho việc lập kế hoạch tính toán và xây dựng hệ thống một cách chi tiết và logic.

Bảng 13 cho thấy các yếu tố quan trọng trong việc tính toán hệ thống tạo khí Oxy PSA, bao gồm loại chất hấp thụ, thời gian hoàn thành chu kỳ, áp suất cung cấp từ máy nén và áp suất tại bình lọc Các vấn đề tính toán này sẽ được trình bày chi tiết trong các mục tiếp theo của chương 3.

3.4.2 Tính toán khối lượng sàng lọc Zeolite Để có thể tính toán được khối lượng sàng lọc Zeolite cần thiết, ta cần phải xét đến loại Zeolite cần sử dụng và nhu cầu lọc khí cần đạt được Hiện nay có nhiều loại Zeolite được sử dụng trong công nghiệp sản xuất khí Oxy với hệ thống cốt lõi là PSA [22] Tuy nhiên, trong phạm vi của đề tài nghiên cứu này, việc có thể tiếp cận đến đa dạng các loại Zeolite để có thể tối ưu hiệu suất của hệ thống là vấn đề nan giải do thị trường Zeolite ở Việt Nam còn hạn chế Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu thì loại Zeolite được sản xuất và tiêu phụ phổ biến ở đây là loại Zeolite 3 – 5A và loại Zeolite 13X Về cơ bản, loại Zeolite 13X được các nghiên cứu chỉ ra cho hiệu suất hấp phụ Nito tốt hơn, giảm nhẹ áp suất đầu vào của hệ thống [23] Tuy vậy, giá thành ở thị trường Việt Nam cho thấy rằng chi phí của loại Zeolite 13X cao hơn so với 5A Do vậy, để giảm thiểu chi phí sử dụng cho hệ thống, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn loại Zeolite 5A

Bảng 12: So sánh các đặc điểm giữa Zeolite loại 5A và 13X [24]

Kích thước hạt R p (cm) của Zeolite 5A là 0.16 và 0.07, với khối lượng riêng hạt  p (g/cm3) lần lượt là 1.16 và 1.17 Độ xốp của hạt đạt 0.314 và 0.391, trong khi độ hấp phụ nhiệt Cps (cal/gãK) là 0.32 cho cả hai loại Để tính khối lượng Zeolite cần thiết, chỉ số hấp phụ q (mmol/cc) của Zeolite là yếu tố quan trọng, đo lường khả năng hấp phụ phân tử khí Nitơ dựa trên thể tích Zeolite Bảng 13 dưới đây trình bày mối tương quan giữa áp suất cực đại của bình lọc và chỉ số hấp phụ Nitơ của Zeolite 5A tại nhiệt độ 298.15ºK.

Bảng 14: Quan hệ chỉ số hấp phụ Nitơ và áp suất tại nhiệt độ 298.15ºK của 5A Zeolite Áp lực tại bình lọc (bar) q (mmol/cc)

Từ bảng dữ liệu, chúng ta có thể xác định thể tích Zeolite cần thiết để đáp ứng nhu cầu khí Oxy đầu ra Giả sử không khí nạp vào chỉ chứa 79% Nitơ và 21% Oxy, mục tiêu là cung cấp lưu lượng Oxy liên tục 5 lít/phút, tương đương 83.3 ml/s với độ tinh khiết Oxy 100% Từ đó, chúng ta có thể tính toán thể tích Nitơ tối thiểu cần hấp phụ trong 1 giây.

Trong đó V adsorbed (ml) là thể tích Nitơ cần hấp phụ trong một giây và V oxy producted − là thể tích Oxy cung cấp trong 1 giây tại ngõ ra

Giả sử không khí trong bình là mô hình khí lý tưởng Áp dụng phương trình khí lý tưởng của một chất khí bất kỳ:

Áp suất (P) được đo bằng bar, thể tích khí (V) tính bằng lít, số mol chất khí (n) và nhiệt độ (T) được tính bằng Kelvin, với hằng số khí lý tưởng K là 0,083 (bar.lít/mol.K) Giả sử thời gian hấp phụ của bình lọc là 20 giây tại điều kiện khí 298.15ºK và áp suất 3.3 bar, từ các phương trình (3.1) và (3.2), số mol Nitơ bị hấp phụ ước tính khoảng 0.44 mol, tương đương 440 mmol Chỉ số hấp phụ q được so sánh từ bảng 15 và kết hợp với khối lượng tương ứng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 24 lượng riêng  p của Zeolite từ bảng 14 ta tính được khối lượng Zeolite cần dùng theo công thức: adsorbed * zeolite p m N q 

Theo tính toán, khối lượng Zeolite cần thiết cho mô phỏng là 300g Tuy nhiên, trong thực tế, lượng Nitơ mà Zeolite có thể hấp phụ sẽ bị hao hụt Do đó, nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng 600g Zeolite loại 5A và sẽ tiến hành so sánh mối quan hệ giữa khối lượng Zeolite sử dụng và độ tinh khiết của Oxy ngõ ra trong Chương 4.

3.4.3 Tính toán thể tích bình lọc khí

Sau khi xác định khối lượng Zeolite cần thiết, bước tiếp theo là tính toán kích thước hoặc thể tích của bình lọc Bình lọc tối thiểu phải có khả năng chứa toàn bộ lượng Zeolite đã tính toán, với khối lượng riêng ρp = 1.16g/cm³ và 600g Zeolite, thể tích Zeolite trong bình lọc khoảng 520ml Nếu chọn bình lọc hình trụ với đường kính 5cm, chiều cao tối thiểu cần thiết cho bình sẽ là 30cm.

3.4.4 Tính toán áp suất máy nén khí và đường ống

Áp suất cung cấp từ máy nén khí là yếu tố quan trọng cần xem xét, vì nó ảnh hưởng đến khả năng vận hành của hệ thống và lưu lượng khí tại ngõ ra Việc tính toán chỉ số áp suất nén khí phù hợp không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động mà còn liên quan đến yếu tố an toàn của toàn bộ hệ thống PSA.

Trong hệ thống PSA, áp suất được chia thành hai loại: áp suất cao (Ph) và áp suất thấp (PL) Áp suất cao đạt cực đại khi nén khí tại bình lọc chứa sàng lọc phân tử, trong khi áp suất thấp là áp suất tại ngõ ra cung cấp khí Quá trình vận hành của hệ thống PSA liên quan đến sự giảm áp suất, điều này là cần thiết cho quá trình hấp phụ các phân tử khí N2 của Zeolite Trong một hệ PSA thông thường, giá trị áp suất thấp đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của quá trình.

Giá trị áp suất tại ngõ ra thường là 1 atm, tương đương với áp suất khí quyển thông thường, như được thể hiện trong các nghiên cứu được liệt kê trong bảng.

13) Do đó sẽ có một phần áp suất bị tiêu giảm trong suốt quá trình luồng chất khí đi dọc theo bình lọc chứa Zeolite (∆P)

Theo phương trình Ergun, giá trị áp suất giảm liên quan chặt chẽ đến vận tốc di chuyển của phân tử khí Trong hệ thống bình lọc chứa Zeolite, các yếu tố cần tuân thủ bao gồm: i Độ xốp của hạt đồng đều dọc theo chiều dài lớp và diện tích mặt cắt ngang; ii Độ thấm của bình lọc không đổi trong suốt quá trình; iii Các hạt Zeolite có kích thước đồng đều; iv Dòng chảy khí di chuyển theo một chiều duy nhất mà không bị phân tán hay rò rỉ; v Độ giảm áp dọc theo cột là tuyến tính.

Khi này, độ giảm áp suất dọc theo bình chứa có chiều dài L (m) được tính như sau [27]:

Độ nhớt của không khí được ký hiệu là  (atm.s) với giá trị 1.81*10 − 10, trong khi mật độ không khí tại khí quyển được ký hiệu là  (kg/m.s) có giá trị 1.204 Vận tốc của phân tử khí tại ngõ ra được ký hiệu là u (m/s), và độ rỗng của bình chứa Zeolite loại 5A được ký hiệu là  với giá trị 0.33 Kích thước của hạt Zeolite được ký hiệu là d p (mm).

Thêm vào đó, ta cũng biết rằng, giá trị vận tốc của phân tử khí có mối liên hệ với giá trị lưu lượng khí theo công thức: u Q

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Trong chương 4, nhóm sẽ giới thiệu quy trình thi công hệ thống nhằm hoàn thiện sản phẩm, bao gồm thi công mô hình phần cứng PSA, lắp ráp board mạch, phát triển phần mềm, lập trình cho toàn bộ hệ thống và biên soạn hướng dẫn sử dụng Nội dung sẽ cụ thể hóa các giai đoạn thực hiện.

Giai đoạn 1 bao gồm việc lắp ráp máy nén khí cùng với các đường ống, sau đó tiến hành kiểm tra sự ổn định của đường khí Đồng thời, cần kiểm tra hoạt động trơn tru của từng van điện từ để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

• Giai đoạn 2: Tiến hành chạy thử trên breakboard, cắm linh kiện thử nghiệm trên breakboard sau đó vẽ mạch điện và thiết kế mạch cho hệ thống

Giai đoạn 3 bao gồm việc nhóm tiến hành viết lưu đồ giải thuật, sau đó thực hiện chạy chương trình từng khối, và cuối cùng hoàn thành chương trình hệ thống.

THI CÔNG HỆ THỐNG

4.2.1 Thiết kế bo mạch điện cho hệ thống

Trong bài viết này, nhóm sẽ trình bày quá trình thi công phần cứng cho việc lắp ráp và hàn mạch PCB, cùng với kết quả đạt được Danh sách các linh kiện chính được liệt kê trong Bảng 23 dưới đây.

Bảng 24: Linh kiện sử dụng trong bo mạch điều khiển hệ thống

STT Tên linh kiện Thông số kỹ thuật Số lượng

8 Cảm biến áp suất 24VDC 1

Tiến hành thiết kế mạch nguyên lý và mạch PCB cho mô hình bằng phần mềm

Proteus như Hình 4.1 và Hình 4.2:

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển hệ thống

Hình 4.4: Sơ đồ mạch in PCB 4.2.2 Thi công bo mạch – lắp ráp và kiểm tra

Quá trình lắp ráp mạch điện tử bao gồm các bước quan trọng Đầu tiên, sau khi thi công mạch, cần khoan lỗ và hàn các linh kiện điện tử lên mạch Các chân linh kiện dư thừa phải được cắt gọn bằng kềm để tránh đoản mạch Cuối cùng, sử dụng đồng hồ điện tử chuyên dụng để kiểm tra độ dẫn điện của các mối hàn và chân linh kiện Mạch điện tử hoàn chỉnh sẽ được tạo ra như hình minh họa.

Hình 4.6: Gắn các linh kiện, module lên mạch điện thiết kế

Sử dụng nguồn xung 24V/3A để cung cấp điện cho hệ thống, với cầu diode 3A giúp cho dòng điện một chiều đi qua và ngăn ngừa việc mắc ngược dây, bảo vệ mạch điện khỏi hư hỏng.

4.2.3 Chuẩn bị linh kiện đường ống

Nhóm đã sử dụng cơ sở lý thuyết và sơ đồ nguyên hệ thống PSA từ chương 3 để chuẩn bị các linh kiện cần thiết cho việc thi công mô hình toàn bộ hệ thống, như được trình bày trong Bảng 25 dưới đây.

Bảng 26: Bảng linh kiện sử dụng trong hệ thống PSA

STT Tên linh kiện Số lượng Thông số kỹ thuật

5 Ống kết nối chữ T X cái 8mm

4.2.4 Lắp ráp và kiểm tra hệ thống

Sau khi chuẩn bị đầy đủ linh kiện, nhóm bắt đầu lắp đặt máy nén khí vào hệ thống đường ống và van điện từ Quá trình này bao gồm việc sắp xếp linh kiện vào đúng vị trí, kiểm tra tính chính xác của kết nối và đảm bảo mọi thứ được lắp đặt đúng yêu cầu Cuối cùng, khung vỏ cho hệ thống được gia công để hoàn thiện.

Bước 1: Thiết kế phần khung đặt máy nén khí, tìm và mua vật liệu gia công, ở đây nhóm chọn thép làm vật liệu gia công cho hệ thống máy

Bước 2: Đặt gia công theo yêu cầu đề ra

Bước 3: Tiến hành sắp xếp các van điện từ vào đúng vị trí, quạt, hệ thống tản nhiệt…

Bước 4: Tiến hành khoan lỗ cho các đường dây và bắt ốc

Bước 5: Cố định các thành phần và kiểm tra kĩ từng phần kết nối khung

Kết quả lắp ráp sản phẩm được thể hiện ở hai Hình 4.7 và Hình 4.8 bên dưới:

Hình 4.9: Mặt trước máy làm giàu khí Oxy

Hình 4.10: Mặt sau máy làm giàu khí Oxy

THI CÔNG PHẦN MỀM HỆ THỐNG

Phần mềm là yếu tố thiết yếu trong việc điều khiển và vận hành hệ thống Quá trình phát triển phần mềm bao gồm nhiều bước quan trọng để đảm bảo tính năng và hiệu quả tối ưu cho hệ thống.

Bước đầu tiên trong quy trình phát triển chương trình là vẽ lưu đồ giải thuật, giúp mô tả rõ ràng quy trình xử lý dữ liệu Điều này cung cấp cho nhóm phát triển cái nhìn tổng quan về luồng xử lý, từ đó giúp dễ dàng phát hiện và khắc phục các lỗi logic ngay từ giai đoạn thiết kế.

Nhóm sẽ viết chương trình dựa trên lưu đồ giải thuật, sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp với phần cứng điều khiển Trong đề tài này, phần mềm Arduino IDE được sử dụng cho module điều khiển Arduino và các module đọc cảm biến nhờ vào giao diện đơn giản, giúp lập trình thuận tiện hơn Trong quá trình lập trình, nhóm sẽ ưu tiên sử dụng các thư viện có sẵn để giao tiếp hiệu quả với cảm biến và thiết bị ngoại vi của hệ thống máy làm giàu khí Oxy.

Sau khi hoàn thành, chương trình sẽ được biên dịch và nạp vào vi điều khiển qua dây cắm tương ứng với Arduino, từ đó hệ thống máy làm giàu khí Oxy sẽ hoạt động theo lập trình đã được thiết lập.

4.3.1 Lưu đồ giải thuật a Chương trình chính

Hình 4.12:Lưu đồ giải thuật chương trình chính

Khi được cấp nguồn, chương trình sẽ khai báo các chân của vi điều khiển, bao gồm bốn chân ngõ ra kết nối với các kênh relay, hai chân giao tiếp SCL và SDA, một chân analog ngõ vào cho cảm biến áp suất, và một chân ngõ ra cho đèn LED Đồng thời, chương trình cũng khai báo các thư viện cần thiết để chạy LCD, đọc giá trị cảm biến Oxy và thiết lập hàm Timer để hệ thống hoạt động theo chu kỳ tuần tự.

Sau khi khai báo các thư viện và chân như, thuật toán chính sẽ thiết lập các biến cần thiết và tiến hành chạy các chương trình con Có ba chương trình con phục vụ cho ba mục đích riêng biệt: tính toán giá trị áp suất, tính toán độ tinh khiết của khí Oxy, và kiểm soát các van vận hành theo chu kỳ sáu bước.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 47 b Chương trình con tính toán giá trị áp suất

Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình con tính toán giá trị áp suất

Cảm biến áp suất gửi tín hiệu với điện áp từ 0 đến 5V, tương ứng với áp suất từ 0 đến 3 bar Để đọc giá trị điện áp, chân tín hiệu của cảm biến được kết nối với chân A0 của Arduino, cho phép chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu analog với độ phân giải 10 bit Giá trị analog này được chuyển đổi sang giá trị áp suất thực tế bằng cách nhân với 5/1023 để tính điện áp thực và tiếp tục nhân với 3/5 theo tính chất tuyến tính của cảm biến Mỗi 100ms, giá trị này sẽ được xuất lên màn hình LCD Đối với việc tính toán nồng độ Oxy, việc đọc giá trị từ cảm biến Oxy AO2 trở nên dễ dàng hơn nhờ mạch đọc tín hiệu SEN0495 Gravity, giúp khuếch đại tín hiệu và hỗ trợ sử dụng thư viện DFRobot_EOxygenSensor_I2C.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 48 xác định rằng trị số Oxygen có tính biến thiên và không ổn định Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu sẽ thiết lập một thuật toán nhằm tính toán giá trị trung bình cho 10 mẫu nồng độ Oxy mà vi điều khiển ghi nhận trong khoảng thời gian 1 giây.

Hình 4.14: Lưu đồ giải thuật chương trình con đọc giá trị nồng độ Oxy d Chương trình con kiểm soát van khí nén

Hệ thống van khí nén hoạt động theo chu kỳ với sáu giai đoạn, và chương trình con kiểm soát van sẽ bật tắt các van này theo trình tự thời gian đã định Để thực hiện điều này, chương trình sử dụng hàm timer kết hợp với một biến tạm kiểm tra trạng thái, cho phép xác định chu trình hiện tại và đảm bảo chỉ một chu trình được thực thi tại một thời điểm Lưu đồ giải thuật của chương trình minh họa quy trình này.

Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con kiểm soát van khí nén hoạt động sáu chu kỳ

4.3.2 Phần mềm viết chương trình thuật toán điều khiển

Phần mềm Arduino IDE được nhóm thực hiện đề tài sử dụng để viết chương trình thuật toán và nhúng vào vi điều khiển Đây là phần mềm miễn phí, mã nguồn mở, rất thân thiện với kỹ sư nhúng và lập trình viên, từ những người mới bắt đầu đến những người có kinh nghiệm Ngôn ngữ lập trình C/C++ được sử dụng giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và tùy chỉnh phần mềm Ngoài ra, Arduino IDE cung cấp các công cụ lập trình và thư viện hữu ích, như thư viện đọc giá trị từ cảm biến nồng độ Oxy DFRobot_EOxygenSensor_I2C, hỗ trợ hiệu quả trong quá trình thực hiện đề tài.

KẾT QUẢ– NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ

GIỚI THIỆU

Trong quá trình thực hiện đề tài “Máy làm giàu khí Oxy trong y tế”, nhóm đã đạt được những kết quả cụ thể, minh chứng cho cơ sở lý thuyết và bản thiết kế Quá trình thi công của nhóm cũng đã đi đúng hướng, mang lại những thành công nhất định.

Nhóm ban đầu dự định thiết kế mạch nguồn cho hệ thống thông qua máy biến áp 3A, nhưng sau khi đánh giá, họ nhận thấy các IC ổn áp như 7805 và 7824 gặp vấn đề về nhiệt độ Từ trường tản từ máy biến áp ảnh hưởng đến mạch, làm tăng nhiệt độ và gây ra sự hoạt động không ổn định của relay, dẫn đến hiệu suất hệ thống không tối ưu Do đó, nhóm quyết định sử dụng nguồn xung 24VDC/3A qua module LM2596 để ổn định điện áp và dòng điện.

5.1.2 Khối điều khiển Ở đề tài này, nhóm sử dụng phần mềm lập trình Arduino IDE để điều khiển các thiết bị thu thập và truyền dữ liệu, cụ thể là dùng LCD/I2C, module đọc cảm biến… Trước khi sử dụng và lựa chọn vi điều khiển phù hợp cho hệ thống thì nhóm cũng đã đưa ra một số dòng Arduino, như nano, mega… nhưng cuối cùng để phù hợp cho đề tài này thì Arduino UNO R3 là phù hợp nhất, vừa đủ không dư cũng không thiếu chân, điều đó làm cho hệ thống trở nên gọn gang và đầy đủ chức năng và không cắm nhầm chân khi sửa chữa

Khối hiển thị nhóm sử dụng LCD/I2C 20x4 có kích thước lớn, cung cấp thông tin đầy đủ với chi phí thấp, tiết kiệm chi phí lắp đặt và sửa chữa Kết nối I2C giúp đơn giản hóa quá trình lập trình hệ thống Độ hiển thị rõ ràng và mọi chức năng hiển thị hoạt động tốt.

Các thiết bị chấp hành như module relay, van điện từ, module cảm biến oxy và cảm biến áp suất hoạt động hiệu quả, với các chức năng ổn định được lập trình trên Arduino Uno.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Nhóm đã đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống máy làm giàu khí Oxy, nhằm tăng nồng độ khí Oxy trong không khí từ 21% lên trên 90% Hệ thống này sẽ có lưu lượng khí dao động từ 3 đến 5 lít/phút, với áp suất khoảng 3 đến 5 bar, và hiển thị thông số trên màn hình LCD.

Sau 15 tuần triển khai hệ thống, nhóm đã hoàn thiện việc tạo ra khí oxy Trong quá trình thực hiện, nhóm không chỉ tích lũy kinh nghiệm thực tế mà còn nâng cao kỹ năng thiết kế phần cứng, giải quyết vấn đề và học hỏi thêm từ các công việc liên quan.

Hệ thống tạo khí oxy bằng công nghệ PSA hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ chọn lọc, giúp tách oxy khỏi không khí Để hiểu rõ hơn về hiệu suất của hệ thống này, cần nghiên cứu các thông số kỹ thuật như áp suất, nhiệt độ và lưu lượng khí Những đặc điểm nổi bật của hệ thống PSA bao gồm khả năng cung cấp oxy tinh khiết và ổn định, phù hợp với nhiều ứng dụng trong y tế và công nghiệp.

• Thiết kế, gia công các thành phần cơ khí cho mô hình của hệ thống Tính toán, sắp xếp vị trị và đóng gói cho hệ thống

Kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng và thiết kế 3D như Solidworks giúp tạo ra bản vẽ thiết kế chính xác cho các bộ phận khác nhau trong hệ thống.

Tìm hiểu và lập trình vi điều khiển ATMeg3280P trên Arduino bằng phần mềm IDE với ngôn ngữ lập trình C Lập trình giao tiếp với cảm biến áp suất, module relay và cảm biến oxy Nghiên cứu thông tin linh kiện qua Datasheet để hiểu rõ hơn về các thông số kỹ thuật.

Nhóm nghiên cứu không chỉ tích lũy được kinh nghiệm và kiến thức quý báu, mà còn đạt được những tiến bộ đáng kể trong hệ thống máy tạo khí oxy đã được đề xuất.

• Thi công được mô hình máy tạo khí oxy

• Có thể hiển thị được kết quả nồng độ oxy và áp suất qua màn hình LCD

• Có thể theo dõi và điều chỉnh được lưu lượng oxy ngõ ra mong muốn

• Lưu lượng khí oxy ngõ ra đạt yêu cầu so với mục tiêu đề ra (3 đến 5 lít / phút)

• Nồng độ phần trăm oxy tại ngõ ra đạt mức trung bình 55%

5.2.1 Áp suất của hệ thống Để kiểm tra độ ổn định và khả năng tăng áp của hệ thống, nhóm tiến hành đo đạc giá trị cảm biến áp suất trong vòng 30 phút, tốc độ lấy mẫu là 1 mẫu / 100ms Sau đó nhóm lựa chọn 400 mẫu ngẫu nhiên (để dễ quan sát bằng đồ thị) của lần lượt từng bình để tính sai số và giá trị trung bình trên từng bình, dưới đây là đồ thị áp suất cho hai bình T1 và T2:

Hình 5.1: Đồ thị biểu diễn giá trị áp suất của bình lọc T1

Hình 5.2: Đồ thị biểu diễn giá trị áp suất của bình lọc T2

Sau khi thu thập dữ liệu áp suất từ hai bình, chúng tôi sẽ tiến hành tính toán các giá trị sai số để đánh giá kết quả Công thức tính sai số bắt đầu bằng việc xác định giá trị áp suất trung bình X của tất cả n mẫu, với n = 400.

Sau đó tính sai số ngẫu nhiên X nn của phép đo theo công thức (Bỏ qua sai số do phép đo của hệ thống dụng cụ):

Cuối cùng, ta tính ra tỷ lệ sai số  X (%) bằng cách lấy sai số ngẫu nhiên X nn chia cho giá trị áp suất trung bìnhX :

Thông qua các phép tính trên, ta được bảng số liệu sau để đánh giá độ ổn định áp suất của hệ thống:

Bảng 27: Tính toán sai số giá trị áp suất cho hệ thống ở cả hai bình lọc

Thông số Bình lọc T1 Bình lọc T2 Áp suất trung bình (bar) 1.143 1.035 Áp suất cực đại / cực tiểu 2.68 / 0.01 2.48 / 0

Kết quả tính toán cho thấy độ sai lệch áp suất của mỗi bình chỉ ở mức 4% đến 5% giá trị chênh lệch, cho thấy việc vận hành tăng và xả áp cho hệ thống máy khí nén là ổn định Ngoài ra, độ đồng bộ trong quá trình tăng áp suất của hệ thống cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Trong quá trình nạp và xả áp, không có sự chênh lệch thời gian đáng kể giữa hai bình lọc T1 và T2 Tuy nhiên, bình lọc T1 cho thấy quá trình nạp áp nhanh và đều hơn, dẫn đến giá trị áp cực đại của T1 cao hơn so với T2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 54 chỉ ra rằng sự khác biệt trong cấu trúc đường ống khí nén vào hai bình có thể xảy ra, hoặc có thể do hệ thống bị rò rỉ khí khi vào bình lọc T2 Tuy nhiên, sự khác biệt này không ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và quá trình vận hành của hệ thống, do đó, kết quả đo áp suất có thể được coi là chấp nhận được.

5.2.2 Nồng độ phần trăm Oxy của hệ thống

Hình 5.5: Nồng độ phần trăm khí Oxy cung cấp tại ngõ ra

Hình 5.6 minh họa đồ thị thể hiện giá trị áp suất chung từ hai bình lọc, cùng với nồng độ phần trăm khí Oxy cung cấp tại ngõ ra trong chu kỳ bình thường.

Nhóm đã tiến hành thử nghiệm liên tục trong một giờ với tốc độ thu thập mẫu 1 mẫu/100ms, sau đó chọn ngẫu nhiên 300 mẫu để dễ dàng phân tích kết quả bằng đồ thị Kết quả cho thấy áp suất bình lọc dao động trung bình từ 1.5 đến 3 bar, phù hợp với các nghiên cứu trước đó Mặc dù có sự biến thiên rõ rệt của nồng độ Oxy, nhưng nhóm không đạt được kỳ vọng khi nồng độ chỉ dao động từ 40% đến 55%, với giá trị trung bình khoảng 51% Nhóm nhận thấy có mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa áp suất và nồng độ phần trăm Oxy, do đó đã thực hiện thử nghiệm kéo dài chu kỳ hấp phụ để duy trì áp suất cao và đánh giá sự thay đổi của nồng độ khí Oxy.

Hình 5.8 thể hiện đồ thị giá trị áp suất chung từ hai bình lọc cùng với nồng độ phần trăm khí Oxy cung cấp tại ngõ ra, sau khi chu kỳ được tăng lên 2 giây.

Mặc dù thời gian hấp phụ gia tăng, nồng độ Oxy không có sự tăng trưởng đáng kể Áp suất ảnh hưởng đến nồng độ phần trăm Oxy, nhưng không phải là yếu tố duy nhất Như thể hiện trong Hình 5.9, khi nồng độ đạt khoảng 57%, giá trị này không thể tăng thêm và bắt đầu giảm dần, mặc dù áp suất trong bình vẫn ổn định Nguyên nhân có thể là do quá trình hấp phụ đã đạt đến giới hạn của bột Zeolite trong cột lọc.

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC VẤN ĐỀ KHÁC

Mô hình “Máy làm giàu khí Oxy” của nhóm đạt khoảng 2/3 yêu cầu ban đầu, với độ ổn định lưu lượng và áp suất tốt khi vận hành Hệ thống sử dụng nguồn điện xoay chiều cho máy nén khí và một chiều cho các thiết bị ngoại vi, tuy nhiên vẫn còn tình trạng tích điện, nhiễu điện và tĩnh điện Để đảm bảo an toàn điện và con người khi vận hành với bệnh nhân, cần thiết lập một đường dây tiếp đất, mặc dù dòng rò xảy ra không đáng kể.

Nhóm thiết kế đã phát triển bộ khung máy theo kiểu bán phần, cho phép lộ ra một số thiết bị như van điện từ, đường ống và bình lọc khí Mục đích của việc này là để dễ dàng quan sát trong quá trình nghiên cứu và thực thi đề tài Trong tương lai, có thể sẽ có một bản thiết kế nguyên khối hoàn chỉnh với độ tỉ mỉ và gia công tốt hơn nếu có sự đầu tư thích hợp.

Thông số từ cảm biến áp suất được hiệu chỉnh thông qua đồng hồ đo áp suất mà nhóm sử dụng, đảm bảo độ chính xác cao cho cảm biến này.

Nhóm chỉ dựa vào thông số nồng độ Oxy từ cảm biến mà không có bộ QC hoặc máy đo chính xác, hy vọng các sinh viên sau có thể kiểm tra lại độ chính xác này Ngoài ra, nồng độ phần trăm khí oxy ngõ ra chưa đạt mục tiêu ban đầu, nhóm đã nghiên cứu thêm về các nguyên nhân tiềm năng gây sụt giảm nồng độ oxy.

Chất lượng bột Zeolite giảm sút trong quá trình thử nghiệm hệ thống, với nguyên nhân nghi ngờ ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ Nitơ Việc xử lý độ ẩm có thể là yếu tố chính dẫn đến tình trạng này.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 57 cho biết rằng độ ẩm không khí hiện tại chưa đạt yêu cầu, làm giảm hiệu suất hấp phụ của Zeolite Hơn nữa, việc lưu trữ và bảo quản bột Zeolite của nhóm nghiên cứu có thể chưa được tối ưu, dẫn đến tình trạng hao hụt của Zeolite trước khi được sử dụng, do không bảo quản trong môi trường kín khí.

Trong quá trình tính toán các thông số cho hệ thống máy khí nén, đã xuất hiện một số sai sót quan trọng Những sai sót này bao gồm lưu lượng tối thiểu mà động cơ máy nén khí cần cung cấp, khối lượng và loại Zeolite cần sử dụng, cũng như thời gian duy trì cho chu kỳ hấp phụ và xả khí Theo quan sát, lưu lượng máy nén khí thông thường cho dòng máy 3/4HP trên thị trường khoảng 110 lít/phút, gần gấp đôi so với lưu lượng mà đề tài nghiên cứu này sử dụng Hơn nữa, các loại Zeolite trong các nghiên cứu tham khảo đều khác với Zeolite 13X (hay Zeolite NaX) mà nhóm đang áp dụng Do đó, việc xác định khối lượng Zeolite cần thiết yêu cầu nghiên cứu kỹ lưỡng về các đặc tính và chỉ số hấp phụ của từng loại Zeolite.

Để ngăn chặn tình trạng nồng độ oxy ngõ ra bị thâm hụt trong các nghiên cứu về máy tạo khí oxy sử dụng công nghệ PSA, nhóm đề xuất thực hiện một số biện pháp cần thiết.

Để bảo quản bột lọc Zeolite hiệu quả, nên giữ trong môi trường chân không hoặc sử dụng túi zip kín khí Ngoài ra, có thể kết hợp với các vật liệu hút ẩm an toàn như bột Activate Aluminate để tăng cường khả năng chống hút ẩm cho Zeolite.

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, cần thực hiện nghiên cứu kỹ lưỡng về các thông số kỹ thuật Việc tham khảo các thông số một cách thống nhất là rất quan trọng, bao gồm việc xác định các giá trị mong muốn như áp suất, khối lượng vật liệu lọc, lưu lượng và thời gian hấp phụ, phù hợp với quy mô của hệ thống và đặc thù của từng loại Zeolite riêng biệt.

• Đảm bảo kiểm soát tốt độ ẩm không khí trước khi vào bình lọc để tránh việc

Zeolite bị hao mòn hiệu suất làm việc do bị hấp phụ hơi nước thay vì phân tử khí Nitơ

Mặc dù hệ thống chưa được tối ưu hoàn chỉnh, nhóm chúng em đã nỗ lực thực hiện những gì tốt nhất có thể Tuy nhiên, do còn thiếu sót về kiến thức và kinh nghiệm, hệ thống vẫn còn một số vấn đề tồn đọng cần được khắc phục.

Mô hình thiết kế hiện tại thiếu tính thẩm mỹ và việc di chuyển gặp khó khăn do khối lượng máy nặng, cùng với nhiều thiết bị đặt bên ngoài.

• Còn nhiễu điện do dòng rò từ máy nén khí gây ra

• Nồng độ Oxy chưa được kiểm định bằng các thiết bị có độ chính xác cao như máy đo nồng độ oxy

• Vật liệu lọc vì là do sử dụng lại nhiều nên nồng độ % Oxy không đạt được như yêu cầu.

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÁY

5.4.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng Để có thể sử dụng sản phẩm của nhóm thực hiện một cách an toàn và hiệu quả, nhóm sẽ trình bày các nội dung cần chú ý khi sử dụng hệ thống làm giàu khí Oxy như sau:

Trước khi sử dụng, hãy kiểm tra xem mặt nạ và ống dẫn khí có sẵn trên thiết bị hay không Nếu có, tiếp tục kiểm tra xem ống dẫn khí và mặt nạ có dấu hiệu bẩn hoặc có nước đọng bên trong không Nếu phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào hoặc nghi ngờ về độ an toàn vệ sinh của mặt nạ, cần thay mới mặt nạ và ống dẫn khí ngay lập tức.

Kiểm tra bộ phận lọc gió của thiết bị bằng cách tháo phần lọc gió (màu đen, hình ống ngắn ở góc phải đầu máy) để xem xét tình trạng lõi lọc Nếu phát hiện lõi lọc bị bẩn, hoen màu, hoặc dính vi nhựa và bụi mịn, hãy tháo rời và vệ sinh bằng nước rửa thông thường cho sạch Sau khi rửa, hãy để bộ lọc gió khô tự nhiên hoặc sấy khô trước khi gắn lại vào máy Nếu bộ lọc quá bẩn và khó vệ sinh, nên thay thế bằng bộ lọc mới để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.

Kiểm tra bộ phận lưu lượng kế và bẫy nước để đảm bảo nước trong bẫy đủ cung cấp độ ẩm cho khí Mức nước cần phải cao hơn vạch mốc tối thiểu trên bẫy và nước bên trong phải sạch sẽ Nếu không đáp ứng các yêu cầu này, cần thực hiện các biện pháp khắc phục.

Để tháo gỡ lưu lượng kế và bẫy nước của BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 59, trước tiên cần tắt hết hệ thống Quan sát phần kết nối của lưu lượng kế với đường dẫn khí, tìm ống chữ L đen với đầu khấc nối xanh lam Nhấn giữ khấc nối và kéo ống dẫn khí ra ngoài Sau khi tháo rời, nhấc lưu lượng kế và vặn phần chứa nước của bẫy nước theo chiều ngược kim đồng hồ Cuối cùng, vệ sinh, thay nước mới và lắp lại như các bước đã thực hiện.

Trong quá trình sử dụng máy, hãy kiểm tra đèn LED màu đỏ cảnh báo bột Zeolite Nếu đèn tắt, điều đó có nghĩa là bột Zeolite đã mất khả năng tách khí Oxy và cần được thay mới Để thay bột Zeolite loại 13X, bạn cần khoảng 700g cho cả hai bình lọc Đầu tiên, tháo rời các ống dẫn khí và sử dụng tua vít để nới lỏng đai siết inox Sau đó, tách bình lọc ra, lấy hạt hút ẩm và đổ hết bột Zeolite cũ Tiếp theo, thay bột Zeolite mới vào, lắp lại màng chắn và hạt hút ẩm, sau đó vặn nắp bình và lắp lại như hướng dẫn.

5.4.2 Quy trình thao tác sử dụng máy Để có thể sử dụng máy an toàn và hiệu quả, nhóm khuyến nghị sử dụng máy theo quy trình như sau:

Để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả, bước đầu tiên là chọn vị trí đặt máy phù hợp Sau khi đã xác định được vị trí, cần cố định máy bằng cách đạp khóa hai bánh xe để giữ máy ổn định.

Để tiếp tục quy trình, trước tiên cần kiểm tra mức nước trong bẫy nước Nếu bẫy nước đã có đủ nước sạch, bạn có thể chuyển sang bước tiếp theo Ngược lại, nếu bẫy nước thiếu nước, hãy thay bẫy nước mới theo hướng dẫn trong mục 5.4.1.

- Bước 3: Chuẩn bị mặt nạ thở và ống dây thở cho mặt nạ Kết nối phần ống dây thở với mặt nạ và với đầu ra của bẫy nước

- Bước 4: Sử dụng dây nguồn ba chân cắm vào ổ nguồn của máy, sau đó cắm dây nguồn vào 220V

Đeo mặt nạ thở vào và bật công tắc nguồn của máy để bắt đầu sử dụng Theo dõi màn hình hiển thị LCD để biết nồng độ khí Oxy mà hệ thống đang cung cấp.

Bước 6: Điều chỉnh lưu lượng khí Oxy tinh khiết theo nhu cầu bằng cách sử dụng núm vặn trên lưu lượng kế Để tăng lưu lượng khí Oxy, hãy vặn núm theo chiều "open".

“shut” để giảm lưu lượng khí Oxy sử dụng Lưu lượng tối thiểu khi giảm là 3 lít / phút.

DỰ TOÁN CHI PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Trong quá trình thực hiện đề tài, lập dự toán chi phí là công đoạn quan trọng giúp nhóm nghiên cứu có cái nhìn tổng quan về các khoản chi phí cần thiết Báo giá và dự toán chi phí hỗ trợ lập kế hoạch tài chính hiệu quả Dưới đây là bảng chi tiết các linh kiện mà nhóm sử dụng trong đề tài.

Bảng 29: Chi phí thực hiện đề tài

STT Tên linh kiện Số lượng

20 Chi phí thi công cơ khí

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển mô hình máy làm giàu Oxy, nhóm đã đầu tư 8.173.000 đồng cho linh kiện điện tử và gia công Mặc dù chi phí này tương đối với nhóm, nhưng việc mua linh kiện với giá bán lẻ đã làm tăng tổng chi phí dự án so với sản xuất quy mô lớn Nếu được thương mại hóa, hệ thống máy làm giàu Oxy sẽ được phân loại là thiết bị y tế cấp độ B, có rủi ro thấp nhưng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là y tế Với khả năng làm giàu Oxy hiệu quả, sản phẩm này hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong việc hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân hô hấp.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Làm Giàu Khí Oxy Trong Y Tế
Tác giả	Phan Anh Hiếu, Lại Minh Lý
Người hướng dẫn	TS. Vũ Chí Cường
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Viễn Thông
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	3,84 MB