Thiết lập mô hình tỏa về nhiệt trong tủ điều khiển máy CNC

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thiết lập mơ hình tỏa nhiệt tủ điều khiển máy CNC Establishing mock-ups being compatible with heat in control cabinets of CNC machines Đinh Minh Trí, Nguyễn Quang Vũ, Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Quang Thành*, Ngô Kiều Nhi PTN Cơ học Ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa TPHCM *Email: nqthanh@hcmut.edu.vn Tel: +84-838637868; Mobile: 0973 184 199 Tóm tắt Từ khóa: Máy CNC, Bộ điều khiển máy CNC, tủ điện máy CNC, truyền nhiệt, lưu chất Ngày việc chế tạo lắp ráp máy CNC khơng cịn q khó khăn Tuy nhiên vận hành vấn đề nhiệt sinh điều tránh khỏi Nhiệt sinh cao ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị máy đặc biệt linh kiện điện tử tủ điều khiển Đây nơi có chi phí đắt quan trọng máy CNC nên việc thay chi tiết gây tốn ảnh hưởng lớn đến tiến độ làm việc máy Trong nghiên cứu đề xuất cách bố trí lắp quạt tản nhiệt cho nhiệt độ tủ điều khiển tối ưu nhất, sau mơ giải tốn đặt phần mềm Ansys để thỏa mãn điều kiện vận hành Abstract Keywords: CNC machines, controller set of CNC machines, CNC electrical cabinets, heat transfer, fluid Nowadays manufacturing and assembling CNC machines are no more difficult However, during the operating process, heat elimination is unavoidable High heat elimination can have some certain effects on the longevity of some equipment, especially components in the control cabinet Such cabinets are relatively expensive and most important to CNC machines; therefore, the replacements for its parts are costly and have great effects on machines’ work progress This research has been carried out to propose the techniques for arranging and assembling radiator fans in order to optimize the temperatures of control cabinets, followed by emulating and solving the stated problems by using Ansys software to satisfy the operating conditions Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ngày máy CNC khơng cịn khái niệm xa lạ Việt Nam Máy CNC xuất hầu hết lĩnh vực sản xuất, đặc biệt công nghiệp Các linh kiện điện tử, hệ thống điều khiển, thiết bị để chế tạo nên máy CNC ngày phổ biến thị trường, điều giúp tạo loại máy CNC trở nên dễ dàng hơn, chế tạo máy CNC vừa nhỏ ứng dụng giảng dạy trường đại học, cao đẳng, trường dạy nghề Nhưng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 trình chế tạo vận hành hệ thống lại thường bỏ qua vấn đề môi trường làm việc thiết bị nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn ,…điều khiến cho thiết bị máy (đặc biệt thiết bị điện tử ) bị giảm tuổi thọ, giảm chất lượng đạt hiệu suất khơng cao Hình Tuổi thọ thiết bị điện tử (PLC, HMI, Biến tần, Servo, controllers) Từ Hình tham khảo (http://tia.vn/vi/kb/qua-nhiet-tu-dien-va-cac-phuong-phaplam-mat) cho thấy tủ điều khiển có nhiều chi tiết, mà chi tiết thường hoạt động nhiệt độ khác Do đó, để đảm bảo cho linh kiện điện tử mạch, mạch tủ điện an toàn ổn định trình làm việc tủ điện kho khăn Để giải vấn đề này, có nhiều giải pháp đưa nhằm mục đích giảm bớt nhiệt, thơng thống khơng khí tủ điều khiển máy, giúp tủ hoạt động tốt, kéo dài tuổi thọ Những giải pháp mang tính khả thi [1-3]: - Lắp máy lạnh để giảm bớt nhiệt độ khơng khí Giải pháp mang tính hiệu quả, chi phí cao, tiêu tốt nhiều lượng phụ thuộc nhiều chất lượng máy lạnh lắp ráp - Để thiết bị tiếp xúc trực tiếp với luồng khơng khí bên ngồi Giải pháp có ưu điểm giảm nhiệt nhanh chóng lại khơng tốn kém, nhiên giải pháp làm cho thiết bị dễ bám bụi việc tiếp xúc trực tiếp gây nguy hiểm cho người sử dụng - Thiết lập hệ thống tản nhiệt cho tủ điều khiển Tuy không giảm nhiệt nhiều lắp máy lạnh, tiết kiệm chí phí, lượng, lại an tồn cho người sử dụng Đây giải pháp phù hợp với xưởng quy mơ nhỏ, khơng có hệ thống làm lạnh Mục tiêu nghiên cứu đưa giải pháp tản nhiệt cách hiệu quả, vừa an tồn vừa tiết kiệm chi phí dễ thực Với giải pháp trên, nghiên cứu sâu giải pháp thiết kế lại hệ thống tản nhiệt cho tủ điều khiển hệ thống máy CNC thơng qua việc mơ tính tốn phần mềm Ansys CFX [4-6] Bài báo thực việc tính tốn mơ nhiệt độ, vận tốc dịng khơng khí tủ để tìm ngun nhân gây nhiệt độ cao tủ, từ đề xuất biện pháp giảm nhiệt Từ nhận xét kết thu đưa kết luận áp dụng vào trường hợp cụ thể CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Lý thuyết truyền nhiệt, điều kiện sở tính tốn Truyền nhiệt trình truyền lượng dạng nhiệt vật vật lưu chất có chênh lệch nhiệt độ Có hình thức truyền nhiệt sau: dẫn nhiệt, đối lưu, xạ Điều kiện để xảy tượng truyền nhiệt có tiếp xúc trực tiếp vật phần tử vật chênh lệch nhiệt độ Theo định luật Fourier dịng nhiệt truyền qua vật (trong giây) theo phương x xác định (1) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Qx   F T x Khi đó: qx  (1) Qx T   F x (2) Với: qx : mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x (W/m2), T : Nhiệt độ tuyệt đối vật (K) F : diện tích bề mặt tryền qua m2,  : hệ số dẫn nhiệt vật (W/ mK) Mục tiêu nghiên cứu báo sau tính tốn nhiệt lượng nghiên cứu q trình truyền nhiệt, giảm nhiệt độ thiết bị điện tử giảm nhiệt độ khơng khí tủ điều khiển Bằng cách tối đa tỷ lệ mật độ truyền nhiệt, loại bỏ nhiệt thừa.Tiến hành tính tốn tối ưu hóa thuật tốn tự động cơng cụ tính tốn tối ưu hóa gói động lực học chất lỏng (CFD) Các lớp biên bao vây đoạn nhiệt hiệu ứng xạ từ nguồn nóng bỏ qua Nghiên cứu bỏ lực tác dụng gây nâng tản nhiệt nhớt so sánh với trình đối lưu cưỡng Trong hầu hết ứng dụng thực tế hệ thống điện tử làm mát khơng khí, xem lực nâng nhỏ Hàm mục tiêu (phải giảm thiểu) nhiệt độ tổng thể thiết bị điện tử (được mơ hình hóa khối) : Min : f1 ( x )  T A A f ,i i (3) i Trong đó: Tf nhiệt độ biên, Ti nhiệt độ phần tử lưu chất, Ai diện tích truyền nhiệt Hàm mục tiêu thứ phương trình hệ số chuẩn hóa Nullelts, thể cường độ trao đổi nhiệt chất tải nhiệt (khơng khí) thành thiết bị : Max : f ( x)  N   N ' dx (4) Theo cơng thức Newton tính tốn nhiệt lượng truyền trình tỏa nhiệt đối lưu: q  h A.(Ts  T ) (5) Ở lớp biên (lớp vỏ thiết bị điện tử), tốc độ truyền nhiệt đối lưu biểu diễn dạng lưu lượng nhiệt: T  k f y  y 0 T  qconv ''  k f , (6)   h(Ts  T ) , hay h  y  y  (Ts  T ) T   , phụ thuộc vào vận tốc dòng mật độ dòn y  y  o Từ lý thuyết đồng dạng (hoặc lý thuyết phân tích thứ nguyên) phân tích, điều kiện trao đổi nhiệt ổn định Đã xác định tiêu chuẩn Nusselt cho hệ số tỏa nhiệt Mà L h.x Nu x  k (7) Trong đó: h hệ số truyền nhiệt đối lưu (w/m2C); k nhiệt dẫn suất khơng khí (w/mC); q’’(x) = q’N’, phân bố lưu lượng nhiệt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Biểu diễn trình trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt thiết bị Nu x  0.332.Pr1/3 Re1/2 x (8) 1/ q" x U x   0.332.Pr1/3  x  k (Ts  T )  v  (9) 1/2 k U x  N ( x )  0.332 ' (Ts  T ).Pr1/3  x  q  v  ' (10) Hàm N’x thể dạng tối ưu nguồn nhiệt trình trao đổi, với Ux mơ tả dịng chảy cục vị trí xét, dựa theo phương trình bảo toàn sau: Ux  U i L L  (1  H ) X (11) Với H = H2 / H1 1/2   k N ( x )  0.332 ' (Ts  T ).Pr1/3 Re1/2 L  2 q  Lx  (1  H ) x  '   1   sin (2 H  1)  UL k 1/3 1/ Re L  ; N   N ' dx ; N  0.664 ' (Ti  To ).Pr Re L   v q  H     k Đặt số Nc: N c  0.664 ' (Ti  To ).Pr1/3 Re1/L q (12) (13)     1 1   sin (2 H  1)  N   sin (2 H  1)  N  N c   ;  H   H   Nc       N N  , Khi mặt cắt ngang dịng khơng đổi lim  1,57 , Vậy với việc H 1 N H 0 N c c thay đổi đại lượng vật lí đặc trưng cho tính chất lưu chất ( Re, Pr,k , ), giới hạn N là: Nc < N < 1.57 Nc Ta thấy, lim 2.2 Các biện pháp tản nhiệt Qua Hình ta nhận thấy tăng 10°C làm giảm nửa tuổi thọ thiết bị Vì chế tạo máy phải quan tâm đến môi trường làm việc máy, thiết bị HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 điện tử Trong trình vận hành chắn có q trình tỏa nhiệt từ thiết bị điện tử tủ điều khiển Chúng ta khắc phục cách làm giảm nhiệt độ xung quang thiết bị Ta làm mát tủ điện theo cách: - Làm mát đối lưu tự nhiên: Dịng nhiệt từ mơi trường có nhiệt độ cao di chuyển sang môi trường mát cách tự nhiên nhiệt độ môi trường xung quanh vỏ tủ điện mát nhiệt độ bên tủ - Làm mát đối lưu cưỡng bức: Lượng nhiệt di chuyển từ khu vực có nhiệt độ cao đến khu vực có nhiệt độ thấp tăng lên quạt thơng gió để giảm sức cản nhiệt vách ngăn hai khu vực Các quạt thơng gió làm giảm nhiệt độ bên tủ điện cách làm mát đối lưu cưỡng Các quạt thơng gió làm mát tủ điện đưa bụi bẩn từ mơi trường bên vào bên tủ - Làm mát chủ động: Khi làm mát đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng khơng có đủ khả truyền nhiệt để làm mát thiết bị bên tủ điện, điều hịa khơng khí làm điều Điều hịa khơng khí tạo nên hệ thống khép kín Do đó, bảo vệ thiết bị bên tủ điện khỏi yếu tố môi trường bụi bẩn hay chất lỏng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Xây dựng mơ hình Cấu trúc xây dựng chương trình ANSYS CFX bao gồm bốn module để vẽ mơ hình hình học, chia lưới truyền thông tin cần thiết để thực phân tích thể Hình 3: Phần mềm vẽ mơ hình hình học Mơ hình vật rắn, lưu chất,… Chia lưới Phần mềm chia lưới ANSYS CFX-Pre (Tiền xử lý vật lý) ANSYS CFX-Solver (Giải toán) ANSYS CFX Components ANSYS CFX-Solver Manager (Quản lý toán CFD) Bài tốn CFD Thiết lập thơng số cho toán Giải toán ANSYS CFD-Post (Xuất kết xử lý) Hình Cấu trúc chương trình ANSYS CFX Xuất kết Hình Quy trình thực toán Đánh giá chất lượng lưới thực yêu cầu bao gồm chia lưới thô, chia lưới trung bình chia lưới mịn Tại mơ hình chia lưới đánh giá chất lượng theo tiêu chí “Element Quality” (lưới chất lượng/hiệu quả) “Orthogonal Quality”(chất lưới trực giao), tiêu chí chuẩn việc đánh giá trình truyền nhiệt ảnh hưởng nhiệt độ đến vật chất HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 (a) (b) (c) Hình Đánh giá chất lượng chia lưới theo tiêu chí “Element Quality” lưới thơ, trung bình mịn (a) (b) (c) Hình Đánh giá chất lượng chia lưới theo tiêu chí “Orthogonal Quality” lưới thơ, trung bình mịn Qua tiêu chí đánh giá, nghiên cứu chọn tiêu chí với mức lưới cao để tạo độ xác cho kết đạt Bảng So sánh kết mơ hình sau mesh lưới Kích thước lưới Số điểm lưới Số phần tử Thơ 21381 74167 Trung bình 63596 231238 Mịn 139660 534023 Trong đó, điều kiện ban đầu gồm: Dạng toán (Analysis Type) phù hợp cho toán ổn định (Steady State), Fluid and Particle Definitions Air (34°C, atm), Thiết lập INLET (Hình 3), OUTLET (Hình 4), Thiết lập nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt cho phần tử tủ điều khiển Bảng Bảng Nhiệt độ thông lượng nhiệt trước lắp hệ thống tản nhiệt Phần tử Mach Tấm phẳng TDK Noise Transitor Servopack Servopack Servopack Servopack Nguồn 24V Nguồn 110V Hệ số xạ 0,87 0,85 0,59 0,93 0,91 0,91 0,91 0,91 0,85 0,85 Nhiệt độ ban đầu (0C) 52,4 34 50,0 39,8 43,2 43,2 43,2 43,2 40,2 41,4 Cường độ xạ (W/m2) 566,78 428,11 364,12 504,82 515,79 515,79 515,79 515,79 463,76 470,90 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2 Bài tốn mơ hình tủ ban đầu Hình Mơ hình mẫu tủ điều khiển ban đầu Hình Kết nhiệt từ mơ hình tủ điều khiển ban đầu Hình Kết vận tốc gió từ mơ hình tủ điều khiển ban đầu Kết cho thấy: - Khi lỗ thơng gió hệ thống tủ điều khiển ban đầu thường dùng nằm phía sau lưng chắn mạch điện, điều cho thấy khơng khí giải nhiệt cho bề mặt mạch, khơng khí chuyển động hỗn loạn tủ (Hình 7), đồng thời khí nóng bên tủ khơng thể ngồi điều nguy hiểm cho tủ điều khiển hoạt động lâu dài - Đối với vận tốc gió, lượng gió hút trực tiếp vào thùng điều khiển, va đập trực tiếp với chắn tủ Điều làm ảnh hưởng nhiều đến chân hàn, mối hàn linh kiện HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Rõ ràng biện pháp thơng gió cịn nhiều khuyết điểm, chưa mang lại hiệu giảm nhiệt triệt trình hoạt động hệ thống tủ điều khiển Nhóm nghiên cứu đề xuất phương án giảm nhiệt cho tủ cách chuyển đổi quạt hút gió (từ bên ngồi vào thùng điện) từ phía sau lưng chuyển bên lưng tủ điện, đồng thời đưa thêm quạt hút (từ bên thùng bên ngồi) 3.3 Bài tốn mơ hình tủ với đề xuất Hình 10 Kết mơ nhiệt Hình 11 Kết mơ gió Bảng So sánh nhiệt độ vận tốc gió sau mơ mơ hình mesh lưới mịn Mach TDK Noise Transitor Servopack Servopack Servopack Servopack Nguồn 24V Nguồn 110V Nhiệt độ điểm cao ( 0C ) 38,760 39,677 36,904 37,813 38,128 38,206 38,179 36,531 38,455 Nhiệt độ trung bình ( 0C ) 36,596 37,102 35,882 36,562 36,900 36,949 36,771 35,809 36,377 Vận tốc gió trung bình (m/s) 0,589884 0,658993 0,872077 0,206318 0,180903 0,198582 0,320649 0,506980 0,371296 Vận tốc gió điểm cao (m/s) 1,737030 1,590090 2,101670 0,961881 0,938362 0,877097 0,920520 1,776730 1,006630 Kết mô cho thấy: - Việc thiết lập cánh quạt cạnh bên thùng giúp tản nhiệt tốt Đồng thời việc tạo lỗ trống bảng để treo thiết bị giúp khơng khí dễ lưu thơng, trao đổi nhiệt tốt nhiều so với mơ hình cũ Việc giảm lượng nhiệt giữ cho thiết bị hoạt động tốt hơn, đảm bảo độ bền tính ổn định thiết bị HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Khi hút khơng khí từ bên ngồi vào từ quạt hút bên hông thùng không va đập trực tiếp với linh kiện hút quạt hút lại từ bên bên KẾT LUẬN Nhiệt độ vận tốc gió mơ hình chia lưới có nhiệt độ chênh lệch nhỏ Cho thấy lời giải tốn hội tụ xác Dựa vào mục đích việc mơ để tính tốn, kết có tính xác cao, ta nên chọn mơ hình mesh lưới mịn Theo đặc tính truyền nhiệt thiết bị điện, trình chủ yếu xảy dạng đối lưu Và với việc sử dụng quạt thổi hút để tăng cường trao đổi nhiệt trình trở thành đối lưu cưỡng Dựa vào tính chất vật lý dịng nhiệt lượng, đề tài xếp lại thiết bị điện, bố trí lại quạt hút thổi so với mẫu sử dụng phịng thí nghiệm Cơ Học Ứng Dụng Sự thay đổi mang lại kết thay đổi rõ rệt, kết cho thấy khơng khí tủ lưu thơng đồng hơn, khơng khí làm mát từ bên ngồi đưa vào xác vị trí cần tiêu tán nhiệt,làm giảm nhiệt trực tiếp thiết bị điện Và nhiệt độ tủ đồng thời giảm theo Những nơi tiếp xúc gần quạt có vận tốc dịng lớn hơn, nên hệ số tỏa nhiệt lớn nhiệt độ giảm nhanh nơi khác Chúng ta thấy quạt mang khơng khí từ bên vào để giảm nhiệt đồng thời mang theo bụi bẩn khơng khí ẩm từ bên vào tủ điện, điều gây nguy hiểm cho thiết bị, linh kiện điện tử tủ Do đó, hạn chế vấn đề phát sinh này, nhóm nghiên cứu đề xuất thêm lưới lọc bụi cho quạt nhằm hạn chế tác nhân khác gây ảnh hưởng đến thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Thị Nam Hương - Bài giảng Nhiệt động lực học truyền nhiệt, Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh (link giảng : https://text.123doc.org/document/4610310nhiet-dong-luc-hoc-va-truyen-nhiet-ths-hoang-thi-nam-huong-dh-bach-khoa-tp-hcm.htm ) [2] Nguyễn Thị Bảy - Bài giảng Cơ lưu chất, Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh (link giảng: http://timtailieu.vn/tai-lieu/bai-giang-co-luu-chat-nguyen-thi-bay-43318/ ) [3] David C Wilcox (1998), Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries [4] Hermann Schlichting (2000), Boundary Layer Theory, Springer [5] John D Anderson (1995), Computational Fluid Dynamics - The basic with applications, McGraw - Hill Science/Engineering/Math [6] John F Wendt (2009), Computational Fluid Dynamics - An Introduction, Springer ... VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2 Bài tốn mơ hình tủ ban đầu Hình Mơ hình mẫu tủ điều khiển ban đầu Hình Kết nhiệt từ mơ hình tủ điều khiển ban đầu Hình Kết vận tốc gió từ mơ hình tủ điều khiển. .. (34°C, atm), Thiết lập INLET (Hình 3), OUTLET (Hình 4), Thiết lập nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt cho phần tử tủ điều khiển Bảng Bảng Nhiệt độ thông lượng nhiệt trước lắp hệ thống tản nhiệt Phần tử... VCME 2018 điện tử Trong trình vận hành chắn có q trình tỏa nhiệt từ thiết bị điện tử tủ điều khiển Chúng ta khắc phục cách làm giảm nhiệt độ xung quang thiết bị Ta làm mát tủ điện theo cách: