Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh để xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật khai thác

Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh nhằm xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật trong lĩnh vực cơ khí động lực.

• Tác giả: Nguyễn Minh Thạch
• Người hướng dẫn: TS. Hồng Đức Thông
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng truyền nhiệt trong xe đông lạnh để xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật khai thác
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Nghiên cứu mô phỏng truyền nhiệt trong xe đông lạnh là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực. Đề tài này nhấn mạnh tính cấp thiết của việc giảm thiểu tổn thất nhiệt trong quá trình vận chuyển hàng hóa dễ hỏng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, việc sử dụng các công nghệ mới trong hệ thống làm lạnh có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu khí thải. Đặc biệt, việc áp dụng các mô hình tính toán để dự đoán tổn thất nhiệt là cần thiết nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Theo nghiên cứu của S. Lagroy de Groutte, việc sử dụng CO2 làm nhiên liệu cho hệ thống làm lạnh có thể giảm thiểu tác động môi trường so với hệ thống nén hơi truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các phương tiện vận tải lạnh hiện đại.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, việc vận chuyển thực phẩm đông lạnh không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn đến tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2. Các hệ thống làm lạnh hiện tại gặp phải nhiều vấn đề như hiệu suất thấp và chi phí vận hành cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các mô hình mô phỏng truyền nhiệt là cần thiết nhằm cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc xây dựng một mô hình tính toán tổn thất nhiệt sẽ giúp xác định các thông số tối ưu cho hệ thống làm lạnh, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của xe đông lạnh.

1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm hiểu về truyền nhiệt trong xe đông lạnh. Chẳng hạn, David Bergeron đã nghiên cứu khả năng sử dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống làm lạnh, trong khi Tamba Jamiru đã phân tích hệ số truyền nhiệt của các tấm composite. Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công nghệ mới có thể giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống làm lạnh, tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc ứng dụng thực tiễn do chi phí đầu tư cao và cơ sở hạ tầng chưa phát triển.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng mô hình mô phỏng. Truyền nhiệt có thể xảy ra qua ba hình thức chính: dẫn, đối lưu và bức xạ. Việc hiểu rõ các nguyên lý này giúp đánh giá đúng các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt trong xe đông lạnh. Mô hình mô phỏng sẽ dựa trên các lý thuyết này để phân tích quá trình truyền nhiệt trong thùng xe. Các yếu tố như nhiệt độ môi trường, độ dày của vách và hệ số dẫn nhiệt sẽ được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác của kết quả mô phỏng.

2.1. Lý thuyết truyền nhiệt

Lý thuyết truyền nhiệt giải thích rằng năng lượng được truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc bảo quản hàng hóa đông lạnh. Việc hiểu rõ các dạng truyền nhiệt sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế thùng xe và cải thiện hiệu suất làm lạnh. Các phương pháp tính toán nhiệt sẽ được áp dụng để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tổn thất nhiệt, từ đó đưa ra những giải pháp hiệu quả.

2.2. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS cho phép xây dựng mô hình chi tiết về quá trình truyền nhiệt trong thùng xe đông lạnh. Mô hình này sẽ bao gồm các thông số như nhiệt độ môi trường, cấu trúc thùng xe và đặc tính của hàng hóa. Kết quả từ mô phỏng sẽ giúp đánh giá chính xác tổn thất nhiệt và thời gian giảm nhiệt độ của hàng hóa, từ đó đưa ra các khuyến nghị tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh.

III. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của các yếu tố như độ dày vách và vận tốc đến tổn thất nhiệt qua thùng xe đông lạnh. Các thông số đầu ra từ mô phỏng bao gồm nhiệt độ qua vách, nhiệt lượng tổn thất và thời gian giảm nhiệt độ của hàng hóa. Những kết quả này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về quá trình truyền nhiệt mà còn cung cấp thông tin cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và vận hành xe đông lạnh. Việc phân tích kỹ lưỡng các yếu tố này sẽ giúp cải thiện hiệu suất kinh tế và kỹ thuật của phương tiện.

3.1. Ảnh hưởng của độ dày vách

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng độ dày của vách thùng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt lượng tổn thất. Vách dày hơn giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt, tuy nhiên, cũng cần cân nhắc đến khối lượng và chi phí. Việc tối ưu hóa độ dày vách sẽ giúp nâng cao hiệu suất làm lạnh mà vẫn đảm bảo tính kinh tế cho phương tiện vận tải lạnh.

3.2. Ảnh hưởng của vận tốc

Vận tốc của xe cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt. Khi vận tốc tăng, tổn thất nhiệt qua thùng xe có thể gia tăng do sự thay đổi trong điều kiện truyền nhiệt. Mô phỏng đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh vận tốc có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh và giảm thiểu chi phí vận hành. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc vận chuyển hàng hóa dễ hỏng, nơi mà thời gian và nhiệt độ đều cần được kiểm soát chặt chẽ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, những lo ngại về tác động môi trường của hệ thống làm lạnh bằng việc nén hơi do đốt cháy nhiên liệu diesel, rò rỉ chất làm lạnh đang là vấn đề được quan tâm, kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ sản phẩm trong quá trình vận chuyển hàng lạnh, là điều cần thiết để có thể vận hành một quá trình vận tải lạnh thành công. Vận chuyển thực phẩm làm lạnh là một liên kết quan trọng trong chuỗi thực phẩm không chỉ về mặt duy trì sự toàn vẹn nhiệt độ của các sản phẩm dễ hỏng mà còn ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng và khí thải CO 2. Các nghiên cứu về xe đông lạnh sử dụng các công nghệ thay thế khác cũng đang được quan tâm và nghiên cứu như: hệ thống eutectic dựa trên lưu trữ năng lượng nhiệt eutectic, sự kết hợp của hệ thống nén hơi và hệ thống eutectic, các hệ thống đông lạnh sử dụng nitơ hoặc carbon dioxide cũng mang lại lợi thế về mức tiêu thụ năng lượng thấp và ít tác động đến môi trường so với các hệ thống nén hơi thông thường, nhược điểm của các hệ thống này là chi phí tương đối cao của môi chất làm lạnh và cơ sở hạ tầng cần thiết cho các trạm nạp trung gian. Hiện nay, việc lựa chọn máy lạnh chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, khiến việc lựa chọn máy lạnh có thể dẫn đến việc quá tải, hoặc không đủ tải để làm lạnh hàng hóa.

Dẫn đến chi phí đầu tư cao, cũng như chi phí để vận hành tăng. Vì thế, yêu cầu xây dựng một mô hình tính toán phù hợp có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như điều kiện thời tiết bên ngoài, điều kiện bên trong mong muốn, tính chất cách nhiệt, sự xâm nhập của không khí và độ ẩm, sự đánh đổi giữa chi phí đầu tư ban đầu, vận hành và sự suy giảm vật lý từ các rung động theo thời gian là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước S. Lagroy de Groutte [3] trong một bài báo đã nghiên cứu vận hành các hệ thống làm lạnh để vận chuyển thực phẩm đông lạnh bằng việc sử dụng CO2 làm nhiên liệu và đưa ra so sánh giữa hệ thống này với hệ thống 2 nén hơi thông thường được điều khiển bằng động cơ diesel phụ trợ. Mô hình có tính đến tổn thất qua lớp cách nhiệt, tính chất của hàng hóa thực phẩm, điều kiện thời tiết và lịch trình vận hành.

David Bergeron [4] thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Sandia Albuquerque, New Mexico 87185 và Livermore, California 94550 Sandia, trong bài báo “Solar Powered Refrigeration for Transport Application - A Feasibility Study” được thực hiện để xác định xem năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để bù hoặc thay thế hệ thống làm lạnh chạy bằng nhiên liệu diesel đang được sử dụng trong các phương tiện vận tải. Nghiên cứu tập trung vào tính khả thi kỹ thuật và khả năng kinh tế của năng lượng mặt trời, xây dựng được mô hình toán học chi tiết để dự đoán hiệu suất của hệ thống. Tamba Jamiru, Oludaisi Adekomaya, Rotimi Sadiku, Zhongie Huan [5] trong bài phân tích “Analysis of Overall Heat Transfer Coefficient of Composite Panels for Thermal Insulation” tạm dich là “Phân tích hệ số truyền nhiệt của tấm composite cho cách nhiệt” đã thực hiện các thí nghiệm với các sợi đã biết đặt ra ở các hướng khác nhau để đo được ảnh hưởng của sợi đến sự truyền nhiệt, kết quả đã đưa ra so sánh việc tiết kiệm năng lượng trong tấm composite sử dụng sợi định hướng và sợi không định hướng.3 Những vấn đề còn tồn tại Hầu hết các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về việc hạn chế tổn thất nhiệt, cũng như sử dụng nhiên liệu mới đã đạt được một số kết quả khả quan, nhưng việc áp dụng thực tiễn vẫn còn nhiều vướng mắc do cơ sở hạ tầng cũng như chi phí đầu tư ban đầu cao. Nên việc xây dựng mô hình tính toán tổn thất nhiệt trong quá trình vận hành để tối ưu cho xe đông lạnh ở nước ta là vấn đề cần được quan tâm, cũng như nghiên cứu ứng dụng và phát triển trong quá trình thương mại hóa.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn Thạc sĩ, đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu như sau: 1.1 Đối tượng nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là quá trình truyền nhiệt qua thùng xe 3 đông lạnh.

Trong đó cần nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng tổn thất nhiệt do quá trình truyền nhiệt trên cơ sở các thông số của thùng xe đông lạnh được lắp đặt trên nền xe ISUZU FRV34Q đã được sản xuất trên thị trường có tổng tải trọng 15,1 tấn và tải trọng hàng hóa cho phép là 7,1 tấn.2 Phạm vi nghiên cứu Vấn đề tổn thất nhiệt qua thùng xe đông lạnh trong quá trình vận chuyển là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và các trạng thái làm việc khác nhau. Vì vậy đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hưởng lượng nhiệt tổn thất do quá trình truyền nhiệt qua thùng khi xe chuyển động với vận tốc không đổi, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bảo quản bên trong thùng là cố định.3 Mục tiêu đề tài Xây dựng mô hình mô phỏng tính toán tổn thất nhiệt qua thùng xe do quá trình truyền nhiệt bằng phần mềm ANSYS dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của thùng xe đông lạnh. Nhận xét kết quả thu được từ đó rút ra các kết luận về ảnh hưởng của điều kiện hoạt động và thông số truyền nhiệt ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt qua thùng xe.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu xây dựng đường đặc tính nhiệt lượng tổn thất qua thùng cho các điều kiện khác nhau khi thay đổi các thông số truyền nhiệt. Từ đó có thể dự đoán được ảnh hưởng của các thông số truyền nhiệt đến công suất nhiệt tổn thất.2 Ý nghĩa thực tiễn Có thể xác định được các thông số tối ưu hóa đến tính năng kinh tế và khai thác của phương tiện.

Mô hình có thể được sử dụng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá khả năng tổn thất nhiệt trong quá trình thiết kế, cải tạo kết cấu thùng và lựa chọn máy lạnh phù hợp.5 Phương pháp tính toán 1.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn Thu thập, chọn lọc thông tin từ các nghiên cứu trước, các bài tạp chí, bài báo trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu.2 Phương pháp ứng dụng các phần mềm có sẵn Sử dụng phần mềm SolidWord, Ansys hỗ trợ cho việc tính toán quá trình truyền nhiệt qua xe đông lạnh.3 Phương pháp xử lý kết quả Dùng phương pháp thống kê, so sánh giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả mông phỏng.4 Phương pháp chuyên gia Đưa ý kiến đến thầy giáo hướng dẫn để nghe ý kiến, phân tích, nhận định. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT Truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền nhiệt bức xạ.1 Định nghĩa Dẫn nhiệt là một trong ba phương thức truyền nhiệt cơ bản. Dẫn nhiệt xảy ra bên trong vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc nhau khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần đó. Dẫn nhiệt không chỉ có mặt trong vật rắn, mà có mặt cả trong chất lỏng và trong chất khí.

Dẫn nhiệt được thực hiện thông qua quá trình truyền dao động các phần tử vi mô của vật thể: trong kim loại dẫn nhiệt chủ yếu nhờ quá trình truyền dao động của các điện tử tự do, trong chất điện môi và chất lỏng dẫn nhiệt nhờ sóng đàn hồi truyền dao động nhiệt, trong chất khí dẫn nhiệt nhờ quá trình khuếch tán các phân tử.1: Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng Dòng nhiệt truyền qua vật trong 1(s) theo phương x được tính theo định luật Fourier: T Qx= -λ F [W] x T Hoặc qx=Qx/F = -λ [W/m2] x Ở đây: Qx: dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W) 6 qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s [W/m2] F: diện tích tiết diện vuông góc với phương x [m2] T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (0C) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật [W/mK] Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “–” trong phương trình trên.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách có vật liệu hỗn hợp Trong thực tế có nhiều trường hợp các vách được cấu tạo bởi các vật liệu có tính chất nhiệt khác nhau. Khi đó coi dòng nhiệt dẫn qua vách tương tự như dòng điện qua mạch có các điện trở ghép nối tiếp hoặc song song nhau. Khảo sát một vách phẳng rất rộng có ba lớp dày 1, 2, 3 tạo nên bởi nhiều vật liệu khác nhau như hình.2: Dẫn nhiệt qua vách hỗn hợp Mỗi vật liệu có tính chất nhiệt đồng nhất. Hai phía của vách có hai chất lỏng nhiệt độ và hệ số toả nhiệt tương ứng là tL1, 1 và tL2, 2.

Khi đó dòng nhiệt chỉ truyền theo hướng bề dày. Gọi các đoạn vách có cấu trúc giống nhau là một phần tử thì dòng nhiệt qua mọi phần tử là hoàn toàn như nhau. Từ tính chất tương tự của khái niệm cường độ dòng điện (a), mật độ dòng nhiệt (b): U T I (a) q (b)  RI  Rq Trong đó: U và t tương ứng là hiệu điện áp hai đầu mạch điện và độ chênh nhiệt 7 độ giữa hai chất lỏng; I và q tương ứng là cường độ dòng điện qua mạch và mật độ dòng nhiệt truyền qua vách có thể rút ra công thức tính nhiệt trở tổng theo công thức tính điện trở tổng RI. Điện trở tổng RI của mạch điện trên là: RB .RC R  R  R  R  R  R  R I 1 A D 2 B C Từ đó suy ra công thức tính nhiệt trở tổng:  B C .