Việc thiết kế chế tạo một sản phẩm nào đó đòi hỏi phải tạo ra nhiều sản phẩm thử nghiệm, sau đó làm các thí nghiệm để kiểm các tiêu chí đặt ra của từng sản phẩm, từ đó đưa ra thiết kế tối ưu nhất. Tuy nhiên những việc như vậy tốn rất nhiều thời gian, công sức và tiền bạc.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Tối ưu trình truyền nhiệt phương pháp lượng ứng dụng cho tủ điều khiển máy CNC Optimizing the heat transfer process by energy method - applying for control cabinets of CNC machines Võ 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: +84-8378637868; Mobile: 0973 184 199 Tóm tắt Từ khóa: Tủ điều khiển máy CNC, hệ thống truyền nhiệt, định luật bảo toàn lượng Việc thiết kế chế tạo sản phẩm địi hỏi phải tạo nhiều sản phẩm thử nghiệm, sau làm thí nghiệm để kiểm tiêu chí đặt sản phẩm, từ đưa thiết kế tối ưu Tuy nhiên việc tốn nhiều thời gian, cơng sức tiền bạc Do đó, việc mơ phỏng, tính tốn ứng xử sản phẩm chương trình máy tính dần phát triển thay cách làm truyền thống Các kết 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 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 toàn cho người sử dụng Đây giải pháp phù hợp với xưởng quy mô nhỏ, hệ thống làm lạnh Abstract Keywords: Control cabinets of CNC machines; heat transfer system; principle of energy conservation Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 Designing and manufacturing a certain product definitely requires many experimental ones, and then doing some experiments to examine specifications of each product and proposing the optimal design However, too much time, labour and money should be invested into such activities Therefore, emulating and calculating behaviors of these products by computerizing has increasingly become more popular than the traditional method The results of emulating and calculating temperatures, speed of air flow in the cabinets to identify the main causes of high temperatures, after that proposing some heat reduction methods Establishing heat elimination systems for control cabinets Although the reduction is not so significant as in air conditioning system, it does save money, energy, and is safe for users This is the most appropriate solution for smallscaled workshop which does not have cooling system HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 GIỚI THIỆU Quá trình trao đổi nhiệt tủ điều khiển thường chia làm giai đoạn bao gồm: Giai đoạn 1: Trong trình thiết bị điện tử tủ điện hoạt động sản sinh nhiệt lượng dòng điện chạy qua, làm cho nhiệt độ thiết bị tăng cao Lúc xuất chênh lệch nhiệt độ,nhiệt độ thiết bị điện cao nhiệt độ không khí xung quanh Chính chênh lệch nhiệt độ dẫn đến trình truyền nhiệt Nhiệt lượng từ thiết bị điện truyền sang môi trường thông qua phần tử chất khí bao bọc xung quanh lớp vỏ thiết bị điện Quá trình truyền nhiệt xảy hình thức dẫn nhiệt Giai đoạn 2: Sau nhận nhiệt lượng, phần tử chất khí bao bọc xung quanh thiết bị điện tiếp tục truyền nhiệt lượng qua phần tử chất khí khác tủ điều khiển làm cho nhiệt độ không khí bên tủ điều khiển tăng lên Q trình làm cho nhiệt độ khơng khí bên lớn nhiệt độ bên ngồi vỏ tủ, chúng lại có chênh lệch áp suất có trao đổi khơng khí bên ngồi với bên Các phần tử khơng khí tủ có nhiệt độ cao tăng thể tích lên,dẫn đến khối lượng riêng nhẹ nên bốc lên cao, tạo vùng chân khơng phía tủ điều khiển khơng khí bên ngồi tràn vào chổ Ở phía phần tử khơng khí bị dồn ép có áp suất lớn khơng khí bên ngồi ngồi theo khe hở quạt hút gió phía Quá trình diễn hình thức đối lưu Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiệt độ khơng khí tủ cao nhiệt độ thiết bị điện Thì nhiệt lượng thiết bị khơng phát tán bên khiến nhiệt độ thân chúng lại tăng lên hấp thu ngược lại từ nơi có nhiệt độ mơi trường cao Vậy muốn đảm bảo nhiệt độ làm việc cho thiết bị điện tối ưu, trình trao đổi nhiệt phải xảy thật hiệu Quá trình truyền nhiệt phụ thuộc trực tiếp từ chênh lệch nhiệt độ thiết bị điện môi trường xung quanh Sự chênh lệnh cao, trình truyền nhiệt diễn nhanh chóng Các giải pháp tối ưu thường sử dụng sau: Sắp xếp thiết bị điện dựa nguyên lý động học khối khí, khối lượng riêng khơng khí D = m/v, D khối lượng riêng, đơn vị kg/m3; m khối lượng, đợn vị kg; V thể tích, đơn vị m3 Thì nhiệt độ tăng thể tích V tăng dẫn đến khối lượng riêng khơng khí nhẹ lên Do đó, phía tủ điện nhóm nghiên cứu xếp thiết bị tỏa nhiệt lên ( mạch BOB Mach3, chống nhiễu EMC Filters for AC Power Line ZAC00U ), thiết bị tỏa nhiệt lớn để phía Biện pháp thứ 2: Do tác động nhiệt làm cho khí giãn nở tạo nên dịch chuyển khơng khí Đối với tủ điều khiển có khe hở có lượng khí ngồi lượng khí từ ngồi vào phịng Tỷ số lưu lượng khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối ngồi phịng, dựa vào lượng tỏa thành phần hệ để có lượng tỏa/thu nhiệt (hút vào/thốt ra) hợp lý theo định lý (1) Qout Tout Qin Tin (1) Trong đó: Qout lưu lượng thể tích khơng khí từ tủ (m3/s); Qin lưu lượng thể tích khơng khí từ ngồi vào (m3/s); Tout nhiệt độ khói khỏi phịng (K); Tin nhiệt độ khơng khí vào phịng (K) Nghiên cứu dựa vào phương pháp lượng để đánh giá q trình truyền nhiệt tối ưu hóa tác dụng nhiệt tủ điều khiển máy CNC Các kết bước đầu cho thấy giá trị nhiệt sau tối ưu phương pháp lượng ưu việt hẳn mơ hình cũ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên lý vật lý: Năng lượng bảo toàn Phát biểu nguyên lý định luật thứ nhiệt động lực, mà ứng dụng cho phần tử lưu chất chuyển chuyển động với dịng suất biến đổi lượng phần tử lưu chất dòng tịnh nhiệt vào phần cộng với suất công thực phần tử lực khối lực mặt Hoặc hiểu theo (2): A = B + C (2) Trong A, B, C biểu thị số hạng tương ứng Trước hết đánh giá C, tức nhận biểu thức cho suất công thực phần tử lưu chất chuyển động lực mặt Có thể thấy suất cơng thực lực tác động vật thể chuyển động tích lực thành phần vận tốc hướng lực Do suất công thực lực khối tác động lên phần tử lưu chất chuyển động với vận tốc V f V dx.dy.dz Với lưu ý tới lực mặt, xét lực hướng x Hình Suất công thực phần tử lưu chất chuyển động áp suất lực ứng suất theo hướng x, đơn giản thành phần vận tốc u nhân với lực Để nhận suất rịng cơng thực phần tử chất lưu chất lực mặt, ý lực hướng x dương thực cơng dương lực hướng x âm thực cơng âm Dó so sánh lực áp suất mặt adhe bcgf Hình 1, suất rịng cơng thực áp suất hướng x: up up dxdydz up up dydz x x (3) Tương tự suất rịng cơng thực ứng suất hướng x mặt abcd efgh u yx u yx u yx dy u yx dxdz dxdydz y y (4) Xét tất lực mặt đưa vào Hình 1, suất rịng công thực phần tử lưu chất chuyển độngdo lực đơn giản: up u xx u yx u zx dxdydz x x y z (5) Biểu thức xét lực mặt theo hướng x Khi xét lực mặt hướng y z, nhận biểu thức thương tự HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Hình Dịng lượng liên quan đến phần tử lưu chất vô bé chuyển động Tổng quát, ứng suất tĩnh công thực phần tử lưu chất chuyển động tổng đóng góp lực mặt hướng x, y z, đóng góp lực khối Khi đó, C biểu thức (2) xác định (6) up up up u u yx u xx zx x y z x y z dxdydz f V dx.dy.dz (6) C v xy v yy v w xy w yx w zx zz y z x y z x Tiếp theo xét B phương trình (2), tức thơng lượng tịnh nhiệt vào phần tử Thông lượng nhiệt do: thứ để đốt nóng thể tích hấp thụ phát xạ xạ, thứ hai để truyền nhiệt qua bề mặt gradient nhiệt độ, tức dẫn nhiệt, cho q ứng suất bổ sung nhiệt thể tích đơn vị khối lượng Số hạng B phương trình (2) tổng phương trình (7) q q q B q x y z dxdydz y z x T Trong đó: qi K i ; i x z T B q K x x T K y y T K dxdydz z z (7) (8) Cuối A phương trình (2) biểu thị suất biến đổi theo thời gian lượng phần tử lưu chất Năng lượng toàn phần lưu chất chuyển động khối lượng đơn vị HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 tổng nội đơn vị khối lượng e, động khối lượng đơn vị V2/2 Do lượng tồn phần (e + V2/2) A xác định (9) D V2 (9) A e dxdydz Dt Từ (2) thay biểu thức (9), (8) (6), (10) thể định luật bảo tồn cho q trình truyền nhiệt T T T D V2 e dxdydz q K K K dxdydz Dt x x y y z z up up up u u yx u xx zx y z x y z x dxdydz v xy v yy v zx w xy w yx w zz y z x y z x f V dx.dy.dz (10) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Bài tốn mơ nhiệt tủ điều khiển với hệ thống thơng gió truyền thống Thiết lập nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt cho phần tử tủ điều khiển 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 Thiết lập toán với quạt thổi khơng khí từ bên ngồi vào tủ điều khiển quạt hút khí nóng từ bên tủ điều khiển bên theo mẫu truyền thống Với mơ hình truyền thống với quạt có chức làm mát cho tủ bao gồm: Quạt 1: hút khí từ bên ngồi vào làm mát cho tủ (tủ, linh kiện điện tử tủ) Tuy nhiên, với mơ hình khí thổi vào bị chắn tấp chắn dẫn đến khí làm mát bên tủ điều khiển Ngồi ra, thổi trực tiếp vào tủ quạt đồng thời mang theo nhiều bụi khơng khí ảnh hưởng đến chất lượng tuổi thọ tủ Quạt 2: Hút khí nóng từ bên tủ điều khiển bên ngoài, nhiên hầu hết khí nóng tập trung xuống đáy thùng Hình Do đó, biện pháp khơng đạt hiệu mong muốn tất khối khí nóng tồn tủ điều khiển HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Hình mơ hình với quạt gió truyền thống Các kết mơ cho thấy phân bố nhiệt độ tủ điện Hình 3, phân tích trên, hầu hết độ nóng tập trung bo mạch card điều khiển Hình Kết nhiệt từ mơ hình tủ điều khiển ban đầu Hình Kết vận tốc gió từ mơ hình tủ điều khiển ban đầu 3.2 Bài tốn mơ nhiệt với đề xuất cải tiến sau mô PP lượng Để giải vấn đề trên, tiến hành đề xuất đưa quạt bên hông tủ điện với mơ Hình 5, quạt hút bên hơng đưa khí từ bên ngồi vào quạt hút khí nóng từ tủ điện bên ngồi Tiến hành mơ với kiểu lưới thơ, trung bình mịn, kết sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 (a) (b) Hình Kết Mesh lưới mơ hình lưới, thơ, trung bình, mịn (c) (a) (b) (c) Hình Kết nhiệt từ mơ hình mesh lưới thơ, trung bình mịn theo phương chiếu nghiêng (a) (b) (c) Hình Kết nhiệt từ mơ hình mesh lưới thơ, trung bình mịn theo phương chiếu đứng Bảng So sánh nhiệt độ ban đầu nhiệt độ điểm có nhiệt độ cao Mach TDK Noise Transitor Servopack Servopack Servopack Servopack Nguồn 24V Nguồn 110V Nhiệt độ ban đầu (0C) 52,4 50,0 39,8 43,2 43,2 43,2 43,2 40,2 41,4 Nhiệt độ mơ hình Mesh thơ (0C) 37,279 36,422 36,286 37,000 37,156 37,358 37,050 36,003 36,975 Nhiệt độ mơ hình Mesh trung bình (0C) 38,301 37,243 36,682 37,721 37,877 38,275 37,882 36,272 37,845 Nhiệt độ mơ hình Mesh mịn (0C) 38,760 39,677 36,904 37,813 38,128 38,206 38,179 36,531 38,455 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Bảng So sánh nhiệt độ ban đầu nhiệt độ trung bình sau mơ Nhiệt độ ban đầu (0C) 52,4 50,0 39,8 43,2 43,2 43,2 43,2 40,2 41,4 Mach TDK Noise Transitor Servopack Servopack Servopack Servopack Nguồn 24V Nguồn 110V Nhiệt độ mơ hình Mesh thơ (0C) 35,818 35,559 35,309 36,063 36,194 36,201 35,958 35,463 35,761 (a) Nhiệt độ mơ hình Mesh trung bình (0C) 36,191 36,145 35,637 36,389 36,699 36,689 36,445 35,650 36,169 Nhiệt độ mơ hình Mesh mịn (0C) 36,596 37,102 35,882 36,562 36,900 36,949 36,771 35,809 36,377 (b) (c) Hình Kết vận tốc gió từ mơ hình mesh thơ, trung bình mịn Bảng Kết mơ vận tốc gió mơ hình mesh, thơ, trung bình mịn Mach TDK Noise Transitor Servopack Servopack Servopack Servopack Nguồn 24V Nguồn 110V Mesh thơ Vận tốc gió Vận tốc gió trung bình điểm cao (m/s) (m/s) 1,807910 0,705220 1,318190 0,626915 1,786790 0,828671 0,672687 0,229693 0,725071 0,256772 0,697478 0,268579 0,732693 0,347278 1,534920 0,624966 0,818656 0,430046 Mesh trung bình Vận tốc gió Vận tốc gió trung bình điểm cao (m/s) (m/s) 1,788540 0,635119 1,336870 0,668104 1,954110 0,866744 1,136140 0,239836 0,941319 0,197325 0,920011 0,222332 1,126600 0,347841 1,659150 0,534261 0,968614 0,406005 Mesh mịn Vận tốc gió Vận tốc gió trung bình điểm cao (m/s) (m/s) 1,737030 0,589884 1,590090 0,658993 2,101670 0,872077 0,961881 0,206318 0,938362 0,180903 0,877097 0,198582 0,920520 0,320649 1,776730 0,506980 1,006630 0,371296 - Nhiệt độ vận tốc gió mơ hình chia lưới có nhiệt độ có chênh lệch nhỏ Cho thấy lời giải tốn hội tụ xác với phương pháp bảo tồn lượng trình bày phần khở lý thuyết - 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 dòng nhiệt lượng, đề tài xếp lại thiết bị điện, bố trí lại quạt hút thổi so với mẫu sử dụng phòng thí nghiệm Cơ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME2018 Học Ứng Dụng Sự thay đổi mang lại kết thay đổi rõ rệt,các 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 - Nhiệt độ thiết bị giảm so với nhiệt độ ban đầu chưa thiết lập hệ thống tản nhiệt giảm đáng kể Giữa Servopack có nhiệt độ chênh lệch Servopack 1, gần quạt nên tản nhiệt nhiều Điều cho thấy mặt hạn chế phân bố vị trí thiết bị theo phương ngang Lượng khơng khí khuếch tán theo phương ngang bị chặn thiết bị có kích thước lớn xếp sát nhau,vì cần xác định khoảng cách tối thiểu thiết bị để luồng khơng khí vào có đảm bảo việc thay lượng khơng khí có nhiệt độ cao khuếch tán tiếp tục đến nơi có nhiệt độ cao khác - Những nơi tiếp xúc gần quạt có vận tốc dòng lớn hơn, nên hệ số tỏa nhiệt lớn nhiệt độ giảm nhanh nơi khác.Vì quạt mang khơng khí từ bên ngồi vào để giảm nhiệt, nên mang theo bụi bẩn khơng khí ẩm từ bên ngồi vào Nên hạn chế vấn đề cách lắp thêm lưới lọc bụi cho quạt KẾT LUẬN Với giải pháp trên, tác giả sâu nghiên cứu giải pháp thiết kế hệ thống tản nhiệt cho tủ điều khiển thông qua việc mô tính tốn phần mềm Ansys CFX Các kết 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 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 toàn cho người sử dụng Đây giải pháp phù hợp với xưởng quy mô nhỏ, khơng có hệ thống làm lạnh 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 [2] Nguyễn Thị Bảy - Bài giảng Cơ lưu chất, Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Thị Lê - Giáo trình thơng gió, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [4] Nguyễn Việt Hùng - Nguyễn Trọng Giảng, ANSYS & mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, NXB Khoa học kỹ thuật [5] David C Wilcox (1998), Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries [6] Hermann Schlichting (2000), Boundary Layer Theory, Springer [7] John D Anderson (1995), Computational Fluid Dynamics – The basic with applications, McGraw - Hill Science/Engineering/Math [8] John F Wendt (2009), Computational Fluid Dynamics – An Introduction, Springer [9] Các hệ số xạ - http://www.infrared-thermography.com [10] DTTN CFD - TrongTan - https://vncfdgroup.wordpress.com/category/cfd-khi-dộnglực-học-tinh-toan [11] Nhiệt độ lượng mưa trung bình Thành phố Hồ Chí Minh http://worldweather.wmo.int/en/city.html?cityId=309 ... cứu dựa vào phương pháp lượng để đánh giá trình truyền nhiệt tối ưu hóa tác dụng nhiệt tủ điều khiển máy CNC Các kết bước đầu cho thấy giá trị nhiệt sau tối ưu phương pháp lượng ưu việt hẳn mơ hình... tiếp tục truyền nhiệt lượng qua phần tử chất khí khác tủ điều khiển làm cho nhiệt độ khơng khí bên tủ điều khiển tăng lên Quá trình làm cho nhiệt độ khơng khí bên lớn nhiệt độ bên ngồi vỏ tủ, chúng... Bài tốn mơ nhiệt tủ điều khiển với hệ thống thông gió truyền thống Thiết lập nhiệt độ, hệ số dẫn nhiệt cho phần tử tủ điều khiển Bảng Nhiệt độ thông lượng nhiệt trước lắp hệ thống tản nhiệt Phần