Đồ án: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo vây tản nhiệt trong hệ thống dòng phun

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu toàn diện về thiết kế, chế tạo vây tản nhiệt cho hệ thống dòng phun. Khám phá quy trình từ vật liệu đến gia công.

• Tác giả: Nguyễn Đình Dương
• Người hướng dẫn: TS. Phan Bình Nguyên
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo vây tản nhiệt trong hệ thống dòng phun
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Dòng Phun Và Vây Tản Nhiệt

Hệ thống dòng phun là một công nghệ làm mát hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc phun chất lỏng lạnh trực tiếp vào bề mặt cần tản nhiệt, tạo ra hiệu suất làm mát vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Vây tản nhiệt là thành phần quan trọng giúp tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện khả năng trao đổi nhiệt. Trong hệ thống dòng phun, vây tản nhiệt được thiết kế để tối ưu hóa dòng chất lỏng và nhiệt độ. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ làm mát cao và kiểm soát nhiệt độ chính xác. Việc thiết kế và chế tạo vây tản nhiệt đòi hỏi kiến thức sâu về cơ học chất lỏng, truyền nhiệt và quy trình gia công cơ khí.

1.1. Khái Niệm Về Làm Mát Bằng Dòng Phun

Làm mát bằng dòng phun là phương pháp sử dụng dòng chất lỏng tập trung để trao đổi nhiệt trực tiếp. Phương pháp này chia thành ba loại: dòng phun tự do, dòng phun ngập và dòng phun bị giới hạn. Mỗi loại có ưu điểm riêng phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Hiệu suất trao đổi nhiệt của dòng phun cao hơn 2-3 lần so với làm mát bằng gió hoặc nước chảy. Công nghệ này được sử dụng trong các thiết bị điện tử, công nghiệp bán dẫn và hệ thống làm mát công nghiệp.

1.2. Vai Trò Của Vây Tản Nhiệt Trong Hệ Thống

Vây tản nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong việc gia tăng diện tích trao đổi nhiệt của hệ thống. Chúng được thiết kế dưới dạng các cấu trúc hình học khác nhau như tam giác, hình chữ nhật hoặc tròn. Vây giúp điều hướng dòng chất lỏng, tăng tính turbulence và cải thiện hệ số truyền nhiệt. Chất liệu vây tản nhiệt thường là nhôm, đồng hoặc các hợp kim có độ dẫn nhiệt cao, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

II. Xác Định Kích Thước Và Chọn Vật Liệu Vây Tản Nhiệt

Xác định kích thước vây là bước quan trọng nhất trong quá trình thiết kế vây tản nhiệt. Kích thước phải cân bằng giữa khả năng trao đổi nhiệt và khả năng chế tạo. Các thông số chính bao gồm chiều cao vây, bề dày, khoảng cách giữa các vây và hình dạng cơ bản. Chọn vật liệu cũng đóng vai trò quyết định - nhôm được ưa chuộng vì tính nhẹ, độ dẫn nhiệt cao và chi phí hợp lý. Đồng và đồng thau cũng được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt. Quá trình tính toán sử dụng các phương trình truyền nhiệt và mô phỏng CFD để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Chọn Vật Liệu Phù Hợp

Việc chọn vật liệu vây phụ thuộc vào môi trường hoạt động, nhiệt độ làm việc và yêu cầu độ bền. Nhôm là lựa chọn phổ biến nhất với độ dẫn nhiệt 237 W/mK và khối lượng riêng thấp. Đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn (398 W/mK) nhưng giá thành cao hơn. Các hợp kim đặc biệt như titanium được dùng cho những ứng dụng yêu cầu độ bền cực cao trong môi trường corrosive. Phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa hiệu suất, chi phí và tính khả thi chế tạo.

2.2. Tính Toán Kích Thước Và Hình Dạng

Kích thước vây được xác định thông qua các công thức truyền nhiệt và tối ưu hóa. Chiều cao vây thường nằm trong khoảng 20-100mm tùy ứng dụng. Bề dày vây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng chế tạo, thường chọn 1-5mm. Khoảng cách giữa các vây (pitch) cần đủ lớn để chất lỏng lưu thông nhưng đủ nhỏ để tối ưu hóa trao đổi nhiệt. Mô phỏng số bằng CFD giúp xác định chính xác hình dạng và kích thước tối ưu.

III. Quy Trình Chế Tạo Vây Tản Nhiệt

Quy trình chế tạo vây bao gồm nhiều nguyên công phức tạp từ chuẩn bị phôi đến kiểm tra sản phẩm cuối cùng. Phay khoan là bước đầu tiên để tạo hình dáng cơ bản và các lỗ lắp ráp. Khoan các lỗ thoát nước và lỗ cảm biến nhiệt độ đảm bảo hoạt động bình thường của hệ thống. Xung điện EDM được sử dụng để tạo các hình dạng phức tạp và đạt độ chính xác cao. Mỗi nguyên công phải tuân thủ chặt chẽ các thông số cắt, tốc độ và chế độ gia công để đạt chất lượng cao.

3.1. Chuẩn Bị Phôi Và Lập Quy Trình

Phôi ban đầu thường là tấm nhôm hoặc đồng với kích thước lớn hơn sản phẩm cuối cùng. Lập quy trình gia công yêu cầu xác định trình tự nguyên công tối ưu nhằm giảm thời gian chế tạo và lãng phí vật liệu. Phôi cần được kiểm tra kích thước, độ phẳng và chất lượng bề mặt. Thiết lập máy CNC với các tham số chính xác là yếu tố quyết định. Sử dụng phần mềm CAM để lập trình đường đi dao cụ thể cho từng nguyên công, tối ưu hóa thời gian chế tạo.

3.2. Các Nguyên Công Gia Công Chính

Nguyên công 1: Phay khoan mặt dưới - Tạo hình dáng cơ bản, phay các mặt và khoan các lỗ chính. Nguyên công 2: Phay khoét khoan mặt trên - Hoàn thiện mặt trên, tạo các khoét và khoan lỗ bổ trợ. Nguyên công 3: Khoan lỗ thoát nước - 4 lỗ Ø9 để thoát nước thừa. Nguyên công 4: Khoan lỗ đầu thanh gia nhiệt - Lỗ Ø6 cho cảm biến. Nguyên công 5: Xung điện EDM - Tạo các hình dạng phức tạp với độ chính xác cao. Nguyên công 6: Kiểm tra - Đo lường và kiểm tra chất lượng sản phẩm cuối.

IV. Kiểm Tra Kết Luận Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kiểm tra sản phẩm là bước không thể thiếu để đảm bảo chất lượng vây tản nhiệt đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Các thông số kiểm tra bao gồm kích thước tuyến tính, độ phẳng, độ nhám bề mặt và tính chất cơ học. Thử nghiệm hoạt động trong điều kiện làm mát thực tế cung cấp dữ liệu về hiệu suất trao đổi nhiệt. Thiết kế và chế tạo vây tản nhiệt thành công mở ra nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, máy dệt, hệ thống làm mát công nghiệp và các lĩnh vực khác. Công nghệ này góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng và tuổi thọ thiết bị.

4.1. Phương Pháp Kiểm Tra Chất Lượng

Kiểm tra kích thước sử dụng thước cặp, panme và máy đo CNC để xác nhận các kích thước chính. Kiểm tra hình dạng bằng cảm biến và các dụng cụ đo độ phẳng. Kiểm tra bề mặt đánh giá độ nhám và các trầy xước không cho phép. Thử áp lực để kiểm tra độ kín nước tại các mối nối. Thử hoạt động - lắp vào hệ thống và đo nhiệt độ, lưu lượng nước để xác nhận hiệu suất trao đổi nhiệt đạt yêu cầu thiết kế.

4.2. Ứng Dụng Và Triển Vọng Phát Triển

Vây tản nhiệt hệ thống dòng phun được ứng dụng trong tủ điều khiển máy dệt, thiết bị điện tử công suất cao và các hệ thống làm mát công nghiệp. Công nghệ này cho phép giảm kích thước thiết bị, tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Triển vọng phát triển bao gồm sử dụng vật liệu mới (composite, ceramic), tối ưu hóa hình dạng bằng AI, và phát triển các phương pháp chế tạo additive. Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào các dòng phun nhân tạo và làm mát lai phối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG DÒNG PHUN VÀ VÂY TẢN NHIỆT 1.1 Khái niệm về làm mát bằng dòng phun Trong công nghiệp hiện nay sử dụng rất nhiều hệ thống dòng phun để làm mát trong công nghiệp ứng dụng trong các thiết bị điện tử ví dụ như làm mát trong các máy công nghiệp, làm mát trong máy tính bộ tản nhiệt của các thiết bị điện… bởi vì dòng phun cho ra hiệu suất cao về truyền nhiệt tản nhiệt và thực hiện việc tản nhiệt này tốt trong nhiều hệ thống khác nhau Ví dụ như làm mát cho GPU và CPU của máy tính bằng bộ tản nhiệt nước luôn duy trì ở mức dưới 70 độ C để có thể giúp máy hoạt động một cách tốt nhất không xảy ra hiện tượng hỏng các thiết bị do quá nóng. Dòng phun thì chia ra làm 3 loại dòng phun tự do, dòng phun ngập, và dòng phun bị giới hạn Với dòng phun tự do: chất lỏng làm mát và bề mặt cần làm mát được đặt trong không khí chất lỏng sẽ tiếp xúc với không khí trước sau đó sẽ tiếp xúc với bề mặt cần làm mát Hình 1. 1 Dòng phun tự do Với dòng phun ngập: bề mặt cần làm mát và chất làm mát được phun trong một hộp kín Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 12 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí Hình 1. 2 Dòng phun ngập Với dòng phun bị giới hạn: vùng phun sẽ bị giới hạn Hình 1.

3 Dòng phun bị giới hạn Hầu hết hiện nay dòng phun thường được sử dụng là phun đứng 1 góc 90 độ chỉ 1 số ít các ứng dụng là sử dụng dòng phun nghiêng hoặc xiên 1.2 Vây tản nhiệt là gì? Vây là 1 dạng cải tiến của bề mặt phẳng về yếu tố hình học giúp tăng diện tích bề mặt mà không tăng kích thước Các loại vây được dụng rộng rãi: - Vây trụ - Vây pin - Vây tam giác. - Vây thẳng Ưu điểm của việc sử dụng vây trong tản nhiệt: - Tăng diện tích bề mặt giúp cho hiệu suất tản nhiệt được tăng lên - Tốc độ truyền nhiệt được tăng lên Nhược điểm của việc có vây trong tản nhiệt: Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 13 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí - So với mặt phẳng thì vây khó chế tạo hơn và khi sử dụng chất lỏng để làm mát thì đường chất lỏng khó di chuyển dẫn tới việc tổn thất áp suất nước trong hệ thống gây ra việc tốn nhiên liệu trong quá trình hoạt động. Tại sao lại sử dụng vây trong hệ thống tản nhiệt: - Sử dụng vây trong hệ thống tản nhiệt nhằm mục đích cải tiến diện tích bề mặt. Mà theo nghiên cứu thực nghiệm về tăng cường truyền nhiệt bằng cách sử dụng kết hợp làm nhám bề mặt và cấu trúc vĩ mô trong hệ thống làm mát phun (1) thì khi diện tích bề mặt tăng lên thì hiệu suất làm mát phun tăng lên.

Phân tích vây dạng trụ: - Vây dạng pin là 1 dạng cấu tạo chân nhỏ và nhô cao lên trên bề mặt. Vây dạng pin thường có hình dáng là tròn hoặc vuông tuỳ vào chế tạo. 4 Vây tản nhiệt dạng trụ tròn Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 14 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí - Vây tản nhiệt dạng trụ có ứng dụng giữ cho các thiết bị điện tử luôn ở trong trạng thái mát ngăn chặn các thiết bị điện tử quá nóng và trục trặc. Phân tích vây lăng trụ hình tam giác : - Vây lăng trụ hình tam giác là vây có mặt cắt ngang và có hình tam giác lõm Hình 1.

5 Vây tam giác Ứng dụng của vây tam giác tương tự như vây dạng trụ nhưng vẫn giữ được hiệu quả như vây pin. Ví dụ có thể sử dụng trong các thiết bị điện tử thông thường như máy tính điện thoại… Có thể sử dụng trong oto có trang bị những thiết bị điện tử hoặc còn có thể sử dụng trong hệ thống các máy công nghiệp đảm bảo tản nhiệt khi các máy công nghiệp được sử dụng trong thời gian dài tối ưu hoá nhiệt được tiêu hao 1 cách hiệu quả và không gây ra trục trặc hay hỏng hóc nào và kéo dài tuổi thọ của chúng. Ưu điểm của việc sử dụng vây tam giác: - Nhỏ gọn phù hợp với mọi thiết bị trong không gian chật hẹp - Có thể tản nhiệt hiệu quả - Đảm bảo hiệu suất tối ưu Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 15 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí - Có thể sử dụng các loại vậy liệu chống ăn mòn để chế tạo vây từ đó có thể kéo dài tuổi thọ của vây tản nhiệt Nhược điểm: - Khó chế tạo trên các máy công cụ thông thường( phay tiện…) - Vì mỏng và cao nên dễ bị cong vênh 1.3 Các phương pháp chế tạo vây: - Phương pháp dập nguội: + Dập là 1 phương pháp khá phổ biến trong gia công cơ khí hiện nay gia công dập là một quá trình sản xuất bằng cách hình thành phôi sử dụng các lực nén vật liệu dạng tấm + Dập nguội là 1 trong các phương pháp gia công áp lực. Dưới tác dụng của ngoại lực phôi ở dạng tấm tạo thành sản phẩm có hình dạng kích thước theo yêu cầu sản xuất.

Quá trình dập này được tiến hành ở trạng thái nguội. Vật liệu thường dùng là thép, … - Nguyên lý hoạt động của phương pháp dập nguội: Hình 1. 6 Nguyên lý của phương pháp dập nguội Phôi sau khi được đưa vào sẽ được chày dập xuống cối hoặc khuôn theo hình dạng của cối hoặc khuôn sau quá trình dập khi mở tấm chặn ra sẽ thu được sản phảm đúng như kích thước của cối hoặc khuôn. - Ưu điểm của phương pháp dập nguội + Phương pháp dập nguội thì nhanh hơn các phương pháp dập khác + Có thể chế tạo được những chi có độ chính xác cao mà không cần gia công cơ + Có thể sử dụng linh hoạt các loại vật liệu khác nhau + Hao phí ít vật liệu + Năng suất cao - Nhược điêrm của phương pháp dập nguội: + Cần có công suất lớn hơn yêu cầu + Có thể tồn tại ứng suất dư Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 16 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí Hình 1.

7 Phương pháp dập nguội - Ứng dụng của phương pháp dập nguội + Vỏ xe oto + Vỏ bình gas + Sử dụng trong khuôn dập tạo hình chi tiết + Chế tạo các dụng cụ sản xuất + Sử dụng trong ngành điện + Chế tạo các dụng cụ dân dụng - Phân tích tính kinh tế của phương pháp dập nguội: Với phương pháp dập nguội thường phù hợp với khuôn và việc sản xuất hàng loạt những loại mặt hàng liên quan đến khuôn dập nên để chế tạo vây thử nghiệm thì không phù hợp bởi nếu sử dụng phương pháp dập thì sẽ cần khuôn để dập và để chế tạo một bộ khuôn dập thì chi phí sẽ rất lớn nên chỉ phù hợp trong sản xuất hàng loạt Phương pháp ép đùn: - Phương pháp phun là một quá trình định hình vật liệu bằng cách sử dụng khuôn. Vật liệu sẽ được đẩy qua khuôn và sẽ tạo ra một vật thể. Công nghệ này được áp dụng trong một số lượng lớn các ngành công nghiệp như sản xuất nhực và kim loại. Có thể hình dung phương pháp ép đùn qua ví dụ trong cuộc sống như: Kem đánh răng ở dạng lỏng khi mình bóp kem đánh răng thì thì sẽ hình thì giống với miệng kem đánh răng.

- Nguyên lý hoạt động của phương pháp ép đùn: Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 17 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí Hình 1. 8 Nguyên lý phương pháp ép đùn Vật liệu trong thành được nén bằng trục đẩy sau đó sẽ đi qua hình dạng khuôn của chi tiết, cuối cùng dưới lực ép của máy ta sẽ thu được chi tiết sau khi ép giống như hình dạng của lòng khuôn Ưu điểm của phương pháp ép đùn: + Sử dụng được trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp giúp tiết kiệm thời gian + Cải thiện được hiệu xuất + Sau khi ép đùn và trước khi làm nguội có thể thay đổi hình dạng - Nhược điểm của phương pháp đùn + Khi lấy ra khỏi máy đùn vật liệu nóng có thể nở ra nhiều lần điều này khiến cho vật liệu có thể bị sai lệch về kích thước nếu như không kiểm tra kỹ - Ứng dụng của phương pháp ép đùn: Công nghệ ép đùn thì được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp để tiết kiệm thời gian, chi phí. Giúp cho sản xuất được tối ưu với độ chính xác cao. Tất cả các công đoạn ép đùn được thực hiện khép kín tiết kiệm được nhiều thời gian.

Các chất liệu từ nhựa hoặc kim loại đều có thể sử dụng để tạo ra sản phẩm + Sử dụng để đùn tấm + Sử dụng để đùn ống như các loại ống dài + Đùn nhựa để sản xuất ra các mặt hàng nhựa - Phân tích tính kinh tế của phương pháp đùn: Với phương pháp đùn thì là một quy trình sản xuất khép kín với vật liệu nóng chảy và khuôn nên việc sử dụng phương pháp này để chế tạo vây là không hợp lý vì khi chế tạo vây thử nghiệm chúng ta không nhất thiết phải chế tạo thêm 1 bộ khuôn vây như vậy sẽ tốn chi phí gia công. Phương pháp đúc: Sinh viên – Nguyễn Đình Dương 18 Lớp 61 CKNB-CNCK Đồ án tốt nghiệp Ngành kỹ thuật cơ khí - Phương pháp đúc là một dạng của phương pháp ép đùn phương pháp được sử dụng rộng rãi để chế tạo phôi bằng cách nấu chảy kim loại. Tiếp đến là rót kim loại lỏng vừa nấu được vào trong lòng khuôn. Sau 1 khoảng thời gian để kim loại trong lòng khuôn đã đông đặc ta sẽ thu được sản phẩm có hình dạng và kích thước như lòng khuôn đúc - Nguyên lý hoạt động của phương pháp đúc: Đầu tiên cần chế tạo khuôn đúc theo yêu cầu có kích thước và hình dạng của sản phẩm.

Khuôn có thể được làm bằng kim loại hoặc các vật liệu khác. Tiếp theo cần phải chuẩn bị vật liệu đúc như kim loại… Chất liệu này thường được đun chảy để trở thành chất lỏng. Sau đó phải làm sạch khuôn đúc để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Đổ chất liệu đúc vào khuôn thông qua một lỗ hở hoặc cổng đúc quá trình thực hiện phảm đảm bảo việc cẩn thận không để lỏ bọt khí.