IMS Samenvatting - Samenvatting van Integrated Mechanical Systems

lOMoARcPSD|31019232
IMS samenvatting
Integrated Mechanical Systems (Technische Universiteit Delft)
Scan to open on Studeersnel
Studocu is not sponsored or endorsed by any college or university
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
IMS Samenvatting
Topic 1 Mechanical Systems
Pascaline:
Verschillende schijven met cijfers 0-9, elke schijf voor een tiental (dus eentallen, tientallen,
hondertallen etc.). Optellen gaat door middel van het draaien van de schijf met de gewenste
hoeveelheid die je wil optellen. Als de schijf een hogere orde nadert, zal het carry
mechaniscme naar boven bewegen en zodra van 9 naar 0 gaat, er 1 cijfer verdraaid bij de
hogere orde. De carry stopper zorgt ervoor dat die niet verder draait. Voor aftrekken moet je
gebruik maken van de complementen van 0-9.
Nadeel: overshoot omhoog door carry lever wat een error kan geven van 2 carry’s.
Comptometer:
Meerdere rijen met cijfers van 1-9, eentallen, tientallen, honderdtallen etc. De adding lever
kan draaien om een rotatiepunt, wat gebeurt als de cijfers worden ingedrukt. Door de
hoeveelheid dat de adding lever roteert bij een bepaalde key, weet deze hoeveel erbij wordt
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
opgeteld. Het nummer wiel draait bij het optellen van de cijfers en heeft een carry
mechanisme om naar een hogere orde te gaan. Aftrekken m.b.v. complementen.
Nadeel: Als je de toets heel hard indrukt kan de carry lever overshooten en dus een carry
error geven. De snelheid van operatie hangt af van de operator. Als de adding lever zou
worden gestopt ipv de pin zou dit verholpen kunnen worden, of de pins een upward stroke
geven ipv een downward stroke.
Leibniz Wheel:
Invoer 0-9 geeft tandwiel een bepaalde positie. Bij draaien om het grote wiel kan het rode
tandwiel de gewenste hoeveelheid draaien, dat word doorgevoerd naar het groende
tandwiel. Deze draait vervolgens de cijferschijf. Er zijn meerdere van deze in een Leibniz
calculator gezet om zo eentallen, tientallen, honderdtallen etc te doen. Er zit een bepaalde
carry mechanisme in en aftrekken gaat met de complement methode.
Proportional Lever machine:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
De groene stang is een hefboom aangedreven door een elektromotor waardoor deze heen
en weer beweegt. Deze drijft de paarse hefboom aan die een heen en weer kantelbeweging
maakt. Hierop zijn 9 tandheugels gemonteerd met een verschillende uitslag: 0 tandjes tot 9
tandjes. De rode tandwielen zijn afleestandwielen die op de gewenste tandheugel worden
gezet om digits 0 t/m 9 op te tellen. De blauwe balk is het switching wiel, dat ervoor zorgt dat
alleen verdraaiingen van rode tandwielen in een richting mee worden genomen en de
opgetelde cijfers dus niet direct weer worden afgetrokken. De nummers zijn uiteindelijk af te
lezen op het schijfje met cijfers erop. Aftrekken met 9-complement methode. Dit kan worden
ingesteld door het pivot punt in het midden van de tandheugels te plaatsen, en te verdraaien
als nodig voor aftrekken:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Pinwheel:
Zelfde principe als de proportional lever, alleen is het mechanisme nu in rotatie vorm
waardoor het meer compact is.
Curta pocket calculator:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Maakt gebruik van een leibniz wiel, maar in plaats van meerdere wielen te hebben heeft een
leibniz wiel meerdere tandwielen voor input van eentallen, tientallen, honderdtallen
enzovoort. Die kunnen ieder roteren om zo bij elkaar op te tellen. Clearing lever zet alles
weer op 0. Counter register telt het aantal rotaties gedaan. Aftrekken gaat met 9
complement methode, waarbij je de rekenmachine ‘uittrekt’ zodat de assen zijn uitgelijnd
met de complementen van de cijfers.
De curta pocket calculator heeft meestal een oneven tandwiel voor meer robuustheid.
Hierdoor kan het wiel maar een kant opdraaien en moet dus gebruik worden gemaakt van de
9-complement methode.
10 Key machines:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
De 10-key machines hebben een pinbox van 0-9 waarbij niet meerdere rijen nodig zijn voor
verschillende orde groottes. Deze machines slaan de input op tot er een operatie word
uitgevoerd. De invoerpins drukken de aansluitende pin omlaag, waarmee de digits worden
opgeslagen. De groene pinbox vormt een frame dat zijwaart verschuift bij het invoeren van
de digits, zodat op die manier nieuwe digits in een hogere orde kunnen worden ingevoerd.
De rocking lever beweegt naar boven om de uitstekende pin uit te lezen, er is een rocking
lever per digit. De hoeveelheid die de rocking lever beweegt word geregistreerd in het
optelmechanisme met groene tandwiel die vervolgens de cijfers uitprint op de papierrol door
middel van stempelbedrukking. De pinmachine rechts is een soortgelijk principe alleen is de
rocking lever nu vervangen door een hammer en stamp systeem.
9-complement methode:
A= 9826, B = 5627
C= A-B
B*= 4372 (9-5, 9-6, 9-2, 9-7)
B**= 4373 (adding one)
A+B**= 14199
C= 4199 (haal eerste 1 weg)
Ontwikkelingen hierna
-
Automatische rekenmachines waarbij zelfde principes werden gebruikt alleen
geautomatiseerd dmv motoren en elektrische aandrijving
Snelheid door het wijzigen van discrete berekeningen naar continue bewegingen
Complexe functies: kon antwoorden benaderen door middel van polynome expansie
en gebruik van rekenregels
Digitalisatie waarmee alles kon via signalen en computerrekeningen
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Topic 2: Transport technologie
Dome bovenop: voor stoom intake boven water level
De lucht komt van rechtsonder, via het rooster naar binnen
De horizontale tubes zijn ‘fire tubes’ om het contactoppervlak te vergroten tussen warme
lucht en water
Deflector plate zit in de boilerroom zodat er geen as in de tubes komen
Rechtsboven zitten dwarsbalken, die de dwarskrachten van de boiler opvangen om zo
implosie te voorkomen.
De schoorsteen zit voorin omdat de stoom van de cilinders voorin wordt gebruikt om de rook
eruit te blazen.
De boiler zou extra buizen kunnen bevatten die terug de kamer ingaan, dit is dan een
superheater die zorgt dat de efficiëntie hoger is en vermijden van corrosie.
Verbrandingsmotor:
Otto
-
Benzine luchtmengsel
Ontsteking door vonk
Verbranding zonder overschot
brandstof of zuurstof
Regeling via smoorklep
Diesel
- Brandstof direct in cilinder gespoten
- Hoge compressie
- Zelfontbranding door hoge druk
- Overmaat van zuurstof
- Verbranding niet compleet  roet
- Regeling door inspuit hoeveelheid
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Een zuigermotor moet altijd blijven draaien als die word gebruikt, heeft het hoogste koppel
bij middengebruik en heeft een minimumsnelheid.
Type koppelingen:
-
Vormgesloten zonder slip
Vormgesloten met slip
Lamellenkoppeling: meerdere frictieoppervlakken wat lijdt tot hoge torque bij lage
normaalkracht
Differentieel:
Beide assen kunnen
verschillende hoeksnelheden
hebben.
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Een differentieel zoals deze heeft als nadeel dat het koppel op de linker en rechter as altijd
gelijk is. Dat betekent dat als een wiel slipt, de torque van die as naar 0 gaat en daardoor de
torque van de andere as ook. Een limited slip differenteel verhelpt dit wat gebruik maakt van
lamellenkoppeling. Als een wiel slipt zal de lamellenkoppeling ingedrukt worden waardoor de
as als een rigide verbinding zal gedragen en er wel torque naar het wiel gaat waar tractie is.
Planeetwieloverbrenging
Harmonic Drive
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Omtrek van binnenzijde= pi*Dbinnen
A= lengte flexspline
Afstand die flexspline aflegt met 1 omwenteling: pi*Dbinnen-A
Continuous Variable Transmission (CVT)
Met deze transmissie zijn gearboxes niet nodig, het verstelt puur door hoe de band is
gepositioneerd door sneller of langzamer rijden.
Toroid CVT:
Toroide bevat twee paar van A,
zodat de normaalkracht in B wordt
opgeheven en geen onstabiliteit is.
Hybride Auto’s
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Serieel transmissie:
Parallel transmissie:
Parallel-serie: kan switchen tussen beide transmissies.
Topic 3: Microsystems Manufacturing
Scaling:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Materiaaleigenschappen zoals dichtheid, E schalen niet.
Wat basic schalingfactoren:
-
L, b, h, t, D= 1
F= 3
Inertia= 4
k= 1
Als een object onder een bepaalde kracht komt te staan, kan je kijken hoe het object
reageert/schaalt op deze kracht door te vermenigvuldigen met S^F:
IC based manufacturing: Integrated Circuit based manufacture = Productie door het stacken
van lagen
Dit wordt meestal gedaan op grote platen met silicone wafers voor massaproductie.
IC manufacturing is gebaseerd op:
-
-
Depositie: Toevoegen van een laag materiaal over het oppervlak van de wafer.
Etsen: Materiaal verwijderen m.b.v:
o Chemische reactie
o Mechanisch frezen met hoge energie moleculen
o Combinatie
Veranderen van materiaaleigenschappen van gedeponeerde materiaal
Fotolithografie: Het gedeponeerde materiaal is van licht gevoelig materiaal. Bij
blootstellen aan licht met een bepaalde vorm, zal het materiaal verdwijnen in deze
vorm. Hierna kan er geëtst worden met het overgebleven materiaal, waardoor het
werkmateriaal de gewenste vorm krijgt met een kleine groef afwijking.
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
De grootte van features is gelimiteerd door de golflengte van het licht en da accuraatheid van
de etsstap.
Depositie methodes:
-
Spinning: materiaal wordt van centrum naar buiten gespind. Dikte hangt af van
hoeksnelheid en viscositeit
Verdamping van metaal dat condenseert op koude oppervlak
Sputtering: hoge energie plasma die zich vastbindt aan oppervlak
Chemische damp depositie: door hitte reageren gasdeeltjes op hete oppervlak
Plasma versterkt chemische damp depositie: plasma creëert reactieve deeltjes in gas
Voor depositie moet je dus keuze maken op basis van:
-
Materiaal
Omstandigheden tijdens depositie zoals temperatuur, vacuum, conductiebehoefte
etc.
Karakteristieken van gedeponeerde film: kwaliteit, spanningen, puurheid
Vorm van profielen
Etsen:
-
-
Nat etsen: chemische reactie verwijderd materiaal
o Concentratie afhankelijk
o Geven een hoekige afwerking van 54.74 graden bij silicoon etsen
Droog etsen:
o Plasma/ Reactive Ion etsen: Plasma/Ionen deeltjes creëren reagerende gas
moleculen die kunnen reageren met het oppervlak en zo afbreken
o Geven een vrijwel rechte vorm
Isentroop etsen: etssnelheid is gelijk in alle richtingen
Anisentroop etsen: etssnelheid verschillend in verschillende richtingen door chemische
samenstelling, kristaloriëntatie of mechanisch frezen.
Etsen is moeilijk om selectief te doen. Er zal altijd wat materiaal aangetast worden, ookal is
dat niet de bedoeling. Nat etsen is beter in selectief etsen dan droog etsen.
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Materiaal veranderen: d.m.v. oxideren
Doping: vreemde atomen aanbrengen in materiaal. Dit kan invloed hebben op:
-
Elektrische weerstand
Etssnelheid
Maken van actieve componenten
Op deze manier worden elektronica gemaakt.
Micromachining
-
-
Surface micromachining: op een oppervlak word laag voor laag het gewenste object
gevormd m.b.v. depositie van opofferende laag en etsen. Hier word een object
geproduceerd OP een substraat.
Bulk micromachining: een object word gevormd door selectief etsen IN een substraat.
Silicon on Insulator (SOI): Een wafer die bestaat uit: wafermateriaal (vaak ook silicon),
insulator (silicon oxide) en silicon als toplaag. De toplaag silicon word eerst geëtst,
waarna de onderliggende oxidelaag kan worden geëtst.
Type
Surface
micromachinin
g
Beschrijving
Op een substraat word
laag voor laag het
gewenste object gevormd
d.m.v. depositie en etsen
van een opofferingslaag.
Wordt geproduceerd OP
substraat.
Voordelen
-Goede controle
afmetingen
membraan
- Gecontroleerde
grootte van opening
onder membraan
- Kleine membranen
- Veel mogelijke
meetmethoden om
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
Nadelen
- Mogelijk perforatie
in membraan
- Demping door
afgesloten ruimte
onder membraan
- Kans op contact
tussen membraan
en substraat
(sticking)
lOMoARcPSD|31019232
Bulk
micromachinin
g
Silicon on
insulator
verbuiging of
eigenfrequentie te
meten
Een object wordt
-Beter bij
gevormd d.m.v. selectief
frequentiemeting,
etsen IN een substraat,
minder hoge
geen laag opbouw dus.
demping
Wafer opgebouwd uit:
SOI Bulk of Surface:
wafermateriaal (meestal
-Goede controle
ook silicon), insulator
afmetingen
(silicon oxide), silicon. De membraan door
toplaag silicon wordt
verticale wanden
geëtst, waarna de
- Verticale wanden,
onderliggende oxidelaag
dus membranen
kan worden geëtst. Dit
kunnen dichter bij
kan zowel in bulk als in
elkaar.
surface micromachining
- Goede controle
techniek worden gebruikt. over dikte
membraan, dit is
gelijk aan de SOI
toplaag
- Meerdere maskers
nodig (duurder)
- Minder hoge
demping, nadelig
voor andere
metingen
SOI Bulk:
-Duurder substraat
- Verwijderen en
wegetsen van oxide
laag kan afmetingen
beïnvloeden
SOI Sufrace:
-Perforatie in
membraan
- Demping door
afgesloten ruimte
onder membraan
- Kans op contact
tussen membran en
substraat (sticking)
- Duurder substraat
Type Microsystemen
Verplaatsing meting/ Accelerometer:
-
Maakt gebruik van capacitance, waarbij energie kan worden opgeslagen dmv
electrische oplading
Door middel van een kamstructuur hiervoor te gebruiken kan het verschil in
capacitance worden gemeten en zo de verplaatsing worden gemeten
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Actuators:
Elektrostatische actuators: aantrekkingskracht van ladingen in een systeem
Voorbeelden:
Steppenmotor
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Deze lijkt dus best veel op een accelerometer
De balans tussen actuatiekracht en de veerkracht bepaalt de verplaatsing van de actuator.
Thermische actuators: maken gebruik van thermische expansie van een object
U-Beam actuator: Verschil in temperatuur door grotere thermische uitzetting van de dunne
balk zorgt voor een verbuiging in de richting van de dikke balk.
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
V-Beam actuator: Door uitzetting zal het blokje in het midden naar voren willen bewegen.
Temperatuur die nodig is, is meestal 250-450 graden. Om deze reden zitten er tussen de
thermische actuators en de rest van het onderdeel koelvinnen om de warmte weg te leiden.
Clamping device: Om onderdelen in positie te houden zonder gebruik van vermogen.
De balk kan naar beneden flexen door vezelloading. Dan naar links bewegen door actuatie
van de tooth, zodat die naar de balk toebeweegt.
Micro transportband: Een object kan worden verplaatst door simpele roterende actuators.
Deze kunnen op en neer switchen, waardoor het object zich zal verplaatsen. Deze actuators
zijn aangestuurd met elektrostatische krachten en capacitoren.
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Topic 4: Energy technology
Rankine Cycle:
De rankine cycle is een power cycle.
Rendement:
Turbine
Wt/mdot= h1-h2
h2= hf + x2*hgf
x2= (s2-sf)/(sg-sf)
Als turbine een bepaald rendement heeft:
n_t= (h1-h2)/(h1-h2s)
Warmte uit
Qout/mdot= h2-h3
h3= saturated liquid hf bij gegeven temperatuur en druk
Pomp
Wp/mdot= h4-h3= v3(p4-p3)
h4= h3+ Wp/mdot= h3+ v3(p4-p3)
Als pomp bepaald rendement heeft:
n_p= (h4s-h3)/(h4-h3)= v3(p4-p3)/(h4-h3)
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Warmte in
Qin/mdot= h1-h4
Zie voor berekeningen voorbeelden boek Fundamentals of Engineering Thermodynamics
Powercycle: n= 1-TC/TH (rendement)
Refrigeration
CO2 capture Types:
Post combustion: 50-80$/ton
Standaard verbrandingsvergelijking:
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Pre combustion: 20-30$/ton
ASU= Air Seperation Unit waar O2 en N2 worden gesplitst
Oxyfuel combustion: 30-40$/ton O2 en 45-60$/ton CO2
Zuurstof wordt vooraf gesplitst zodat verbranding alleen met pure zuurstof gebeurt.
Ter vergelijking: Direct Air Capture kost 1000$/ton
How to capture:
-
Absorptie: Oplosbaarheid in een vloeistof, Energie= druk of temperatuur swing.
Adsorptie: Affiniteit met een solide oppervlak, Energie= druk of temperatuur swing
Membranen: Permeabiliteit/doorlaatbaarheid door een membraan materiaal,
Energie= drukval
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Solvent selection voor adsorptie
-
-
Amines: ketens moleculen met OH en NH2 moleculen, lage druk (0.05-0.4 bar)
Hot Potassium Carbonate (K2CO3):
o 110-130 graden
o Drukswing: adsorptie (20 bar), desorptie (atmosferische druk)
o Langzamere kinetica dan amines
Fysische adsorptie: kan werken onder hoge druk, gebruikt voor pre-combustion
capture en Haber Bosch
o Selexol (dimethyl ethers of propyleen glycol), drukswing 20-140 bar
o Rectisol (afgekoeld methanol), drukswing 25-70 bar
In het algemeen is het zo: Lagere druk = Hogere kosten
Absorptiedesign
Hoe goed absorptie werkt is afhankelijk van de volgende punten:
-
Residence time: lang genoeg om reactie te laten plaatsvinden, maar niet te lang om
een van de fases de uitputten
Hoeveelheid mixing: beste mixing is met perfecte countercurrent met weinig mixen.
Interface oppervlak: hoger oppervlak is meer massatransfer, maar kost ook meer
energie
Holdup: hoge holdup betekent grote machines maar is misschien nodig voor
verkrijgen van goede residence tijd of interface
Mechanische factoren door bewegende onderdelen
Materiaal factoren
Heat integration
Qin= mdot*Cp*(Tout-Tin)
Qin= mdot*dHvap*(xin-xout)
Voor pinch methode: helling Q= 1/(mdot*Cp), dHvap is een constante lijn
3 regels voor pinch methode±
-
Qpinch= 0
Qcu (cold utility) ligt onder pinch point
Qhu (hot utility) ligt boven pinch point
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Heat exchanger
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])
lOMoARcPSD|31019232
Countercurrent heat exchangers zijn beter dan co-current
Downloaded by Jonas Repa ([email protected])