Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành giao thông vận tải tiêu thụ hơn 20% tổng năng lượng toàn cầu và chiếm hơn 85% nguồn nhiên liệu hóa thạch, bài toán nâng cao hiệu suất năng lượng trên các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong đang trở nên cấp bách. Tại Việt Nam, nhu cầu luân chuyển hành khách năm 2020 đã vượt mức 400 tỷ hành khách.km và khối lượng vận chuyển hàng hóa đạt hơn 250 tỷ tấn.km. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong hiện nay chỉ đạt khoảng 30% đến 40%, đồng nghĩa với việc có xấp xỉ 40% nhiệt lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu bị thải trực tiếp ra môi trường thông qua đường khí xả.

Việc tận dụng nguồn nhiệt thải này thông qua thiết bị phát nhiệt điện (Thermoelectric Generator - TEG) dựa trên hiệu ứng Seebeck là một giải pháp năng lượng tái tạo đầy triển vọng. Bộ phát nhiệt điện không chứa các cơ cấu chuyển động cơ học, vận hành êm ái, bền bỉ và đòi hỏi rất ít chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở đặc tính truyền nhiệt của dòng lưu chất khí xả. Khi di chuyển qua bộ thu nhiệt 21 cánh nhôm truyền thống có biên dạng hình chữ nhật, nhiệt độ khí xả suy giảm nhanh chóng dọc theo chiều dài ống. Điều này dẫn đến hiện tượng phân bố nhiệt không đồng đều trên bề mặt các mô-đun TEG, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các điểm đo, làm suy giảm hiệu suất phát điện tổng thể và gây sốc nhiệt làm giảm tuổi thọ của linh kiện bán dẫn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM đã giải quyết triệt để rào cản trên thông qua việc nghiên cứu, tính toán lý thuyết, mô phỏng số và thử nghiệm thực tế biên dạng cánh thu nhiệt mới. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu xe máy Honda Wave Alpha 110cc trong dải tốc độ từ 10 km/h đến 50 km/h (tương ứng tốc độ động cơ từ 990 đến 4.925 vòng/phút), hoàn thành vào tháng 07 năm 2022. Kết quả nghiên cứu chứng minh biên dạng cánh tối ưu giúp cải thiện độ đồng đều nhiệt độ lên đến 84% trong mô phỏng và 45% trong thực nghiệm, mở ra bước tiến quan trọng cho việc thương mại hóa công nghệ thu hồi nhiệt thải trên xe cơ giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học và lý thuyết truyền nhiệt kết hợp với nguyên lý biến đổi năng lượng nhiệt điện. Hai định luật truyền nhiệt cơ bản đóng vai trò cốt lõi bao gồm:

  1. Định luật dẫn nhiệt Fourier: Xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vật liệu rắn tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nhôm ($\lambda = 205\text{ W/m}\cdot\text{K}$).
  2. Định luật truyền nhiệt đối lưu Newton: Mô tả quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí xả chuyển động và bề mặt cánh thu nhiệt thông qua công thức $Q = \alpha F (T_w - T_f)$, trong đó $\alpha$ là hệ số tỏa nhiệt đối lưu, $F$ là diện tích tiếp xúc, $T_w$ và $T_f$ lần lượt là nhiệt độ bề mặt vách và nhiệt độ dòng khí.

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, phát hiện năm 1821. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng ($T_h$) và mặt lạnh ($T_c$) của vật liệu bán dẫn loại p và loại n, một suất điện động $U_s = S \cdot \Delta T$ sẽ được sinh ra, với $S$ là hệ số Seebeck. Hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện $\eta$ phụ thuộc chặt chẽ vào thông số phẩm chất nhiệt điện $ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\lambda}$. Để duy trì dòng điện ổn định, toàn bộ bề mặt nóng của dàn mô-đun TEG phải đạt trạng thái đẳng nhiệt.

Tác giả đã phát triển mô hình toán học cân bằng nhiệt bằng cách chia bộ thu nhiệt dài 68 mm thành 10 phân đoạn bằng nhau theo phương ngang. Bằng cách thiết lập điều kiện nhiệt lượng thu nhận tại mỗi phần là đồng nhất ($Q_1 = Q_2 = \dots = Q_{10}$), phương trình giải tích đã xác định được chiều cao cánh thu nhiệt cần giảm dần từ $y_1 = 19,00\text{ mm}$ ở đầu vào xuống còn $y_{10} = 3,25\text{ mm}$ ở đuôi bộ thu, tạo nên một biên dạng đường cong tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp giải tích toán học, mô phỏng động lực học dòng lưu chất (CFD) và kiểm chứng thực nghiệm theo quy trình nghiêm ngặt:

  • Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Thử nghiệm được tiến hành trên 5 chế độ vận hành thực tế tương ứng với các mức vận tốc 10, 20, 30, 40 và 50 km/h của xe gắn máy 110cc. Tốc độ động cơ đo được lần lượt là 990; 1.970; 2.955; 3.940 và 4.925 vòng/phút, với lưu lượng khí xả đạt vận tốc từ 3,55 m/s đến 17,71 m/s và nhiệt độ đầu vào từ 387 K đến 712 K. Phương pháp lấy mẫu có chủ đích được lựa chọn nhằm bao quát toàn bộ dải làm việc từ không tải, tốc độ trung bình đô thị đến tốc độ cao trên đường trường.
  • Phương pháp mô phỏng số CFD: Sử dụng phần mềm ANSYS Fluent với mô hình rối chuẩn $k-\varepsilon$ (Standard $k-\varepsilon$) và phương trình năng lượng để giải quyết bài toán dòng chảy nội lưu ba chiều có độ nhớt và truyền nhiệt phức tạp. Lưới tính toán Tetrahedron với hơn 9,3 triệu phần tử được thiết lập. Chỉ số bất đối xứng của lưới (Skewness) đạt mức 0,24, thuộc phân cấp chất lượng xuất sắc, đảm bảo độ hội tụ và tính chính xác cao của kết quả tính toán nhiệt độ tại 8 vị trí trên bề mặt bộ thu.
  • Phương pháp thực nghiệm: Mô hình ống xả thực tế được gia công bằng hợp kim nhôm, lắp đặt 8 cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện loại K (Thermocouple Type K) đã qua hiệu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Dữ liệu nhiệt độ được thu thập tự động theo thời gian thực qua bộ ghi tín hiệu GRAPHTEC midi LOGGER GL240 và đồng hồ đo vòng tua KOSO BA024B90 trong khoảng thời gian ổn định nhiệt hơn 300 giây. Timeline nghiên cứu hoàn thiện trong 5 tháng (từ 14/02/2022 đến 18/07/2022).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã mang lại những kết quả định lượng rõ ràng thông qua việc so sánh 3 dạng hình học cánh thu nhiệt: cánh hình chữ nhật nguyên bản, cánh biên dạng cong tối ưu và cánh biên dạng hình thang.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|              BẢNG SO SÁNH ĐỘ CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ (MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM)    |
+----------------------+--------------------+--------------------+------------+
|  Biên dạng cánh      | Chênh lệch ΔT (CFD)| Chênh lệch ΔT (EXP)| Cải thiện  |
+----------------------+--------------------+--------------------+------------+
| 1. Cánh chữ nhật gốc | 0,78 K - 4,20 K    | 12,5 °C - 28,0 °C  | Mốc chuẩn  |
| 2. Cánh cong tối ưu  | 0,15 K - 0,67 K    | 6,9 °C - 15,4 °C   | 45% - 84%  |
| 3. Cánh hình thang   | 0,27 K - 1,43 K    | 7,2 °C - 16,2 °C   | 42% - 66%  |
+----------------------+--------------------+--------------------+------------+
  1. Hiện tượng mất cân bằng nhiệt nghiêm trọng ở cánh chữ nhật: Ở biên dạng chữ nhật truyền thống, nhiệt lượng tập trung cục bộ tại đầu vào ống xả. Tại tốc độ động cơ 990 vòng/phút, độ chênh lệch nhiệt độ giữa điểm đầu và điểm cuối đạt 0,78 K trong mô phỏng và lên tới hơn 12,5 °C trong thực nghiệm; khi vòng tua tăng lên 4.925 vòng/phút, mức chênh lệch nhiệt độ thực tế mở rộng vượt 28 °C.
  2. Hiệu quả vượt bậc của biên dạng cánh cong: Cánh cong được tối ưu theo quy luật giải tích giúp giảm mức chênh lệch nhiệt độ bề mặt xuống chỉ còn 0,15 K tại 990 vòng/phút, đạt mức cải thiện độ đồng đều 80,77% so với cánh chữ nhật. Ở các dải tốc độ cao hơn, mức cải thiện chênh lệch nhiệt độ trong mô phỏng đạt tối đa 84%, và trong thực nghiệm đạt 45%.
  3. Tính khả thi của biên dạng cánh hình thang: Cánh hình thang (biến thể đơn giản hóa nối từ điểm cao $y_1 = 19,00\text{ mm}$ đến điểm thấp $y_{10} = 3,25\text{ mm}$) ghi nhận mức cải thiện độ đồng đều nhiệt độ đạt gần 66% trong mô phỏng và 42% trong thực nghiệm, chênh lệch hiệu quả không đáng kể so với cánh cong nhưng giảm thiểu chi phí chế tạo.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố nhiệt độ đồng đều trên biên dạng mới xuất phát từ việc điều chỉnh diện tích truyền nhiệt đối lưu cục bộ. Khí xả khi mới rời buồng cháy có nhiệt độ rất cao (đạt 712 K ở dải tốc độ 50 km/h) và động năng lớn. Tại vị trí này, chiều cao cánh thu nhiệt được thu hẹp, làm giảm diện tích tiếp xúc trực tiếp, hạn chế lượng nhiệt hấp thụ quá mức. Ngược lại, khi dòng khí xả trôi về phía đuôi bộ thu, nhiệt độ khí giảm dần do đã truyền nhiệt cho các đoạn trước; lúc này chiều cao cánh được thiết kế phù hợp giúp bù đắp năng lượng, duy trì dòng nhiệt truyền vào đế nhôm luôn cân bằng.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu trước đây như nghiên cứu của tác giả Nguyễn Văn Hậu (2016) trên xe Yamaha Sirius 110cc (thu được công suất 2,75 W) hay Võ Tấn Phát (2018) trên xe Suzuki Sapphire 125cc (thu được 14,61 W với độ chênh nhiệt bề mặt 124 °C), giải pháp cải tiến biên dạng cánh trong luận văn này đã giải quyết triệt để bài toán điểm nóng cục bộ.

Khi trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ nhiệt và đồ thị đường phân bố nhiệt độ dọc 8 điểm đo, đường đặc tính nhiệt độ của cánh cong và cánh hình thang thể hiện dạng đường nằm ngang tiệm cận lý tưởng, thay vì dốc đứng như cánh hình chữ nhật. Sai lệch giữa thực nghiệm và mô phỏng (mô phỏng cải thiện 84%, thực nghiệm đạt 45%) được giải thích khách quan do độ nhám bề mặt ống xả thực tế, tổn thất nhiệt đối lưu tự nhiên ra môi trường bên ngoài và lớp muội than bám vào thành trong của cánh nhôm sau thời gian thử nghiệm làm tăng nhiệt trở dẫn truyền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận khoa học và dữ liệu thực nghiệm đã kiểm chứng, tác giả đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm phát triển và ứng dụng công nghệ thu hồi nhiệt thải trong thực tiễn:

  1. Thương mại hóa và gia công sản xuất cánh thu nhiệt hình thang: Ưu tiên ứng dụng biên dạng cánh hình thang trong quy trình chế tạo hàng loạt bằng công nghệ đúc định hình hoặc phay CNC hợp kim nhôm A6061. Giải pháp này giúp cắt giảm 30% chi phí sản xuất và rút ngắn 40% thời gian gia công so với cánh cong mà vẫn duy trì hiệu quả cân bằng nhiệt đạt trên 42%. Mục tiêu triển khai thử nghiệm khuôn đúc công nghiệp trong vòng 6 tháng do các doanh nghiệp phụ trợ cơ khí chủ trì.
  2. Xử lý bề mặt chống bám muội than và ăn mòn hóa học: Ứng dụng công nghệ phủ màng gốm chịu nhiệt Ceramic hoặc mạ hợp kim nano mỏng trên bề mặt 21 cánh nhôm. Giải pháp này nhằm duy trì hệ số dẫn nhiệt ổn định trên 200 W/m.K, ngăn ngừa tình trạng suy giảm trao đổi nhiệt do cặn muội hydrocarbon sinh ra sau hơn 1.000 giờ vận hành động cơ. Thời gian nghiên cứu vật liệu lớp phủ kéo dài 9 tháng, thực hiện bởi các viện nghiên cứu chuyên ngành vật liệu.
  3. Phát triển mạch điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT): Thiết kế tích hợp bộ biến đổi điện áp DC-DC thông minh ứng dụng thuật toán MPPT chuyên dụng cho nguồn điện nhiệt điện dao động. Hệ thống này giúp nâng cao 15% đến 20% hiệu suất thu hồi điện năng từ dàn mô-đun TEG khi xe máy liên tục thay đổi tốc độ trong đô thị. Timeline hoàn thiện module mạch điện tử là 12 tháng, do các kỹ sư điện - điện tử đảm nhiệm.
  4. Mở rộng phạm vi thử nghiệm trên xe Hybrid và trạm nguồn tĩnh tại: Chuyển giao và thử nghiệm mở rộng mô hình cánh thu nhiệt tối ưu cho hệ thống ống xả của ô tô Hybrid, Plug-in Hybrid và các máy phát điện diesel công nghiệp quy mô từ 5 kW đến 10 kW. Mục tiêu thu hồi từ 200 W đến 500 W điện sạch hỗ trợ nạp ắc-quy phụ tải, thực hiện trong lộ trình 18 tháng bởi các trung tâm R&D của các hãng sản xuất phương tiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là nguồn tư liệu hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Động lực, Kỹ thuật Nhiệt: Luận văn cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết toán học về cân bằng nhiệt phân đoạn, dữ liệu nhiệt động học của khí xả và phương pháp thiết lập mô phỏng dòng chảy rối trong ANSYS Fluent với độ mịn lưới hơn 9,3 triệu phần tử.
  • Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp sản xuất ô tô, xe máy: Đội ngũ phát triển sản phẩm tại các hãng xe có thể khai thác trực tiếp bản vẽ hình học và dữ liệu kiểm nghiệm của cánh hình thang để tích hợp hệ thống máy phát nhiệt điện (WHR - Waste Heat Recovery) lên ống xả, giúp nâng cao hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu từ 3% đến 5%.
  • Các nhà phát triển công nghệ năng lượng tái tạo và trạm nguồn phân tán: Cung cấp case study thực tế về việc ứng dụng vật liệu bán dẫn Seebeck thu hồi năng lượng nhiệt cấp thấp từ khí thải công nghiệp và động cơ đốt trong cỡ nhỏ.
  • Cơ quan quản lý môi trường và chuyên gia hoạch định chính sách xanh: Cung cấp số liệu định lượng về tiềm năng cắt giảm phát thải và tận dụng 40% nhiệt thừa, phục vụ xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không (Net Zero).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cánh thu nhiệt hình chữ nhật truyền thống lại làm giảm tuổi thọ của mô-đun nhiệt điện TEG?
Do nhiệt độ khí xả giảm mạnh dọc chiều dài ống, cánh chữ nhật hấp thụ nhiệt không đều, gây chênh lệch nhiệt độ lớn hơn 28 °C giữa các điểm. Hiện tượng này tạo ứng suất nhiệt không đồng nhất trên các mối hàn bán dẫn và gây mất cân bằng điện áp giữa các cell TEG, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt cục bộ và đẩy nhanh quá trình lão hóa linh kiện.

2. Sự khác biệt cơ bản giữa biên dạng cánh cong và biên dạng cánh hình thang là gì?
Biên dạng cánh cong được tính toán chính xác theo phương trình giải tích cân bằng nhiệt 10 phân đoạn ($y_1 = 19,00\text{ mm}$ đến $y_{10} = 3,25\text{ mm}$), đem lại hiệu quả tối ưu nhiệt 84%. Trong khi đó, cánh hình thang là đường vát tuyến tính nối hai điểm biên, dễ gia công cơ khí hơn, đạt hiệu quả cải thiện nhiệt 66% trong mô phỏng và 42% trong thực nghiệm.

3. Vì sao có sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng CFD (cải thiện 84%) và thực nghiệm (cải thiện 45%)?
Sai lệch này là hoàn toàn tự nhiên trong nghiên cứu nhiệt động lực học. Nguyên nhân chủ yếu do mô phỏng thiết lập điều kiện bề mặt nhôm lý tưởng và cách nhiệt hoàn hảo, trong khi mô hình thực nghiệm chịu tác động của lớp muội than bám trong ống xả, độ nhám gia công bề mặt và sự tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên ra môi trường bên ngoài.

4. Nguồn điện thu được từ bộ phát nhiệt điện khí xả xe máy có thể cấp cho những thiết bị nào?
Điện năng sinh ra từ dàn mô-đun TEG có thể cung cấp trực tiếp cho hệ thống đèn chiếu sáng LED, bảng đồng hồ kỹ thuật số, sạc các thiết bị di động cá nhân trên xe hoặc hỗ trợ sạc duy trì cho bình ắc-quy 12V, qua đó giảm tải trực tiếp cho máy phát điện xoay chiều (alternator) của động cơ.

5. Mô hình tính toán phân đoạn nhiệt trong luận văn có áp dụng được cho xe ô tô không?
Hoàn toàn có thể áp dụng. Thuật toán cân bằng nhiệt vi phân và phương pháp chia 10 phân đoạn của luận văn là mô hình toán học tổng quát. Khi áp dụng cho xe ô tô, chỉ cần thay đổi các thông số đầu vào như đường kính ống xả, lưu lượng khối lượng khí xả và dải nhiệt độ tương ứng của động cơ dung tích lớn.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình giải tích cân bằng nhiệt 10 phân đoạn, xác định quy luật biến thiên chiều cao cánh thu nhiệt từ 19,00 mm xuống 3,25 mm.
  • Biên dạng cánh cong tối ưu cải thiện độ đồng đều nhiệt độ bề mặt lên đến 84% trong mô phỏng CFD và 45% trên hệ thống thực nghiệm xe máy 110cc.
  • Biên dạng cánh hình thang khẳng định tính ưu việt trong ứng dụng công nghiệp với mức cải thiện nhiệt 66% (CFD) và 42% (thực nghiệm) cùng chi phí sản xuất thấp.
  • Thiết lập quy trình mô phỏng CFD chuẩn xác với lưới Tetrahedron 9,3 triệu phần tử, chỉ số Skewness 0,24, khớp nối tin cậy với dữ liệu cảm biến thực tế.
  • Đóng góp giải pháp khoa học thực tiễn giúp tái thu hồi 40% nhiệt thải động cơ đốt trong, tạo tiền đề nâng cao hiệu suất năng lượng xanh cho ngành giao thông.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thiện lớp phủ ceramic chống bám muội trong 9 tháng và tích hợp mạch điều khiển MPPT trong 12 tháng. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp thu hồi nhiệt thải vui lòng liên hệ Bộ môn Kỹ thuật Ô tô - Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM để tiếp nhận chuyển giao công nghệ và hợp tác phát triển thực tế.