Chương 1 .1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước .2 Tính cấp thiết của đề tài .3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu .4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài .5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .6 Kế hoạch thực hiện. 10 Vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới của mái xe ô tô .1 Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM) .2 Cơ sở lý thuyết chọn PCM để lưu nhiệt .3 Phương trình truyền nhiệt của PCM .4 Kết cấu lớp mái xe ô tô .25 Phương pháp và thiết bị thí nghiệm .1 Trang thiết bị thí nghiệm .2 Chuẩn bị mô hình mô phỏng và thí nghiệm .3 Phần mềm mô phỏng .4 Phương pháp thí nghiệm .5 Mô hình toán học .6 Xác định lượng Paraffin cần sử dụng. 38 Mô phỏng và thí nghiệm quá trình lưu giữ nhiệt của kết cấu mái xe .2 Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ứng với các kết cấu khác nhau của mái xe .3 Kết quả thực nghiệm .4 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 56 Kết luận và hướng phát triển .2 Hướng phát triển.
56 Tài liệu tham khảo. 57 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT PCM : Phase Change Material ADAM: Advantech ADAM PDE: Partial Differential Equations CAD: Computer Aided Design viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế .2: PCM - Ứng dụng sưởi ấm .3: PCM - Ứng dụng làm mát .4: PCM - Ứng dụng làm mát trong áo .1: Chu trình làm việc của PCM .2: Sơ đồ phân loại PCM .3: Hình ảnh sáp Parafin C22H46 .4: Đóng gói PCM trong Polymer .5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép .6: Đóng gói PCM trong ống kim loại .7: Dán kính (phim) cách nhiệt hoặc miếng dính phản quang .8: Hình ảnh kết cấu của mái xe thông thường .9: Kết cấu của mái xe thông thường .10: Hình ảnh kết cấu mới của mái xe .11: Cấu trúc hình vuông .12: Cấu trúc hình tròn .13: Kết cấu mới của mái xe .1: Cặp nhiệt điện .3: Bộ chuyển đổi tín hiệu .4: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm .5: Minh họa mô hình bình thường .6: Minh họa mô hình mới thứ nhất .7: Minh họa mô hình mới thứ hai .8: Mô hình thí nghiệm có/ không có PCM .9: Hệ thống thí nghiệm với mô hình bình thường .10: Hệ thống thí nghiệm với mô hình có lớp PCM .1: Mật độ thông lượng nhiệt của mô hình mô phỏng .2: Mô hình chia lưới mái xe thông thường .3: Mô hình chia lưới kết cấu 1 .4: Mô hình chia lưới kết cấu 2 .5: Phân bố nhiệt độ trên lớp mái xe thông thường .6: Phân bố nhiệt lượng trên lớp mái xe thông thường .7: Phân bố nhiệt độ của lớp mái xe trong kết cấu 1 .8: Phân bố nhiệt lượng của lớp mái xe trong kết cấu 1 .9: Phân bố nhiệt độ của lớp mái xe trong kết cấu 2 .10: Phân bố nhiệt lượng của lớp mái xe trong kết cấu 2 .11: Mô hình thí nghiệm kết cấu mái xe có / không có PCM .12: Giao diện đo nhiệt độ ………………………………………………….13: Biểu đồ đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM (không có gió bên ngoài)……………………………………………………….14: Đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM ( có gió bên ngoài)………………………… ………………………….50 x DANH SÁCH CÁC BẢNG HÌNH TRANG Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện luận văn ……………………………………… .1 Số liệu một số vật liệu chuyển pha .2 Đặc tính lý nhiệt của Parafin C22H46 .3 Hấp thụ của các màu sơn ………………………………………… .1 Thông số vật liệu dùng trong mô hình .2 Tổng hợp nhiệt độ …………………………………… .3: Trích các khoảng thời gian thí nghiệm…………………………… .4: So sánh kết quả thí nghiệm ……………………………….5: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh ………………… ….6: Ảnh hưởng cuả tốc độ gió ……………………………… .7: Ảnh hưởng cuả nhiệt độ nóng chảy ………………… .8: Ảnh hưởng bởi nhiệt ẩn của PCM …………………… .55 xi Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năng lượng là nguồn sống của tất cả các hoạt động của con người trên trái đất. Nhưng sự gia tăng liên tục mức độ phát thải khí nhà kính và hạn chế nguồn tài nguyên nhiên liệu liên quan đến vấn đề tăng giá nhiên liệu chính là những động lực để sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo. Trên thế giới đã có rất nhiều bài báo công bố các kết quả về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha (vật liệu chuyển pha) tạo ra những kết cấu ưu việt để lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích sưởi ấm và làm mát không gian sống nhằm tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.
Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material) đã được nghiên cứu gần 40 năm và nó đã được chứng minh là một trong những giải pháp hữu ích trong một số lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt với những thành công lớn như: thiết bị điện lạnh, tấm pin mặt trời, các hệ thống sàn bức xạ, sưởi ấm và làm mát các công trình xây dựng [1. Vật liệu biến đổi pha rất phong phú và đa dạng. Để phù hợp với một ứng dụng nhất định, vật liệu biến đổi pha được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ nóng chảy (chuyển pha) của vật liệu, dung lượng ẩn nhiệt chuyển pha của vật liệu và điều kiện làm việc, điều kiện thời tiết của từng khu vực. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên vật liệu sẽ hấp thụ nhiệt rồi lưu trữ nhiệt trong một thời gian nhất định và khi mà nhiệt độ bên ngoài giảm xuống thì nó lại phát nhiệt để trở về trạng thái ban đầu [2.
Những vật liệu tan chảy ở nhiệt độ dưới 15°C được sử dụng cho việc lưu trữ lạnh trong các ứng dụng điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan chảy trên 90°C được sử dụng để hấp thụ lạnh. Vật liệu biến đổi pha được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực để bảo quản thực phẩm, đồ uống, các sản phẩm sữa… Ứng dụng trong ngành y tế để vận chuyển máu, vacxin và phương pháp điều trị nóng lạnh [3 … 1 Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế Tất cả các vật liệu tan chảy ở nhiệt độ từ 15°C đến 90°C được áp dụng trong các ứng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu tại Ningpo, Đại học Nottingham Trung Quốc, đã chế tạo vật liệu biến đổi pha mới điều chỉnh nhiệt có thể cắt giảm chi phí cho quá trình sưởi ấm và làm mát cho các tòa nhà trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.2: PCM - ứng dụng sưởi ấm 2 Hình 1.3: PCM - ứng dụng làm mát Loại vật liệu mới này có khả năng lưu giữ nhiều năng lượng hơn mà lại phản ứng với nhiệt nhanh hơn các vật liệu thông thường và được sản xuất với giá thành thấp. Cấu trúc cơ bản của vật liệu được điều chỉnh ở mức nhiệt độ cụ thể trước khi vật liệu được sử dụng.
Nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS. Jo Darkwa, Giám đốc Trung tâm công nghệ năng lượng bền vững hiện đang nghiên cứu chế tạo vật liệu dùng cho các ứng dụng sưởi ấm và làm mát.4: PCM - ứng dụng làm mát trong áo 3 Nhiều nhà khoa học và tổ chức quốc tế cũng đầu tư vào nghiên cứu, phát triển và ứng dụng PCM trong lưu trữ năng lượng. Đặc biệt kết quả của công trình Phase Change Materials Based On Polyethylene, Paraffin Wax and Wood Flour của Mfiso Emmanuel Mngomezulu (B.) tại Univerrity of the Free State (WAQWA CAMPUS) đã tạo đà cho các ứng dụng của PCM trong xây dựng, lưu trữ năng lượng. Các kết quả của nhóm tác giả càng khẳng định tính ưu việt của PCM khi mà thế giới đang hướng tới xu thế phát triển năng lượng bền vững để giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu truyền thống đang dần bị cạn kiệt.
Trên thế giới vật liệu biến đổi pha đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của xã hội nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống hướng tới phát triển bền vững năng lượng xanh và sạch.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đã sớm được Bộ khoa học và công nghệ giới thiệu qua Hội thảo “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ thuật viên và các nhà quản lý đã tham dự. Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi đầu trong việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới và đã nghiên cứu, so sánh khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt để làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông nghiệp, thủy sản…. - Sau hơn 2 năm nghiên cứu, thử nghiệm tại Hà Nội và triển khai thử nghiệm tại một số địa phương khan hiếm nước ngọt ven biển của tỉnh Bến Tre và Thừa Thiên Huế, đến tháng 3 năm 2007 nhóm tác giả tại Viện Hoá học đã ứng dụng thành công vật liệu chuyển pha trữ nhiệt vào công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời, đạt 6-8 lít/m2/ngày, hiệu quả gấp đôi so với công nghệ truyền thống. Công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời cũng như công nghệ tích trữ nhiệt bằng vật liệu chuyển pha đứng riêng lẻ là không mới.
Nhưng vấn đề kết hợp 2 công nghệ với nhau là một ý tưởng hoàn toàn mới. Sự kết hợp này cho phép tận thu nhiệt lượng dư thừa khi trời nắng to để sau đó tái sử dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuyển pha trữ nhiệt đảm nhiệm. Nhờ vậy, khác với 4 các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có chỉ hoạt động khi có mặt trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục hoạt động ngay cả khi trời đã tắt nắng. - Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG (ĐH Đà Nẵng): “ Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời”.
Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc tính toán, thiết kế thiết bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy hải sản có sử dụng Paraffin để trữ nhiệt. Tuy nhiên, đề tài này chỉ tính toán được thời gian tích trữ, giải phóng năng lượng của Parafin trong Collector tấm phẳng để sấy hải sản. - Báo cáo đề tài Khoa học và Công nghệ “Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát tòa nhà trạm viễn thông” do VNPT Đồng Nai thực hiện.