3.1. Mô hình thực nghiệm xác định đặc tr−ng truyền nhiệt và truyền ẩm
3.1.1. Cấu tạo mô hình
Mô hình thực nghiệm (hình 3.1) bao gồm 5 phần, đó là cơ thể ng−ời dạng mô phỏng, bộ phận tạo dòng không khí chuyển động, bộ phận đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, phần mềm điều khiển, phần mềm thu thập và hiển thị dữ liệu.
3.1.1.1. Cơ thể ng−ời dạng mô phỏng
Cơ thể ng−ời dạng mô phỏng bao gồm các bộ phận: khung cơ thể, bộ phận cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ, bộ phận cấp n−ớc và điều khiển tốc độ thoát hơi n−ớc. • Khung cơ thể
Phần khung cơ thể ng−ời mô phỏng gồm một hình trụ cơ thể ng−ời, hai đĩa cách nhiệt và chân đế (hình 3.2). Trong đó quan trọng nhất là hình trụ cơ thể ng−ời.
3 39 23 ,5 Φ15 3 Bình hình trụ Lớ p hút n−ớc Lõi nhiệt Lớ p không khí Chân đế Lỗ thoát hơi n−ớc Đĩa cách nhiệt Đĩa cách nhiệt
Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo khung cơ thể ng−ời dạng mô phỏng (đơn vị: cm) Xuất phát từ những yêu cầu đã đ−ợc đặt ra đối với mô hình thực nghiệm (mục 2.3.2.1), cơ thể ng−ời dạng mô phỏng trong mô hình thực nghiệm cần có sự t−ơng ứng nhất định về kích th−ớc và hình dạng với cơ thể ng−ời đã đ−ợc xác định trong bài toán mô phỏng. Tuy nhiên để giảm chi phí chế tạo và dễ dàng đảm bảo sự đồng đều của phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí trên bề mặt da mô phỏng, hình trụ cơ thể ng−ời trong mô hình thực nghiệm đ−ợc chọn có kích th−ớc chỉ bằng một nửa so với kích th−ớc của cơ thể ng−ời trong bài toán mô phỏng. Nh− vậy, hình trụ cơ thể ng−ời trong mô hình thực nghiệm có đ−ờng kính ngoài là 15 cm và chiều cao là 39 cm.
Hình trụ cơ thể ng−ời dạng mô phỏng có cấu tạo gồm hai lớp là lõi nhiệt và lớp truyền nhiệt (bao gồm cả lớp vỏ hay còn gọi là lớp da).
Lớp vỏ mô phỏng lớp da của cơ thể ng−ời cần có khả năng truyền nhiệt và thoát hơi n−ớc. Trên thực tế, để đảm bảo đồng thời cả hai chức năng này, có thể tạo lớp da cứng bằng nhựa xốp kết hợp với một lớp vật liệu hút n−ớc ở bên trong [83] hoặc lớp da bằng kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao và đục các lỗ nhỏ để thoát hơi n−ớc [74], [82] hoặc đơn giản hơn là tạo lớp da mềm bằng vải waterproof breathable chống thấm n−ớc và chỉ cho hơi n−ớc đi qua [42]. Để cơ thể ng−ời dạng mô phỏng vừa có khả năng ổn định hình dạng tốt vừa có thể thoát hơi n−ớc dễ dàng, ph−ơng án đ−ợc lựa chọn cho mô hình thực nghiệm của luận án là thiết kế lớp da gồm 2 lớp, gồm 1 lớp vật liệu hút n−ớc ở trong, bên ngoài là 1 lớp kim loại có hệ số dẫn nhiệt cao và bề mặt của nó đ−ợc khoan các lỗ nhỏ để thoát hơi n−ớc.
Lớp ngoài của da đ−ợc chọn là lớp kim loại bằng đồng thau có dạng hình trụ tròn, đ−ờng kính ngoài 15 cm, chiều cao 39 cm, chiều dày 0,75 cm. Bề mặt xung quanh của nó đ−ợc khoan các lỗ nhỏ đ−ờng kính 0,1 cm để làm các lỗ thoát hơi n−ớc. Vị trí các lỗ thoát hơi n−ớc đ−ợc thể hiện ở hình P7.1 của Phụ lục 7.
Lớp vật liệu hút n−ớc là một loại foam có khả năng hút n−ớc rất tốt. Lớp vật liệu này đ−ợc cắt thành hình trụ rỗng có đ−ờng kính ngoài và chiều cao bằng so với hình trụ bằng đồng thau và chiều dày 1,5 cm. Hình trụ bằng foam này đ−ợc đặt vào bên trong hình trụ bằng đồng thau. Một số thông số kỹ thuật của loại foam này đ−ợc thể hiện trong bảng P7.3 của Phụ lục 7.
Lõi nhiệt là một hình trụ tròn, đứng mô phỏng phần lõi nhiệt của cơ thể ng−ời. Nhiệt độ bề mặt lõi nhiệt đ−ợc duy trì ổn định ở 37±0,5 0C. Với cấu trúc lớp da nh− trên thì lớp truyền nhiệt bao gồm một lớp không khí hình trụ rỗng nằm giữa lõi nhiệt và lớp vỏ, lớp vật liệu hút n−ớc và lớp ngoài của da bằng đồng thau.
Để tránh tổn thất nhiệt ở hai đầu hình trụ, có thể sử dụng ph−ơng pháp bù nhiệt hoặc ph−ơng pháp cách nhiệt. Tuy nhiên, việc chế tạo bộ phận bù nhiệt rất phức tạp và tốn kém. Trong tr−ờng hợp này, ph−ơng pháp cách nhiệt đã đ−ợc lựa chọn do đơn giản và dễ thực hiện hơn. Hai đĩa bằng nhựa cách nhiệt có chiều dày 3 cm, đ−ờng kính ngoài 15 cm đã đ−ợc sử dụng để lắp vào hai đầu hình trụ cơ thể ng−ời.
Để có thể xác định đ−ợc đặc tr−ng truyền nhiệt và truyền ẩm của các kết cấu có lớp không khí có chiều dày nhất định giữa các lớp vải, sử dụng các băng xốp cách nhiệt có chiều rộng 5 cm và chiều dày 0,4 cm quấn bên ngoài hai đĩa cách nhiệt của bình hình trụ. Các băng xốp này vừa có tác dụng tránh tổn thất nhiệt tại chỗ hở phía trên và phía d−ới của kết cấu vừa có tác dụng định vị kết cấu lớp trên hình trụ.
Hình trụ cơ thể ng−ời đ−ợc đặt trên một chân đế để đảm bảo sự ổn định của mô hình khi đo. Một van xả và hệ thống ống dẫn đ−ợc bố trí ở đĩa cách nhiệt phía d−ới vừa để thu hồi l−ợng n−ớc ng−ng tụ trong bình vừa để có thể dễ dàng tháo n−ớc ra khỏi bình khi cần thiết.
• Bộ phận cấp nhiệt và điều khiển nhiệt độ
Bộ phận cấp nhiệt đ−ợc đặt trong lõi nhiệt để cấp nhiệt cho lõi. Yêu cầu đối với bộ phận cấp nhiệt cần phải đảm bảo nhiệt độ bề mặt lõi nhiệt luôn đ−ợc duy trì ổn định ở 37±0,50C, đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ trên bề mặt hình trụ, ít tổn thất nhiệt, dễ điều khiển nhiệt độ và thời gian để dòng nhiệt ổn định không quá lâu (không quá 45 phút).
Thông th−ờng có thể cấp nhiệt cho thiết bị đo theo ba hình thức truyền nhiệt chủ yếu, đó là cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt, đối l−u hoặc bức xạ. Trong tr−ờng hợp này, ph−ơng pháp cấp nhiệt chủ yếu bằng dẫn nhiệt đã đ−ợc lựa chọn do dễ thực hiện và dễ đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ hơn. Lõi nhiệt có cấu tạo gồm 1 hình trụ bằng đồng thau, ở giữa là dây điện trở đ−ợc quấn xung quanh một lõi bằng sứ, các khoảng trống còn lại trong hình trụ đ−ợc đổ đầy cát mịn và khô.
Đ−ờng kính lõi nhiệt đ ợc tính toán sơ bộ từ bài toán truyền nhiệt trong mô − hình thực nghiệm (mục 2.3.2.2) để đảm bảo điều kiện nhiệt độ bề mặt hình trụ nằm trong phạm vi từ 30ữ34 0C. Giả thiết là l−ợng nhiệt đ−ợc truyền đi bằng ph−ơng thức thoát hơi n−ớc trên bề mặt là không thay đổi theo nhiệt độ bề mặt da. Sử dụng phần mềm ANSYS CFX để mô phỏng sự truyền nhiệt từ bề mặt lõi nhiệt của mô hình ra môi tr−ờng bên ngoài với một số kích th−ớc đ ờng kính lõi nhiệt khác nhau. Kết quả − cho thấy: khi thay đổi đ−ờng kính lõi nhiệt từ 6,5 đến 7,5 cm thì nhiệt độ bề mặt hình trụ cơ thể ng−ời thay đổi từ 32,28 đến 32,42 0C (bảng P7.5). Từ kết quả thử
nghiệm này, kích th−ớc lõi nhiệt đ ợc chọn nh− sau: đ−ờng kính ngoài là 7 cm, − chiều cao 39 cm và chiều dày 0,5 cm.
Bề mặt lõi nhiệt đ−ợc đảm bảo cách điện tốt vì lõi nhiệt luôn phải tiếp xúc với hơi n−ớc. Lõi nhiệt có công suất điện tối đa 330W với điện áp nguồn 220V. Nhiệt độ bề mặt của lõi nhiệt đ−ợc điều khiển ổn định ở 37±0,50C theo nguyên tắc điều khiển điện áp cấp cho lõi nhiệt với phần mềm vi xử lý và điều khiển viết bằng ngôn ngữ C+ .
• Bộ phận cấp n−ớc và điều khiển tốc độ thoát hơi n ớc −
N−ớc đ ợc cấp vào bình hình trụ nhờ một máy bơm với một đầu nén và bốn − đầu phun. Các đầu phun đ−ợc phân bố đều trong khoảng trống giữa lõi nhiệt và lớp hút n−ớc của hình trụ cơ thể ng−ời. N−ớc qua đầu phun đ−ợc xé thành các tia n−ớc rất nhỏ và thấm vào lớp hút n−ớc ở trong bình hình trụ. N−ớc từ lớp hút n−ớc sẽ bay hơi và thoát qua các lỗ thoát mồ hôi của lớp da ra ngoài.
Để hơi n−ớc thoát qua lớp da với tốc độ ổn định (không đổi trong quá trình đo), áp suất nén của bơm phải ổn định để n−ớc đi qua đầu phun với tốc độ không đổi. Khi đó l−ợng hơi n−ớc thoát ra đ−ợc tính bằng l−ợng n−ớc cấp vào trừ đi l−ợng n−ớc thấm vào lớp hút n−ớc và trừ đi l−ợng n−ớc ng−ng tụ trong bình. áp suất nén của bơm đ−ợc điều chỉnh bằng thực nghiệm để đạt đ−ợc tốc độ thoát hơi n−ớc từ bề mặt hình trụ ổn định ở mức 120 g.m-2.h-1.
3.1.1.2. Bộ phận đo nhiệt độ và độ ẩm không khí
Để đạt đ−ợc các yêu cầu đối với mô hình thực nghiệm (mục 2.3.2.1), hệ thống đo và điều khiển của mô hình đ−ợc thiết kế theo sơ đồ hình 3.3.
Để đo nhiệt độ bề mặt và độ ẩm không khí trên bề mặt da mô phỏng, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí của hãng Sensirion (Thụy Sỹ) loại SHT11 đã đ−ợc sử dụng. Loại cảm biến này đ−ợc tích hợp cả tính năng đo nhiệt độ và độ ẩm trên một chip do vậy hạn chế đáng kể số l−ợng dây nối. Đầu đo nhiệt độ là loại bán dẫn và đầu đo độ ẩm là loại polyme tích điện. Cảm biến cho ra tín hiệu số, giá trị nhiệt độ Celsious và độ ẩm t−ơng đối. Độ bền và độ chính xác của loại cảm biến này không bị ảnh h−ởng bởi sự ng−ng tụ chất lỏng trên đó. Các thông số kỹ thuật của cảm biến SHT11 đ−ợc thể hiện trong hình P7.3 và bảng P7.1 của Phụ lục 7.
Cảm biến nhiệt độ bề mặt da Máy in M áy tí nh
Cảm biến nhiệt độ bên tron g
Cảm biến độ ẩm bề mặt da Cảm biến nhiệt độ xung quanh Cảm biến độ ẩm xung quanh
Cấp năng l ợn− g B ộ ph ậ n cấ p nh iệ t Màn hình
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống đo và điều khiển của mô hình
Để có thể xác định đ−ợc phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí trên bề mặt hình trụ cơ thể ng−ời, 16 cảm biến SHT11 đã đ−ợc sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí tại 16 điểm trên bề mặt hình trụ. Vì phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí là đối xứng qua mặt phẳng chứa các trục quạt và trục của hình trụ (kết quả kiểm tra tính đối xứng của các phân bố đ−ợc thể hiện trong bảng P8.1 của Phụ lục 8) nên các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm chỉ cần đặt ở một nửa của hình trụ. Các cảm biến đ−ợc bố trí thành 4 hàng dọc t−ơng ứng với vị trí góc ở tâm là 00, 600, 1200 và 1800.
Mỗi hàng dọc có 4 cảm biến xếp cách đều nhau. Khoảng cách theo ph−ơng thẳng đứng giữa các cảm biến là 7 cm, theo cung nằm ngang trên bề mặt hình trụ là 7,85 cm (hình P7.2 của Phụ lục 7).
Các cảm biến trên bề mặt hình trụ đ−ợc gắn chìm trong thành của hình trụ sao cho các đầu cảm biến nằm ngang bằng với bề mặt hình trụ và đầu đo nhiệt độ tiếp xúc tốt với thành lỗ đặt cảm biến.
Ngoài 16 cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trên bề mặt hình trụ, một cảm biến cùng loại đ−ợc sử dụng để đo nhiệt và độ ẩm không khí xung quanh. Vị trí đặt cảm biến này đ−ợc chọn sao cho không bị ảnh h−ởng bởi dòng không khí do quạt thổi.
Để đo nhiệt độ lõi nhiệt, 1 cảm biến đo nhiệt độ loại PT100 có độ chính xác ±0,2 0C đ−ợc gắn trên bề mặt bên trong lõi nhiệt tại vị trí chính giữa theo chiều cao lõi nhiệt. Tín hiệu đo từ cảm biến này đ−ợc xử lý bằng phần mềm vi xử lý để điều khiển hoạt động đóng mở rơ-le, đảm bảo sự ổn định của nhiệt độ bề mặt lõi nhiệt.
3.1.1.3. Bộ phận tạo dòng không khí chuyển động
Bộ phận này có chức năng tạo dòng không khí chuyển động ngang qua bề mặt hình trụ. Dòng không khí chuyển động cần bao hết bề mặt hình trụ và tốc độ gió ở hai nửa và dọc theo chiều cao hình trụ cần đồng đều.
Để đảm bảo các yêu cầu trên, ph−ơng án dùng 2 quạt đặt chồng lên nhau sao cho hai trục quạt nằm ngang và nằm trong cùng một mặt phẳng với trục của hình trụ đã đ−ợc lựa chọn. Đ−ờng kính cánh quạt là 23 cm, chiều cao của trục quạt phía d−ới là 30 cm, khoảng cách 2 trục quạt là 26,5 cm. Khoảng cách từ cánh quạt đến bề mặt phía tr−ớc hình trụ là 55 cm.
Để tạo dòng không khí chuyển động với tốc độ yêu cầu, hai quạt có công suất tối đa 250 W và một biến áp 12V đã đ−ợc sử dụng. Tốc độ chuyển động của dòng không khí đ−ợc điều khiển bằng phần mềm điều khiển điện áp qua động cơ quạt. Tốc độ chuyển động của dòng không khí có thể điều chỉnh đ−ợc 6 cấp từ 0ữ5 m.s-1.
Ngoài ra, để loại trừ ảnh h−ởng của sự chuyển động của không khí bên ngoài đến quá trình đo, hình trụ cơ thể ng−ời đ−ợc đặt trong một khung hình chữ U có kích th−ớc 100 x 80 x 60 cm.
Để hạn chế đến mức tối thiểu sự thay đổi hình dạng và chuyển động của vải do tác động của dòng không khí chuyển động trong quá trình đo, 6 sợi thép cứng có đ−ờng kính 2 mm và chiều dài 500 mm đã đ−ợc sử dụng để lồng vào giữa bề mặt phía trong lớp vải ngoài của kết cấu và các vòng xốp cách nhiệt ở hai đầu hình trụ. Vị trí của các sợi thép đ−ợc phân bố lệch so với vị trí đặt các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm.
3.1.1.4. Phần mềm vi xử lý và phần mềm thu thập- hiển thị dữ liệu
Phần mềm vi xử lý có chức năng điều khiển hoạt động của bộ phận cấp nhiệt, cấp n−ớc và động cơ quạt. Phần mềm đ−ợc viết bằng ngôn ngữ lập trình vi xử lý C+
Phần mềm thu thập- hiển thị dữ liệu có chức năng khởi động hệ thống, nhập các dữ liệu ban đầu, thu thập và hiển thị các dữ liệu đo. Phần mềm đ−ợc viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 và chạy đ−ợc trong môi tr−ờng Window 2000, Window
XP. Giao diện chính của phần mềm đ−ợc thể hiện trong hình P7.4.
Dữ liệu cài đặt ban đầu của phần mềm là tốc độ chuyển động của dòng không khí, giá trị của nó đ−ợc lựa chọn qua listbox “Wind Velocity”.
Các dữ liệu đầu ra của phần mềm bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm không khí trên bề mặt hình trụ theo thời gian, nhiệt độ và độ ẩm không khí xung quanh theo thời gian, nhiệt độ lõi nhiệt và công suất điện trung bình cấp cho lõi nhiệt theo thời gian.
Cửa sổ giao diện có 4 cột giá trị nhiệt độ và 4 cột giá trị độ ẩm, mỗi cột có 4 hàng, hiển thị nhiệt độ và độ ẩm t−ơng ứng của 16 cảm biến gắn trên bề mặt hình trụ. Cứ sau 30 giây các giá trị đo đ−ợc tự động cập nhật một lần.
Các dữ liệu đầu ra đ−ợc l−u ra file dạng text. Cửa sổ màn hình hiển thị kết quả đo có dạng cột. Theo thứ tự từ trái qua phải lần l−ợt là 32 cột giá trị nhiệt độ và giá
trị độ ẩm không khí tại 16 vị trí trên bề mặt hình trụ, 2 cột giá trị nhiệt độ và độ ẩm không khí xung quanh, 1 cột giá trị nhiệt độ lõi nhiệt, 1 cột giá trị công suất điện trung bình cấp cho lõi nhiệt và 1 cột thời gian (bảng 7.4 của Phụ lục 7).