Nghiên cứu và chế tạo cải tiến két giải nhiệt hệ thống làm mát xe máy Exciter

Nội dung text: Nghiên cứu và chế tạo cải tiến két giải nhiệt hệ thống làm mát xe máy Exciter

1. ”NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CẢI TIẾN KÉT GIẢI NHIỆT HỆ THỐNG LÀM MÁT XE MÁY EXCITER” “INVESTIGATE AND PRODUCE TO IMPROVE THE RADIATOR IN COOLING SYSTEM ON YAMAHA EXCITER MOTOCYCLE” Nguyễn Quang Minh 1a, Nguyễn Văn Trạng 2b 1 Học viên Cao học Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh 2 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh a nqminh1991@gmail.com; b trangnv@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Bài báo này trình bày một dạng kết cấu mới của két giải nhiệt trong hệ thống làm mát bằng dung dịch ứng dụng công nghệ truyền nhiệt kênh mini. Két giải nhiệt tiên tiến có kết cấu chắc chắn, kích thước nhỏ gọn hơn rất nhiều so với két giải nhiệt truyền thống trên xe, công nghệ gia công đơn giản, giá thành thấp. Thông qua kết quả thử nghiệm, két giải nhiệt tiên tiến hoàn toàn có thể tăng hiệu quả làm mát mà không làm thay đổi kết cấu của xe, công tác bảo dưỡng, vệ sinh cũng đơn giản hơn. Kết quả cho thấy, nhiệt độ của dung dịch làm mát ra khỏi két giải nhiệt tiên tiến thấp hơn so với két giải nhiệt truyền thống của xe từ 150C đến 200C. Kết quả của đề tài khẳng định tính khả thi và tính hiệu quả của két giải nhiệt kênh mini khi áp dụng trong thực tế. Từ khóa: két giải nhiệt, xylanh, làm mát, nhiệt độ, truyền nhiệt. ABSTRACT The paper presents a new form of radiator in the liquid-cooled system which applies the mini-channel heat transfer technology. The advanced radiator with more reliable structure, smaller size, more simple processing technology and lower cost than traditional
2. radiator. According to experimental results, the advanced radiator can completely increase cooling efficiency without changing the structure of the radiator, maintenance and sanitation is more simple. Results showed that the output temperature of the coolant from the advanced radiator is lower than traditional radiator about 150C to 200C. Results of the study confirmed the feasibility and effectiveness of the advanced radiator when applied in practice. Keywords: radiator, cylinder, cooling, temperature, heat transfer. 1. GIỚI THIỆU Hiện nay, Việt Nam đang bước vào thời kỳ bão hòa của thị trường xe gắn máy nhờ giá thành rẻ và sự thuận tiện trong sử dụng với các điều kiện đường xá đa dạng. Khác với xe tay ga, xe số với kết cấu đơn giản và thường bố trí phần động cơ phía trước nhằn tận dụng tốc độ lưu thông không khí qua thân xe khi đang di chuyển. Dòng không khí sẽ giúp tản nhiệt cho động cơ và giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Đối với xe số tại thị trường Việt Nam, hầu hết các hãng sản xuất đều trang bị hệ thống làm mát bằng gió cho các sản phẩm của mình nhằm giảm giá thành của xe. Tuy nhiên, hệ thống làm mát bằng gió bộc lộ nhiều nhược điểm so với hệ thống làm mát bằng dung dịch. Nguyên nhân do hệ số tỏa nhiệt đối lưu của không khí thấp hơn rất nhiều so với hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dung dịch. Do vậy công suất xe sử dụng hệ thống làm mát bằng gió thường giảm đi trong điều kiện vận hành thực tế. Để đạt được yêu cầu nâng cao công suất động cơ thì các hãng sản xuất thường tính đến phương án nâng dung tích buồng đốt lớn hơn hoặc áp dụng hệ thống làm mát bằng dung dịch. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, công nghệ truyền nhiệt kênh mini/micro đã bắt đầu được ứng dụng trong việc giải nhiệt cho các chi tiết máy có nhiệt độ làm việc cao được đặt trong không gian hẹp. Tiến sĩ Đặng Thành Trung và các đồng sự [1] chỉ ra những ưu điểm của két giải nhiệt kênh mini sử dụng dòng chảy thuận nghịch so với két nước truyền thống sử dụng dòng chảy song song. Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng số học để thu được các số liệu với sự khác biệt giữa hai phương pháp nhỏ hơn
3. 9%. Satish G.Kandlikar [2] đã đưa ra cái nhìn tổng thể về quá trình hình thành và phát triển của két giải nhiệt kênh mini từ năm 1981. Nghiên cứu cũng cung cấp các lý thuyết cơ sở về dòng chảy lưu chất và lý thuyết về dòng chảy sôi truyền nhiệt. Ravindra Kumar, Mohd.Islam và M.M.Hasan [3] đã nghiên cứu các đặc tính về truyền nhiệt của két giải nhiệt kênh mini với dòng chảy một kênh được xét đến. Sự không đồng nhất và các vấn đề có thể phát sinh giữa quan sát thực nghiệm và lý thuyết dự đoán dựa trên lý thuyết cổ điển thường được trình bày bởi nhiều nhà nghiên cứu đã được giới phê bình phân tích. Nó cũng chỉ ra rằng dung dịch Nano được dùng như dung dịch làm mát trong két giải nhiệt kênh mini có tiềm năng tuyệt với để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và nhanh chóng được thiết lập như dung dịch làm mát trong tương lai đã được tính đến. Wai Keat Kuan và Satish G. Kandlikar [4] tập trung vào ảnh hưởng của bộ hạn chế dòng chảy đến hiệu suất truyền nhiệt trong lúc dòng chảy sôi chảy trong các kênh mini. Khi sử dụng bộ hạn chế dòng chảy, mỗi kênh mini có các lỗ vào đã được gia công vào đường ống vào két giải nhiệt. Bộ hạn chế dòng chảy hoạt động dựa trên nguyên lý giảm áp lực về thể tích (Physical pressure drop element – PDE) đã được nghiên cứu trước đó. Kết quả thực nghiệm cho thấy được hiệu quả làm mát của két giải nhiệt kênh mini, với kích thước nhỏ gọn, công nghệ chế tạo đơn giản nên có thể giảm giá thành khoảng 60% so với két làm mát của xe. Khi thử nghiệm với nhiều dải tốc độ động cơ khác nhau, két giải nhiệt kênh mini luôn cho phép nhiệt độ của dung dịch làm mát trước khi giải nhiệt nóng hơn so với két giải nhiệt truyền thống và nhiệt độ của dung dịch làm mát sau khi giải nhiệt thấp hơn và ổn định biên độ hơn so với két giải nhiệt truyền thống. Kết quả bước đầu của nghiên cứu đã thể hiện được sự hiệu quả về giải nhiệt, tính khả thi về bảo dưỡng sửa chữa, tính kinh tế khi gia công chế tạo khi thay thế cho két giải nhiệt truyền thống trên xe. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho dung dịch làm mát Nhiệt lượng từ động cơ truyền cho môi chất làm mát (Qlm) có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau:
4. Qlm = q’lmNe, (J/s) Trong đó, q’lm . lượng nhiệt truyền cho nước làm mát ứng với 1 đơn vị công suất trong 1đơn vị thời gian (J/kW.s). Ne, công suất có ích của động cơ (kW) - Từ nước đến mặt thành ống bên trong: - Qua thành ống: - Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí: Lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống: 푄푙 푙 = 0. 0 Trong đó: Qlm: nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát bằng nhiệt lượng do nước dẫn qua bộ tản nhiệt (J/s) 2 α1: hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt (W/m .độ) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn nhiệt (W/m.độ) δ: chiều dày của thành ống (m) 2 α2: Hệ số tản nhiệt từ thành ống của bộ tản nhiệt vào không khí (W/m .độ) 2 F1: diện tích bề mặt tiếp xúc với nước nóng (m ) 2 F2: diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí (m ) o Ts1,ts2: nhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài của thành ống ( C) Tn,tn: nhiệt độ trung bình của môi chất làm mát trong bộ tản nhiệt và của không khí o đi qua bộ tản nhiệt ( C) 3. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
5. Trong hệ thống thí nghiệm này, các bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí nghiệm két giải nhiệt, xylanh có áo nước, bơm, hệ thống đường ống, quạt điện, cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát. Hình 1: Quá trình thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ theo từng dải tốc độ động cơ Hình 2: Mô hình mẫu két giải nhiệt kênh mini được thí nghiệm
6. Bảng 4.1. Dụng cụ đo và độ chính xác Độ chính Dụng cụ đo Thang đo xác Nhiệt kế điện tử + đầu do nhiệt độ 0,50C 0 ~12000C Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt bằng tia 0,50C 0 ~ 600 0C laser 4. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để đánh giá hiệu quả làm mát, thí nghiệm được tiến hành ở các dải tốc độ động cơ khác nhau của xe, kết quả thực nghiệm được thống kê và phân tích về sự thay đổi nhiệt độ môi chất khi vào và ra két cho cả hai loại két làm mát kênh mini và két truyền thống. Trường hợp 1: Tốc độ động cơ ở 1000v/ph. Hình 3: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vào hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 1000v/ph
7. Hình 4: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ ra khỏi hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 1000v/ph Dựa vào đồ thị trên hình 3 và hình 4 thể hiện nhiệt độ dung dịch làm mát vào và ra khỏi 2 két giải nhiệt tại 1000v/ph, ta có thể thấy két mini chỉ cần 13 phút để đưa nhiệt độ dung dịch làm mát lên gần mức 800C, ở két truyền thống là 22 phút. Sau khi ra khỏi két giải nhiệt, nhiệt độ dung dịch làm mát ra khỏi két mini luôn nằm trong ngưỡng 35-400C và ổn định trong toàn thời gian thử nghiệm. Trường hợp 2: Tốc độ động cơ ở 1500v/ph.
8. Hình 5: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vào hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 1500v/ph Hình 6: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ ra khỏi hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 1500v/ph
9. Dựa vào đồ thị trên hình 5 và hình 6 thể hiện nhiệt độ dung dịch làm mát vào và ra khỏi két giải nhiệt tại 1500v/ph, ta thấy két mini chỉ cần 8 phút để đưa nhiệt độ dung dịch làm mát lên mức 800C và nhiệt độ ra khỏi két mini được duy trì ở mức 40-500C. Dấu chấm trên 2 đường biểu thị nhiệt độ thể hiện thời điểm quạt làm mát bắt đầu hoạt động. Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát, quạt làm mát hoạt động khi nhiệt độ dung dịch làm mát chạm ngưỡng trên của dải nhiệt độ tối ưu. Điều này cho thấy két mini giúp nhiệt độ dung dịch làm mát được duy trì tối ưu hơn so với két truyền thống. Trường hợp 3: Tốc độ động cơ ở 2000 v/ph Hình 7: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vào hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 2000v/ph
10. Hình 8: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ ra khỏi hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 2000v/ph Dựa vào hình 7 và hình 8 thể hiện nhiệt độ dung dịch làm mát ra và vào két giải nhiệt ở 2000v/ph, ta thấy rằng két mini đưa nhiệt độ dung dịch làm mát lên ngưỡng 1000C chỉ sau 8 phút, điều này xảy ra ở két truyền thống sau 22 phút. Biên độ dao động của nhiệt độ dung dịch làm mát ra khỏi két mini ít hơn so với két truyền thống, chứng tỏ két giải nhiệt kênh mini giúp nhiệt độ dung dịch làm mát được ổn định hơn. Trường hợp 3: Tốc độ động cơ ở 2500v/ph.
11. Hình 9: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vào hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 2500v/ph Hình 10: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ ra khỏi hai mẫu két giải nhiệt ở tốc độ 2500v/ph
12. Dựa vào đồ thị trên hình 9 và hình 10 thể hiện nhiệt độ dung dịch làm mát ở 2500v/ph, ta thấy két mini đưa nhiệt độ dung dịch làm mát lên mức 1000C sau 8 phút và nhiệt độ dung dịch làm mát đầu ra được duy trì ở mức 500C. Két truyền thống đưa nhiệt độ dung dịch làm mát lên mức 1000C sau 13 phút và biên độ dao động rất không ổn định. Qua các trường hợp trên cho thấy, nhiệt độ dung dịch làm mát vào két mini và két truyền thống tăng theo thời gian làm việc của động cơ, nhưng nhiệt độ vào và ra két o truyền thống cao hơn và bất ổn định hơn so với két kênh mini khoảng từ 10 đến 15 C. Kết quả bước đầu đã thể hiện được hiệu quả làm mát của bộ tản nhiệt kênh mini và khả năng thay thế cho két làm mát truyền thống. 5. KẾT LUẬN. Trước hết nghiên cứu này bước đầu đã tổng quan được các kết quả nghiên cứu liên quan đến quá trình giải nhiệt của động cơ và cũng đã thí nghiệm thành công két giải nhiệt mới ở động cơ xe máy Yamaha Exciter. Kết quả đạt được theo phương pháp thực nghiệm và so sánh đó là két giải nhiệt mini mới làm mát hiệu quả hơn két giải nhiệt truyền thống, độ bền cao hơn két giải nhiệt truyền thống do có cấu tạo nguyên khối, giá thành sản xuất thấp hơn két giải nhiệt truyền thống. LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các đơn vị đã hỗ trợ để thực hiện dự án nghiên cứu này: (1) Trường ÐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM; (2) Trường Cao đẳng Kinh Tế - Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng, Jiann-cherng Chu, Tingting Xu, Suyi Huang, Shiping Jin và Jieqing Zheng. Single-phase Heat Transfer and Fluid Flow Phenomena of Microchannel Heat Exchanger. Heat Exchangers – Basics Design Applications, pp.249- 288, 2012.
13. [2] Satish G.Kandlikar. History, Advances and Challenges in Liquid Flow and Flow Boiling Heat Transfer in Microchannels: A Critical Review. Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference, 2010, pp.1-20. [3] Ravindra Kumar, Mohd.Islam và M.M.Hasan. A review of Experimental Investigations on Heat Transfer Characteristics of Single Phase Liquid Flow in Microchannels. International Journal of Advanced Mechanical Engineering. ISSN 2250- 3234 Volume 4, Number 1 (2014), pp. 115-120. [4] Wai Keat Kuan và Satish G. Kandlikar. Experimental Study on the Effect of Stabilization on Flow Boiling Heat Transfer in Microchannels. Heat Transfer Engineering, ISSN: 0145-7632 Volume 28, 2007, pp. 746-752.
14. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn B n ti ng Vi t ©, T NG I H C S PH M K THU T TP. H CHÍ MINH và TÁC GI Bản quếy n táệc ph mRƯ ãỜ cĐ bẠ o hỌ b Ưi Lu tẠ xu t Ỹb n vàẬ Lu t S hỒ u trí tu Vi t Nam. NgẢhiêm c m m i hình th c xu t b n, sao ch p, phát tán n i dung khi c a có s ng ý c a tác gi và ả ng ề i h ẩ pđh đưm ợK thuả tộ TP.ở H ậChí Mấinh.ả ậ ở ữ ệ ệ ấ ọ ứ ấ ả ụ ộ hư ự đồ ủ ả Trườ Đạ ọCcÓ Sư BÀI BạÁO KHỹ OA ậH C T ồT, C N CHUNG TAY B O V TÁC QUY N! ĐỂ Ọ Ố Ầ Ả Ệ Ề Th c hi n theo MTCL & KHTHMTCL h c 2017-2018 c a T vi n ng i h c S ph m K thu t Tp. H Chí Minh. ự ệ Năm ọ ủ hư ệ Trườ Đạ ọ ư ạ ỹ ậ ồ