CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
c) Phổ phân tán Zeta-Sizer
4.3. CHẾ TẠO MÔ HÌNH BUỒNG CHÂN KHÔNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG
4.3. Chế tạo mô hình buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh cho quátrình quản lý nhiệt trình quản lý nhiệt
4.3.1. Chế tạo vỏ buồng chân không
Chế tạo vỏ buồng chân không là một khâu rất quan trọng trong việc thử nghiệm hiệu quả của hệ quản lý nhiệt sử dụng chất lỏng đa thành phần chứa CNTs. Để đảm bảo khả năng chịu được áp suất 10-4 bar cũng như các thông số kỹ thuật khác của hệ mô phỏng môi trường chân không, luận án chế tạo vỏ buồng chân không với các thông số kỹ thuật như sau:
- Vật liệu: thép kỹ thuật
- Kích thước buồng: 60 cm x 60 cm x 60 cm - Kích thước cửa buồng: 40 cm x 35 cm - Độ dày vật liệu: 5 mm
- Lớp phủ bảo vệ: sơn chống gỉ màu xanh
Hình 4.10 là hình ảnh của vỏ buồng chân không đã được chế tạo với các thông số như đề ra ở trên.
Hình 4.10. Vỏ buồng chân không cho hệ mô phỏng vệ tinh đã được chế tạo thành công
4.3.2. Chế tạo bộ phận bức xạ nhiệt
Luận án chế tạo bộ phận bức xạ nhiệt cho mô hình mô phỏng quản lý nhiệt của vệ tinh với các thông số như sau:
- Loại bức xạ nhiệt: hồng ngoại.
- Bộ phận bức xạ nhiệt: bánh bức xạ công suất 2 kW. - Số lượng bộ phận bức xạ nhiệt: 04.
- Tổng công suất bức xạ nhiệt: 8 kW.
Hình 4.11 là ảnh chụp của cụm 04 bánh bức xạ nhiệt hồng ngoại của hệ thống mô phỏng mà luận án đã chế tạo với tổng công suất 8 kW.
4.3.3. Chế tạo bộ phận nhiệt độ thấp
Để đảm bảo cho quá trình mô phỏng vệ tinh vào ban đêm ở nhiệt độ thấp, luận án chế tạo bộ phận nhiệt độ thấp cho mô hình mô phỏng quản lý nhiệt của vệ tinh với các thông số như sau:
- Phương pháp sử dụng: nitơ lỏng [118-120].
- Các bộ phận của hệ nhiệt độ thấp: buồng đựng nitơ lỏng và buồng lạnh trong hệ thống mô phỏng.
- Kích thước buồng đựng nitơ lỏng: đường kính 10 cm, chiều cao 20 cm. - Kích thước buồng lạnh trong hệ thống mô phỏng: 40 cm x 40 cm x 3 cm.
Hình 4.12. Ảnh chụp buồng lạnh trong hệ thống mô phỏng đã được chế tạo thành công
Hình 4.12 là ảnh chụp của buồng lạnh nằm trong hệ thống mô phỏng và hình 4.13 là ảnh chụp buồng đựng nitơ lỏng nằm phía trên bề mặt của hệ thống mô phỏng mà luận án đã chế tạo thành công. Buồng đựng nitơ lỏng này đảm bảo rằng có thể cung cấp nhiệt độ -75oC cho hệ, từ đó giả lập chính xác điều kiện của bề mặt vệ tinh không hướng về phía mặt trời hoặc vào ban đêm.
Hình 4.13. Ảnh chụp buồng đựng nitơ lỏng của hệ thống mô phỏng đã được chế tạo thành công
4.3.4. Chế tạo hệ thống cảm biến và điều khiển
Để phục vụ cho quá trình mô phỏng vệ tinh, cần phải có hệ thống cảm biến nhiệt độ cũng như hệ thống điều khiển để có thể điều khiển được các thông số bên trong hệ mô phỏng theo như ý muốn của người làm thí nghiệm. Do vậy luận án đã thiết kế các hệ thống này với các thông tin cụ thể như sau:
- Cảm biến nhiệt độ: loại cặp nhiệt K.
- Phạm vi đo của cảm biến: -100oC đến 100oC. - Số lượng cảm biến: 02.
- Số bộ điều khiển công suất nhiệt: 04.
Hình 4.14 là ảnh chụp của hệ thống cảm biến và điều khiển cho hệ thống mô phỏng vệ tinh mà luận án đã chế tạo thành công:
-4 núm đen là 4 nút để điều khiển nhiệt lượng phát ra bởi từng bánh xe.
- Màn hình hiển thị 2 nhiệt độ ứng với 2 cảm biến nhiệt độ ở bên trong bộ mô phỏng.
Hình 4.14. Ảnh chụp hệ thống cảm biến và điều khiển cho hệ thống mô phỏng vệ tinh đã được chế tạo thành công
4.3.5. Lắp ráp hoàn thiện buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh
Bên cạnh những bộ phận đã nêu ở trên thì mô hình buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh cho quá trình quản lý nhiệt còn có những bộ phận quan trọng khác sau đây:
- Bơm hút chân không công suất 1 kW.
- Các hệ thống đường dây dẫn khí và các hệ thống đường dây dẫn nitơ lỏng. - Các hệ thống đường dây điện điều khiển.
- Đồng hồ đo áp suất.
- Gioăng và đệm để làm kín khí.
Hình 4.15 là ảnh chụp của hệ thống mô phỏng vệ tinh mà luận án đã lắp ráp và chế tạo thành công. Ở đây có thể thấy rõ rằng buồng đựng nitơ lỏng, bảng điều khiển và đồng hồ đo áp suất đã được lắp đặt vào vị trí phù hợp trên mô hình mô phỏng môi trường không gian.
Hình 4.15. Ảnh chụp hệ thống mô phỏng vệ tinh đã được lắp ráp và chế tạo thành công
Hình 4.16 là ảnh chụp của mô hình buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh cho quá trình quản lý nhiệt trong quá trình hoạt động thử nghiệm.
Hình 4.16. Ảnh chụp mô hình buồng chân không nghiên cứu mô phỏng vệ tinh cho quá trình quản lý nhiệt trong quá trình hoạt động thử nghiệm
4.4. Thử nghiệm chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh
4.4.1. Mô hình vệ tinh
Để thực hiện mô phỏng, luận án sử dụng mô hình vệ tinh NanoDragon tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam có thiết kế như trên hình 4.17 với các thông số kỹ thuật bao gồm:
- Kích thước: 100 x 100 x 340,5 mm. - Khối lượng: khoảng 5 kg.
- Quỹ đạo hoạt động: 560 km.
- Nhiệm vụ vệ tinh: thử nghiệm thiết bị nhận dạng tự động tàu thủy AIS và thiết kế, tích hợp thiết bị chụp ảnh quang học nhằm xác định chất lượng bộ điều khiển tư thế vệ tinh.
Hình 4.18 là mô hình vệ tinh NanoDragon tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam được sử dụng trong thiết bị mô phỏng.
Hình 4.17. Thiết kế mô hình vệ tinh NanoDragon tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam
Hình 4.18a. Mô hình vệ tinh được sử dụng trong mô phỏng
Luận án lựa chọn phương pháp quản lý nhiệt cho vệ tinh trong mô hình nghiên cứu là phương pháp chất lỏng tuần hoàn dùng bơm (PFL): một bơm nhỏ sẽ được sử dụng để tạo dòng tuần hoàn của chất lỏng để lấy nhiệt từ một nguồn nhiệt giả định trong vệ tinh, sau đó tỏa ra môi trường không gian bên ngoài của vệ tinh hoặc để sưởi ấm cho một bộ phận nào đó của vệ tinh. Chất lỏng đặc chủng Coolanol-20 chứa CNTs với hàm lượng từ 0,2 – 1,0% sẽ được đưa vào hệ thống của vệ tinh để thử nghiệm quá trình quản lý nhiệt ứng với một số tình huống giả định.
4.4.2. Tình huống giả định tản nhiệt cho linh kiện công suất vệ tinh ra vỏ vệ tinh
Trong tình huống này, luận án giả định có sự cân bằng giữa bức xạ nhiệt đến và bức xạ nhiệt ra khỏi vệ tinh, tương ứng với nhiệt độ cân bằng của lớp vỏ vệ tinh là 25oC. Nhiệt lượng từ linh kiện công suất P = 10 W sẽ được tỏa ra lớp vỏ của vệ tinh để ra môi trường. Kết quả thử nghiệm mô phỏng như trên bảng 4.1 cho thấy sau thời gian khoảng 43 phút, nhiệt độ của linh kiện đạt đến giá trị bão hòa, và giá trị này giảm xuống lớn nhất là 4,2oC khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs với hàm lượng 1,0% về thể tích.
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát trong tình huống giả định thứ nhất
STT Hàm lượng CNTs (% vol)
Thời gian bão hòa
Nhiệt độ bão hòa khi dùng Coolanol/CNTs 1 0,0 43,0 phút 62,6oC 2 0,2 43,0 phút 61,8oC 3 0,4 43,5 phút 60,9oC 4 0,6 44,0 phút 60,0oC 5 0,8 44,0 phút 59,1oC 6 1,0 44,5 phút 58,4oC
4.4.3. Tình huống giả định lấy nhiệt linh kiện công suất để sưởi ấm linh kiện lạnh lạnh
Trong tình huống này, luận án giả định vệ tinh hoạt động ở điều kiện không có bức xạ mặt trời và không gian ở nhiệt độ thấp khoảng -75oC. Nhiệt lượng từ linh kiện công suất thay vì tỏa ra vỏ thì sẽ được sử dụng để sưởi ấm cho khối camera giả định vốn cần có nhiệt độ hoạt động ổn định.
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát trong tình huống giả định thứ hai STT Hàm lượng CNTs Thời gian bão hòa Nhiệt độ bão hòa vi xử lý
Nhiệt độ bão hòa camera 1 0,0 % 32,0 phút 49,4oC 20,5oC 2 0,2 % 32,0 phút 48,8oC 21,5oC 3 0,4 % 32,5 phút 48,2oC 23,0oC 4 0,6 % 32,5 phút 47,4oC 23,7oC 5 0,8 % 33,0 phút 46,6oC 24,3oC 6 1,0 % 33,0 phút 45,9oC 24,5oC
Kết quả thử nghiệm mô phỏng như trên bảng 4.2 cho thấy trong tình huống này, sau thời gian khoảng 32 phút thì nhiệt độ của linh kiện công suất và camera đạt đến giá trị bão hòa. Chất lỏng tản nhiệt đạt hiệu quả tản nhiệt cho linh kiện điện tử và sưởi ấm cho camera tốt nhất khi chứa CNTs với làm lượng 1,0% về thể tích, làm tăng nhiệt độ của camera lên thêm được 4,0oC.
Những kết quả thử nghiệm trên đã cho thấy chất lỏng đặc chủng Coolanol-20 chứa CNTs có hiệu quả cao và tiềm năng ứng dụng lớn trong quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh, từ đó giúp nâng cao hiệu quả, sự ổn định, độ bền và tuổi thọ của vệ tinh trong quá trình hoạt động.
4.4.4. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs
a) Phương pháp mô phỏng
Để đánh giá độ dẫn nhiệt và hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vệ tinh, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng để dự đoán độ dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt với nồng độ CNTs khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Hình 4.21 là sơ đồ mạch của hệ mô phỏng hệ thống quản lý nhiệt cho mô hình vệ tinh ở tình huống giả định 1.
Hình 4.21. Sơ đồ mạch hệ thống quản lý nhiệt bằng chất lỏng cho tình huống giả định 1
Trong mô hình này:
P: là công suất tỏa nhiệt từ linh kiện của vệ tinh C1: nhiệt dung của linh kiện
CL: nhiệt dung của chất lỏng tản nhiệt
R1: nhiệt trở giữa linh kiện và chất lỏng tản nhiệt R2: nhiệt trở giữa chất lỏng tản nhiệt và lớp vỏ vệ tinh CV: nhiệt dung của lớp vỏ
U: nhiệt độ của lớp vỏ
Từ mô hình trên, luận án xác định được hệ phương trình vi phân mô tả quá trình tản nhiệt trong tình huống này như sau:
I1: dòng nhiệt từ linh kiện điện tử đến chất lỏng tản nhiệt I2: dòng nhiệt từ chất lỏng tản nhiệt đến lớp vỏ vệ tinh Ibx: dòng nhiệt bức xạ ra ngoài môi trường
Theo như trường hợp giả định đầu tiên, công suất phát xạ của linh kiện là P=10 W, và nhiệt dung của linh kiện là khoảng 156,4 J/K. Luận án cũng có được thông số nhiệt dung của chất lỏng tản nhiệt (CL) vào khoảng 1.750 J/K (thông số của nhà sản xuất). Ngoài ra, nhiệt trở giữa linh kiện và chất lỏng là khoảng 20 K/W, trong khi đó nhiệt trở giữa chất lỏng và môi trường là khoảng 23,7 K/W. Quá trình mô phỏng được thực hiện với thời gian và nồng độ CNTs thay đổi.
Tương tự, sơ đồ mạch mô phỏng cho tình huống giả định 2 được thiết lập như sau:
Hình 4.22. Sơ đồ mạch hệ thống quản lý nhiệt bằng chất lỏng cho tình huống giả định 2
Từ mô hình trên, luận án xác định được hệ phương trình vi phân mô tả quá trình tản nhiệt trong tình huống này như sau:
b) Kết quả mô phỏng- Tình huống giả định 1 - Tình huống giả định 1
nghiệm)
Hình 4.23 là kết quả mô phỏng ở tình huống giả định 1, khi nhiệt lượng từ linh kiện sẽ được tỏa ra vỏ. Ở đây có thể thấy rằng độ tăng nhiệt độ diễn ra rất nhanh trong khoảng 25 phút đầu tiên, sau đó dần tiến tới giá trị bão hòa (là giá trị mà khi thời gian tiếp tục tăng lên, thì nhiệt độ của lớp vỏ vệ tinh vẫn giữ ở mức ổn định).
Khi không pha CNTs vào chất lỏng tản nhiệt, nhiệt độ bão hòa của lớp vỏ ổn định ở mức khoảng 62,5oC. Khi tăng dần lượng CNTs cho vào chất lỏng tản nhiệt, thì nhiệt độ bão hòa giảm dần đi. Với hàm lượng CNTs lớn nhất được đo trong luận án này, giá trị nhiệt độ bão hòa giảm xuống còn 58,3oC. Như vậy, nhiệt độ bão hòa của vỏ vệ tinh đã giảm được khoảng 4,2oC.
Ngoài ra, một số giá trị thực nghiệm (hình tam giác) cũng được đưa vào để kiểm chứng độ chính xác của mô hình tính toán. Hình 4.23 cho thấy rằng các kết quả đo đạc khá khớp với tính toán lý thuyết, từ đó khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết mà luận án đề ra.
- Tình huống giả định 2
Hình 4.24. Kết quả mô phỏng của tình huống giả định 2 (hình là số liệu thực nghiệm)
Hình 4.24 là kết quả mô phỏng ở tình huống giả định 2, khi nhiệt lượng từ linh kiện sẽ được dùng để sưởi ấm camera, vốn cần hoạt động ở nhiệt độ ổn định để đảm bảo rằng tiêu cự của hệ thấu kính không bị thay đổi. Ở đây có thể thấy rằng độ tăng nhiệt độ diễn ra rất nhanh trong khoảng 15 phút đầu tiên, sau đó dần tiến tới giá trị bão hòa (là giá trị mà khi thời gian tiếp tục tăng lên, thì nhiệt độ của lớp vỏ vệ tinh vẫn giữ ở mức ổn định).
Khi không pha CNTs vào chất lỏng tản nhiệt, nhiệt độ bão hòa của camera ở mức khoảng 20,5oC. Khi tăng dần lượng CNTs cho vào chất lỏng tản nhiệt, thì nhiệt độ bão hòa tăng dần lên. Với hàm lượng CNTs lớn nhất được đo trong luận án này, giá trị nhiệt độ bão hòa tăng lên đến 24,5oC. Như vậy, nhiệt độ bão hòa của camera đã tăng được khoảng 4,0oC.
Ngoài ra, một số giá trị thực nghiệm (hình tam giác) cũng được đưa vào để kiểm chứng độ chính xác của mô hình tính toán. Hình 4.24 cho thấy rằng các kết quả đo đạc khá khớp với tính toán lý thuyết, từ đó khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết mà luận án đề ra.
4.5. Kết luận chương 4
Chương này đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo thiết bị mô phỏng quá trình quản lý nhiệt cho vệ tinh bao gồm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý của buồng chân không
mô phỏng môi trường không gian cho quá trình quản lý nhiệt; thiết kế và chế tạo vỏ buồng chân không, bộ phận bức xạ nhiệt, bộ phận nhiệt độ thấp, hệ thống cảm biến và điều khiển, lắp ráp hoàn thiện buồng chân không nghiên cứu phỏng vệ tinh. Kết quả thử nghiệm cho thấy việc pha thêm CNTs vào chất lỏng nền mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt tốt hơn cho vệ tinh. Chất lỏng đặc chủng chứa thành phần CNTs có khả năng ứng dụng tốt trong mục đích quản lý nhiệt cho vệ tinh, đặc biệt là áp dụng cho các loại vệ tinh khối lượng lớn như vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh trong thông tin liên lạc và có thể được dùng cho cả các vệ tinh nhỏ. Những kết quả thực nghiệm này đã được đăng trên tạp chí “Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures”, Volume 17, Number 1, January - March 2022.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1) Kết luận chung của luận án:
Sau quá trình thực hiện, luận án đạt được những kết quả chính sau:
- Luận án đã tìm hiểu tổng quan về tình hình phát triển vệ tinh nhân tạo ở trong nước cũng như quốc tế, từ đó đưa ra được tính cấp thiết của việc sử dụng chất lỏng