Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu trúc mới cho mái xe ô tô nhắm mục đích nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt không mong muốn vào không gian cabin

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế cấu trúc mái xe ô tô nhằm nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt vào cabin, cải thiện trải nghiệm người dùng.

• Tác giả: Lê Thị Sen
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vũ Lân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha để ngăn chặn nhiệt hiệu quả
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• ABSTRACT
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kế hoạch thực hiện
• 2. VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA TRONG KẾT CẤU MỚI CỦA MÁI XE Ô TÔ
• 2.1. Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM)
• 2.2. Cơ sở lý thuyết chọn PCM để lưu nhiệt
• 2.3. Phương trình truyền nhiệt của PCM
• 2.4. Kết cấu lớp mái xe ô tô
• 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
• 3.1. Trang thiết bị thí nghiệm
• 3.2. Chuẩn bị mô hình mô phỏng và thí nghiệm
• 3.3. Phần mềm mô phỏng
• 3.4. Phương pháp thí nghiệm
• 3.5. Mô hình toán học
• 3.6. Xác định lượng Paraffin cần sử dụng
• 4. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH LƯU GIỮ NHIỆT CỦA KẾT CẤU MÁI XE
• 4.1. Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ứng với các kết cấu khác nhau của mái xe
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.3. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha

Nghiên cứu thiết kế mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha (PCM) nhằm ngăn chặn nhiệt hiệu quả đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Việc áp dụng vật liệu biến đổi pha không chỉ giúp cải thiện hiệu suất nhiệt mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Mái xe ô tô là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ môi trường, do đó, việc tối ưu hóa thiết kế mái xe bằng vật liệu biến đổi pha là cần thiết.

1.1. Giới thiệu về vật liệu biến đổi pha và ứng dụng của nó

Vật liệu biến đổi pha (PCM) có khả năng lưu trữ và giải phóng nhiệt năng hiệu quả. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như ngăn chặn nhiệt cho mái xe ô tô, giúp duy trì nhiệt độ cabin ổn định. PCM có thể hấp thụ nhiệt khi nhiệt độ tăng và phát nhiệt khi nhiệt độ giảm, tạo ra một môi trường thoải mái cho người sử dụng.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bối cảnh hiện tại

Nhu cầu về năng lượng và sự gia tăng ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy nghiên cứu về vật liệu biến đổi pha. Việc áp dụng PCM trong thiết kế mái xe ô tô không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu khí thải, góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này có thể mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp ô tô.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế mái xe ô tô hiện nay

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất, khả năng ứng dụng và hiệu suất nhiệt cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc lựa chọn loại PCM phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam là một thách thức lớn.

2.1. Chi phí và hiệu suất của vật liệu biến đổi pha

Chi phí sản xuất vật liệu biến đổi pha có thể cao hơn so với các vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt mà chúng mang lại có thể bù đắp cho chi phí này. Việc nghiên cứu và phát triển các loại PCM mới với chi phí thấp hơn là cần thiết.

2.2. Khả năng ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Khí hậu Việt Nam có sự biến đổi lớn về nhiệt độ, do đó, việc lựa chọn vật liệu biến đổi pha cần phải phù hợp với điều kiện này. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định loại PCM có hiệu suất tốt nhất trong điều kiện khí hậu đặc thù của từng vùng.

III. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế mái xe ô tô hiệu quả

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của vật liệu biến đổi pha trong thiết kế mái xe ô tô. Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS giúp dự đoán hiệu suất nhiệt của các thiết kế khác nhau.

3.1. Mô phỏng thiết kế mái xe ô tô với PCM

Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng các thiết kế mái xe ô tô với vật liệu biến đổi pha. Mô phỏng giúp đánh giá khả năng ngăn chặn nhiệt và hiệu suất nhiệt của từng thiết kế, từ đó lựa chọn thiết kế tối ưu.

3.2. Thực nghiệm và so sánh kết quả

Thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng các kết quả mô phỏng. So sánh giữa các thiết kế mái xe có và không có vật liệu biến đổi pha giúp xác định hiệu quả thực tế của PCM trong việc ngăn chặn nhiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu biến đổi pha trong thiết kế mái xe ô tô có thể giảm đến 40% năng lượng cần thiết để làm mát cabin. Điều này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu khí thải từ hệ thống làm mát.

4.1. Kết quả thực nghiệm về hiệu suất nhiệt

Các thí nghiệm cho thấy mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha có hiệu suất nhiệt tốt hơn so với mái xe truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng PCM có thể là giải pháp hiệu quả cho vấn đề ngăn chặn nhiệt.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô

Việc áp dụng vật liệu biến đổi pha trong thiết kế mái xe ô tô có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô. Các nhà sản xuất có thể cải thiện hiệu suất sản phẩm và giảm thiểu tác động đến môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thiết kế mái xe ô tô

Nghiên cứu về thiết kế mái xe ô tô sử dụng vật liệu biến đổi pha mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp ô tô. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn trong việc ngăn chặn nhiệt và tiết kiệm năng lượng.

5.1. Tương lai của vật liệu biến đổi pha trong ngành ô tô

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, vật liệu biến đổi pha sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong ngành ô tô. Nghiên cứu và phát triển các loại PCM mới sẽ là xu hướng trong tương lai.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu về hiệu suất của vật liệu biến đổi pha trong các điều kiện khác nhau. Việc phát triển các loại PCM mới với chi phí thấp và hiệu suất cao sẽ là mục tiêu quan trọng trong các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu cùng quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã khiến bức xạ mặt trời trở thành nguyên nhân hàng đầu làm tăng nhiệt độ bên trong cabin ô tô. Trong điều kiện thời tiết nắng nóng với cường độ bức xạ vượt mức 950 W/m², phần mái kim loại của xe có thể hấp thụ từ 85% đến 95% nhiệt lượng, đẩy nhiệt độ không gian cabin lên tới 55°C đến 65°C chỉ sau 60 phút đỗ xe ngoài trời. Tình trạng này không chỉ gây cảm giác ngột ngạt, mệt mỏi cho hành khách mà còn buộc hệ thống điều hòa không khí phải vận hành hết công suất, làm tiêu hao thêm 15% đến 20% lượng nhiên liệu và gia tăng đáng kể lượng khí thải nhà kính.

Nhằm giải quyết bài toán cấp thiết trên, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo kết cấu mái ô tô thế hệ mới có tích hợp vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material - PCM). Mục tiêu cốt lõi của công trình là khai thác cơ chế tích trữ nhiệt ẩn của sáp Paraffin để chủ động ngăn chặn dòng nhiệt thâm nhập qua trần xe vào không gian cabin. Phạm vi nghiên cứu được thực nghiệm trong điều kiện môi trường nhiệt độ phòng tiêu chuẩn 25°C và dải nhiệt độ thực tế đặc trưng của miền Nam Việt Nam từ 25°C đến 40°C.

Về mặt định lượng, giải pháp cấu trúc mới chứng minh khả năng cắt giảm tới 40% nhiệt lượng truyền qua mái vào cabin so với kết cấu truyền thống. Kết quả này mở ra hướng tiếp cận bền vững, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của phương tiện giao thông, giảm chi phí vận hành và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học và cơ học truyền nhiệt, bao gồm ba cơ chế chính: dẫn nhiệt qua các lớp vật liệu rắn, đối lưu tự nhiên trên bề mặt ngoài và bức xạ nhiệt bề mặt. Cơ chế tích trữ nhiệt ẩn (Latent Heat Thermal Energy Storage - LHTES) đóng vai trò trung tâm, mô tả quá trình vật liệu hấp thụ một lượng nhiệt lớn trong quá trình chuyển pha từ trạng thái rắn sang lỏng ở nhiệt độ không đổi.

Khái niệm dung lượng nhiệt hiệu dụng được áp dụng để giải bài toán Stefan phi tuyến về biên pha di động. Hệ phương trình năng lượng kết hợp nhiệt dung riêng hiệu dụng và hệ số dẫn nhiệt tương đương giúp mô phỏng chính xác sự thay đổi trạng thái của Paraffin C20H42. Vật liệu này có điểm nóng chảy danh định ở mức 39°C, nhiệt ẩn chuyển pha đạt 247 kJ/kg, khối lượng riêng thể rắn 912 kg/m³ và thể lỏng 769 kg/m³, rất phù hợp với ngưỡng nhiệt độ hoạt động tại khu vực nhiệt đới.

Mô hình cấu trúc mái cải tiến gồm 4 lớp liên kết chặt chẽ: lớp vỏ thép bề mặt dày 0,5 mm, lớp cách nhiệt chuyên dụng dày 4,0 mm, lớp chứa PCM bọc polymer dày 7,0 mm và lớp vải nỉ nội thất dày 2,0 mm tạo nên hệ cản nhiệt nhiều tầng vững chắc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số 3D và đo đạc thực nghiệm đối chứng:

• Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình cabin thu nhỏ kích thước 600 mm x 600 mm x 600 mm, bọc bằng các tấm xốp cách nhiệt dày 60 mm nhằm hạn chế thất thoát nhiệt qua các vách biên xuống dưới 2%.
• Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích kỹ thuật, tập trung so sánh 3 mẫu kết cấu trần xe: mẫu trần xe tiêu chuẩn nguyên bản (mô hình Nissan hiện đại), mẫu cấu trúc PCM dạng ô lưới vuông 16 khoang (khối lượng 5,25 kg Paraffin) và mẫu cấu trúc PCM dạng ống trụ 100 khoang (khối lượng 5,00 kg Paraffin).
• Phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm ANSYS trên lưới phần tử 3D chuyển tiếp theo thời gian. Lý do lựa chọn ANSYS là khả năng giải quyết chính xác các phương trình đạo hàm riêng mô tả quá trình truyền nhiệt phi tuyến kèm biến thiên nhiệt dung riêng trong suốt chu kỳ 8 giờ làm việc.
• Hệ thống thiết bị thực nghiệm gồm 4 bóng đèn halogen công suất 500 W/110 V duy trì cường độ bức xạ ổn định 950 W/m², các đầu đo nhiệt điện loại T có sai số cực thấp chỉ 0,2°C và bộ thu nhận tín hiệu thông minh ADAM kết nối máy tính qua giao tiếp chuẩn RS232 với chu kỳ ghi nhận dữ liệu tự động 60 phút một lần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm kéo dài qua 8 chu kỳ lặp lại liên tục đã ghi nhận các kết quả đột phá:

• Cấu trúc ô vuông 16 khoang mang lại hiệu quả lưu trữ nhiệt vượt trội và phân bố nhiệt đồng đều hơn 18% so với cấu trúc ống trụ tròn, đồng thời hạn chế tối đa hiện tượng tích tụ nhiệt cục bộ trên bề mặt tiếp xúc.
• Trong giai đoạn gia nhiệt bức xạ kéo dài 4 giờ liên tục, kết cấu mái tích hợp PCM đã ngăn chặn và hấp thụ khoảng 9.922 kJ nhiệt lượng, giúp giảm tới 40% tổng dòng nhiệt truyền thẳng vào không gian cabin so với mái xe thông thường.
• Nhiệt độ bề mặt đáy của trần xe có lớp PCM duy trì ở mức 32°C đến 35°C, thấp hơn đáng kể so với mức nhiệt độ lên tới 48°C đến 52°C được ghi nhận trên trần xe truyền thống không có lớp chuyển pha.
• Trong chu kỳ làm mát 4 giờ tiếp theo khi tắt nguồn bức xạ, lớp Paraffin lỏng thực hiện quá trình đông đặc hoàn toàn ở 39°C, giải phóng toàn bộ nhiệt ẩn ra môi trường ngoài và sẵn sàng cho chu trình hấp thụ nhiệt tiếp theo mà không làm biến dạng kết cấu bọc polymer.

Thảo luận kết quả

Khả năng cản nhiệt vượt bậc của kết cấu mới bắt nguồn từ tính chất nhiệt lý đặc thù của Paraffin C20H42. Khi bức xạ mặt trời đẩy nhiệt độ lớp vỏ thép vượt qua ngưỡng 39°C, vật liệu bắt đầu quá trình tan chảy và hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn thay vì làm tăng nhiệt độ cảm nhận được. Điều này tạo ra một lớp đệm nhiệt độ đẳng nhiệt, trì hoãn sự gia tăng nhiệt lượng xuống không gian bên dưới trần xe suốt thời gian đỗ xe dưới trời nắng.

Dữ liệu thực nghiệm khi đối chiếu với mô hình toán học ANSYS có độ tương đồng cao với sai số dao động dưới 5%. Các kết quả phân bố nhiệt này có thể được trực quan hóa rõ nét thông qua biểu đồ đường đáp ứng nhiệt độ theo thời gian và các bảng ma trận so sánh trường nhiệt độ giữa mô hình có và không có PCM. So với các giải pháp dán phim cách nhiệt truyền thống vốn chỉ giảm được 10% đến 15% nhiệt bức xạ qua kính, việc can thiệp trực tiếp vào kết cấu trần xe mang lại hiệu quả cản nhiệt toàn diện và bền vững hơn rất nhiều.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết cấu mái xe tích hợp vật liệu biến đổi pha vào ứng dụng thương mại, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Nâng cấp công nghệ vi bao polymer composite: Ứng dụng công nghệ bọc hạt siêu nhỏ microencapsulation nhằm tăng độ bền cơ học lên 25%, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rò rỉ Paraffin khi xe di chuyển trên địa hình gồ ghề; mục tiêu hoàn thiện trong 6 đến 12 tháng do các kỹ sư vật liệu đảm nhiệm.
• Tăng cường hệ số dẫn nhiệt của vật liệu PCM: Bổ sung hạt nano nhôm hoặc bột than chì với tỷ lệ 1,5% đến 2,0% vào Paraffin để nâng hệ số dẫn nhiệt từ 0,21 W/mK lên trên 0,55 W/mK trong vòng 9 tháng bởi các nhóm nghiên cứu công nghệ nhiệt.
• Tích hợp hệ thống quạt thông gió năng lượng mặt trời: Thiết lập cơ chế quạt hút tự động kích hoạt khi nhiệt độ cabin vượt ngưỡng 35°C để hỗ trợ tản nhiệt bề mặt, phấn đấu giảm thêm 15% tải nhiệt điều hòa trong vòng 12 tháng do kỹ sư cơ điện ô tô triển khai.
• Chuẩn hóa dây chuyền lắp ráp mô-đun công nghiệp: Xây dựng quy chuẩn sản xuất tấm ốp trần PCM dạng mô-đun dày 7 mm tương thích với các dòng xe phổ thông, hướng tới mục tiêu giảm 30% chi phí sản xuất trong 24 tháng bởi các doanh nghiệp chế tạo phụ tùng ô tô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, phục vụ thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư thiết kế và phát triển ô tô (R&D Ô tô): Cung cấp bộ thông số kích thước, cấu trúc phân bố 4 lớp và dữ liệu mô phỏng ANSYS chi tiết để ứng dụng trực tiếp vào quá trình thiết kế vỏ thân xe điện và xe hybrid tiết kiệm năng lượng.
• Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Nhiệt - Cơ khí: Cung cấp khung lý thuyết giải bài toán truyền nhiệt chuyển pha Stefan và quy trình tính toán nhiệt dung riêng hiệu dụng dùng làm tài liệu tham khảo giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.
• Doanh nghiệp sản xuất phụ kiện và vật liệu cách nhiệt ô tô: Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi về việc đóng gói sáp Paraffin nhằm thương mại hóa các dòng sản phẩm tấm trần cách nhiệt thông minh.
• Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận kết hợp chuẩn xác giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và thiết lập trạm đo thực nghiệm tự động bằng thiết bị ADAM và cặp nhiệt điện.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao nghiên cứu lại chọn sáp Paraffin C20H42 thay vì các loại muối ngậm nước? Sáp Paraffin C20H42 có tính ổn định hóa học cao, không bị ăn mòn kim loại, không xảy ra hiện tượng phân lớp sau nhiều chu kỳ nạp xả và có điểm nóng chảy 39°C hoàn toàn trùng khớp với dải nhiệt độ môi trường mùa hè tại Việt Nam.

• Trọng lượng 5,25 kg của lớp PCM có gây ảnh hưởng tiêu cực đến kết cấu trần xe không? Khối lượng 5,25 kg được phân bổ đều trên diện tích bề mặt trần xe 1,44 m², tạo ra áp lực phân bố rất nhỏ khoảng 3,65 kg/m², hoàn toàn nằm trong giới hạn chịu lực an toàn của khung thép mái xe hiện đại mà không gây võng hay biến dạng.

• Hiệu quả giảm tải nhiệt 40% có duy trì được khi xe di chuyển ở tốc độ cao không? Khi xe chuyển động, đối lưu cưỡng bức từ gió tự nhiên bên ngoài với vận tốc từ 30 km/h đến 60 km/h sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu bề mặt, giúp lớp PCM giải phóng nhiệt nhanh hơn và nâng tỷ lệ tiết kiệm năng lượng làm mát lên trên 45%.

• Vật liệu Paraffin có nguy cơ gây cháy nổ khi đỗ xe lâu dưới trời nắng không? Paraffin kỹ thuật được bao bọc kín trong các khoang polymer kín khí, ngăn cách hoàn toàn với oxy môi trường và có nhiệt độ tự bốc cháy trên 200°C, cao hơn rất nhiều so với mức nhiệt tối đa 65°C trong cabin xe, đảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ tuyệt đối.

• Lớp vật liệu biến đổi pha có tuổi thọ vận hành trong bao lâu? Kết quả kiểm tra qua 8 chu kỳ thực nghiệm và các dữ liệu kiểm chứng vật liệu cho thấy Paraffin không bị suy giảm đặc tính nhiệt lý sau hàng nghìn chu kỳ chuyển pha, đảm bảo tuổi thọ hoạt động bền bỉ tương đương với niên hạn sử dụng từ 10 đến 15 năm của xe ô tô.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công kết cấu mái ô tô mới tích hợp vật liệu biến đổi pha Paraffin C20H42 bọc polymer với độ dày tối ưu 7,0 mm.
• Mô hình ô vuông 16 khoang chứng minh hiệu quả giảm thiểu tới 40% năng lượng nhiệt xâm nhập vào cabin dưới điều kiện bức xạ 950 W/m².
• Xây dựng thành công mô hình toán học truyền nhiệt 3D trên ANSYS với độ chính xác cao, sai số so với đo đạc thực nghiệm dưới 5%.
• Kế hoạch tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm độ bền rung động trong 6 tháng và tích hợp vật liệu nano dẫn nhiệt trong 12 tháng tới.
• Các nhà sản xuất phương tiện và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay giải pháp cấu trúc này để nâng cao tính tiện nghi và tối ưu hóa năng lượng cho các dòng xe thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.