Cải tiến giải nhiệt két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt mini kênh sử dụng công nghệ UV

• Tác giả: PGS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí động lực
• Đề tài: Cải Tiến Nâng Cao Giải Nhiệt Của Két Nước Xe Tay Ga Bằng Bộ Tản Nhiệt Kênh Mini
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• 0.prefix. Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
• 0.prefix. Thông tin kết quả nghiên cứu
• 0.prefix. Information on research results
• 1. Phần 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 2. Phần 2: Cơ sở nghiên cứu và kết quả
• 2.1. Mô hình toán học
• 2.2. Lắp đặt hệ thống nghí nghiệm
• 2.3. Các kết quả và thảo luận
• 2.3.1. Các kết quả mô phỏng
• 2.3.2. Các kết quả thực nghiệm
• 3. Phần 3: Kết luận và kiến nghị
• Lời cảm ơn
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

I. Cải tiến hệ thống làm mát xe tay ga

Nghiên cứu tập trung vào cải tiến hệ thống làm mát xe tay ga, đặc biệt là giải quyết vấn đề quá nhiệt của két nước. Giải pháp làm mát động cơ hiện hành trên xe tay ga, bao gồm làm mát bằng gió cưỡng bức hoặc dung dịch, đều có những hạn chế. Làm mát bằng gió hiệu quả thấp, dẫn đến động cơ phải có dung tích lớn hơn để đạt cùng hiệu suất. Làm mát bằng dung dịch, dù được sử dụng rộng rãi, vẫn gặp các nhược điểm như cánh tản nhiệt mỏng, dễ móp méo và bám bẩn, hiệu quả truyền nhiệt chưa cao. Nguyên nhân két nước xe tay ga bị nóng phần lớn đến từ thiết kế truyền thống, cồng kềnh và hiệu quả tản nhiệt chưa tối ưu. Nghiên cứu đề xuất sử dụng bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV nhằm khắc phục những nhược điểm này.

1.1. Phân tích các giải pháp làm mát hiện hành

Hiện nay, giải pháp làm mát động cơ xe tay ga chủ yếu dựa trên hai phương pháp: làm mát bằng gió cưỡng bức và làm mát bằng dung dịch. Hệ thống làm mát bằng gió, mặc dù đơn giản về cấu tạo, lại có hiệu quả thấp do hệ số tỏa nhiệt đối lưu của không khí nhỏ. Điều này dẫn đến vấn đề quá nhiệt động cơ, giảm hiệu suất và đòi hỏi dung tích xi-lanh lớn hơn. Giải pháp làm mát bằng dung dịch, sử dụng két nước, khắc phục được phần nào nhược điểm của hệ thống làm mát bằng gió. Tuy nhiên, các két nước truyền thống vẫn tồn tại những hạn chế về hiệu quả truyền nhiệt, kích thước cồng kềnh và dễ bị hư hỏng do các cánh tản nhiệt mỏng manh. Vận đề quá nhiệt động cơ do đó vẫn là một thách thức cần giải quyết. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến hệ thống làm mát bằng cách thay thế két nước truyền thống bằng bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV, một giải pháp hứa hẹn hiệu quả hơn và nhỏ gọn hơn.

1.2. Giới thiệu bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV

Nghiên cứu này đề xuất sử dụng bộ tản nhiệt mini kênh như một giải pháp làm mát động cơ hiệu quả hơn cho xe tay ga. Bộ tản nhiệt mini có kích thước nhỏ gọn hơn so với két nước truyền thống, giúp tiết kiệm không gian và trọng lượng. Công nghệ tản nhiệt kênh công nghệ UV được áp dụng, mang lại khả năng truyền nhiệt vượt trội. Cải tiến hiệu quả làm mát động cơ nhờ diện tích tiếp xúc lớn giữa chất lỏng làm mát và bề mặt tản nhiệt. Việc sử dụng công nghệ UV trong quá trình sản xuất đảm bảo chất lượng và độ bền của bộ tản nhiệt. Bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV cũng tận dụng tối đa dòng gió tự nhiên từ chuyển động của xe, giảm sự phụ thuộc vào quạt làm mát cưỡng bức. Lựa chọn bộ tản nhiệt này là một bước tiến quan trọng trong việc ngăn ngừa quá nhiệt động cơ xe tay ga.

II. Kết quả nghiên cứu và phân tích

Nghiên cứu đã thực hiện cả mô phỏng số (sử dụng phần mềm COMSOL) và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV. Kết quả cho thấy bộ tản nhiệt mini 3 pass chỉ chiếm 64% kích thước két nước truyền thống nhưng đạt hiệu quả tản nhiệt tương đương hoặc cao hơn. Bộ tản nhiệt mini 5 pass lại nhỏ hơn nữa (86% kích thước bộ 3 pass) mà vẫn đảm bảo khả năng làm mát. Hiệu quả truyền nhiệt của bộ tản nhiệt khi sử dụng nước làm chất lỏng làm việc cao hơn dung dịch ethylene. Sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhỏ (cực đại 2.5%). Nghiên cứu chứng minh khả năng cải thiện hiệu suất làm mát động cơ và giải quyết hiện tượng xe tay ga bị nóng máy một cách hiệu quả.

2.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Phần này trình bày kết quả nghiên cứu của bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV. Mô phỏng số sử dụng phần mềm COMSOL đã được thực hiện để dự đoán hiệu suất tản nhiệt của thiết kế mới. Các kết quả thực nghiệm đã được thu thập thông qua việc lắp đặt và vận hành hệ thống thử nghiệm. So sánh các loại bộ tản nhiệt cho thấy bộ tản nhiệt mini kênh có hiệu quả vượt trội so với két nước truyền thống. Cải thiện hiệu quả làm mát được thể hiện rõ rệt qua các chỉ số nhiệt độ và lưu lượng. Sự phù hợp cao giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm khẳng định tính chính xác và đáng tin cậy của nghiên cứu. Các dữ liệu thu được cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng rộng rãi bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV trong thực tế.

2.2. Đánh giá hiệu quả và tính ứng dụng

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc cải tiến giải nhiệt két nước xe tay ga. Bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV đã chứng minh khả năng làm mát hiệu quả hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với két nước truyền thống. Cải thiện hiệu suất động cơ nhờ khả năng giải quyết vấn đề quá nhiệt. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này rất lớn, có thể được áp dụng rộng rãi trong sản xuất xe tay ga, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Nghiên cứu cũng đặt nền móng cho các hướng nghiên cứu sâu hơn về công nghệ tản nhiệt micro/nano tại Việt Nam. Giải quyết hiện tượng xe tay ga bị nóng máy hiệu quả là đóng góp thiết thực của nghiên cứu này.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã thành công trong việc cải tiến giải nhiệt két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt mini kênh công nghệ UV. Thiết kế mới nhỏ gọn hơn, hiệu quả làm mát cao hơn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp xe máy Việt Nam. Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế, giảm giá thành sản xuất, mở rộng ứng dụng trên nhiều dòng xe.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh xe tay ga ngày càng phổ biến tại các đô thị lớn, hệ thống làm mát động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ bền của động cơ. Theo ước tính, nhiệt lượng tỏa ra từ các chi tiết động cơ chiếm khoảng 25% đến 35% tổng năng lượng do nhiên liệu cháy sinh ra, với nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600°C và nhiệt độ xupap lên đến 900°C. Hệ thống làm mát bằng dung dịch được đánh giá cao hơn so với làm mát bằng gió cưỡng bức nhờ khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt hơn, tuy nhiên két nước truyền thống vẫn tồn tại nhiều hạn chế như kích thước lớn, cồng kềnh, hiệu quả truyền nhiệt chưa tối ưu và dễ bị hư hỏng do các cánh tản nhiệt mỏng, dễ móp méo.

Nghiên cứu này nhằm cải tiến và nâng cao hiệu quả giải nhiệt của két nước xe tay ga thông qua thiết kế bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sink) sử dụng công nghệ dán UV light. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo bộ tản nhiệt mới thay thế két nước truyền thống, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng nước và vận tốc gió đến quá trình truyền nhiệt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các bộ tản nhiệt kênh mini với 3 pass và 5 pass, sử dụng nước và dung dịch ethylene glycol làm môi chất làm việc, trong điều kiện lưu lượng nước từ 1,6 đến 4,1 g/s và vận tốc gió từ 0,8 đến 3,5 m/s. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu truyền nhiệt micro/nano tại Việt Nam, góp phần bắt kịp các nước tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt và động lực học chất lỏng, bao gồm:

• Phương trình liên tục: Đảm bảo tính liên tục của lưu chất trong hệ thống.
• Phương trình mômen (Navier-Stokes): Mô tả chuyển động của dòng chảy trong kênh mini, bao gồm các thành phần vận tốc theo ba phương.
• Phương trình năng lượng: Mô tả sự truyền nhiệt trong lưu chất và vật liệu, giả định truyền nhiệt ổn định và bỏ qua truyền nhiệt bức xạ.
• Chỉ số Reynolds (Re): Đánh giá trạng thái dòng chảy (chảy rối hoặc tầng).
• Hiệu suất truyền nhiệt (η): Được xác định theo phương pháp NTU, phản ánh hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt.
• Mật độ dòng nhiệt (q) và nhiệt trở (R): Các đại lượng quan trọng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của thiết bị.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu lượng khối lượng, vận tốc gió, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của lưu chất, kích thước kênh mini, số pass của bộ tản nhiệt, và vật liệu chế tạo (nhôm cho substrate, PMMA cho lớp phủ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống thí nghiệm gồm bộ tản nhiệt kênh mini (3 pass và 5 pass), két nước truyền thống, bơm, cảm biến nhiệt độ loại T, cảm biến áp suất, cân điện tử và bộ thu nhận dữ liệu. Môi chất làm việc là nước và dung dịch ethylene glycol.
• Phương pháp phân tích: Mô phỏng số sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics phiên bản 4 với phương pháp PARDISO để giải các phương trình truyền nhiệt và dòng chảy. Thí nghiệm đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng 32-35°C, vận tốc gió từ 0,8 đến 3,5 m/s, lưu lượng nước từ 1,6 đến 4,1 g/s.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hai mẫu bộ tản nhiệt kênh mini với 3 pass (52 kênh) và 5 pass (48 kênh) được chế tạo bằng công nghệ gia công mini chính xác, kích thước nhỏ gọn hơn két nước truyền thống lần lượt là 64% và 86% so với kích thước bộ 3 pass.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2014, từ tháng 1 đến tháng 12, bao gồm thiết kế, chế tạo, mô phỏng và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả truyền nhiệt vượt trội của bộ tản nhiệt kênh mini: Bộ tản nhiệt 3 pass có kích thước chỉ bằng 64% két nước truyền thống nhưng đạt nhiệt lượng truyền tải cao hơn hoặc bằng két nước. Bộ 5 pass nhỏ hơn 86% bộ 3 pass nhưng nhiệt lượng truyền tải tăng lên, đạt 137 W ở lưu lượng nước 4,1 g/s và vận tốc gió 3,5 m/s.

2. Ảnh hưởng của lưu lượng khối lượng nước: Khi lưu lượng nước tăng từ 1,6 đến 4,1 g/s, nhiệt độ đầu ra của nước tăng, độ chênh nhiệt độ giảm nhưng tổng nhiệt lượng truyền tải tăng rõ rệt. Bộ 5 pass cho hiệu suất truyền nhiệt cao hơn bộ 3 pass do thời gian lưu nước lâu hơn.

3. Ảnh hưởng của vận tốc gió: Nhiệt lượng truyền tải tăng theo vận tốc gió từ 0,8 đến 3,5 m/s. Ở vận tốc gió trên 1,5 m/s, bộ tản nhiệt kênh mini 3 pass có nhiệt lượng truyền tải cao hơn két nước truyền thống do phân phối gió tốt hơn và không bị suy giảm vận tốc không khí trên bề mặt.

4. So sánh môi chất làm việc: Nước có hiệu quả truyền nhiệt cao hơn dung dịch ethylene glycol. Ở vận tốc gió cao, độ chênh nhiệt độ của nước lớn hơn dung dịch ethylene khoảng 0,8°C, dẫn đến nhiệt lượng truyền tải cao hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây.

5. Độ chính xác mô phỏng số: Kết quả mô phỏng bằng COMSOL phù hợp với thực nghiệm, sai số nhiệt lượng tối đa chỉ khoảng 2,5%, chứng tỏ mô hình toán học và giả thiết nghiên cứu có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả truyền nhiệt cao của bộ tản nhiệt kênh mini là do kích thước kênh nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và tạo điều kiện dòng chảy rối, nâng cao hệ số truyền nhiệt đối lưu. So với két nước truyền thống có cánh tản nhiệt mỏng và hàn vào ống dẫn, bộ tản nhiệt kênh mini sử dụng vật liệu nhôm nguyên khối và công nghệ dán UV light giúp giảm tổn thất nhiệt và tăng độ bền cơ học.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các báo cáo về hiệu quả truyền nhiệt của microchannel heat sinks trong các ứng dụng làm mát động cơ. Việc sử dụng nước làm môi chất làm việc được khuyến khích do tính chất nhiệt tốt hơn, mặc dù cần lưu ý về khả năng ăn mòn và bảo dưỡng hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ nhiệt độ đầu ra theo lưu lượng nước, nhiệt lượng truyền tải theo vận tốc gió, và so sánh hiệu suất giữa các loại bộ tản nhiệt, giúp trực quan hóa hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng bộ tản nhiệt kênh mini trong sản xuất xe tay ga: Các nhà sản xuất nên nghiên cứu và áp dụng bộ tản nhiệt kênh mini 3 pass hoặc 5 pass để giảm kích thước và tăng hiệu quả làm mát, hướng tới giảm trọng lượng và tiết kiệm nhiên liệu.

2. Tối ưu hóa lưu lượng nước và vận tốc gió: Cần thiết lập các điều kiện vận hành tối ưu với lưu lượng nước từ 3 đến 4 g/s và vận tốc gió trên 1,5 m/s để đạt hiệu suất truyền nhiệt cao nhất trong thực tế.

3. Sử dụng nước làm môi chất làm việc: Ưu tiên sử dụng nước làm chất làm mát trong hệ thống tản nhiệt kênh mini để tận dụng hiệu quả truyền nhiệt cao, đồng thời nghiên cứu các giải pháp chống ăn mòn và bảo dưỡng định kỳ.

4. Phát triển nghiên cứu tiếp theo về hiệu suất động cơ tổng thể: Khuyến nghị thực hiện các nghiên cứu đánh giá toàn diện hiệu suất động cơ khi sử dụng bộ tản nhiệt kênh mini, bao gồm tiêu thụ nhiên liệu, độ bền và tác động môi trường trong vòng 1-2 năm tới.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Các trường đại học và viện nghiên cứu cần tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo để phổ biến công nghệ tản nhiệt kênh mini, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để chuyển giao kết quả nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất xe máy và xe tay ga: Giúp cải tiến thiết kế hệ thống làm mát, giảm kích thước và chi phí sản xuất, nâng cao hiệu suất động cơ.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí nhiệt, kỹ thuật ô tô: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về truyền nhiệt microchannel, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

3. Các kỹ sư thiết kế hệ thống làm mát và kỹ thuật bảo trì: Hướng dẫn lựa chọn vật liệu, thiết kế kênh mini và vận hành hệ thống làm mát hiệu quả, giảm thiểu sự cố kỹ thuật.

4. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực giao thông và công nghiệp ô tô: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, khuyến khích áp dụng công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ tản nhiệt kênh mini có thể thay thế hoàn toàn két nước truyền thống không?
   Nghiên cứu cho thấy bộ tản nhiệt kênh mini 3 pass và 5 pass có thể thay thế két nước truyền thống khi cần tiêu tán cùng lượng nhiệt, với kích thước nhỏ hơn và hiệu quả truyền nhiệt cao hơn hoặc tương đương.

2. Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến hiệu suất truyền nhiệt như thế nào?
   Khi lưu lượng nước tăng, nhiệt lượng truyền tải tăng do lưu lượng khối lượng tăng mạnh hơn sự giảm độ chênh nhiệt độ, giúp cải thiện hiệu quả làm mát.

3. Vận tốc gió ảnh hưởng ra sao đến quá trình giải nhiệt?
   Nhiệt lượng truyền tải tăng theo vận tốc gió, đặc biệt khi vận tốc gió trên 1,5 m/s, bộ tản nhiệt kênh mini thể hiện hiệu quả vượt trội nhờ phân phối gió tốt hơn két nước truyền thống.

4. Tại sao nước được ưu tiên làm môi chất làm việc hơn dung dịch ethylene glycol?
   Nước có nhiệt dung riêng cao hơn, dẫn đến hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý các vấn đề về ăn mòn và bảo dưỡng khi sử dụng nước.

5. Mô phỏng số có đáng tin cậy trong nghiên cứu này không?
   Kết quả mô phỏng bằng COMSOL có sai số tối đa chỉ khoảng 2,5% so với thực nghiệm, chứng tỏ mô hình toán học và giả thiết nghiên cứu có độ tin cậy cao, phù hợp để dự đoán hiệu suất truyền nhiệt.

Kết luận

• Bộ tản nhiệt kênh mini 3 pass có kích thước chỉ bằng 64% két nước truyền thống nhưng đạt hiệu quả truyền nhiệt cao hơn hoặc tương đương.
• Bộ tản nhiệt 5 pass nhỏ hơn 86% bộ 3 pass nhưng có nhiệt lượng truyền tải tăng lên, đạt 137 W ở điều kiện vận hành thực tế.
• Lưu lượng nước và vận tốc gió là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất truyền nhiệt của bộ tản nhiệt kênh mini.
• Nước là môi chất làm việc hiệu quả hơn dung dịch ethylene glycol trong hệ thống tản nhiệt kênh mini.
• Kết quả mô phỏng số phù hợp với thực nghiệm, đặt nền tảng cho nghiên cứu truyền nhiệt micro/nano tại Việt Nam và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp xe máy.

Next steps: Tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiệu suất động cơ tổng thể khi sử dụng bộ tản nhiệt kênh mini, đồng thời phát triển các giải pháp chống ăn mòn và bảo dưỡng hệ thống.

Call-to-action: Các nhà sản xuất và nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí nhiệt nên xem xét áp dụng công nghệ tản nhiệt kênh mini để nâng cao hiệu quả làm mát và giảm kích thước thiết bị, góp phần phát triển ngành công nghiệp ô tô trong nước.