Luận văn Thiết kế tủ lạnh mini xách tay sử dụng tấm peltier
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
NGUYỄN THÀNH CHƯƠNG
THIẾT KẾ TỦ LẠNH MINI XÁCH TAY
SỬ DỤNG TẤM PELTIER
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TSKH. TRẦN HOÀI LINH
HẢI DƯƠNG – NĂM 2018
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình của riêng tác giả,
do tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Trần Hoài Linh. Kết quả đạt
được là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này tác giả chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Chí Linh, ngày 25 tháng 7 năm 2018
Tác giả luận văn
Nguyễn Thành Chương
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH................................................................. 3
1.1. Lịch sử phát triển ngành lạnh ................................................................................................ 3
1.2. Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh............................................................... 4
1.2.1. Máy lạnh nén hơi................................................................................................................ 4
1.2.2. Máy lạnh hấp thụ................................................................................................................ 5
1.2.3. Máy lạnh nén khí................................................................................................................ 6
1.2.4. Máy lạnh ejectơ .................................................................................................................. 7
1.3. Hiệu ứng điện nhiệt Peltier.................................................................................................... 8
1.4. Nguyên lý làm việc của thiết bị làm lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier...................................... 8
1.5. Ứng dụng của kỹ thuật lạnh................................................................................................... 9
1.6. Kết luận ................................................................................................................................. 10
2.1. Mô hình tủ lạnh mini được lựa chọn ..................................................................................... 11
2.1.1. Giới thiệu tủ lạnh mini sử dụng tấm Peltier ....................................................................... 11
2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. ........................................................................................ 11
2.1.2.1.Khái niệm về Peltier. ........................................................................................................ 11
2.1.2.2.Ứng dụng của tấm Peltier (Sò nóng lạnh). ....................................................................... 12
2.1.2.3.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier.......................................... 12
2.1.3. Ứng dụng tế bào nhiệt điện Peltier tạo thiết bị máy lạnh mini........................................... 13
2.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG....................................................................................................... 14
3.1. Mô tả cấu tạo mô hình........................................................................................................... 15
3.2. Giới thiệu các thiết bị chính sử dụng trong mô hình. ............................................................ 15
3.2.1. Giới thiệu chung về Arduino.............................................................................................. 15
3.2.1.1. Lịch sử hình thành. .......................................................................................................... 15
3.2.1.2.Phần cứng: ........................................................................................................................ 16
3.2.1.3.Các board Arduino thông dụng. ....................................................................................... 17
3.2.1.4 Phần mềm. ........................................................................................................................ 23
3.2.2.Chip nhiệt Peltier - TEC...................................................................................................... 25
3.2.2.1.Giới thiệu.......................................................................................................................... 25
3.2.2.2.Cấu hình hoạt động........................................................................................................... 28
3.2.2.3.Hiệu suất tiêu chuẩn: .........................................................................................................28
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
3.2.2.4.Ứng dụng:..........................................................................................................................28
3.2.3.Màn hình LCD ST7565........................................................................................................38
3.2.4.Cảm biến nhiệt độ DS18B20................................................................................................41
3.2.5.Module Rơle.........................................................................................................................44
4.1. Lắp ráp mô hình ................................................................................................................... 49
4.1.1. Thiết kế phần cơ khí.......................................................................................................... 49
4.1.1.1. Vỏ tủ lạnh .........................................................................................................................49
4.1.1.2.Bộ phận tản nhiệt và sò nóng lạnh.....................................................................................49
4.1.2. Thiết kế phần điện ...............................................................................................................50
4.1.2.1. Bo Adruino .......................................................................................................................50
4.1.2.2. Bo rơle ..............................................................................................................................51
4.1.2.3.Cảm biến nhiệt DS18B20..................................................................................................51
4.1.2.4. Bo mạch LCD hiển thị......................................................................................................52
4.1.2.5.Bo mạch in.........................................................................................................................52
4.1.2.6.Tủ lạnh sau khi hoàn thành................................................................................................54
4.1.2.7. Vận hành tủ lạnh và cài đặt các thông số của tủ...............................................................55
4.1.2.8. Kết quả thử nghiệm ..........................................................................................................58
4.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG..........................................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận. ....................................................................................................................................59
2. Kiến nghị .................................................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................... 61
PHỤ LỤC.................................................................................................................................... 62
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Một số loại Peltier có hiệu suất cao ....................................................................... 30
Bảng 3.2. Một số loại Peltier nhiệt độ cao.............................................................................. 31
Bảng 3.3. Một số loại Peltier có kích thước nhỏ.................................................................... 32
Bảng 3.4. Một số loại Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn ............................................... 33
Bảng 3.5. Một số loại Peltier có tâm lỗ tròn........................................................................... 33
Bảng 3.6. Một số loại Peltier hình chữ nhật có tâm lỗ tròn.................................................. 34
Bảng 3.7. Một số loại Peltier ghép song song ........................................................................ 35
Bảng 3.8. Một số loại Peltier dạng chuẩn ............................................................................... 36
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Máy lạnh nén hơi ...................................................................................................... 5
Hình 1.2. Máy lạnh hấp thụ ...................................................................................................... 5
Hình 1.3. Máy lạnh nén khí ...................................................................................................... 6
Hình 1.4. Máy lạnh ejectơ......................................................................................................... 7
Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy lạnh nhiệt điện.................................................................. 8
Hình 2.1 Tủ lạnh mini trên xe ô tô........................................................................................... 11
Hình 2.2a. Cấu tạo tế bào nhiệt điện Pletier TEC1-12706. ..............................................13
Hình 2.2b. Sự kết nối bán dẫn trong tế bào nhiệt điện......................................................12
và thiết bị làm lạnh (phải) sử dụng tế bào nhiệt điện. ........................................................... 13
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tủ lạnh mini. ..................................... 14
Hình 3.1 Boad mạch Arduino Mega 2560 R3........................................................................ 17
Hình 3.2 Boad mạch Arduino Due. ......................................................................................... 18
Hình 3.3 Boad mạch Arduino Uno R3.................................................................................... 19
Hình 3.4 Boad mạch Arduino Leonardo................................................................................. 20
Hình 3.5 Boad mạch Arduino Nano ........................................................................................ 21
Hình 3.6 Boad mạch Arduino Pro Micro................................................................................ 22
Hình 3.7 Boad mạch Arduino Pro Mini .................................................................................. 23
Hình 3.8 Giao diện phần mềm Arduino ADE. ....................................................................... 25
Hình 3.9: Chip Peltier (Sò nóng lạnh)..................................................................................... 26
Hình 3.10. Cấu hình của bộ làm mát nhiệt điện cổ điển ....................................................... 26
Hình 3.11: Cấu tạo của chip Peltier......................................................................................... 27
Hình 3.12 Peltier có hiệu suất cao............................................................................................ 30
Hình 3.13 Petier cho nhiệt độ cao............................................................................................ 31
Hình 3.14: Peltier có kích thước nhỏ....................................................................................... 32
Hình 3.15 Peltier nhiều giai đoạn............................................................................................. 33
Hình 3.16 Peltier có tâm lỗ tròn ............................................................................................... 33
Hình 3.17 Peltier chữ nhật tâm lỗ tròn .................................................................................... 34
Hình 3.18 : Peltier ghép song song.......................................................................................... 35
Hình 3.19 Peltier loại chuẩn ..................................................................................................... 36
Hình 3.20. Một số cơ cấu làm mát sử dụng Peltier................................................................ 37
Hình 3. 21. Màn hình LCD ST7565 ........................................................................................ 39
Hình 3. 22. LCD ST7565 kết nối với vi điều khiển............................................................... 41
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 3.23: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ................................................................................ 41
Hình 3.24. Cảm biến nhiệt độ kết nới với Arduino ............................................................... 44
Hình 3. 25. Các khối cơ bản của rơle điện từ......................................................................... 45
Hình 3.26. Quan hê ̣giữa đại lượng vào và ra của rơle.......................................................... 46
Hình 3.27. Cấu trúc của rơle điện từ........................................................................................ 46
Hình 3.29. Rơle điện từ ............................................................................................................. 47
Hình 3.30. Module rơle 12V..................................................................................................... 47
Hình 3.31. Sơ đồ phần cứng và kết nối với Arduino............................................................. 48
Hình 4.1: Thiết kế vỏ của tủ lạnh trong luận văn................................................................... 48
Hình 4.2: Thiết kế cơ khí phần IC làm lạnh ........................................................................... 49
Học viên: Nguyễn Thành Chương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
1. Lý do chọn đề tài.
Luận văn Thạc sĩ
MỞ ĐẦU
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực Đông Nam Á, với khí hậu nhiệt đới gió
mùa, nóng ẩm, nhiệt độ trung bình cao, nhất là ở các thành phố lớn có mật độ dân cư
đông đúc. Mỗi mùa nắng nóng đến, nhu cầu về nước uống lạnh tăng cao và rất cần thiết.
Nước uống lạnh trong mùa hè giúp người ta giải tỏa cơn khát, đồng thời còn mang lại
cảm giác mát mẻ, khoan khoái dễ chịu, giúp cho con người tỉnh táo, linh hoạt từ đó làm
tăng hiệu suất lao động.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp và thiết bị làm lạnh nhưng đa số là để tĩnh tại, do
đó không mang tính cơ động, chưa đáp ứng được nhu cầu đồ uống lạnh khi di chuyển
trên đường, khi làm việc ngoài trời đặc biệt trong những chuyến đi dã ngoại đến những
nơi không có sẵn các cửa hàng tiện ích.
Dựa trên nhu cầu đó, tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế tủ lạnh mini xách tay sử dụng tấm
Peltier”. Với thiết bị làm lạnh nhỏ gọn, tiện dụng, không tạo ra ô nhiễm, thân thiện với
môi trường, dùng nguồn điện áp thấp, có thể mang xách gọn nhẹ.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Khi kinh tế xã hội phát triển, đời sống người dân ngày càng được cải thiện và nâng
cao, ngày càng nhiều các tòa nhà chọc trời, cao ốc văn phòng hay chung cư cao cấp xuất
hiện ở các thành phố lớn, thì các hệ thống làm lạnh như tủ lạnh, điều hòa không khí, tủ
cấp đông… trở lên bức thiết và đóng vai trò rất lớn trong xã hội và đời sống dân sinh.
Hiện nay có nhiều hệ thống làm lạnh đã được gắn trên xe ô tô để điều hòa không khí
với rất nhiều tính năng hiện đại, mang lại cảm giác thư giãn dễ chịu khi di chuyển trong
những ngày nắng nóng. Nhưng có một thiết bị làm lạnh dạng mini, cơ động, gọn nhẹ để
nước uống lạnh hoặc bảo quản, làm lạnh hoa quả để giải khát trên xe đang là một vấn đề
được nhiều người quan tâm hiện nay.
3. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế tủ lạnh mini xách tay sử dụng tấm Peltier.
• Tổng quan về các hệ thống lạnh, tìm hiểu thị trường về các hệ thống lạnh dùng chất
bán dẫn.
• Tìm hiểu thiết kế, cấu trúc của bộ làm lạnh bằng chất bán dẫn.
• Tìm hiểu các loại IC điều khiển, tìm hiểu thiết kế, cấu trúc cơ khí của tủ lạnh.
• Nghiên cứu, xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát quá trình làm lạnh của tủ
lạnh mini sử dụng tấm Peltier.
Học viên: Nguyễn Thành Chương
1
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Luận văn đặt mục tiêu phát triển các kết quả thực nghiệm, các mục tiêu thiết kế được
định hướng theo các yêu cầu thực tế. Các thông số thiết kế được hiệu chỉnh theo kiểm
nghiệm kết quả.
Quá trình phân tích và thiết kế được thực hiện theo nguyên tắc “Từ tổng thể đến chi
tiết”.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu đã được thực hiện bám theo các mục tiêu đề ra của đề tài và
được trình bày trong 5 chương sau đây:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống lạnh
•
•
Nội dung: Nghiên cứu tổng quan về hệ thống lạnh.
Kết luận chương.
Chương 2: Đề xuất mô hình tủ lạnh mini sử dụng tấm Peltier (sử dụng cho luận văn)
•
Nghiên cứu công nghệ làm lạnh bằng chất bán dẫn, ứng dụng trên xe ô tô dùng
tấm bán dẫn (Peltier) hay còn gọi là sò nóng lạnh.
•
•
•
Có tấm tản nhiệt và có quạt làm mát.
Có dung tích nhỏ, chứa 2 chai nước uống loại 0,5l.
Kết luận chương.
Chương 3: Phân tích và lựa chọn các giải pháp thiết kế.
•
•
•
•
Dùng tấm Peltier ( Sò nóng lạnh )
Có tấm tản nhiệt và có quạt làm mát.
Có dung tích nhỏ, chứa 2 chai nước uống loại 0,5l.
Kết luận chương .
Chương 4: Kết quả triển khai chế tạo mô hình.
Lắp ráp mô hình:
•
Thiết kế phần cơ khí.
Thiết kế phần điện và điều khiển.
•
Mô hình trong thực tế.
Kết luận và hướng phát triển.
Học viên: Nguyễn Thành Chương
2
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LẠNH
Kỹ thuật lạnh là kỹ thuật tạo ra môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường
của môi trường. Giới hạn giữa nhiệt độ lạnh và nhiệt độ bình thường còn có nhiều quan
điểm khác nhau. Nhưng nhìn chung thì giới hạn môi trường lạnh là môi trường có nhiệt
độ nhỏ hơn 20oC.
Trong môi trường lạnh được chia làm 2 vùng nhiệt độ. Đó là khoảng nhiệt độ dương
thấp, khoảng này từ 0oC đến 20oC, khoảng nhiệt độ còn lại là nhiệt độ lạnh đông của sản
phẩm. Bởi vì khoảng nhiệt độ này là khoảng nhiệt độ đóng băng của nước tuỳ theo từng
sản phẩm mà nhiệt độ đóng băng khác nhau.
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH LẠNH
Từ trước công nguyên con người tuy chưa biết làm lạnh, nhưng đã biết đến tác dụng
của lạnh và ứng dụng chúng phục vụ cuộc sống. Họ đã biết dùng mạch nước ngầm có
nhiệt độ thấp chảy qua để chứa thực phẩm, giữ cho thực phẩm được lâu hơn .
Người Ai Cập cổ đại đã biết dùng quạt cho nước bay hơi ở các hộp xốp đế làm mát
không khí cách đây 2500 năm .
Người Ấn Độ và người Trung Quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối với nước
hoặc với nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn .
Kỹ thuật lạnh hiện đại phát triển khi giáo sư Black tìm ra ẩn nhiệt hoá hơi và ẩn nhiệt
nóng chảy vào năm 1761- năm 1764. Con người đã biết làm lạnh bằng cách cho bay hơi
chất lỏng ở áp suất thấp .
Ngày nay kỹ thuật lạnh đã có những bước phát triển vượt bậc, để làm lạnh có một số
kỹ thuật như sau:
• Bay hơi khuếch tán: Là hiện tượng nước bay hơi vào không khí chưa bão hòa. Đây
là quá trình đẳng entanpy nên độ ẩm không khí tăng lên khi đó nhiệt độ sẽ giảm xuống.
• Hòa trộn lạnh: Ứng dụng sự phản ứng hóa học ta sử dụng các muối pha trộn để làm
lạnh. Ví dụ: hòa trộn 31 (gam) NaNO3 với 31 (gam) NH4Cl với 100 (gam) nước ở 10 (0C)
ta được hỗn hợp có nhiệt độ - 12 (0C).
• Tiết lưu khí không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson): Có thể dãn nở khí
không sinh ngoại công bằng cách tiết lưu chúng qua các cơ cấu tiết lưu từ áp suất cao P1
xuống áp suất thấp hơn P2, không có trao đổi nhiệt với môi trường để sinh lạnh.
• Dãn nở khí trong ống xoáy: Khi cho một dòng không khí áp suất 6 (bar) ở 20 (0C)
thổi tiếp tuyến với thành trong của ống, vuông góc với trục ống phi 12 (mm) thì nhiệt độ
ở thành ống tăng lên trong khi nhiệt độ ở tâm ống giảm xuống. Khi đặt một tấm chắn sát
dòng thổi tiếp tuyến có đường kính lỗ < 12 (mm) thì gió lạnh sẽ đi qua tấm chắn gió còn
gió nóng đi theo hướng ngược lại. Độ chênh lệch nhiệt độ lên đến 70 (K). Nhiệt độ phía
Học viên: Nguyễn Thành Chương
3
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
lạnh đạt tới -12 (0C), phía nóng tới 58 (0C), áp suất sau khi giãn nở bằng áp suất khí
quyển.
• Tan chảy hoặc thăng hoa vật rắn: Đây là phương pháp chuyển pha các chất tải lạnh
như nước đá, nitơ lỏng và đá khô.
• Bay hơi chất lỏng: Khi quá trình bay hơi chất lỏng diễn ra bao giờ nó cũng gắn liền
với quá trình thu nhiệt. Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi một kg chất lỏng gọi là nhiệt ẩn
bay hơi r. Vì nhiệt ẩn bay hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn rất nhiều nhiệt ẩn hóa
rắn nên hiệu ứng lạnh lớn hơn.
Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất làm lạnh và chất tải lạnh quan trọng trong
kỹ thuật lạnh.
• Khử từ đoạn nhiệt: Đây là phương pháp sử dụng trong kỹ thuật cryô để hạ nhiệt độ
của các mẫu thử từ nhiệt độ sôi của hêli xuống gần nhiệt độ không tuyệt đối.
1.2. HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNG MÔI CHẤT LÀM LẠNH
Môi chất lạnh là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp
thụ nhiệt của môi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có
nhiệt độ cao hơn.
Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh có nhiều hệ thống khác nhau, tuy
nhiên tính thông dụng hiện nay là loại máy lạnh nén hơi, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh nén
khí, máy lạnh ejectơ.
1.2.1. Máy lạnh nén hơi
Là loại máy lạnh có máy nén cơ để hút hơi môi chất có áp suất thấp và nhiệt độ thấp ở
thiết bị bay hơi và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao đẩy vào thiết bị ngưng tụ.
Môi chất lạnh trong máy lạnh nén hơi có biến đổi pha (bay hơi ở thiết bị bay hơi và
ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ) trong chu trình máy lạnh.
Máy lạnh nén hơi bao gồm 4 bộ phận chính là máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu
và thiết bị bay hơi. Chúng được nối với nhau bằng đường ống như hình 1.1. Môi chất lạnh
tuần hoàn và biến đổi pha trong hệ thống lạnh.
Các quá trình cơ bản bao gồm:
1. 1-2: quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút.
2. 2-3: quá trình ngưng tụ hơi nén ở áp suất cao và nhiệt độ cao.
3. 3-4: quá trình tiết lưu lỏng đẳng entanpy.
4. 4-1: quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp tạo hiệu ứng lạnh.
Sơ đồ nguyên lý máy lạnh nén hơi:
Học viên: Nguyễn Thành Chương
4
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.1. Máy lạnh nén hơi
Các loại môi chất lạnh thường là amoniac và các loại freôn. Tùy theo môi chất sử
dụng trong máy lạnh mà hệ thống có đặc điểm riêng và cần một số thiết bị phụ riêng.
1.2.2. Máy lạnh hấp thụ
Là loại máy lạnh sử dụng năng lượng dạng nhiệt để hoạt động. Máy lạnh hấp thụ có
các bộ phận ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như máy lạnh nén hơi. Riêng máy nén cơ
được thay bằng một hệ thống bình hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung
dịch. Hệ thống thiết bị này chạy bằng nhiệt năng (như hơi nước, bột đốt nóng) thực hiện
chức năng như máy nén cơ là “hút” hơi sinh ra từ bình bay hơi và nén nên được gọi là
máy nén nhiệt.
Hình 1.2. Máy lạnh hấp thụ
Sơ đồ nguyên lý: máy lạnh hấp thụ gồm các thiết bị ngưng tụ, tiết lưu, bay hơi và các
quá trình 2-3, 3-4, 4-1 giống như máy lạnh nén hơi. Riêng máy lạnh nén nhiệt có các thiết
bị bình hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và van tiết lưu dung dịch bố trí như (hình
1.2). Ngoài môi chất lạnh, trong hệ thống còn có dung dịch hấp thụ làm nhiệm vụ đưa
Học viên: Nguyễn Thành Chương
5
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
môi chất lạnh từ vị trí 1 đến vị trí 2. Dung dịch sử dụng thường là amoniắc/nước và
nước/liti-bromua.
Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ có khả năng hấp thụ hơi môi chất sinh ra ở bình
bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc. Khi dung dịch trở thành đậm đặc sẽ được bơm
dung dịch bơm lên bình sinh hơi. Ở đây dung dịch được gia nhiệt với nhiệt độ cao (đối
với dung dịch amoniắc/nước khoảng 1300C) và hơi amoniắc sẽ thoát ra khỏi dung dịch đi
vào bình ngưng tụ. Do amoniắc thoát ra, dung dịch trở thành dung dịch loãng, đi qua van
tiết lưu dung dịch về bình hấp thụ tiếp tục chu kỳ mới. Ở đây, do vậy có hai vòng tuần
hoàn rõ rệt.
Vòng tuần hoàn dung dịch: HT (bình hấp thụ) – BDD (bơm dung dịch) – SH (bình
sinh hơi) – TLDD (tiết lưu dung dịch) và trở lại HT.
Vòng tuần hoàn môi chất lạnh 1 – HT – BDD – SH – 2 – 3 – 4 – 1. Trong thực tế và
đối với từng loại cặp môi chất: amoniắc/nước hoặc cặp môi chất nước/liti-bromua cũng
như với yêu cầu hồi nhiệt đặc biệt máy có cấu tạo khác nhau.
1.2.3. Máy lạnh nén khí
Máy lạnh nén khí là loại máy lạnh có máy nén cơ nhưng môi chất dùng trong chu kỳ
không thay đổi trạng thái, luôn ở thể khí.
Máy lạnh nén khí có thể có hoặc không có máy dãn nở.
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 1.3. Máy lạnh nén khí
Nguyên tắc hoạt động:
Học viên: Nguyễn Thành Chương
6
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Máy nén và máy dãn nở thường kiểu turbin, lắp trên một trục. Máy nén hút khí từ
buồng lạnh 1 nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao ở trạng thái 2 sau đó đưa vào làm mát ở
bình làm mát nhờ thải nhiệt cho nước làm mát. Sau khi đã làm mát, khí nén được đưa vào
máy dãn nở và được dãn nở xuống áp xuất thấp và nhiệt độ thấp rồi được phun vào buồng
lạnh. Quá trình dãn nở trong máy dãn nở có sinh ngoại công có ích. Sau khi thu nhiệt của
môi trường cần làm lạnh, khí lại được hút về máy nén khép kín chu trình lạnh.
1.2.4. Máy lạnh ejectơ
Máy lạnh ejectơ là máy lạnh có quá trình nén hơi môi chất lạnh từ áp suất thấp lên áp
suất cao được thực hiện nhờ ejectơ. Giống như máy lạnh hấp thụ, máy nén kiểu ejectơ
cũng là kiểu máy nén nhiệt, sử dụng động năng của dòng hơi để nén dòng môi chất lạnh.
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 1.4. Máy lạnh ejectơ
Nguyên tắc hoạt động:
Hơi có áp suất cao và nhiệt độ cao sinh ra ở lò hơi được dẫn vào ejectơ. Trong ống
phun, thế năng của hơi biến thành động năng và tốc độ chuyển động của hơi tăng lên cuốn
theo hơi lạnh ra ở bình bay hơi. Hỗn hợp của hơi công tác (hơi nóng) và hơi lạnh đi vào
ống tăng áp, ở đây áp suất hỗn hợp tăng lên do tốc độ hơi giảm xuống. Hỗn hợp hơi được
đẩy vào bình ngưng tụ. Từ bình ngưng tụ, nước ngưng được chia làm hai đường, phần lớn
được bơm nén về lò hơi còn một phần nhỏ được tiết lưu trở lại bình bay hơi để bay hơi
làm lạnh chất tải lạnh là nước.
Máy lạnh ejectơ có 3 cấp áp suất Ph > Pk > P0 là áp suất hơi công tác, áp suất ngưng tụ
và áp suất bay hơi.
Trong thực tiễn hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt sử dụng môi chất lạnh được ứng
dụng rất rộng rãi đó là các hệ thống điều hòa không khí. Mục đích sử dụng đa dạng dẫn
Học viên: Nguyễn Thành Chương
7
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
đến hệ thống điều hòa cũng rất đa dạng cả về quy mô và lĩnh vực ứng dụng. Dễ nhận thấy
hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh được ứng dụng nhiều trong công nghệ
bảo quản thực phẩm và phục vụ con người (hệ thống điều hòa nhiệt độ)... Đối với các
thiết bị điện tử việc ứng dụng hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh rất hạn
chế. Chúng thường được ứng dụng để làm mát các phòng máy (các hệ thống máy chủ…)
có qui mô lớn và vị trí đặt cố định người ta thường dùng điều hòa không khí.
1.3. HIỆU ỨNG ĐIỆN NHIỆT PELTIER
Năm 1934 Peltier phát hiện ra hiện tượng nếu cho một dòng điện một chiều đi qua
vòng dây dẫn điện kín gồm 2 kim loại khác nhau thì một đầu nối sẽ nóng lên và đầu kia sẽ
lạnh đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện nhiệt Peltier.
Đối với lĩnh vực điện tử đặc biệt sự phát triển vượt bậc của các thiết bị bay có mật độ
tích hợp cao thì hiệu ứng nhiệt điện có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phát triển thiết bị
làm lạnh. Những ưu điểm của hệ thống ổn định nhiệt trên cơ sở công nghệ hiệu ứng điện
nhiệt Peltier là vượt trội so với các phương pháp khác. Trong phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu
về nguyên lý của thiết bị làm lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier.
1.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ LÀM LẠNH SỬ DỤNG HIỆU ỨNG
PELTIER
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy lạnh nhiệt điện
Các thiết bị bao gồm:
•
•
•
•
Các cặp nhiệt điện 2, 3;
Các thanh đồng tản nhiệt phía nóng 1;
Các thanh đồng tản nhiệt phía lạnh 4;
Nguồn điện một chiều 5;
Học viên: Nguyễn Thành Chương
8
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Nguyên lý hoạt động:
Luận văn Thạc sĩ
Muốn có chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bên nóng và bên lạnh, các cặp nhiệt điện 2, 3 là
khác dấu bằng bán dẫn đặc biệt bismut antimon, selen và các phụ gia mắc nối tiếp chúng
vào một nguồn điện một chiều. Các thanh đồng tản nhiệt giúp quá trình tỏa nhiệt giữa
phía nóng và lạnh hiệu quả hơn.
• Ưu điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier không gây tiếng ồn, không có các
chi tiết chuyển động và không sử dụng môi chất làm lạnh, thiết bị nhỏ gọn dễ di chuyển.
Một ưu điểm lớn là ta dễ dàng thay đổi chiều nóng lạnh bằng cách đảo chiều nguồn điện.
• Nhược điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier có hệ số lạnh chưa cao, tiêu tốn
điện năng và phải chạy liên tục do không trữ được lạnh do các cặp nhiệt điện 1, 2 là các
cầu nhiệt lớn. Cho tới ngày nay năng suất lạnh ứng dụng hiệu ứng Peltier dưới 200 (W).
Với lượng công suất này hoàn toàn có thể đáp ứng tốt việc ổn định nhiệt độ cho các thiết
bị điện tử bởi với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng được
tích hợp nhỏ gọn.
Hiện nay các tấm Peltier được thương mại hóa, có thể dễ dàng đặt mua với nhiều lựa
chọn về kích thước và công suất làm lạnh. Một số loại tấm Peltier phổ biến trên thị trường
hiện nay.
Ngày nay, kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ, cùng với sự phát triển của
khoa học, kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc.
• Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng. Người ta đang tiến
dần đến nhiệt độ không tuyệt đối .
• Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong
phòng thí nghiệm đến các tổ hợp có công suất hàng triệu W ở các trung tâm điều tiết
không khí.
• Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp
ngày càng hoàn thiện, do đó quá trình lắp ráp, sử dụng thuận tiện và chế độ làm việc hiệu
quả hơn .
• Hiệu suất máy tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giảm
xuống. Tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên. Mức độ tự động hóa của các hệ thống lạnh và các
máy lạnh tăng lên rõ rệt. Những thiết bị tự động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử
thay thế cho các thiết bị thao tác bằng tay.
1.5. ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT LẠNH
Kỹ thuật lạnh ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân cũng như
trong khoa học kỹ thuật. Kỹ thuật lạnh đã thâm nhập vào hơn 70 ngành kinh tế quan trọng
như: Công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản rau quả, rượu bia và nước giải khát, sinh
học, hóa lỏng hóa chất và tách khí, điện tử, cơ khí chính xác, y tế, điều hòa không khí…
Học viên: Nguyễn Thành Chương
9
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Kỹ thuật lạnh đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực . Một trong những ngành ứng
dụng quan trọng đó là ngành công nghệ thực phẩm, theo thống kê thì khoảng 80% công
nghệ lạnh. Các sản phẩm được bảo quản như thịt, cá, sữa… là những thực phẩm dễ bị hư
hỏng do tác dụng của vi sinh vật và các enzyme nội tạng, là nguyên nhân chính gây nên
những hư hỏng của thực phẩm. Nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ thấp thì chúng bị bất
hoạt hoặc bị ức chế hoạt động, do đó sản phẩm của chúng ta ít bị biến đổi về chất lượng
cũng như hương vị mầu sắc, chất dinh dưỡng…nhờ thế thời gian giữ sản phẩm lâu hơn
tạo điều kiện tốt cho quá trình chế biến, tiêu thụ sản phẩm, hoặc những đồ uống giải khát
vì vậy mà nó cần được bảo quản lạnh.
Hiện nay nước giải khát đóng chai được sử dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày,
do đó việc thiết kế chế tạo tủ lạnh mini dùng tấm Peltier (hay còn gọi là sò nóng lạnh)
được quan tâm đặc biệt bởi tính tiện dụng và cơ động của dòng sản phẩm này.
1.6. KẾT LUẬN
Kỹ thuật lạnh đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế xã hội. Đặc biệt là đối với
nước ta nền kinh tế chủ yếu là nông nghiệp, ngư nghiệp. Sản phẩm nông nghiệp và công
nghiệp nhẹ của chúng ta dồi dào, bên cạnh đó là quá trình phát triển nền kinh tế xã hội
chúng ta đang dần tiến tới công nghiệp hóa hiện đại hóa. Sản phẩm bán ra ngày càng
nhiều và chế biến tinh chế hơn, các ngành nông sản, chế biến thủy sản và đồ uống, giải
khát ngày càng chiếm vị thế trong nền kinh tế xã hội. Để phát triển được ngành này thì
công nghệ lạnh đóng vai trò đặc biệt với ngành trưng bày và bán hàng tại các trung tâm
thương mại, siêu thị. Do đó việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật lạnh vào nước ta là rất
cần thiết và đúng hướng để cùng xã hội đưa nền kinh tế đi lên.
Học viên: Nguyễn Thành Chương
10
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TỦ LẠNH MINI SỬ DỤNG TẤM PELTIER
2.1. MÔ HÌNH TỦ LẠNH MINI ĐƯỢC LỰA CHỌN
2.1.1. Giới thiệu tủ lạnh mini sử dụng tấm Peltier
Tủ lạnh mini dùng tấm Peltier là một thiết bị làm lạnh nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển,
hoạt động êm ái, không có chi tiết chuyển động như của tủ lạnh chạy bằng gas thông
thường. Ngoài ra tủ lạnh mini dùng tấm Peltier chỉ dùng nguồn điện có điện thế thấp một
chiều từ 9 – 15V nên rất phù hợp với những cuộc đi dã ngoại bằng xe máy, xe ô tô gia
đình, tủ dùng chung với nguồn điện 12V của xe máy hay ô tô rất tiện lợi và hiệu quả.
Hình 2.1 Tủ lạnh mini trên xe ô tô Mazda 2.
Tủ lạnh mini dùng tấm Peltier được trang bị trên xe máy hay trên ô tô gia đình có thể
chứa được vài chai nước, một số hoa quả, đồ ăn được làm lạnh giúp cho đồ ăn, nước uống
được bảo quản tốt hơn, thời gian sử dụng lâu hơn, đặc biệt là những tháng hè oi bức, có
một vài chai nước uống lạnh để trong tủ lạnh mini mang cơ động trên xe giúp cho người
lái xe giải khát, nâng cao sức khỏe và thêm hứng thú để du lịch hoặc nghỉ ngơi thư giãn
sau một quãng thời gian đi lại.
2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Tủ lạnh mini được cấu tạo chủ yếu bằng tấm bán dẫn là chip Peltier hay còn gọi là sò
nóng lạnh. Đây là một bước đột phá lớn về công nghệ làm lạnh dùng chất bán dẫn. Sau
đây là cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó.
2.1.2.1. Khái niệm về Peltier.
Tấm bán dẫn siêu công nghệ còn gọi sò nóng - lạnh hay chip Peltier là cấu kiện
bán dẫn có tính chất làm lạnh một mặt, mặt còn lại được làm nóng. Nói rõ hơn là miếng
bán dẫn nhỏ, nhẹ và công suất mạnh (Từ vài chục W đến hàng trăm W) ) này giúp hút
nhiệt mặt có in chữ kí hiệu là mặt lạnh của tấm và thải qua bề mặt bên kia là mặt nóng,
Học viên: Nguyễn Thành Chương
11
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
lượng nhiệt năng ở bề mặt bên kia sẽ bằng tổng nhiệt năng hút từ bề mặt lạnh và lượng
nhiệt năng chuyển từ điện năng mà ta đặt vào 2 đầu dây của miếng bán dẫn này.
Do đó trong ứng dụng làm lạnh thì ta tản nhiệt tốt cho mặt nóng càng tốt thì mặt bên
kia sẽ càng lạnh, có thể xuống âm độ luôn và đóng tuyết. Nếu đặt vào 2 đầu dây 1 điện áp
lớn khiến bề mặt bên kia rất nóng mà không có tản nhiệt đủ thì miếng bán dẫn này
(Peltier) sẽ bị hỏng do quá nhiệt.
2.1.2.2. Ứng dụng của tấm Peltier (Sò nóng lạnh).
Sò lạnh Peltier được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm làm lạnh, làm mát hoặc
tản nhiệt như như tủ lạnh, tủ mát, minibar, chiller, cây nước nóng lạnh, tủ ướp rượu vang,
máy ướp bia, bộ làm mát bể cá, bộ tản nhiệt CPU, sử dụng trong các thiết bị y tế, dụng cụ
thẩm mỹ, máy PCR (polimeras chain reaction) vv... Cũng được sử dụng cho mục đích làm
nóng (gia nhiệt).
• Ứng dụng trong bình nóng lạnh: Trong bình nóng lạnh thì 2 mặt của Peltier áp vào
2 bình: 1 bình sẽ được áp vào mặt làm lạnh và bình còn lại áp vào mặt nóng để giải nhiệt
nên tạo ra nước nóng => vừa tạo ra được nước lạnh và nước nóng mà không cần làm thêm
phần tản nhiệt.
• Ứng dụng trong máy lạnh: Có thể dùng sò nóng lạnh trong những dự án máy lạnh
mini cho bể cá, chuồng thú....
2.1.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier.
Cấu tạo của tế bào nhiệt điện Peltier
Cấu tạo chính của tế bào nhiệt điện bao gồm các bộ phận chính: các vật liệu bán dẫn
loại P và loại N được mắc nối tiếp với nhau; hai bản mặt cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt
được kết nối với nguồn nóng và nguồn lạnh (một bản áp sát mối tiếp xúc P-N, bản còn lại
áp sát hai bán dẫn P và bán dẫn N, như chỉ ra trong hình 1); các bản kim loại dẫn điện tốt
dùng để kết nối các bán dẫn P và bán dẫn N; và hai bản điện cực để nối vào chân bán dẫn
P và chân bán dẫn N.
Hình 2.2a. Cấu tạo tế bào nhiệt điện Pletier TEC1-12706.
Sự kết nối bán dẫn trong tế bào nhiệt điện.
Hình 2.2b.
Học viên: Nguyễn Thành Chương
12
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng tế bào nhiệt điện mà chúng ta cấp nhiệt lượng (độ
chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh) hay cung cấp nguồn điện một chiều.
Trong trường hợp tạo thiết bị làm lạnh, chúng ta cung cấp nguồn điện một chiều DC vào
hai cực của tế bào nhiệt điện, chân bán dẫn P nối với cực âm và chân bán dẫn N nối với
cực dương của nguồn. Khi cần tạo ra nguồn điện một chiều, chúng ta cung cấp nhiệt
lượng vào mối tiếp xúc P-N và lấy suất điện động ngõ ra tại hai chân bán dẫn P và N.
Hình 2 mô tả nguyên tắc kết nối và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn điện một
chiều (bên trái) và thiết bị làm lạnh (bên phải) sử dụng tế bào nhiệt điện.
Hình 2.3. Nguyên tắc kết nối và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn điện DC (trái)
và thiết bị làm lạnh (phải) sử dụng tế bào nhiệt điện.
Hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier
Tế bào nhiệt điện Peltier là linh kiện điện tử có các mối tiếp xúc hai bán dẫn P-N
được nối nối tiếp với nhau, có chức năng thực hiện sự hoá chuyển điện năng thành nhiệt
năng và ngược lại, nhiệt năng thành điện năng. Khi cho dòng điện một chiều chạy qua hai
mối tiếp xúc P-N thì nhiệt lượng một mối tiếp xúc tăng lên, một mối tiếp xúc bị lạnh đi.
Ngược lại, khi tạo nhiệt độ chênh lệch giữa hai mối tiếp xúc khác nhau thì có một dòng
điện chạy qua đoạn mạch và tạo ra một suất điện động tạo thành nguồn điện một chiều.
2.1.3. Ứng dụng tế bào nhiệt điện Peltier tạo thiết bị máy lạnh mini.
Thiết bị máy lạnh mini được thiết kế với tế bào Peltier TEC1-12706, mặt nóng được
gắn với bộ tản nhiệt có quạt tản nhiệt, mặt lạnh được kết nối với tản nhiệt lạnh và quạt tản
lạnh, quạt hút-đẩy thổi không khí lạnh ra ngoài. Hai cực của peltier và các quạt tản nhiệt
nóng và lạnh được nối với nguồn điện 12V. Để điều chỉnh và ổn định được nhiệt độ lạnh,
hệ thống được điều khiển bởi một bo mạch Arduino đã được lập trình theo yêu cầu công
nghệ của tủ. Dung tích của tủ được dựa trên công suất của tấm Peltier, cụ thể ngăn lạnh
của tủ lạnh có dung tích nhỏ của mô hình chứa được 2 chai nước loại 0,5 lít.Tất cả thiết bị
được lắp đặt trong hộp cách nhiệt có kích thước 180 x 240 x 320 mm. Sơ đồ thiết kế được
chỉ ra trong hình 2.4
Học viên: Nguyễn Thành Chương
13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Tải về để xem bản đầy đủ
81 trang
23520
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Thiết kế tủ lạnh mini xách tay sử dụng tấm peltier", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_thiet_ke_tu_lanh_mini_xach_tay_su_dung_tam_peltier.pdf
