Các loại tủ sốc nhiệt và nguyên lý hoạt động

Trong thị trường hiện nay, chúng ta được chứng kiến sự đa dạng vô cùng đáng kinh ngạc về các loại tủ sốc nhiệt, mỗi loại đem lại sự pha trộn tinh tế giữa thiết kế độc đáo, chức năng đa dạng và hiệu suất vượt trội. Mặc dù có sự khác biệt rõ rệt về mẫu mã, công nghệ và mức giá, nhưng tất cả những tủ sốc nhiệt này đều tuân theo một nguyên tắc cốt lõi quan trọng – khả năng tạo ra biến đổi nhiệt độ đột ngột để thử nghiệm và kiểm tra độ bền của các vật liệu và sản phẩm.

Nguyên tắc hoạt động của các tủ sốc nhiệt tập trung vào khả năng tạo ra các biến đổi nhiệt độ đáng kể và nhanh chóng trong buồng thử nghiệm. Điều này giúp mô phỏng và kiểm tra khả năng chịu nhiệt của các sản phẩm và vật liệu trong điều kiện môi trường thay đổi.

Tuy nhiên, sự đa dạng không chỉ hiển thị ở mức nguyên tắc hoạt động mà còn ở cấu trúc và tính năng của từng loại tủ sốc nhiệt. Các yêu cầu thử nghiệm cụ thể và tiêu chuẩn quốc tế đa dạng đòi hỏi sự tinh chỉnh và đáp ứng của tủ sốc nhiệt. Do đó, tủ sốc nhiệt có thể được phân loại và chia thành nhiều loại để đáp ứng nhu cầu thử nghiệm đặc thù khác nhau.

Phân loại dựa trên môi trường trong buồng thử nghiệm

• Tủ sốc nhiệt cho không khí: Được thiết kế đặc biệt để thích hợp với các thử nghiệm liên quan đến môi trường không khí. Chúng được sử dụng để kiểm tra độ bền của vật liệu trong điều kiện môi trường không khí thay đổi, từ nhiệt độ cực cao đến cực thấp.
• Tủ sốc nhiệt cho chất lỏng: Được sử dụng để thử nghiệm các vật liệu hoặc sản phẩm phải đối mặt với sự biến đổi nhiệt độ trong môi trường chất lỏng, ví dụ như kiểm tra độ bền của ống dẫn nước trong điều kiện thời tiết lạnh hoặc nhiệt độ cao.

Phân loại dựa trên cấu trúc buồng thử nghiệm

• Tủ sốc nhiệt một buồng: Đây là loại tủ sốc nhiệt đơn giản, chỉ có một buồng thử nghiệm duy nhất. Chúng phù hợp cho các ứng dụng đơn giản và kiểm tra cơ bản, nơi một môi trường kiểm tra là đủ.
• Tủ sốc nhiệt hai buồng: Loại này bao gồm hai buồng thử nghiệm, cho phép kiểm tra sự chuyển đổi giữa hai môi trường nhiệt độ khác nhau, thường là nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Đây thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu thay đổi nhiệt độ nhanh chóng.
• Tủ sốc nhiệt ba buồng: Sử dụng ba buồng thử nghiệm để thực hiện các thử nghiệm sốc nhiệt phức tạp hơn, có thể bao gồm ba môi trường nhiệt độ khác nhau hoặc thử nghiệm trải qua nhiều giai đoạn nhiệt độ khác nhau. Điều này đặc biệt hữu ích cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm đa dạng.

Ngoài các phân loại này, trong một số trường hợp, tủ sốc nhiệt còn được trang bị hệ thống rung bên trong các buồng thử nghiệm. Điều này giúp đánh giá độ tin cậy của các mẫu thử nghiệm trong điều kiện nhiệt độ và rung động đồng thời. Từng loại tủ sốc nhiệt này đều đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm và vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến nghiên cứu và phát triển.

Thử nghiệm sốc nhiệt trong môi trường không khí (Air to Air) – Loại phổ biến

Phương pháp thử nghiệm sốc nhiệt trong môi trường không khí, còn được gọi là “Air to Air” (Khí đến Khí), là một trong những phương thức kiểm tra độ bền và ổn định của các sản phẩm và vật liệu phổ biến và quan trọng nhất. Loại thử nghiệm này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đánh giá khả năng chịu đựng của mẫu thử trong điều kiện nhiệt độ dao động nhanh và mô phỏng các biến đổi nhiệt độ đột ngột. Có ba loại tủ sốc nhiệt phổ biến được sử dụng trong phương pháp này, bao gồm:

• Tủ sốc nhiệt 1 buồng và 2 buồng: Trong tủ sốc nhiệt 1 buồng, không khí trong buồng thử nghiệm được điều chỉnh nhiệt độ trực tiếp thông qua các hệ thống gia nhiệt hoặc làm lạnh. Điều này cho phép tạo ra sự biến đổi nhiệt độ một cách chính xác và đáng tin cậy để kiểm tra mẫu thử. Tủ sốc nhiệt 2 buồng thường được sử dụng để thử nghiệm các mẫu đòi hỏi sự chuyển đổi giữa hai môi trường nhiệt độ khác nhau, ví dụ như nhiệt độ cao và thấp.
• Tủ sốc nhiệt 3 buồng: Trong tủ sốc nhiệt loại này, không khí nóng và lạnh được cung cấp vào buồng thử nghiệm thông qua hệ thống quạt từ các vùng khác nhau. Điều này tạo ra một môi trường thử nghiệm đa dạng, cho phép mô phỏng các điều kiện sốc nhiệt phức tạp hơn.

Nito lỏng (liquid nitrogen) là gì? Nito lỏng (liquid nitrogen) là nitơ trong trạng thái lỏng ở nhiệt độ siêu thấp, khoảng -196 độ C. Nó được sản xuất công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Nito lỏng là chất lỏng trong suốt, không màu, trọng lượng riêng 0,807 g/ml ở điểm sôi của nó và hằng số điện môi. Nito lỏng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như: Bảo quản thực phẩm lạnh, làm chậm sự oxy hóa và quá trình ôi thiu. Làm mát trong ngành y tế, công nghiệp và thẩm mỹ. Làm sạch và thử xì đường ống, hàn đường ống. Tạo hiệu ứng khói trong các buổi biểu diễn nghệ thuật. Tuy nhiên, nito lỏng cũng có những nguy cơ và hạn chế, như: Gây bỏng lạnh khi tiếp xúc với da hoặc mô sống. Gây cháy nổ khi có sự hiện diện của oxy lỏng hoặc các hợp chất hữu cơ. Gây nổ bình khí do áp suất gia tăng bất ngờ khi hóa hơi. Không duy trì sự cháy do tính trơ của nitơ.

Để tạo ra không khí nóng, thường sử dụng các loại điện trở đốt để gia nhiệt không khí. Trong trường hợp cần làm lạnh mẫu thử trong một khoảng thời gian rất ngắn, người ta thường sử dụng Nito lỏng (liquid nitrogen). Các loại chất làm lạnh phổ biến bao gồm R23, R32, R401, R507 và các tùy chọn tương tự. Mức độ đa dạng về nhiệt độ của các tủ sốc nhiệt trong môi trường không khí hiện nay rất rộng, với khả năng thử nghiệm từ -80 độ Celsius đến +200 độ Celsius. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư thử nghiệm mẫu thử trong các điều kiện nhiệt độ cực đoan, giúp xác định độ bền và ổn định của sản phẩm hoặc vật liệu trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ ngành công nghiệp đến nghiên cứu khoa học.

Chất làm lạnh là gì? Chất làm lạnh hay còn gọi là môi chất lạnh, tác nhân lạnh, ga lạnh (tiếng Anh: refrigerant) là một chất hoặc hỗn hợp, thường là chất lỏng, được sử dụng trong bơm nhiệt và chu trình làm lạnh. Môi chất lạnh được sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để thu nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn.

Thử nghiệm sốc nhiệt trong môi trường chất lỏng (Liquid to Liquid) – Loại ít phổ biến

Loại tủ thử nghiệm sốc nhiệt Liquid to Liquid, ít phổ biến nhưng cực kỳ hiệu quả, tỏ ra khác biệt so với các loại tủ thử nhiệt truyền thống. Khác biệt chính của loại tủ này nằm ở cách tiếp cận nhiệt độ, thay vì cung cấp khí nóng hoặc lạnh trực tiếp vào buồng thử nghiệm, ta thực hiện việc nhúng buồng thử nghiệm vào một dung dịch đặc biệt có nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp. Loại tủ này được sáng tạo để tạo ra các biến đổi nhiệt độ vô cùng mạnh mẽ đối với mẫu thử, và điều này thường diễn ra trong thời gian rất ngắn, đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự nhanh chóng và chính xác, và đồng thời tối ưu hóa khả năng chống lại biến dạng của mẫu thử.

Tuy nhiên, cùng với hiệu suất cao đó, loại tủ này cũng đi kèm với chi phí sử dụng tương đối lớn. Điều này đặc biệt trở nên khó khăn khi cần duy trì và quản lý các dung dịch đặc biệt này, bởi chúng có khả năng bay hơi nhanh, dẫn đến lãng phí lớn trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, mẫu thử cho loại tủ này phải tuân thủ các giới hạn về khối lượng và thể tích buồng thử nghiệm, làm hạn chế một số ứng dụng cụ thể.

Mặc dù loại tủ Liquid to Liquid không phổ biến bằng các loại tủ thử nhiệt truyền thống, nhưng trên toàn cầu, tủ thử nhiệt thông dụng nhất hiện nay vẫn là loại hai buồng và ba buồng. Trong trường hợp của tủ ba buồng, ba vùng thử nghiệm hoàn toàn độc lập được đặt trong ba buồng riêng biệt, và buồng thử nghiệm có khả năng di chuyển linh hoạt giữa các buồng nhiệt và lạnh thông qua cơ cấu cơ học. Hệ thống này thậm chí còn cho phép tùy chỉnh vị trí của các buồng theo chiều dọc hoặc ngang, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của người sử dụng.

Loại tủ thử nhiệt hai buồng hoạt động tương tự như một hệ thống thang máy, cho phép buồng thử nghiệm di chuyển giữa buồng nhiệt và lạnh trong khoảng thời gian rất ngắn, thường chỉ trong vòng 10 giây. Tuy nhiên, loại tủ thử nhiệt ba buồng có một cấu trúc phức tạp hơn, bao gồm ba phần riêng biệt: buồng nhiệt, buồng trung gian và buồng lạnh. Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa loại tủ hai buồng và ba buồng nằm ở việc xác định vị trí của mẫu thử. Trong loại ba buồng, mẫu thử được cố định ở buồng trung gian, trong khi trong loại hai buồng, mẫu thử có khả năng di chuyển để thay đổi môi trường thử nghiệm. Điều này tạo ra một sự linh hoạt đáng kể trong việc thiết lập và điều chỉnh thử nghiệm, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng thử nghiệm.

Trong quá trình thực hiện các thử nghiệm đòi hỏi sự kiểm soát nhiệt độ chính xác và độ ổn định cao, hệ thống này được thiết kế với khả năng quản lý và điều chỉnh nhiệt độ trong hai buồng quan trọng, đó là buồng nóng và buồng lạnh. Mục tiêu của hệ thống là đảm bảo rằng nhiệt độ trong mỗi buồng sẽ luôn đạt đúng giá trị mục tiêu, theo đúng yêu cầu của quy trình thử nghiệm. Khi nhiệt độ trong buồng nóng đã đạt đến mức giá trị mục tiêu và ổn định tại đó, cửa của buồng nóng sẽ tự động mở ra để tiếp tục cung cấp luồng không khí nóng vào buồng trung gian, nơi có mẫu thử hoặc vật phẩm thử nghiệm được đặt. Trong thời gian này, hệ thống phải duy trì nhiệt độ ổn định tại giá trị mục tiêu để đảm bảo rằng điều kiện thử nghiệm được duy trì chính xác và đáng tin cậy.

Khi thời gian thử nghiệm trong môi trường nóng đã kết thúc và quá trình thử nghiệm yêu cầu chuyển sang môi trường lạnh, cửa của buồng nóng sẽ đóng lại và cửa của buồng lạnh sẽ tự động mở ra để bắt đầu tiến hành làm lạnh. Trong giai đoạn này, hệ thống phải tiếp tục điều chỉnh nhiệt độ để đảm bảo rằng nhiệt độ trong buồng trung gian, nơi có mẫu thử, được duy trì chính xác tại giá trị mục tiêu theo thông số cài đặt. Thời gian cần thiết để đạt được nhiệt độ ổn định có thể kéo dài từ 5 đến 10 phút, tùy thuộc vào quy trình cụ thể. Khi thời gian thử nghiệm trong môi trường lạnh đã kết thúc, đây cũng là thời điểm kết thúc một chu trình hoàn chỉnh trong hệ thống. Hệ thống này được thiết kế để tự động lặp lại các chu trình này với nhiều cài đặt khác nhau, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của quá trình thử nghiệm hoặc người sử dụng.

Ngoài ra, cần lưu ý rằng tủ thử nghiệm đơn buồng, loại ít phổ biến hơn, chỉ có một buồng thử nghiệm duy nhất. Điều này đồng nghĩa với việc kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ trong buồng này có thể thực hiện nhanh chóng và hiệu quả hơn. Loại tủ này thường sử dụng khí nitơ để làm lạnh và cung cấp khí nóng trực tiếp vào buồng thử nghiệm. Một điểm mạnh nổi bật của loại tủ này là kích thước nhỏ gọn, làm cho nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng có không gian hạn chế.

Hệ thống cũng được trang bị các quạt tuần hoàn trong buồng thử nghiệm để tạo ra luồng không khí, giúp đảm bảo rằng nhiệt độ trong không gian buồng được phân phối đồng đều. Để tạo ra không khí nóng, thường sử dụng điện trở đốt công suất lớn, tương tự như cách máy sưởi hoạt động. Trong khi để tạo ra không khí lạnh, thường sử dụng máy nén khí, tương tự như trong điều hòa không khí và tủ lạnh. Các vùng tạo ra không khí nóng và không khí lạnh hoạt động độc lập và hiệu quả, đảm bảo rằng quy trình thử nghiệm diễn ra một cách chính xác và đáng tin cậy.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của tủ sốc nhiệt

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của tủ sốc nhiệt là một quy trình phức tạp, đáng tin cậy và quan trọng trong lĩnh vực thử nghiệm và kiểm tra các vật phẩm, mẫu thử, và sản phẩm trong các điều kiện môi trường nhiệt độ biến đổi nhanh chóng. Dưới đây là một mô tả chi tiết và mở rộng hơn gấp ba lần về nguyên lý hoạt động của tủ sốc nhiệt:

• Điều kiện môi trường ban đầu: Quá trình kiểm tra bắt đầu bằng việc đặt mẫu thử hoặc sản phẩm cần kiểm tra vào buồng test của tủ sốc nhiệt. Lúc này, nhiệt độ của buồng test đồng nghĩa với nhiệt độ của môi trường xung quanh, tương tự như điều kiện thời tiết tự nhiên tại vị trí cụ thể.
• Điều chỉnh nhiệt độ ngưỡng: Tiếp theo, chúng ta điều chỉnh nhiệt độ của mẫu thử lên một giá trị ngưỡng nhiệt độ cụ thể. Điều này thường thực hiện bằng cách cung cấp hoặc loại bỏ nhiệt độ thông qua việc sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ của tủ sốc nhiệt. Quá trình này có thể sử dụng nhiệt độ không khí nóng hoặc lạnh để thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh mẫu thử.

• Duy trì nhiệt độ ngưỡng: Khi mẫu thử đạt được nhiệt độ ngưỡng mong muốn, quá trình kiểm tra không dừng lại. Thay vào đó, nhiệt độ này được duy trì trong một khoảng thời gian cố định, thường được tính bằng giây hoặc phút. Mục tiêu là đảm bảo rằng tất cả các phần của mẫu thử đạt đến nhiệt độ đồng nhất để đảm bảo sự nhất quán trong kết quả kiểm tra.
• Chuyển đổi trạng thái nhiệt độ: Buồng thử nghiệm sau đó sẽ chuyển từ trạng thái nhiệt độ cao sang trạng thái nhiệt độ thấp, hoặc ngược lại, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình kiểm tra. Điều này thường được thực hiện thông qua cơ chế đảo chiều cung cấp nhiệt độ, sử dụng cả nguồn nhiệt nóng và lạnh. Điều này giúp mô phỏng điều kiện môi trường thay đổi nhanh chóng, mà sản phẩm hoặc mẫu thử cần phải chịu đựng trong quá trình thực tế.
• Duối trình duy trì nhiệt độ: Sau khi chuyển đổi nhiệt độ, mẫu thử hoặc sản phẩm sẽ tiếp tục được duy trì ở nhiệt độ môi trường mới trong khoảng thời gian được thiết lập theo yêu cầu của quá trình kiểm tra hoặc tiêu chuẩn liên quan. Điều này đặc biệt quan trọng để kiểm tra tính ổn định và độ bền của sản phẩm trong điều kiện biến đổi nhiệt độ.
• Lặp lại quá trình kiểm tra: Toàn bộ quá trình này có thể lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình kiểm tra. Mỗi lần lặp lại được gọi là một chu kỳ kiểm tra. Thường thì quá trình này được lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính nhất quán và đáng tin cậy của kết quả. Tất cả các hoạt động trong quá trình kiểm tra, bao gồm cả điều khiển nhiệt độ và giám sát, được thực hiện và theo dõi thông qua bảng điều khiển hoặc giao diện máy tính của tủ sốc nhiệt để đảm bảo rằng quá trình kiểm tra diễn ra đúng theo kế hoạch và mục tiêu.