Quá trình lập và sàng lọc concept – Dự án Coolice (MESLAB 2015)
Tháng Một 22, 2020

Cases & ReportsQuá trình lập và sàng lọc concept – Dự án Coolice (MESLAB 2015)

https://meslab.vn/wp-content/uploads/2020/01/Picture1.png

Lựa chọn những mẫu sẽ phát triển

Sau buổi brainstorming, nhóm đưa ra 2 phương án để phát triển tiếp:
Phương án 1: sử dụng đồng thời ống Laval, nước đá và ống đồng.
Phương án 2: chế tạo bộ làm mát cho quạt điện sử dụng ống đồng và nước đá.

Hai phương án đã chọn đáp ứng được các yêu cầu đầu vào, đồng thời có thể tái sử dụng nước.

Phương án 1

Ống Laval có kết cấu như một chiếc đồng hồ cát, nhằm tăng tốc độ dòng khí đi qua. Trong quá trình làm tăng tốc dòng khí này, nhiệt độ của chúng cũng giảm theo. Nước đá được chứa trong thùng, hơi mát được quạt thổi qua ống Laval tới bộ phận tản gió và thổi ra ngoài. Trong khi đó, bơm có tác dụng bơm nước đá tuần hoàn bên ngoài qua ống Laval, hạ nhiệt độ của ống.

Ống Laval (chú thích: M: số mach, p: áp suất, T: nhiệt độ, v: vận tốc) (ảnh: wikipedia)

Kết cấu thiết bị

Thiết bị gồm có: thùng chứa nước, ống đồng, ống Laval, quạt thổi, quạt tản gió, bơm nước.

Để tận dụng nước đá, nhóm sử dụng hệ thống tuần hoàn nước. Chúng gồm các ống đồng dẫn nhiệt và bộ phận trao đổi nhiệt – ở đây sử dụng ống Laval. Nước đá được bơm tuần hoàn qua hệ thống ống đồng tới ống Laval, làm giảm nhiệt của ống.

Phương án thiết kế concept 1, sử dụng ống Laval (ảnh chụp màn hình)

Quá trình tính toán các thông số

Dựa vào các điều kiện đầu vào của bài toán như: diện tích đáp ứng: 15m², mức giảm nhiệt độ: 5-7 độ C, tiêu tốn ít điện năng, nhóm đã lọc ra thành các yêu cầu kỹ thuật.

Điều kiện đầu vào Yêu cầu kỹ tuật
Diện tích đáp ứng Thể tích không khí: V = 15*3,5 = 52,5 (m³)
  Khối lượng không khí: M = 52.5*1.2 = 63 (kg)
(với 1.2 là khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ phòng)
Mức giảm nhiệt độ ΔT = 5-7 (độ C)

Từ các yêu cầu trên, tính được nhiệt lượng cần lấy ra khỏi không khí trong căn phòng 15m² từ 35 độ xuống 30 độ là:

Q1 = m1.c1. ΔT1 với c1 = 1,005 J/kg.K – là nhiệt dung riêng của không khí
=> Q1 = -443,2 (J)

Vậy cần lấy một lượng nhiệt Q1 = -443,2 (J) để có thể giảm 7 độ trong không khí.

Nhiệt độ của nước đá và nước đá đang tan là 0 độ, vậy lượng nhiệt có thể hấp thụ của 2 lít nước đá 0 độ là:
Q2 = m2.c2.ΔT2 với c2 = 4200 J/kg.K – là nhiệt dung riêng của nước; m2 = 2kg; ΔT2 = 20 độ

=> Q2 = 168000 (J) > Q1
Vậy 2 lít nước đá hoàn toàn có thể hấp thụ được lượng nhiệt của riêng không khí trong phòng 15m².

Lựa chọn thông số cho các bộ phận

Tên bộ phận Số lượng Thông số
Quạt hút 1 (theo tính toán)
Quạt thổi 2 (theo tính toán)
Dung tích bình chứa 1 2 lít
Ống đồng 2x Φ6 Chiều dài: 500mm
Bơm nước 1 12V; 4,2W
Lớp bảo ôn 1 Xốp dày 5mm
Ống Laval 1 Chiều cao: 230mm
Đường kính dưới: 80mm
Đường kính phần thắt: 55mm
Đường kính trên: 100mm

Phương án 2

Bộ làm mát cho quạt điện có cấu tạo khá đơn giản. Chúng bao gồm: ống đồng, nước đá, thùng chứa nước đá, bơm nước mini.

Phương án thiết kế concept 2, tận dụng quạt điện (ảnh chụp mà hình)

Kết cấu thiết bị

Hệ thống gồm có: bơm nước, ống đồng, thùng chứa nước đá, quạt điện được kết nối như hình. Đối với phương án thiết kế này tương đối đơn giản và dễ chế tạo, trong khi có thể tái sử dụng lượng nước đá. Bơm nước tuần hoàn nước mát từ thùng chứa, đi qua ống đồng, thu nhiệt trong không khí và về thùng. Trong khi đó, quạt có tác dụng lưu thông khí trong phòng.

Quá trình tính toán các thông số

Đối với phương án này chỉ cần tính toán các thông số về đường kính ống, chiều dài ống và dung tích bể chứa. Điều kiện đầu vào tương tự như trên.

Bảng đánh giá ưu, nhược điểm của 2 mẫu concept

  Concept 1 Concept 2
Ưu điểm – Hiệu suất làm mát cao hơn.
– Hoạt động độc lập.
– Dễ dàng di chuyển.
– Kết cầu đơn giản.
– Tận dụng được quạt điện, giảm giá thành.
– Mức tiêu thụ điện ít hơn.
Nhược điểm – Kết cấu phức tạp. – Thùng chứa nước làm quạt nặng hơn, khó quay.

Đối với concept 1, ưu điểm lớn nhất là sự linh hoạt trong di chuyển và phù hợp với yêu cầu ban đầu. Trong khi đó, ở concept 2 dù là hệ thống tích hợp vào quạt điện có sẵn nhưng nó gây sự cồng kềnh cho chiếc quạt. Bởi vậy, chúng tôi quyết định sử dụng concept 1 để tiếp tục phát triển.

Thiết kế kiểu dáng

Sau khi thống nhất sử dụng concept 1, đội thiết kế kiểu dáng bắt đầu đề xuất các ý tưởng cho kiểu dáng của Coolice. Yêu cầu quan trọng nhất trong thiết kế kiểu dáng là đảm bảo kích thước của thiết bị là nhỏ nhất để phù hợp với diện tích sử dụng (15m²). Đồng thời, thiết kế phải đáp ứng đủ không gian cho các kết cấu bên trong cũng như đủ bền.
Cuối cùng nhóm thiết kế đưa ra mẫu concept Coolice 2015 như hình.

Kiểu dáng Coolice 2015 (ảnh trích dự án MES Lab)

Bài viết này nằm nhằm bổ trợ cho các nội dung của chương 8 tài liệu RDI Toolkit (2019) về Tạo concept từ góc độ công nghệ và thiết kế

DI Team @ MES LAB.