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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Phương pháp tính toán
• 1.5.1. Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn
• 1.5.2. Phương pháp ứng dụng các phần mềm có sẵn
• 1.5.3. Phương pháp xử lý kết quả
• 1.5.4. Phương pháp chuyên gia
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT
• 2.2. Truyền nhiệt đối lưu
• 2.3. Truyền nhiệt bức xạ
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT QUA THÂN XE
• 3.1. Xây dựng mô hình tính toán
• 3.1.1. Mô hình thùng đông lạnh
• 3.1.2. Xây dựng mô hình tính toán tổn thất nhiệt
• 3.2. Tính toán quá trình truyền nhiệt qua thân xe
• 3.2.1. Tính tải nhiệt truyền ra môi trường xung quanh bằng ANSYS
• 3.2.2. Tính tải nhiệt truyền ra môi trường xung quanh bằng giải tích
• 3.2.3. So sánh kết quả hai phương pháp
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Ảnh hưởng của thông số bề dày vách với nhiệt lượng tổn thất
• 4.2. Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc với nhiệt lượng tổn thất
• 4.3. Ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt đến nhiệt lượng tổn thất
• 4.4. Nhận xét chung
• 4.5. Ứng dụng mô hình để tính toán, kiểm tra cho xe thực tế
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành logistics thực phẩm và chuỗi cung ứng lạnh toàn cầu đang đối mặt với bài toán kép về bảo đảm chất lượng hàng hóa và giảm thiểu phát thải môi trường. Theo ước tính từ các báo cáo chuyên ngành giao thông vận tải, hoạt động phân phối thực phẩm chiếm khoảng 22% tổng lượng khí thải nhà kính, trong đó phương tiện vận tải lạnh đường bộ đóng góp xấp xỉ 1,8%. Thiết bị làm lạnh trên xe tải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn rất nhiều so với kho lạnh cố định do thường xuyên chịu tác động rung động động lực học, bức xạ mặt trời trực tiếp và vận tốc gió thay đổi liên tục trên hành trình.

Tại Việt Nam, phần lớn các doanh nghiệp vận tải và cơ sở đóng thùng ô tô chuyên dùng vẫn lựa chọn cụm máy lạnh và chiều dày lớp cách nhiệt dựa trên kinh nghiệm thực tế. Điều này dẫn đến hai hệ lụy kỹ thuật nghiêm trọng: hoặc trang bị máy lạnh thừa công suất gây lãng phí chi phí đầu tư ban đầu và tăng 15% đến 20% lượng tiêu hao nhiên liệu diesel, hoặc chọn máy lạnh thiếu tải khiến nhiệt độ khoang hàng tăng cao, làm suy giảm phẩm cấp thực phẩm.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán xác định chính xác tải nhiệt tổn thất truyền qua kết cấu vỏ thùng xe đông lạnh được lắp ráp trên nền xe tải ISUZU FVR34Q (tổng tải trọng 15,1 tấn, tải trọng hàng hóa hữu ích 7,1 tấn). Luận văn thiết lập mô hình truyền nhiệt chi tiết trong điều kiện xe vận hành ổn định ở vận tốc 60 km/h, nhiệt độ môi trường ngoài 38°C và nhiệt độ bảo quản lạnh tiêu chuẩn -18°C. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp tối ưu hóa chiều dày vách cách nhiệt, giảm 8% đến 12% tải nhiệt xâm nhập và hỗ trợ việc lựa chọn máy lạnh chính xác cho từng loại hàng hóa chuyên chở.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học chất lỏng và nhiệt động lực học ứng dụng, kết hợp ba cơ chế truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt.

Hiện tượng dẫn nhiệt qua kết cấu vỏ thùng nhiều lớp (composite, bọt xốp polyurethane foam, gỗ dán, ván ép) được mô tả thông qua định luật Fourier vi phân kết hợp mô hình mạch nhiệt trở tương đương. Dòng nhiệt dẫn qua vách phẳng hỗn hợp được tính toán tương tự cường độ dòng điện trong mạch nối tiếp và song song, trong đó nhiệt trở tổng Rq quyết định mật độ dòng nhiệt truyền qua từng mảng kết cấu.

Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt ngoài thùng với dòng khí chuyển động và bề mặt trong thùng với không khí lưu thông được tính toán theo định luật làm nguội Newton. Hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên ngoài và bên trong được xác lập thông qua các phương trình đồng dạng thứ nguyên: chuẩn số Reynolds (đạt mức 7.545.640 khi xe chạy 60 km/h), chuẩn số Nusselt (đạt 10.437 ở mặt ngoài và 1.900 ở mặt trong), chuẩn số Grashof và Prandtl.

Đồng thời, lý thuyết bức xạ nhiệt sóng điện từ được tích hợp để đánh giá lượng nhiệt bức xạ mặt trời hấp thụ qua bề mặt vỏ composite với các hệ số phản xạ, độ hấp thụ quang học và độ đen bề mặt đặc thù.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số 3D bằng phần tử hữu hạn (FEA) kết hợp tính toán kiểm chứng giải tích truyền thống. Toàn bộ hình học thùng xe với kích thước bao 7590 x 2440 x 2515 mm và kích thước lọt lòng 7420 x 2270 x 2300 mm được dựng hình chính xác trên phần mềm SolidWorks, sau đó loại bỏ các chi tiết phụ trợ bên ngoài (như bản lề, tay khóa) để tối ưu hóa quá trình chia lưới.

Mô hình nhiệt được giải bằng phần mềm chuyên dụng ANSYS. Không gian tính toán được phân chia lưới vi sai tam giác và tứ diện với tổng số 417.783 nút và 136.578 phần tử. Chất lượng lưới đạt tiêu chuẩn kiểm soát nghiêm ngặt với hệ số Skewness trung bình là 0,8839, đảm bảo độ hội tụ cao và hạn chế tối đa sai số hình học.

Dữ liệu đầu vào bao gồm các đặc tính vật lý thực nghiệm: lớp composite ngoài và trong có hệ số dẫn nhiệt 1,35 W/mK, khối lượng riêng 3600 kg/m3; lớp lõi polyurethane foam cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt cực thấp 0,022 W/mK, khối lượng riêng 40 kg/m3; đà gỗ thông gia cường có hệ số dẫn nhiệt 0,173 W/mK. Đối tượng hàng hóa là 7,1 tấn cá đông lạnh đóng trong thùng carton được quy đổi thành môi trường tương đương chiếm 17% thể tích hàng hóa, 1,5% bao bì và 81,5% không khí đối lưu nội bộ. Toàn bộ chu kỳ nghiên cứu, thu thập số liệu và mô phỏng được thực hiện từ tháng 02/2019 đến tháng 12/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng trường nhiệt và phân bố dòng nhiệt trên phần mềm ANSYS kết hợp phương pháp giải tích đã chỉ ra các kết quả định lượng rõ ràng:

Thứ nhất, tổng công suất nhiệt tổn thất truyền qua toàn bộ kết cấu vỏ thùng xe ở trạng thái bắt đầu hành trình đạt 1447 W tại vận tốc xe chạy 60 km/h trong môi trường 38°C. Lượng tải nhiệt này giảm dần theo thời gian vận hành do gradien nhiệt độ giữa khoang chứa và môi trường xung quanh có xu hướng thu hẹp khi nhiệt độ hàng hóa tăng dần.

Thứ hai, tổn thất nhiệt có sự phân bổ không đồng đều giữa các mảng kết cấu. Mảng sàn xe với chiều dày 130 mm chịu tải nhiệt tổn thất là 322 W (trong đó đoạn sàn chính chiếm 286 W và đoạn liên kết chiếm 36 W). Mảng vách hông với chiều dày tiêu chuẩn 85 mm có tải nhiệt tổn thất đoạn chính đạt 272 W. Hệ số truyền nhiệt thực tế qua sàn ks đạt 0,345 W/m2K, thấp hơn nhiều so với hệ số truyền nhiệt giới hạn chống đọng sương kmax là 0,879 W/m2K, chứng minh bề mặt đáy thùng hoàn toàn không bị hiện tượng ngưng tụ ẩm khi độ ẩm không khí đạt 76%.

Thứ ba, sự tồn tại của hiện tượng cầu nhiệt tại các khung xương gia cường composite và đà gỗ liên kết làm mật độ dòng nhiệt cục bộ tại các vị trí này tăng cao gấp 2,5 đến 3,2 lần so với vùng chỉ có bọt xốp polyurethane foam.

Thứ tư, khi hệ thống máy lạnh ngừng hoạt động, quán tính nhiệt của 7,1 tấn cá đông lạnh giữ cho nhiệt độ khoang hàng tăng chậm; thời gian để nhiệt độ tâm sản phẩm tăng từ -18°C lên -17°C là xấp xỉ 1,5 giờ trong điều kiện vận hành kín.

Thảo luận kết quả

Khi đối chiếu giữa kết quả mô phỏng số bằng ANSYS và kết quả tính toán giải tích lý thuyết mạch nhiệt trở, độ sai lệch tổng công suất tải nhiệt chỉ dao động trong khoảng 3,8% đến 4,6%. Sự sai khác nhỏ này xuất phát từ việc tính toán giải tích giả định dòng nhiệt truyền một chiều qua các lớp phẳng, trong khi mô phỏng số ANSYS giải quyết bài toán truyền nhiệt không gian ba chiều có xét đến hiệu ứng góc cạnh và sự tập trung nhiệt tại các mối nối khung kim loại.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua các biểu đồ phân bố trường nhiệt độ đẳng nhiệt và biểu đồ véc-tơ mật độ dòng nhiệt truyền qua các mặt cắt A-A và B-B của sàn, mui và vách hông. Các vùng màu thể hiện rõ nhiệt độ chuyển tiếp từ 37,55°C ở lớp composite ngoài cùng, giảm mạnh qua lớp polyurethane foam xuống -13,25°C, và đạt mức -18°C tại lớp tiếp xúc không khí bên trong thùng.

So sánh với các công bố quốc tế về thùng xe bảo ôn, việc tối ưu chiều dày lớp cách nhiệt vách từ 75 mm lên 95 mm giúp giảm tổn thất nhiệt khoảng 14%, tuy nhiên sẽ làm gia tăng tự trọng thùng xe thêm 120 kg và làm giảm thể tích hữu ích khoang hàng khoảng 0,65 m3. Do đó, quy cách vách 85 mm và sàn 130 mm được lựa chọn trong nghiên cứu này thể hiện điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu quả nhiệt động lực học và chỉ số kinh tế khai thác của phương tiện.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả khai thác kinh tế và kỹ thuật cho phương tiện vận tải lạnh đường bộ, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

Thứ nhất, tối ưu hóa kết cấu cách nhiệt và triệt tiêu cầu nhiệt: Doanh nghiệp sản xuất thùng xe cần ứng dụng kết cấu xương gia cường bằng vật liệu composite liên kết phi kim loại hoặc chèn lớp đệm nhiệt cách ly tại các vị trí đà ngang thùng. Giải pháp này giúp cắt giảm 10% đến 12% lượng nhiệt xâm nhập cục bộ, hướng tới mục tiêu hoàn thiện thiết kế thùng xe thế hệ mới trong vòng 6 đến 9 tháng.

Thứ hai, chuẩn hóa phương pháp tính chọn công suất cụm máy lạnh: Các kỹ sư thiết kế cần từ bỏ phương pháp chọn máy lạnh theo dung tích thùng ước tính, chuyển sang quy trình tính toán phụ tải nhiệt tổng hợp bao gồm tải truyền nhiệt qua vách (1447 W), tải bức xạ mặt trời, tải mở cửa và nhiệt hô hấp của hàng hóa với hệ số dự phòng an toàn từ 1,20 đến 1,25. Việc chọn đúng dải công suất giúp đơn vị vận tải tiết kiệm từ 25 triệu đến 40 triệu đồng chi phí nhiên liệu diesel chạy máy lạnh phụ trợ cho mỗi đầu xe mỗi năm.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình vận hành và bốc dỡ hàng hóa: Đội ngũ vận hành logistics cần lắp đặt hệ thống rèm nhựa PVC ngăn lạnh chuyên dụng và quy định thời gian mở cửa bốc dỡ mỗi điểm dừng không vượt quá 5 phút. Giải pháp này giảm thiểu 35% lượng không khí ẩm xâm nhập vào thùng, hạn chế đóng băng dàn bay hơi và rút ngắn 20% thời gian chạy bù lạnh của động cơ máy nén.

Thứ tư, triển khai hệ thống giám sát nhiệt độ đa điểm IoT: Bộ phận kỹ thuật của doanh nghiệp logistics cần lắp đặt tối thiểu 4 cảm biến nhiệt độ không dây tại các góc chết nhiệt độ của thùng xe (gần cửa sau và sàn xe) kết hợp kiểm định định kỳ độ suy thoái nhiệt trở của lớp foam sau mỗi 24 tháng vận hành để chủ động bảo dưỡng, phục hồi khả năng cách nhiệt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả tính toán của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư cơ khí, chuyên gia thiết kế và sản xuất ô tô chuyên dùng: Nghiên cứu cung cấp quy trình mô hình hóa 3D và chia lưới nhiệt trên ANSYS với các thông số vật liệu chi tiết, giúp rút ngắn 40% thời gian thử nghiệm kết cấu thùng xe bảo ôn và đông lạnh mới.

Nhóm thứ hai là các nhà quản lý doanh nghiệp vận tải và chuỗi cung ứng lạnh: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về mức độ tiêu hao năng lượng, sự tương quan giữa vận tốc xe chạy (60 km/h) với tổn thất nhiệt, hỗ trợ bài toán hoạch định chi phí nhiên liệu và lựa chọn cấu hình xe tải lạnh phù hợp với từng tuyến đường vận chuyển.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp kết hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt giải tích vi phân và mô phỏng số trường nhiệt độ ba chiều trên phần mềm công nghiệp.

Nhóm thứ tư là các đăng kiểm viên và chuyên gia xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật vận tải: Cung cấp phương pháp tính toán kiểm tra đọng sương, kiểm chuẩn hệ số truyền nhiệt qua kết cấu thùng xe phục vụ công tác nghiệm thu và xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phương tiện giao thông vận tải đường bộ chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào khiến mật độ dòng nhiệt tại các vị trí khung xương thùng xe lại cao hơn các vị trí khác? Hiện tượng này xảy ra do sự chênh lệch lớn về hệ số dẫn nhiệt giữa các vật liệu cấu thành. Trong khi lớp bọt xốp polyurethane foam có hệ số dẫn nhiệt rất thấp chỉ 0,022 W/mK thì vật liệu composite và gỗ làm khung xương chịu lực có hệ số dẫn nhiệt từ 0,173 đến 1,35 W/mK, hình thành nên các cầu nhiệt khiến nhiệt lượng bên ngoài truyền xuyên qua các vị trí này nhanh hơn gấp nhiều lần.

Vận tốc di chuyển của xe tải ảnh hưởng như thế nào đến mức độ tổn thất nhiệt qua thùng đông lạnh? Khi vận tốc xe tăng lên 60 km/h, hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức mặt ngoài thùng xe tăng vọt lên mức 37,7 W/m2K do lớp biên thủy lực và lớp biên nhiệt bị xáo trộn mạnh theo chế độ chảy rối với chuẩn số Reynolds đạt 7.545.640. Điều này làm giảm nhiệt trở đối lưu bề mặt ngoài, thúc đẩy lượng nhiệt truyền từ môi trường 38°C vào khoang lạnh -18°C diễn ra nhanh hơn so với khi xe dừng đỗ.

Việc tính toán kiểm tra hiện tượng đọng sương ở mặt ngoài sàn xe mang lại ý nghĩa gì? Tính toán kiểm tra đọng sương nhằm đảm bảo nhiệt độ mặt ngoài của sàn xe luôn cao hơn nhiệt độ đọng sương của không khí xung quanh (32°C ở độ ẩm 76%). Kết quả nghiên cứu chứng minh hệ số truyền nhiệt thực tế qua sàn ks đạt 0,345 W/m2K, nhỏ hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn kmax là 0,879 W/m2K, giúp kết cấu không bị ẩm mốc, mục nát lớp lót gỗ và ngăn ngừa han gỉ khung gầm xe.

Mô phỏng bằng phần mềm ANSYS có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp tính toán giải tích truyền thống? Phương pháp giải tích chỉ tính toán được dòng nhiệt một chiều qua các mảng phẳng đơn giản và bỏ qua ảnh hưởng của hình học không gian. Ngược lại, mô phỏng số trên ANSYS với hơn 417.000 nút tính toán giải quyết trọn vẹn bài toán truyền nhiệt 3D phức tạp, mô tả chính xác trường nhiệt độ tại các góc khuất, vị trí tiếp giáp giữa các vách và dự báo chính xác quán tính nhiệt của khối hàng 7,1 tấn theo thời gian thực.

Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào việc cắt giảm chi phí vận hành cho đội xe đông lạnh? Doanh nghiệp vận tải có thể căn cứ vào công suất tải nhiệt đỉnh 1447 W để chọn công suất dàn lạnh chính xác, tránh mua máy lạnh dư tải gây tốn kém hàng chục triệu đồng đầu tư ban đầu. Đồng thời, dữ liệu quán tính nhiệt 1,5 giờ cho mỗi độ C tăng lên giúp doanh nghiệp lập lịch trình ngắt máy nén làm lạnh thông minh trên các chặng đường ngắn nhằm tiết kiệm nhiên liệu tối đa.

Kết luận

Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh phục vụ xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật khai thác đã đạt được các kết quả khoa học và thực tiễn cốt lõi:

• Thiết lập thành công mô hình mô phỏng truyền nhiệt 3D trên nền tảng ANSYS với 417.783 nút và 136.578 phần tử, cho phép đánh giá chi tiết phân bố nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt trên toàn bộ kết cấu thùng xe tải 7,1 tấn.
• Xác định chính xác tổng công suất tổn thất nhiệt qua các vách thùng ở điều kiện tiêu chuẩn là 1447 W, trong đó tổn thất qua sàn 130 mm là 322 W và vách hông 85 mm là 272 W với độ sai lệch so với giải tích dưới 5%.
• Chứng minh hiệu quả cách nhiệt và khả năng chống đọng sương tuyệt đối của kết cấu sàn composite - polyurethane foam trong điều kiện khí hậu nhiệt đới 38°C và độ ẩm 76%.
• Đưa ra dữ liệu định lượng về quán tính nhiệt của 7,1 tấn cá đông lạnh, duy trì mức tăng nhiệt độ dưới 1°C trong vòng 1,5 giờ khi hệ thống lạnh dừng hoạt động.
• Đề xuất phương pháp luận khoa học thay thế phương pháp kinh nghiệm trong việc tính chọn công suất máy lạnh và tối ưu hóa bề dày lớp cách ly nhiệt cho ngành sản xuất ô tô chuyên dùng.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tiếp theo, hướng phát triển của đề tài cần mở rộng nghiên cứu trường nhiệt độ trong điều kiện bức xạ mặt trời động thay đổi theo góc chiếu trong ngày và tích hợp bài toán mô phỏng dòng khí lạnh tuần hoàn cưỡng bức bên trong thùng xe. Các kỹ sư thiết kế, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp vận tải hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán nhiệt này để tối ưu hóa thiết kế phương tiện và nâng cao năng lực cạnh tranh trong chuỗi logistics lạnh.

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 .