CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU
3.1 Lựa chọn vật liệu
3.1.1 Lựa chọn vật liệu phù hợp cho các chi tiết chính
Như đã đề cập ở trên, yếu tố được đưa lên đầu tiên làm tiêu chuẩn chọn vật liệu chính là khả năng chịu nhiệt độ âm sâu. Hai thông tin được xác định là: nhiệt độ khởi điểm -196oC với cơ cấu truyền dẫn chất làm lạnh, và nhiệt độ không gian buồng giảm từ bình thường về mục tiêu -500C với vật liệu kết cấu.
3.1.1.1. Ống làm lạnh
Trong các hệ thống điều hòa, đồng là một chất được yêu thích và sử dụng phần lớn đặc tính của nó đều rất phù hợp, với vai trò chính là dẫn môi chất làm lạnh nhằm giải tỏa khí nóng, từ đó không khí thổi ra từ máy sẽ mát hơn.
Một chiếc máy lạnh sẽ gồm hai phần chính:
- Cục nóng gồm: máy nén, dàn nóng tỏa nhiệt, quạt giải nhiệt
- Cục lạnh gồm: dàn lạnh thu nhiệt, quạt dẫn lưu không khí, bộ cảm biến nhiệt độ, hệ thống điều khiển, ống thoát nước ngưng tụ.
Quy trình làm lạnh hay môi chất đi qua ống đồng như sau:
- Máy nén sẽ áp suất cao đẩy dung môi làm lạnh ở dạng lỏng đi vòng vèo qua dàn nóng, ở đây dung môi lạnh thải nhiệt và được làm mát bằng quạt.
- Sau khi ra khỏi dàn nóng, dung môi lạnh dạng lỏng có áp suất cao được đẩy qua ống đồng A để vào nhà. Đến dàn lạnh trong nhà, dung môi lạnh phải đi qua một ống mao có đường kính rất nhỏ, cũng bằng đồng, thợ sửa điện lạnh thường gọi là
“cáp”, một cách gọi tắt capillery (mao quản). Chính vì có đoạn cáp này mà áp suất tăng trong dàn nóng kéo theo sự hóa lỏng của dung môi.
- Cuối đoạn cáp, dung môi đi vào dàn lạnh gồm một hệ thống các ống dẫn có đường kính rất lớn, áp suất giảm đột ngột khiến dung môi lạnh hóa hơi, thu nhiệt trong suốt hành trình vòng vèo trong dàn lạnh.
40 - Sau đó dung môi lạnh dạng hơi theo ống đồng B để ra khỏi nhà đi về với máy nén. Dung môi lạnh lại được máy nén đẩy vào dàn nóng một lần nữa, tỏa nhiệt và hóa lỏng, rồi lại theo ống đồng A đi vào nhà. Chu trình được lặp đi lặp lại.
Những ưu điểm của đồng trong vai trò vật tư điện lạnh:
- Độ cứng vừa phải, có thể uốn theo nhiều dạng hình mong muốn - Khả năng hoạt động với nhiệt tối ưu so với nhiều kim loại khác - Dễ chế tạo và tinh luyện, giá thành không quá đắt
- Độ bền cơ tính và hóa tính cao - Dễ thi công lắp đặt
Thậm chí với khả năng của mình, ống đồng dễ bao kín các mối nối do có thể nong/loe rộng đầu ống (thợ hay gọi là “lả”), chụp khít vào đầu phun và siết ôm bằng ốc chụp trong hệ thống điều hòa. Tất cả đều bằng đồng mà không cần đến vật liệu đệm kín bằng cao su hay silicon có tuổi thọ ngắn và yếu va chạm. Người ta gọi ưu điểm này là
“đàn tính” của đồng.
Do đó ống đồng trong buồng lạnh là tương tự với loại chuyên dùng chứa các môi chất của hệ thống điều hòa, với bề dày thành mỏng vừa đủ, đảm bảo cho cơ cấu truyền nhiệt là hiệu quả nhất.
Hình 3.1 Ống đồng
Hình 3.2 Co nối ống đồng
Các co, cút, tê đồng sử dụng cũng cùng một loại chất liệu và kích thước ghép nối theo tiêu chuẩn, để tính liền mạch và kín khít của cả hệ thống được tối ưu.
41 3.1.1.2. Thành buồng
Đối với thành buồng, vật liệu mica trong được cho là phù hợp hơn cả. Trong các lĩnh vực hóa sinh, ống mica trong suốt cỡ lớn thường được sử dụng. Chiết suất ánh sáng cao lên tới hơn 90%-95% cũng là một ưu điểm.
Với dạng hình trụ cứng vững sẵn, buồng cũng sẽ có khả năng chịu lực cao. Đặc biệt là tính kít khít tốt, dễ dàng kết hợp các bài toán về giả lập môi trường biệt lập riêng cùng yếu tố khác như áp suất, độ ẩm,…
Hình 3.3 Ống mica trong suốt các kích cỡ [22]
Tuy nhiên trong quá trình khảo sát thị trường, sản phẩm này các nhà cung cấp chỉ bán theo quy cách khổ lớn dài 2-3m, với giá thành từ 3 tới 7 triệu đồng cho một ống tùy đường kính. Do vậy, phương án thay thế được đưa ra là sử dụng tấm nhựa dẻo phẳng và uốn cong lại thành hình trụ. Nếu hướng phát triển sau này là xây dựng một buồng thử nghiệm nhiều yếu tố kích thước lớn thì mica trong vẫn là một lựa chọn tốt hơn cả.
Chất liệu nhựa được sử dụng là cùng loại với kiểu rèm dùng trong các kho đông lạnh, giới hạn âm sâu chịu được tới -50oC và tránh thất thoát nhiệt tốt. Trong thực tế, nhóm vật liệu này được thiết kế với nhiều màu sắc và có giá trị hữu dụng trong cách ly khu vực, thường có màu chủ đạo và phân theo các loại: chống tia lửa điện (màu đỏ), ngăn côn trùng (màu vàng), chống tĩnh điện (màu xanh lục), tránh thất thoát nhiệt kho lạnh (màu xanh biển), ngăn khói bụi dễ dàng quan sát (màu trắng trong),…
Hình 3.4 Màn nhựa PVC bảo quản thực phẩm [23]
42 3.1.1.3. Van tiết lưu
Van tiết lưu trực tiếp vận hành với môi chất nito lỏng do đó cũng cần lựa chọn cẩn thận. Trên thị trường có cung cấp một số loại van chịu lạnh công nghiệp nhưng giá thành thường rất cao, lên tới hàng triệu đồng. Sau khi khảo sát qua những sản phẩm đó thì chất liệu inox được sử dụng nhiều hơn cả. Do đó van tiết lưu được lựa chọn là van bi inox.
Dạng van bi có tính bền cao và khả năng thay đổi dòng chảy nhanh chóng, phù hợp với mục tiêu điều chỉnh lưu lượng chất lỏng làm lạnh với bài thực nghiệm sau này.
Hình 3.5 Van bi inox [24]