Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cấu trúc mới cho mái xe ô tô nhắm mục đích nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt không mong muốn vào không gian cabin (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cấu trúc mới cho mái xe ô tô nhắm mục đích nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt không mong muốn vào không gian cabin (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ SEN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẤU TRÚC MỚI CHO MÁI XE Ô TÔ NHẮM MỤC ĐÍCH NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGĂN CHẶN DÒNG NHIỆT KHÔNG MONG MUỐN VÀO KHÔNG GIAN CABIN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 7 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỊ SEN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẤU TRÚC MỚI CHO MÁI XE Ô TÔ NHẮM MỤC ĐÍCH NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGĂN CHẶN DÒNG NHIỆT KHÔNG MONG MUỐN VÀO KHÔNG GIAN CABIN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VŨ LÂN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: Lê Thị Sen Giới tính: nữ Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1980 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Tĩnh Gia - Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: KP1A – An Phú – Thuận An – Bình Dương Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0915513335 Fax: E-mail: huongsenvsip@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học chuyên nghiệp Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / . đến Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2001 đến 03/2006 Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 01/10/2009 Trường Cao đẳng nghề Việt Nam - Giáo viên khoa Cơ khí Singapore chế tạo i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Thị Sen ii
5. CẢM TẠ Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn TS. NGUYỄN VŨ LÂN, dù rất bận rộn với công việc giảng dạy, công tác của phòng Quan hệ và hợp tác Quốc tế nhưng thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng dẫn rất tận tình cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015 iii
6. ABSTRACT In the recent years, energy demand has increased due to the hight-energy consumption in different fields. Energy sources are gradually depleted and contributed to environmental pollutants. Renewable energy will play a role as an alternative energy source for the foreseeable future. One of prospective techniques of storing thermal ennery is the application of phase change materials(PCM). Thermal energy storage through PCM is capable of storing and releasing larger amounts of energy. This is material that ability to reuse and environmentally friendly but other materials can hardly be compared. Topic “ study, design and manufacture new structure for the roof of cars aimed at improving the efficiency blocking heat flo” has applied phase change material to store heat flow into the cabin space. Not only contribute to environmental protection by considering different methods of heat-resistant for cars, the introduction of phase change materials in the roof structure to prevent hot car is not too complex, but giving practical effect simultaneously lower costs for fuel problem to cool. The study of the subject begins with comparing two structural design car roof by using the ANSYS simulation software. Continued, with selected structural design to compare with experimental and simulation results to see the efficiency of the use of phase change materials in new structural than normal structural. With the best structure of the two test results and simulation parameters have shown that the new design has better thermal performance than normal roof structure of the vehicle is available. In the experimental conditions mentioned, the new design could help reduce up to 40% of the energy needed for cooling by heat comes down from the roof into the cabin. Savings rate may be much higher in the case of external natural wind or the vehicle to move when in use. By doing this study, accurate calculation and comparison of methods to improve the thermal conductivity of the PCM during heat retention. iv
7. TÓM TẮT Trong những năm gần đây, nhu cầu về năng lượng đã tăng lên do sự tiêu thụ năng lượng rất lớn trong các lĩnh vực khác nhau. Các nguồn năng lượng đang dần bị cạn kiệt và góp phần không nhỏ gây ô nhiễm môi trường. Năng lượng tái tạo sẽ đóng vai trò là nguồn năng lượng thay thế trong tương lai gần. Một trong những tiềm năng của việc lưu trữ năng lượng là ứng dụng các vật liệu biến đổi pha. Vật liệu biến đổi pha có khả năng lưu giữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng. Đây là loại vật liệu mà khả năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu khác khó có thể so sánh được. Đề tài “ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo kết cấu mới cho mái xe ô tô nhằm mục đích nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt” đã ứng dụng vật liệu biến đổi pha để lưu giữ dòng nhiệt truyền vào không gian cabin. Không những góp phần bảo vệ môi trường mà so với những phương pháp chống nóng khác cho xe ô tô thì việc đưa vật liệu biến đổi pha vào kết cấu mái xe để chống nóng không quá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả thiết thực đồng thời giảm chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu để làm mát. Nghiên cứu của đề tài được bắt đầu với việc so sánh 2 thiết kế kết cấu lớp mái xe ô tô bằng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Tiếp đó chọn ra thiết kế tối ưu để thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng để thấy được hiệu quả của việc sử dụng vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới so với kết cấu bình thường. Với cấu trúc tốt nhất của hai kết quả thí nghiệm và mô phỏng các thông số đã chỉ ra rằng các thiết kế mới có hiệu suất nhiệt tốt hơn so với kết cấu mái bình thường của các xe có sẵn. Trong điều kiện thí nghiệm đã đề cập, các thiết kế mới có thể giúp giảm lên đến khoảng 40% năng lượng cần thiết để làm mát bởi nhiệt đi xuống từ lớp mái xe vào cabin. Tỷ lệ tiết kiệm có thể còn cao hơn nhiều trong trường hợp bên ngoài có gió tự nhiên hoặc các xe di chuyển khi sử dụng. Hướng nghiên cứu dự kiến, tính toán chính xác và so sánh các phương pháp nâng cao hệ số truyền nhiệt của PCM trong quá trình lưu giữ nhiệt. v
8. M ỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt viii Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xii Chương 1 1 Tổng quan 1 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 6 1.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu 6 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 7 1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 8 1.6 Kế hoạch thực hiện 9 Chương 2 10 Vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới của mái xe ô tô 10 2.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM) 10 2.2 Cơ sở lý thuyết chọn PCM để lưu nhiệt 12 2.3 Phương trình truyền nhiệt của PCM 19 2.4 Kết cấu lớp mái xe ô tô 20 Chương 3 . 25 Phương pháp và thiết bị thí nghiệm 25 vi
9. 3.1 Trang thiết bị thí nghiệm 25 3.2 Chuẩn bị mô hình mô phỏng và thí nghiệm 27 3.3 Phần mềm mô phỏng 29 3.4 Phương pháp thí nghiệm 29 3.5 Mô hình toán học 31 3.6 Xác định lượng Paraffin cần sử dụng 36 Chương 4 38 Mô phỏng và thí nghiệm quá trình lưu giữ nhiệt của kết cấu mái xe 38 4.1 Giới thiệu 38 4.2 Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ứng với các kết cấu khác nhau của mái xe 39 4.3 Kết quả thực nghiệm 46 4.4 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 50 Chương 5 56 Kết luận và hướng phát triển 56 5.1 Kết luận 56 5.2 Hướng phát triển 56 Tài liệu tham khảo 57 vii
10. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT PCM : Phase Change Material ADAM: Advantech ADAM PDE: Partial Differential Equations CAD: Computer Aided Design viii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế 2 Hình 1.2: PCM - Ứng dụng sưởi ấm 2 Hình 1.3: PCM - Ứng dụng làm mát 3 Hình 1.4: PCM - Ứng dụng làm mát trong áo 3 Hình 2.1: Chu trình làm việc của PCM 11 Hình 2.2: Sơ đồ phân loại PCM 12 Hình 2.3: Hình ảnh sáp Parafin C22H46 17 Hình 2.4: Đóng gói PCM trong Polymer 18 Hình 2.5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép 18 Hình 2.6: Đóng gói PCM trong ống kim loại 18 Hình 2.7: Dán kính (phim) cách nhiệt hoặc miếng dính phản quang 20 Hình 2.8: Hình ảnh kết cấu của mái xe thông thường 22 Hình 2.9: Kết cấu của mái xe thông thường 23 Hình 2.10: Hình ảnh kết cấu mới của mái xe 23 Hình 2.11: Cấu trúc hình vuông 24 Hình 2.12: Cấu trúc hình tròn 24 Hình 2.13: Kết cấu mới của mái xe 24 Hình 3.1: Cặp nhiệt điện 26 Hình 3.2: Đèn halogen 26 Hình 3.3: Bộ chuyển đổi tín hiệu 26 Hình 3.4: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm 26 Hình 3.5: Minh họa mô hình bình thường 27 Hình 3.6: Minh họa mô hình mới thứ nhất 27 Hình 3.7: Minh họa mô hình mới thứ hai 28 Hình 3.8: Mô hình thí nghiệm có/ không có PCM 28 Hình 3.9: Hệ thống thí nghiệm với mô hình bình thường 30 ix
12. Hình 3.10: Hệ thống thí nghiệm với mô hình có lớp PCM 31 Hình 4.1: Mật độ thông lượng nhiệt của mô hình mô phỏng 40 Hình 4.2: Mô hình chia lưới mái xe thông thường 41 Hình 4.3: Mô hình chia lưới kết cấu 1 41 Hình 4.4: Mô hình chia lưới kết cấu 2 42 Hình 4.5: Phân bố nhiệt độ trên lớp mái xe thông thường 43 Hình 4.6: Phân bố nhiệt lượng trên lớp mái xe thông thường 43 Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ của lớp mái xe trong kết cấu 1 44 Hình 4.8: Phân bố nhiệt lượng của lớp mái xe trong kết cấu 1 44 Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ của lớp mái xe trong kết cấu 2 45 Hình 4.10: Phân bố nhiệt lượng của lớp mái xe trong kết cấu 2 45 Hình 4.11: Mô hình thí nghiệm kết cấu mái xe có / không có PCM 47 Hình 4.12: Giao diện đo nhiệt độ .47 Hình 4.13: Biểu đồ đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM (không có gió bên ngoài) .48 Hình 4.14: Đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM ( có gió bên ngoài) . . 50 x
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG HÌNH TRANG Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện luận văn . .9 Bảng 2.1 Số liệu một số vật liệu chuyển pha 15 Bảng 2.2 Đặc tính lý nhiệt của Parafin C22H46 17 Bảng 2.3 Hấp thụ của các màu sơn . 21 Bảng 4.1 Thông số vật liệu dùng trong mô hình 39 Bảng 4.2 Tổng hợp nhiệt độ 46 Bảng 4.3: Trích các khoảng thời gian thí nghiệm . 49 Bảng 4.4: So sánh kết quả thí nghiệm . .52 Bảng 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh 53 Bảng 4.6: Ảnh hưởng cuả tốc độ gió . .54 Bảng 4.7: Ảnh hưởng cuả nhiệt độ nóng chảy . 54 Bảng 4.8: Ảnh hưởng bởi nhiệt ẩn của PCM . 55 xi
14. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năng lượng là nguồn sống của tất cả các hoạt động của con người trên trái đất. Nhưng sự gia tăng liên tục mức độ phát thải khí nhà kính và hạn chế nguồn tài nguyên nhiên liệu liên quan đến vấn đề tăng giá nhiên liệu chính là những động lực để sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo. Trên thế giới đã có rất nhiều bài báo công bố các kết quả về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha (vật liệu chuyển pha) tạo ra những kết cấu ưu việt để lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích sưởi ấm và làm mát không gian sống nhằm tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material) đã được nghiên cứu gần 40 năm và nó đã được chứng minh là một trong những giải pháp hữu ích trong một số lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt với những thành công lớn như: thiết bị điện lạnh, tấm pin mặt trời, các hệ thống sàn bức xạ, sưởi ấm và làm mát các công trình xây dựng [1 . Vật liệu biến đổi pha rất phong phú và đa dạng. Để phù hợp với một ứng dụng nhất định, vật liệu biến đổi pha được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ nóng chảy (chuyển pha) của vật liệu, dung lượng ẩn nhiệt chuyển pha của vật liệu và điều kiện làm việc, điều kiện thời tiết của từng khu vực. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên vật liệu sẽ hấp thụ nhiệt rồi lưu trữ nhiệt trong một thời gian nhất định và khi mà nhiệt độ bên ngoài giảm xuống thì nó lại phát nhiệt để trở về trạng thái ban đầu [2 . Những vật liệu tan chảy ở nhiệt độ dưới 15°C được sử dụng cho việc lưu trữ lạnh trong các ứng dụng điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan chảy trên 90°C được sử dụng để hấp thụ lạnh. Vật liệu biến đổi pha được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực để bảo quản thực phẩm, đồ uống, các sản phẩm sữa Ứng dụng trong ngành y tế để vận chuyển máu, vacxin và phương pháp điều trị nóng lạnh [3 1
15. Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế Tất cả các vật liệu tan chảy ở nhiệt độ từ 15°C đến 90°C được áp dụng trong các ứng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu tại Ningpo, Đại học Nottingham Trung Quốc, đã chế tạo vật liệu biến đổi pha mới điều chỉnh nhiệt có thể cắt giảm chi phí cho quá trình sưởi ấm và làm mát cho các tòa nhà trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Hình 1.2: PCM - ứng dụng sưởi ấm 2
16. Hình 1.3: PCM - ứng dụng làm mát Loại vật liệu mới này có khả năng lưu giữ nhiều năng lượng hơn mà lại phản ứng với nhiệt nhanh hơn các vật liệu thông thường và được sản xuất với giá thành thấp. Cấu trúc cơ bản của vật liệu được điều chỉnh ở mức nhiệt độ cụ thể trước khi vật liệu được sử dụng. Nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS. Jo Darkwa, Giám đốc Trung tâm công nghệ năng lượng bền vững hiện đang nghiên cứu chế tạo vật liệu dùng cho các ứng dụng sưởi ấm và làm mát. Hình 1.4: PCM - ứng dụng làm mát trong áo 3
17. Nhiều nhà khoa học và tổ chức quốc tế cũng đầu tư vào nghiên cứu, phát triển và ứng dụng PCM trong lưu trữ năng lượng. Đặc biệt kết quả của công trình Phase Change Materials Based On Polyethylene, Paraffin Wax and Wood Flour của Mfiso Emmanuel Mngomezulu (B.Sc. Hons.) tại Univerrity of the Free State (WAQWA CAMPUS) đã tạo đà cho các ứng dụng của PCM trong xây dựng, lưu trữ năng lượng Các kết quả của nhóm tác giả càng khẳng định tính ưu việt của PCM khi mà thế giới đang hướng tới xu thế phát triển năng lượng bền vững để giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu truyền thống đang dần bị cạn kiệt. Trên thế giới vật liệu biến đổi pha đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của xã hội nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống hướng tới phát triển bền vững năng lượng xanh và sạch. 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đã sớm được Bộ khoa học và công nghệ giới thiệu qua Hội thảo “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ thuật viên và các nhà quản lý đã tham dự. Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi đầu trong việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới và đã nghiên cứu, so sánh khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt để làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông nghiệp, thủy sản . - Sau hơn 2 năm nghiên cứu, thử nghiệm tại Hà Nội và triển khai thử nghiệm tại một số địa phương khan hiếm nước ngọt ven biển của tỉnh Bến Tre và Thừa Thiên Huế, đến tháng 3 năm 2007 nhóm tác giả tại Viện Hoá học đã ứng dụng thành công vật liệu chuyển pha trữ nhiệt vào công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời, đạt 6-8 lít/m2/ngày, hiệu quả gấp đôi so với công nghệ truyền thống. Công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời cũng như công nghệ tích trữ nhiệt bằng vật liệu chuyển pha đứng riêng lẻ là không mới. Nhưng vấn đề kết hợp 2 công nghệ với nhau là một ý tưởng hoàn toàn mới. Sự kết hợp này cho phép tận thu nhiệt lượng dư thừa khi trời nắng to để sau đó tái sử dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuyển pha trữ nhiệt đảm nhiệm. Nhờ vậy, khác với 4
18. các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có chỉ hoạt động khi có mặt trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục hoạt động ngay cả khi trời đã tắt nắng. - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG (ĐH Đà Nẵng): “ Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc tính toán, thiết kế thiết bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy hải sản có sử dụng Paraffin để trữ nhiệt. Tuy nhiên, đề tài này chỉ tính toán được thời gian tích trữ, giải phóng năng lượng của Parafin trong Collector tấm phẳng để sấy hải sản. - Báo cáo đề tài Khoa học và Công nghệ “Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát tòa nhà trạm viễn thông” do VNPT Đồng Nai thực hiện. Nội dung nghiên cứu của đề tài là tiến hành thực nghiệm khả năng ứng dụng các tấm panel vật liệu biến đổi pha PCM để làm mát thiết bị viễn thông trong các nhà trạm viễn thông Đồng Nai nhằm giảm chi phí nhiên liệu, điện năng và điều hòa không khí. Nhưng đề tài báo cáo chỉ ứng dụng PCM trong làm mát, còn những hạn chế về nội dung và tính toán mô phỏng. Tuy nhiên, đến hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực, phần lớn các đề tài chỉ sử dụng vật liệu biến đổi pha theo hướng lưu trữ nhiệt lượng bằng thực nghiệm mà chưa khai thác hiệu quả tiềm năng của vật liệu. Qua thời gian khảo sát thông tin từ những tạp chí và các trang thông tin ( nhưng vẫn chưa tìm thấy thông tin viết về vấn đề mà chúng tôi đang nghiên cứu. Vì vậy, có thể nói chúng tôi là một trong những nhóm tiên phong trong việc nghiên cứu về kết cấu mới cho mái xe ô tô có sử dụng vật liệu biến đổi pha nhẳm mục đích ngăn dòng nhiệt xâm nhập vào không gian cabin, tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống làm mát, tạo không gian thoải mái khi chúng ta sử dụng ô tô làm phương tiện lưu thông đồng thời giảm thiểu lượng khí thải và góp phần bảo vệ môi trường. 5
19. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Như đã trình bày ở trên, hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa thực sự được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống trong khi hiệu quả của vật liệu này đạt được là rất lớn. Hầu hết các công trình chỉ ứng dụng vật liệu theo kinh nghiệm mà chưa lựa chọn loại vật liệu biến đổi pha phù hợp với một ứng dụng nhất định để khai thác hết hiệu quả mà vật liệu biến đổi pha mang lại. Đây cũng là loại vật liệu mà khả năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu khác khó có thể so sánh được. Không những góp phần bảo vệ môi trường mà so với những phương pháp chống nóng khác cho xe ô tô thì việc đưa vật liệu biến đổi pha vào kết cấu mái xe để chống nóng không quá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả thiết thực đồng thời giảm chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu để làm mát. 1.3 Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu khả năng lưu giữ nhiệt của chất biến đổi pha (PCM) để giữ nhiệt với kết cấu mới của mái xe ô tô có lớp vật liệu biến đổi pha nhằm ngăn dòng nhiệt không mong muốn khi nhiệt độ môi trường tăng cao. Kết cấu mới này rất phù hợp với điều kiện thời tiết ở Việt Nam, đặc biệt là ở khu vực miền Nam với dải nhiệt độ trong khoảng 250 – 400C. 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu Mô hình kết cấu mới của mái xe ô tô bao gồm: - Lớp mái bằng thép - Lớp cách nhiệt - Lớp vật liệu biến đổi pha (PCM) - Lớp vải len Phương pháp mô phỏng các mô hình với kết cấu mới của lớp mái xe nhằm dự đoán kết quả lưu giữ và ngăn dòng nhiệt đi vào không gian cabin để ổn định nhiệt độ, tạo không gian thoải mái cho người sử dụng phương tiện. 6
20. 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập và phân tích tài liệu về vật liệu biến đổi pha gồm 2 nhóm chính: + PCM hữu cơ + PCM vô cơ - Tìm hiểu về kết cấu của mái xe thông thường trên thị trường với các cách chống nóng đang được áp dụng hiện tại. - Phân tích và đề xuất kết cấu cho mái xe khi có thêm lớp vật liệu biến đổi pha với các phương án bố trí vật liệu theo nhiều dạng khác nhau. - Mô phỏng các kết cấu mới này và chọn ra kết cấu khả thi phù hợp với thông số, hình dáng của một chiếc xe. - Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng. - Tổng kết và đưa ra phương án tối ưu. 1.4.2 Giới hạn đề tài - Không gian mô phỏng buồng cabin xe với quy mô nhỏ, trong đó có kích thước 600mm × 600mm × 600mm, được xây dựng bằng cách sử dụng các tấm xốp cách nhiệt dày 60mm. Phía trên được bao phủ bởi một trong những mô hình với kết cấu mới của mái xe trong mỗi thí nghiệm. - Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm 4 đèn halogen với công suất điện 500W/110V để mô phỏng nguồn nhiệt năng từ năng lượng mặt trời. - Các đèn được cố định ở khoảng cách nhất định và chiếu sáng liên tục trong thời gian 4 giờ với cùng một nguồn điện đã cung cấp để các bức xạ đạt tới trung bình và được duy trì khoảng 950W/m2 khi được bật. - Nhiệt độ của không khí xung quanh toàn bộ hệ thống thí nghiệm luôn luôn được giữ khoảng 250C và thực hiện trong điều kiện không có gió để đảm bảo bức xạ và đối lưu diễn ra tự nhiên và được ổn định. 7
21. 1.5 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cách tiếp cận Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích, mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả và đưa ra dự đoán. 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 1.5.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật vật liệu biến đổi pha để đảm bảo tính đa dạng và vận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất trong thời gian gần đây sao cho phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài. 1.5.2.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm Dựa trên các kết quả và thất bại trong quá trình thực nghiệm, từ đó lựa chọn được kết cấu phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm. Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau của lớp vật liệu. 1.5.2.3 Phương pháp phân tích so sánh Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 thiết kế của lớp vật liệu về các yếu tố: - Khả năng lưu giữ nhiệt lượng của lớp vật liệu biến đổi pha khi nhiệt độ tăng. - Sự truyền nhiệt vào không gian cabin. - Khả năng phát nhiệt trở lại môi trường khi nhiệt độ giảm. Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao. 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4