Chương 1 GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, sự gia tăng của phương tiện giao thông cá nhân đặc biệt là xe gắn máy ở các thành phố khu vực châu Á rất nhanh chóng, trong đó có thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội ở Việt Nam. Phương tiện xe máy với nhiều ưu điểm phù hợp với đại đa số người dân từ sinh viên đến công nhân, nhân viên văn phòng… như giá thành hợp lý, phù hợp với khoảng cách di chuyển ngắn, nhỏ gọn phù hợp với không gian chật hẹp trong thành phố đông đúc. Xe tay ga với hệ thống truyền động vô cấp (Continuously Variable Transmission - hay hộp số có tỷ số truyền biến thiên vô cấp) ngày càng phổ biến nhờ thiết kế với kiểu dáng đẹp, vận hành đơn giản. Đối với dòng xe sử dụng truyền động bằng hộp số truyền thống thì cũng cần phải tăng dung tích động cơ và bố trí lại động cơ để có thiết kế phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng.
Nhưng những vấn đề trên làm phát sinh ra một vấn đề cần giải quyết đó là giải phóng lượng nhiệt nhiều hơn phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ tại buồng đốt. Và để giải phóng lượng nhiệt cho động cơ xe gắn máy có hai giải pháp: giải nhiệt bằng không khí và giải nhiệt bằng dung dịch. Với giải nhiệt bằng không khí thì không khí sẽ được dẫn hướng vào thân máy, tại thân máy được chế tạo với các cánh tản nhiệt để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt và lượng gió sau làm nóng sẽ di chuyển ra phía sau. Hoặc dùng quạt gió được dẩn động từ động cơ để tạo luồng gió cưỡng bức thổi vào máy với những xe tay ga có máy ở phía sau xe mà gió tự nhiên khi xe di chuyển không thể di chuyển qua được vì bị che chắn bởi lớp áo xe.
Hệ thống giải nhiệt bằng gió đơn giản, không yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên và phức tạp tuy nhiên hiệu quả giải nhiệt thấp nên không thể đảm bảo điều kiện tối ưu cho động cơ làm việc trên những xe có động cơ được che phủ và giấu kín sau lớp áo. Nguyễn Văn Trạng 1 HVTH: Nguyễn Văn Phương Luan van Luận Văn Thạc Sĩ khắc phục những nhược điểm trên của hệ thống giải nhiệt bằng gió thì hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch với nhiều ưu điểm như dễ thiết kế áo bên ngoài vì động cơ được bố trí linh động hơn, tiết kiệm không gian, ngày càng được sử dụng rộng rải cho dòng xe tay ga, dòng xe số có công xuất lớn và động cơ được bố trí gọn. Tuy nhiên điểm yếu nhất của hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch là két làm mát, đó là phần dễ hỏng và biến dạng nhất trong quá trình vận hành bởi ngoại lực gây biến dạng và thủng gây rò rỉ dung dịch làm mát gây mất khả năng giải nhiệt của hệ thống. Các cánh tản nhiệt tiếp xúc với ống dẫn dung dịch là hàn đính nên không dẫn nhiệt tốt từ ống để truyền vào không khí.
Để dự phòng trường hợp gió không đủ cung cấp cho bộ giải nhiệt thì nhà sản xuất có kèm theo một quạt nhỏ chạy điện để hỗ trợ. Các thiết kế bộ trao đổi nhiệt hiện tại vẫn dừng ở kết cấu dạng ống ovan nên kích thước vẫn còn lớn và giá thành thay thế cao.1: Két nước xe Exciter bị biến dạng lá tản nhiệt Từ những nhược điểm trên, công nghệ truyền nhiệt kênh mini sẽ hứa hẹn nhiều hiệu quả trong trường hợp cần giảm kích thước và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của hệ thống giải nhiệt xe gắn máy. Do đó đề tài “nghiên cứu mô phỏng đặc tính truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini thay thế két giải nhiệt xe máy” được thực hiện. Nguyễn Văn Trạng 2 HVTH: Nguyễn Văn Phương Luan van Luận Văn Thạc Sĩ 1.2 Các kết quả nghiên cứu liên quan ngoài nước Về ảnh hưởng của số pass đến quá trình truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini, Byun và Kim [1] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng phương pháp thực nghiệm với sơ đồ cùng chiều có hai hàng/ bốn pass.
Yadav và Singh [2] đã phân tích so sánh các chất giải nhiệt khác nhau trên kênh nước xe ô tô. Khot và Santosh [3] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và nhận xét tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng. Nhiệt độ dầu của động cơ có thể được điều khiển bằng cách cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát đã được thực hiện bởi Singh cùng cộng sự [4]. Dang cùng cộng sự [5,6] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả truyền nhiệt đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng việc tăng số pass.
Trong nghiên cứu này khi số pass tăng từ ba đến năm thì nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt tăng. Tuy nhiên, kết quả trong nghiên cứu này chưa nghiên cứu tối ưu số pass củng như chỉ số hoàn thiện và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi này. Paul cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu dùng không khí để giải nhiệt cho động cơ bằng cách giả định tập hợp các cánh là vành khuyên gắng trên xylanh. Agarwal cùng với cộng sự [8] đã nghiên cứu truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số bởi phần mềm CFD.
Tổng quan về các kết quả nghiên cứu thiết bị tản nhiệt và trao đổi nhiệt kênh mini/micro một pha được thực hiện bởi T. Đánh giá đặc tính dòng hai pha trong các kênh mini cho bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn đã được thực hiện bởi Masiukiewicz và Anweiler [10]. Dixit và Ghosh [11] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt mini với dòng cắt nhau. Dang và Teng [12] đã so sánh các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt kênh mini và micro kết hợp phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm.
Piasecka và Maciejewska [13] đã nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu của quá trình sôi trong kênh mini khi thay đổi các hướng trong không gian. Ảnh hưởng của đầu vào GVHD: TS. Nguyễn Văn Trạng 3 HVTH: Nguyễn Văn Phương Luan van Luận Văn Thạc Sĩ cho việc phân phối của gas lạnh trong một bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ dòng chảy cùng chiều đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự[14]. Fenado cùng cộng sự [15] bằng phương pháp Wilson đã đánh giá hệ số truyền nhiệt cho bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng nhôm.
Các nghiên cứu về phân bố dòng chảy và tổn thất áp suất qua bộ trao đổi nhiệt kênh mini được thực hiện trong [16,17]. Hernado cùng cộng sự [18] đã nghiên cứu về tổn thất áp suất, nhiệt lượng và hệ số truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha cho cả mô phỏng số và thực nghiệm. Hassan cùng cộng sự [19] đã đánh giá ảnh hưởng của hình dáng, kích thước kênh đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro ngược chiều. Từ quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền từ buồng đốt đến các chi tiết xung quanh như piston, xylanh, xéc măng….
Lượng nhiệt này chiếm khoảng 25% - 35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tạo thành. Vì vậy các chi tiết đó luôn bị đốt nóng khi động cơ làm việc: nhiệt độ đỉnh piston có thể đạt 600 oC, nhiệt độ nấm xupap có thể đạt 900 oC.2: Sự phân bố năng lượng trong xe Qingzhao Wang [20] đã trình bày và phân tích sự phân bố áp suất, vận tốc, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước ở đầu xylanh. Kết quả phân tích cho thấy rằng nước làm mát trong đầu xylanh đã thực hiện phần đối lưu dòng chảy tốt và sự GVHD: TS. Nguyễn Văn Trạng 4 HVTH: Nguyễn Văn Phương Luan van Luận Văn Thạc Sĩ phân phối áp suất tương đối chấp nhận được.
Sự bố trí của các phần trong đầu xylanh đã cung cấp sự tác động cần thiết để tăng khả năng làm mát ở vùng nhận nhiều nhiệt nhất như xupap thải, kim phun nhiên liệu hay bộ phận đánh lửa. Vì vậy các chi tiết sẽ không quá nóng để gây tổn hại đến tính bền của chi tiết. Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh của nghiên cứu thể hiện ở hình 1.3: Mẫu thiết kế áo nước đầu xylanh Trivedi và Vasava [21] Sử dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS để phân tích dòng chảy lưu chất và truyền nhiệt trong két nước làm mát ô tô. Kết quả phân tích cho thấy hiệu quả tối ưu cho hệ số truyền nhiệt khi khoảng cách giữa các ống là 12 mm.
Các ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt mini và micro đã được hứa hẹn đầy tiềm năng, Roth cùng cộng sự [22] đã chứng minh được rằng bộ giải nhiệt vi kênh được sử dụng như là một giải pháp tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống điều hòa không khí thương mại. Lợi thế nhất đối với những hệ thống này là khối lượng môi chất lạnh giảm xuống trong khi hiệu suất nhiệt thì lại tăng lên. Pulkit cùng cộng sự [23] đã nghiên cứu truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số CFD. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dáng cánh tản GVHD: TS.
Nguyễn Văn Trạng 5 HVTH: Nguyễn Văn Phương Luan van Luận Văn Thạc Sĩ nhiệt và nhiệt độ môi trường xung quanh. Ở vận tốc 40 km/h, 60 km/h, 72 km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán tương ứng 724 W, 933. Masao cùng cộng sự [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cánh, khoảng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy. Kết quả cho thấy rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được cải thiện khi thân xylanh có quá nhiều cánh, và khoảng cách giữa các cánh quá hẹp tại những vị trí vận tốc gió quá thấp do vậy mà nhiệt độ giữa chúng tăng lên.
Kích thước tối ưu khi xe đứng yên là 20 mm và di chuyển là 8 mm. Siegel và Graham [25] đã nghiên cứu hiệu suất truyền nhiệt của màn ngăn các cánh tản nhiệt để làm mát trên các đầu nhỏ xylanh. Kết quả cho thấy rằng thiết kế cánh tản nhiệt cho động cơ thì khoảng cách cánh tản nhiệt là khác nhau. Khu vực giữa đường ống nạp và xả thường có độ dài ngắn hơn và giá trị tổn thất áp suất cao hơn trên một đơn vị chiều dài so với các khu vực cánh xung quanh đầu.
Công cụ CFD cho phép mô phỏng tối ưu hóa hình dạng vỏ bộ tản nhiệt của xe tải TATA mini đã được thực hiện bởi Chackol cùng cộng sự [26].