6
Không những vậy chất lượng của sản phẩm được làm từ máy cnc có độ tinh xảo và tỷ mỉ không kém gì sản phẩm được làm ra từ bàn tay tài hoa của những người thợ mộc lành nghề. Bên cạnh đó máy cnc còn có thể gia công những chi tiết máy bị hỏng mà không có phụ tùng thay thế, vì vậy nó được ứng dụng chủ yếu trong những công ty chế tạo và cung cấp phụ tùng máy. [6]
1.2. Giới thiệu về thiết kế sinh học
Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời… [7]
Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950. Trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982. [7]
Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. [7]
Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Đã có rất nhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật.
1.2.1. Giới thiệu cây bông súng
Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng.
7
Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng).
Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ. Cây đã lan rộng qua các nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma.
Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền.
Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưa thưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng. Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá. Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân. [8]
1.2.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo
Hình 1.2: Ghế Bướmthiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award 2012-2013. [7]
8
Mặc dù bề ngoài cồng kềnh của cá hộp, nó có sức cản dòng chảy thấp và hệ số cản đáng kinh ngạc là 0,06. Trong khi đó, chim cánh cụt bơi trong nước có hệ số 0,19.
Vào năm 2005, lấy cảm hứng từ sức mạnh cấu trúc tuyệt vời và khối lượng thấp của cá hộp, Mercedes Benz đã phát triển Xe Bionic, được báo cáo là giảm lực cản, có độ cứng lớn, trọng lượng thấp và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với các loại xe truyền thống.
Tất nhiên, chỉ vì một cái gì đó có vẻ giống như thiết kế hoàn hảo trong thế giới tự nhiên, không nhất thiết có nghĩa là nó hoạt động theo cách đó trong thiết kế công
nghiệp. Bạn có thể nhận thấy sự thiếu vắng rõ rệt của các phương tiện có hình dạng Ôtô Bionic trên đường, có thể là do một nghiên cứu năm 2015 cho thấy hình dạng của cá nắp hòm không làm giảm lực cản chút nào và thực sự khiến nó không ổn định hơn. [7]
Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm. [7] lấy cảm hứng từ cá nắp hòm. [7]
9
Hình 1.5:Chim bói cá và tàu Shinkansen. [7]
Nhật Bản nổi tiếng với tốc độ và hiệu quả đáng kinh ngạc của các chuyến tàu của họ. Tuy nhiên, với tốc độ vượt quá 300km / h, tàu cao tốc đã gây ra một vấn đề trong việc tạo ra âm thanh bùng nổ lớn mỗi khi chúng xuất hiện từ một đường hầm. Một kết quả đáng tiếc của việc thay đổi áp suất không khí, nguồn ô nhiễm tiếng ồn này đã làm phiền rất nhiều cư dân địa phương và gây áp lực lên các kỹ sư trong việc giải quyết vấn đề. [7]
Họ đã làm điều này, và lấy cảm hứng từ một nguồn khá khó hiểu: Chim bói cá. Bói cá là bậc thầy trong việc di chuyển giữa môi trường nước trong không khí, với rất ít nước bắn. Cũng giống như Kingfisher, tàu cao tốc Shinkansen được trang bị một chiếc mũi hình mỏ dài. Điều này làm giảm đáng kể tiếng ồn mà tàu tạo ra, nhưng cũng sử dụng ít điện hơn 15% và di chuyển nhanh hơn 10% so với trước đây. [7]
Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình. Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự
10
thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay. [7]
Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn. Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau. [7]
Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim. [7]
11
Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi.
Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M- amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C). Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên. [7]
1.3. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 1.3.1. Các định nghĩa. 1.3.1. Các định nghĩa.
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh.
Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công.
Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các chất này có nhiệt độ khác nhau. [9]
12
Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước:
- Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1. - Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2.
- Dùng dấu “′” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1′; ϕ2′.
- Dùng dấu “″” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1″; ϕ2″. Ví dụ: Cl1, t1 ', t1'', Cl2, t2 ', t2 ''.
1.3.2. Phân loại các TBTĐN.
1.3.2.1. Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN.
TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất
tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp. Ví dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi. [9]
TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc
chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt. Quá trình TĐN là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt. Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. [9]
TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất
lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt. Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ. [9]
TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất
lỏng nóng đến chất lỏng lạnh. Môi chất trong các ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng
13 rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình. Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2. [9]
Ví dụ:
a. Bình gia nhiệt hỗn hợp (TBTDN Tiếp xúc) b. Thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt (TBTDN hồi nhiệt) c. Bình ngưng ống nước (TBTDN vách ngăn) d. Lò hơi ống nhiệt (TBTDN kiểu ống nhiệt)
1.3.2.2. Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại TBTĐN có vách ngăn.
a. Sơ đồ song song cùng chiều. b. Sơ đồ song song ngược chiều. c. Sơ đồ song song đổi chiều. d. Sơ đồ giao nhau 1 lần. e. Sơ đồ giao nhau nhiều lần.
1.3.2.3. Phân loại TBTĐN theo thời gian.
- Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ).
1.3.2.4. Phân loại TBTĐN theo công dụng.
- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi).
- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu).
- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh). [9]
14
1.4. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu 1.4.1. Tính cấp thiết của đề tài 1.4.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, xu hướng của thế giới là thu nhỏ kích thước của các thiết bị, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng. Thực tế hiện nay, các bộ trao đổi nhiệt có kích thước lớn chiếm một diện tích lớn nhưng hiệu suất trao đổi nhiệt không cao. Vì vậy, nếu cần tăng công suất giải nhiệt đồng nghĩa với việc tăng kích thước thiết bị, điều này không phải là lựa chọn tối ưu. Do đó, chúng ta phải nghiên cứu một bộ trao đổi nhiệt có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn với kích thước nhỏ hơn và chi phí phải phù hợp.
1.4.2. Lý do chọn đề tài
Sau khi tìm hiểu và nhận thấy ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt theo thiết kế sinh học. Với ý tưởng ứng dụng thiết kế sinh học của thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt, chúng em hi vọng sẽ nâng cao hiệu suất truyền nhiệt của ống trao đổi nhiệt. Vì vậy, chúng em quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và mô phỏng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện”
1.4.3. Mục đích nghiên cứu
Tính toán được kích thước tối ưu cho quá trình trao đổi nhiệt xảy ra tốt nhất và thực hiện quy trình lấy số liệu từ quá trình thử nghiệm thực tế từ đó so sánh với kết quả đã mô phỏng bằng phần mêm Ansys để đưa ra kết luận.
1.4.4. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được CNC từ nhôm theo kích thước 1 phần cây bông súng.
1.4.5. Phạm vi nghiên cứu
Trong đồ án này, với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em sẽ nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến thân cây bông súng trong ống trao đổi nhiệt đến khả năng truyền nhiệt. Dựa theo thiết kế sinh học của thân cây bông súng chúng em mong muốn mô phỏng lại cấu trúc này nhầm tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất cao.
1.5. Các phần mềm hỗ trợ
15
Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việc thiết
kế và xây dựng mô hình 3D.
Phần mềm Ansys 2014: Phần mềm Ansys hỗ trợ trong việc mô hình hoá các vấn đề
về dòng chảy của lưu chất nén được và không nén được, chảy tầng và chảy rối.
Phần mềm Minitab 19: Phần mềm minitab hỗ trợ trong việc xử lí kết quả sau quá
16
CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới 2.1. Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới
2.1.1. Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt
Dưới đây là 1 bài nghiên cứu khoa học về cơ sở phỏng sinh học cho các cấu trúc trao đổi nhiệt lấy cảm hứng từ thiết kế lá thực vật:
Bài nghiên cứu đến từ trường Nghệ thuật và Khoa Sinh học Myers, Trung tâm Nghiên cứu và Đổi mới Biomimicry, Đại học Akron, Akron, OH 44325, Hoa Kỳ. Thiết kế sinh học được phỏng theo hình dạng lá cây sồi, từ đó nghiên cứu ra quá trình trao đổi nhiệt với môi trường. Mục tiêu của thí nghiệm này là để định lượng sự khác biệt về hình dạng giữa lá che nắng và bóng râm trên nhiều loài Bắc Mỹ thuộc giống Quercus. [10]
2.1.2. Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối
Người ta thường nghĩ mối là loài chuyên phá hoại nhà cửa, thật ra, mối cũng là những kỹ sư xây dựng tài năng. Các đền thờ Hồi giáo tại Mali hầu hết được xây dựng theo thiết kế này. Tổ mối có tường dày, cấu trúc thông khí rất tốt, luôn mát mẻ. Hệ thống tổ mối
Hình 2.1: Ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá, được minh họa bằng lá che nắng và bóng râm từ các loài sồi khác nhau. [10]
17
luôn có đường nối với nguồn nước. Không khí lạnh bên ngoài luồn qua các lỗ nằm trên mặt đất, kết hợp với nước ngầm, tạo thành một lớp hơi nước làm mát tỏa ra xung quanh. Khi tiếp xúc với bầy mối bên trong, không khí sẽ nóng dần lên, nhẹ hơn, và thoát ra ngoài. Trung tâm của gò là một ống thông khí kết nối với mạng lưới các đường hầm và lối đi phức