CHƯƠNG 1. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BUỒNG LẠNH
1.4 Phân tích những kết quả đã đạt được
Với tính thiết thực cũng như những tiềm năng phát triển đặc thù, buồng lạnh là một đề tài được chú trọng và đã có một số thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và dưới nước, nơi người thực hiện luận văn tiến hành công tác. Trong quá trình xây dựng luận văn, theo đó cũng đã có những sự trao đổi họp bàn thảo luận cùng đội nhóm về các vấn đề xung quanh dự án buồng lạnh này. Tiến hành phân tích những ưu nhược điểm của các kết quả ẩy nhằm mục đích tìm hướng tiếp cận mới, khắc phục được những thiếu sót còn tồn tại. Từ đó hoàn thiện sản phẩm theo tiêu chí hiệu quả, an toàn, tiết kiệm.
1.4.1 Lựa chọn chất lỏng làm lạnh
Chất lỏng làm lạnh được lựa chọn là nito lỏng vì một số đặc tính phù hợp, cũng như giá thành rẻ và dễ dàng sử dụng. Nitơ lỏng là nito trong trạng thái lỏng ở nhiệt độ rất thấp. Nó được sản xuất công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng.
Nitơ lỏng là một chất lỏng trong suốt không màu. Tại nhiệt độ 20°C, tỉ lệ giãn nở của nito lỏng là 1:694. Bảng thông số đặc điểm của Nito lỏng:
Hình 1.14 Nito lỏng [14]
18 Bảng 1.5 Thông số nito lỏng [14]
Đặc tính Giá trị
Kí hiệu, tên N2, LN (liquid nitrogen)
Nhiệt độ nóng chảy 63,15 K
Nhiệt độ sôi 77,36 K
Nhiệt hóa hơi (101,325kPa) 198,3 kJ/kg Nhiệt dung riêng (0oC, 101,325kPa) 2,04 kJ/kg.K
Độ nhớt 157,9 kg/m-s.106
Dẫn nhiệt (k) 139,6 mW/m-k
Nhiệt độ tới hạn 126,2 K
Áp suất tới hạn 3,399 MPa
Mật độ 1,251 kg/m3
Mật độ chất lỏng bão hòa 808,6 kg/m3
Mật độ tương đối 0,8
Dạng nhiệt độ phòng 0,97
Độ tan 20 mg/l
Tỉ lệ giãn nở thể tích ở 20oC 1:694 Bảng so sánh phương pháp làm lạnh sử dụng nito và máy nén:
Bảng 1.6 So sánh ưu nhược điểm nguồn lạnh sử dụng nito và máy nén
Nito lỏng Máy nén
Ưu điểm
- Thời gian hạ nhiệt nhanh - Giá thành rẻ
- Phù hợp cho yêu cầu thí nghiệm
- Dễ dàng vận hành khi hoàn thành cơ cấu
- Phù hợp với mục tiêu duy trì nhiệt độ âm lâu dài Nhược
điểm
- Còn khó khăn trong cơ cấu tự động hóa
- Cần lựa chọn vật liệu có tính chịu nhiệt âm sâu tốt
- Thời gian hạ nhiệt lâu - Tốn kém về chi phí
19 1.4.2 Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên
Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên được thực hiện bởi Nguyễn Việt Nghĩa, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K58. Bắt nguồn từ phiên bản đầu thô sơ, sau quá trình điều chỉnh thiết kế và chế tạo, buồng lạnh thử nghiệm đã hoàn thành và cũng đã có thể vận hành được một số thực nghiệm nhất định.
Hình 1.15 Sản phẩm buồng lạnh phiên bản đầu [15]
Buồng lạnh được bao ngoài bởi lớp cách nhiệt là thùng xốp. Đặc điểm sản phẩm:
- Buồng lạnh có dạng hình hộp chữ nhật.
- Lớp trong : 51cm×33cm×19.5cm - Lớp ngoài : 54cm×36cm×21cm - Bề dày thành: 0.8mm
- Chất liệu: thép
- Bao ngoài là hộp xốp giữ nhiệt, kích thước cả buồng: 65cm×47cm×35cm - Dung tích trống giữa 2 lớp khoảng 7l
Buồng lạnh phiên bản này còn tồn tại một số nhược điểm:
- Kết cấu còn nhiều điểm chưa hợp lý.
- Sự thoát nhiệt ra môi trường còn khá lớn
- Nhiệt độ phân bố trong buồng lạnh chưa đồng đều.
- Bình chứa Nito lỏng chưa thật sự có tính bảo quản tốt.
- Chưa thể xác định chính xác được lưu lượng qua van.
Hình 1.16 Kết cấu buồng lạnh ban đầu [15]
20 1.4.3 Cải tiến cơ cấu phụ trợ van tiết lưu
Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh là cải tiến của Ngô Xuân Chính, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K56. Van bước đầu đã có sự điều chỉnh lưu lượng nhằm kiểm soát được độ giảm nhiệt độ trong buồng lạnh.
Tuy nhiên, vẫn còn một số khó khăn xoay quanh vấn đề thất thoát nhiệt ra môi trường cũng như tính hợp lí của cơ cấu để tránh lãng phí và tăng hiệu quả làm lạnh trong quá trình thực nghiệm.
Hình 1.17 Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng nito lỏng [16]
1.4.4 Một số hướng tìm hiểu đã thực hiện
Trong thời gian làm việc tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước, người thực hiện luận văn cũng đã cùng một số bạn sinh viên từng bước thảo luận, đưa ra ý tưởng cũng như xây dựng một sản phẩm buồng lạnh hoàn thiện hơn. Một số hướng nghiên cứu cũng đã có những phát kiến nhất định.
Ví dụ như việc thiết kế thêm các gờ cản từ hai thành thùng phía tiếp xúc với nito để làm giảm tốc độ chảy dòng, giúp phân bố đều chất lỏng làm lạnh và tăng hiệu suất quy trình giảm nhiệt. Các gờ cản này cũng như những gân cứng, giúp tăng độ cứng chắc cho toàn kết cấu buồng lạnh. [18]
Hình 1.18 Thiết kế các gờ cản ở hai thành thùng phía tiếp xúc với nito [17]
Đặc biệt có thể kể đến ở đây là việc so sánh giữa các thiết kế hình hộp chữ nhật, hình lập phương, hình trụ của buồng lạnh. Thông qua quá trình mô phỏng cũng như dựa vào các kết quả đạt được, dạng hình trụ của buồng lạnh được cho là tối ưu hơn cả, cụ thể là hiệu quả hơn khoảng 50% dựa trên lượng nito lỏng và thời gian để hạ tới nhiệt độ yêu cầu. [19]
21 Hình 1.19 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình hộp chữ nhật [18]
Hình 1.20 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình trụ [18]
Nhưng xét về tính ưu việt, việc đặt mẫu thử ở tâm và làm lạnh từ rìa ngoài vào trong dường như chưa phải là phương án thật sự tốt. Việc thi công cách nhiệt đã rất khó khăn thì trong trường hợp này càng gặp vấn đề hơn khi nguồn lạnh lại là từ rìa bên ngoài.
Vì vậy cơ chế làm lạnh mới đã được xem xét và sẽ trình bày ở mục tiếp theo.