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

Trên thế giới đư có rất nhiều bài báo công bố các kết qu về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha vật liệu chuy n pha t o ra những kết cấu ưu việt đ lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích

M C L C

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

C m t iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các b ng xii

Chương 1 1

Tổng quan 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên c u thuộc lĩnh vực c a đề tài ở trong và ngoài nước 1

1.2 Tính cấp thiết c a đề tài 6

1.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên c u 6

1.4 Nhiệm vụ nghiên c u và giới h n c a đề tài 7

1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên c u 8

1.6 Kế ho ch thực hiện 9

Chương 2 10

Vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới c a mái xe ô tô 10

2.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM) 10

2.2 Cơ sở lý thuyết chọn PCM đ lưu nhiệt 12

2.3 Phương trình truyền nhiệt c a PCM 19

2.4 Kết cấu lớp mái xe ô tô 20

Chương 3 ……….… 25

Phương pháp và thiết bị thí nghiệm 25

3.2 Chuẩn bị mô hình mô phỏng và thí nghiệm 27

3.3 Phần mềm mô phỏng 29

3.4 Phương pháp thí nghiệm 29

3.5 Mô hình toán học 31

3.6 Xác định lượng Paraffin cần sử dụng 36

Chương 4 38

Mô phỏng và thí nghiệm quá trình lưu giữ nhiệt c a kết cấu mái xe 38

4.1 Giới thiệu 38

4.2 Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ng với các kết cấu khác nhau c a mái xe 39

4.3 Kết qu thực nghiệm 46

4.4 So sánh kết qu mô phỏng và thực nghiệm 50

Chương 5 56

Kết luận và hướng phát tri n 56

5.1 Kết luận 56

5.2 Hướng phát tri n 56

Tài liệu tham kh o 57

DANH M C CH Ữ VIẾT TẮT

PCM : Phase Change Material

ADAM: Advantech ADAM

PDE: Partial Differential Equations

CAD: Computer Aided Design

HÌNH TRANG

Hình 1.1: PCM - ng dụng trong y tế 2

Hình 1.2: PCM - ng dụng sưởi ấm 2

Hình 1.3: PCM - ng dụng làm mát 3

Hình 1.4: PCM - ng dụng làm mát trong áo 3

Hình 2.1: Chu trình làm việc c a PCM 11

Hình 2.2: Sơ đồ phân lo i PCM 12

Hình 2.3: Hình nh sáp Parafin C22H46 17

Hình 2.4: Đóng gói PCM trong Polymer 18

Hình 2.5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép 18

Hình 2.6: Đóng gói PCM trong ống kim lo i 18

Hình 2.7: Dán kính (phim) cách nhiệt hoặc miếng dính ph n quang 20

Hình 2.8: Hình nh kết cấu c a mái xe thông thường 22

Hình 2.9: Kết cấu c a mái xe thông thường 23

Hình 2.10: Hình nh kết cấu mới c a mái xe 23

Hình 2.11: Cấu trúc hình vuông 24

Hình 2.12: Cấu trúc hình tròn 24

Hình 2.13: Kết cấu mới c a mái xe 24

Hình 3.1: Cặp nhiệt điện 26

Hình 3.2: Đèn halogen 26

Hình 3.3: Bộ chuy n đổi tín hiệu 26

Hình 3.4: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm 26

Hình 3.5: Minh họa mô hình bình thường 27

Hình 3.6: Minh họa mô hình mới th nhất 27

Hình 3.7: Minh họa mô hình mới th hai 28

Hình 3.8: Mô hình thí nghiệm có/ không có PCM 28

Hình 3.9: Hệ thống thí nghiệm với mô hình bình thường 30

ệ thống thí nghiệm với mô hình có lớp PCM 31

Hình 4.1: Mật độ thông lượng nhiệt c a mô hình mô phỏng 40

Hình 4.2: Mô hình chia lưới mái xe thông thường 41

Hình 4.3: Mô hình chia lưới kết cấu 1 41

Hình 4.4: Mô hình chia lưới kết cấu 2 42

Hình 4.5: Phân bố nhiệt độ trên lớp mái xe thông thường 43

Hình 4.6: Phân bố nhiệt lượng trên lớp mái xe thông thường 43

Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ c a lớp mái xe trong kết cấu 1 44

Hình 4.8: Phân bố nhiệt lượng c a lớp mái xe trong kết cấu 1 44

Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ c a lớp mái xe trong kết cấu 2 45

Hình 4.10: Phân bố nhiệt lượng c a lớp mái xe trong kết cấu 2 45

Hình 4.11: Mô hình thí nghiệm kết cấu mái xe có / không có PCM 47

Hình 4.12: Giao diện đo nhiệt độ ……….47

Hình 4.13: Bi u đồ đáp ng nhiệt độ c a mô hình có / không có PCM (không có gió bên ngoài)……… ….48

Hình 4.14: Đáp ng nhiệt độ c a mô hình có / không có PCM ( có gió bên ngoài)……… ……….……….… 50

HÌNH TRANG

B ng 1.1 Kế ho ch thực hiện luận văn ……… …….9

B ng 2.1 Số liệu một số vật liệu chuy n pha 15

B ng 2.2 Đặc tính lý nhiệt c a Parafin C22H46 ……17

B ng 2.3 Hấp thụ c a các màu sơn ……… ……21

B ng 4.1 Thông số vật liệu dùng trong mô hình 39

B ng 4.2 Tổng hợp nhiệt độ ……… ………46

B ng 4.3: Trích các kho ng thời gian thí nghiệm……… ……49

B ng 4.4: So sánh kết qu thí nghiệm ……… ……….52

B ng 4.5: nh hưởng c a nhiệt độ môi trường xung quanh ……… … 53

B ng 4.6: nh hưởng cu tốc độ gió ……… ……….54

B ng 4.7: nh hưởng cu nhiệt độ nóng ch y ……… ……… 54

B ng 4.8: nh hưởng bởi nhiệt ẩn c a PCM ……… ……… 55

Ch ng 1

T NG QUAN

1.1 T ng quan tình hình nghiên cứu thu c lĩnh vực c a đ tài ở trong và ngoài

n c

Năng lượng là nguồn sống c a tất c các ho t động c a con người trên trái đất Nhưng sự gia tăng liên tục m c độ phát th i khí nhà kính và h n chế nguồn tài nguyên nhiên liệu liên quan đến vấn đề tăng giá nhiên liệu chính là những động lực

đ sử dụng hiệu qu hơn các nguồn năng lượng tái t o Trên thế giới đư có rất nhiều bài báo công bố các kết qu về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha (vật liệu chuy n pha) t o ra những kết cấu ưu việt đ lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích sưởi

ấm và làm mát không gian sống nhằm tiết kiệm nhiên liệu và b o vệ môi trường

Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material) đư được nghiên c u gần 40 năm

và nó đư được ch ng minh là một trong những gi i pháp hữu ích trong một số lĩnh

vực nghiên c u, ng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt với những thành công lớn như: thiết bị điện l nh, tấm pin mặt trời, các hệ thống sàn b c x , sưởi ấm và làm mát các công trình xây dựng [1

Vật liệu biến đổi pha rất phong phú và đa d ng Đ phù hợp với một ng dụng nhất định, vật liệu biến đổi pha được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ nóng ch y (chuy n pha) c a vật liệu, dung lượng ẩn nhiệt chuy n pha c a vật liệu và điều kiện làm việc, điều kiện thời tiết c a 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

gi m xuống thì nó l i phát nhiệt đ trở về tr ng thái ban đầu [2 Những vật liệu tan

ch y ở nhiệt độ dưới 15°C được sử dụng cho việc lưu trữ l nh trong các ng dụng điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan ch y trên 90°C được sử dụng đ hấp

thụ l nh Vật liệu biến đổi pha được ng dụng trong nhiều lĩnh vực đ b o qu n thực phẩm, đồ uống, các s n phẩm sữa… ng dụng trong ngành y tế đ vận chuy n máu, vacxin và phương pháp điều trị nóng l nh [3 …

Tất c các vật liệu tan ch y ở nhiệt độ từ 15°C đến 90°C được áp dụng trong các ng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời Các nhà nghiên c u t i Ningpo, Đ i học Nottingham Trung Quốc, đư chế t o vật liệu biến đổi pha mới điều

ch nh nhiệt có th cắt gi m chi phí cho quá trình sưởi ấm và làm mát cho các tòa nhà trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt

Lo i vật liệu mới này có kh năng lưu giữ nhiều năng lượng hơn mà l i ph n

ng với nhiệt nhanh hơn các vật liệu thông thường và được s n xuất với giá thành

thấp Cấu trúc cơ b n c a vật liệu được điều ch nh ở m c nhiệt độ cụ th trước khi

vật liệu được sử dụng Nhóm nghiên c u đ ng đầu là GS Jo Darkwa, Giám đốc Trung tâm công nghệ năng lượng bền vững hiện đang nghiên c u chế t o vật liệu dùng cho các ng dụng sưởi ấm và làm mát

Nhiều nhà khoa học và tổ ch c quốc tế cũng đầu tư vào nghiên c u, phát tri n và ng dụng PCM trong lưu trữ năng lượng Đặc biệt kết qu c a công trình Phase Change Materials Based On Polyethylene, Paraffin Wax and Wood Flour c a Mfiso Emmanuel Mngomezulu (B.Sc Hons.) t i Univerrity of the Free State (WAQWA CAMPUS) đư t o đà cho các ng dụng c a PCM trong xây dựng, lưu trữ năng lượng Các kết qu c a nhóm tác gi càng khẳng định tính ưu việt c a PCM khi mà thế giới đang hướng tới xu thế phát tri n năng lượng bền vững đ gi m thi u

hiệu ng nhà kính và gi m thi u việc sử dụng nhiên liệu truyền thống đang dần bị

c n kiệt

Trên thế giới vật liệu biến đổi pha đư được nghiên c u, phát tri n và ng dụng

rất nhiều trong các lĩnh vực c a xã hội nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống hướng tới phát tri n bền vững năng lượng xanh và s ch

Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đư sớm được Bộ khoa học và công nghệ giới thiệu qua Hội th o “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ thuật viên và các nhà qu n lý đư tham dự Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi đầu trong việc nghiên c u, ng dụng vật liệu mới và đư nghiên c u, so sánh kh năng lưu trữ năng lượng nhiệt đ làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông nghiệp, th y s n…

- Sau hơn 2 năm nghiên c u, thử nghiệm t i Hà Nội và tri n khai thử nghiệm

t i một số địa phương khan hiếm nước ngọt ven bi n c a t nh Bến Tre và Thừa Thiên Huế, đến tháng 3 năm 2007 nhóm tác gi t i Viện Hoá học đư ng dụng thành công vật liệu chuy n pha trữ nhiệt vào công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước bi n

bằng năng lượng mặt trời, đ t 6-8 lít/m2/ngày, hiệu qu gấp đôi so với công nghệ truyền thống Công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước bi n bằng năng lượng mặt trời cũng như công nghệ tích trữ nhiệt bằng vật liệu chuy n pha đ ng 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 đ sau đó tái sử

dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuy n pha trữ nhiệt đ m nhiệm Nhờ vậy, khác với

các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có ch ho t động khi có mặt

trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục ho t động ngay c khi trời đư tắt nắng

- Luận văn tốt nghiệp cao học c a học viên NGUY N TH H NG NHUNG

(ĐH Đà Nẵng): “ Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng

lượng mặt trời” Luận văn này đư đề cập đến cơ sở c a việc tính toán, thiết kế thiết

bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy h i s n có sử dụng

Paraffin đ trữ nhiệt Tuy nhiên, đề tài này ch tính toán được thời gian tích trữ, gi i phóng năng lượng c a Parafin trong Collector tấm phẳng đ sấy h i s n

- Báo cáo đề tài Khoa học và Công nghệ “ ng dụng vật liệu biến đổi pha PCM làm mát tòa nhà tr m vi n thông” do VNPT Đồng Nai thực hiện Nội dung nghiên

c u c a đề tài là tiến hành thực nghiệm kh năng ng dụng các tấm panel vật liệu

biến đổi pha PCM đ làm mát thiết bị vi n thông trong các nhà tr m vi n thông Đồng Nai nhằm gi m chi phí nhiên liệu, điện năng và điều hòa không khí Nhưng đề tài báo cáo ch ng dụng PCM trong làm mát, còn những h n chế về nội dung và tính toán mô phỏng

Tuy nhiên, đến hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa được ng dụng nhiều trong các lĩnh vực, phần lớn các đề tài ch sử dụng vật liệu biến đổi pha theo hướng lưu trữ nhiệt lượng bằng thực nghiệm mà chưa khai thác hiệu qu tiềm năng c a vật liệu

Qua thời gian kh o sát thông tin từ những t p chí và các trang thông tin (http://tiasang.com.vn) nhưng vẫn chưa tìm thấy thông tin viết về vấn đề mà chúng tôi đang nghiên c u Vì vậy, có th nói chúng tôi là một trong những nhóm tiên phong trong việc nghiên c u về kết cấu mới cho mái xe ô tô có sử dụng vật liệu biến đổi pha nhẳm mục đích ngăn dòng nhiệt xâm nhập vào không gian cabin, tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống làm mát, t o không gian tho i mái khi chúng ta sử dụng ô tô làm phương tiện lưu thông đồng thời gi m thi u lượng khí th i và góp phần b o vệ môi trường

1.2 Tính c p thi t c a đ tài

Như đư trình bày ở trên, hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa thực sự được

ng dụng rộng rưi trong các lĩnh vực đời sống trong khi hiệu qu c a vật liệu này đ t được là rất lớn Hầu hết các công trình ch ng dụng vật liệu theo kinh nghiệm mà chưa lựa chọn lo i vật liệu biến đổi pha phù hợp với một ng dụng nhất định đ khai thác hết hiệu qu mà vật liệu biến đổi pha mang l i Đây cũng là lo i vật liệu mà kh năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu khác khó có th so sánh được Không những góp phần b o vệ môi trường mà so với những phương pháp

chống nóng khác cho xe ô tô thì việc đưa vật liệu biến đổi pha vào kết cấu mái xe đ

chống nóng không quá ph c t p nhưng đem l i hiệu qu thiết thực đồng thời gi m chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu đ làm mát

1.3 M c tiêu đ tƠi, đối t ng nghiên cứu

Nghiên c u kh năng lưu giữ nhiệt c a chất biến đổi pha (PCM) đ giữ nhiệt

với kết cấu mới c a mái xe ô tô có lớp vật liệu biến đổi pha nhằm ngăn dòng nhiệt không mong muốn khi nhiệt độ môi trường tăng cao Kết cấu mới này rất phù hợp với điều kiện thời tiết ở Việt Nam, đặc biệt là ở khu vực miền Nam với d i nhiệt độ trong kho ng 250– 400C

1.3.2 Đối tượng nghiên c u

Mô hình kết cấu mới c a mái xe ô tô bao gồm:

- Lớp mái bằng thép

- Lớp cách nhiệt

- Lớp vật liệu biến đổi pha (PCM)

- Lớp v i len

Phương pháp mô phỏng các mô hình với kết cấu mới c a lớp mái xe nhằm dự đoán

kết qu lưu giữ và ngăn dòng nhiệt đi vào không gian cabin đ ổn định nhiệt độ, t o không gian tho i mái cho người sử dụng phương tiện

1.4 Nhi m v nghiên c ứu và gi i h n c a đ tài

- Thu thập và phân tích tài liệu về vật liệu biến đổi pha gồm 2 nhóm chính: + PCM hữu cơ

+ PCM vô cơ

- Tìm hi u về kết cấu c a mái xe thông thường trên thị trường với các cách

chống nóng đang được áp dụng hiện t i

- Phân tích và đề xuất kết cấu cho mái xe khi có thêm lớp vật liệu biến đổi pha

với các phương án bố trí vật liệu theo nhiều d ng khác nhau

- Mô phỏng các kết cấu mới này và chọn ra kết cấu kh thi phù hợp với thông

số, hình dáng c a một chiếc xe

- Thực nghiệm nhằm ki m ch ng các kết qu phân tích, mô phỏng

- Tổng kết và đưa ra phương án tối ưu

- Không gian mô phỏng buồng cabin xe với quy mô nhỏ, trong đó có kích thước 600mm × 600mm × 600mm, được xây dựng bằng cách sử dụng các tấm xốp cách nhiệt dày 60mm Phía trên được bao ph bởi một trong những mô hình với kết cấu mới c a mái xe trong mỗi thí nghiệm

- Hệ thống điều khi n nhiệt độ gồm 4 đèn halogen với công suất điện 500W/110V đ mô phỏng nguồn nhiệt năng từ năng lượng mặt trời

- Các đèn được cố định ở kho ng cách nhất định và chiếu sáng liên tục trong

thời gian 4 giờ với cùng một nguồn điện đư cung cấp đ các b c x đ t tới trung bình và được duy trì kho ng 950W/m2khi được bật

- Nhiệt độ c a không khí xung quanh toàn bộ hệ thống thí nghiệm luôn luôn được giữ kho ng 250C và thực hiện trong điều kiện không có gió đ đ m b o

b c x và đối lưu di n ra tự nhiên và được ổn định

1.5 Cách ti p c n, ph ng pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích, mô

phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm ki m ch ng kết qu và đưa ra dự đoán

1.5.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu

Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật vật liệu biến đổi pha đ đ m b o tính đa d ng và vận dụng được các kết qu c a các nghiên c u mới nhất trong thời gian gần đây sao cho phù hợp với nội dung nghiên c u c a đề tài

1.5.2.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm

Dựa trên các kết qu và thất b i trong quá trình thực nghiệm, từ đó lựa chọn được kết cấu phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết qu thí nghiệm

Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau c a lớp vật liệu

1.5.2 3 Phương pháp phân tích so sánh

Dựa trên các kết qu về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 thiết kế c a

lớp vật liệu về các yếu tố:

- Kh năng lưu giữ nhiệt lượng c a lớp vật liệu biến đổi pha khi nhiệt độ tăng

- Sự truyền nhiệt vào không gian cabin

- Kh năng phát nhiệt trở l i môi trường khi nhiệt độ gi m

Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết qu có tính thuyết phục cao

1.6 K ho ch th ực hi n

Kế ho ch thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong b ng 1.1

STT Nội dung công việc Thời gian thực hiện Ghi chú

2 Vật liệu biến đổi pha và ng dụng

trong kết cấu mới c a mái xe ô tô 10/2014 – 12/2014

3 Phương pháp và thiết bị thí nghiệm 1/2015 – 03/2015

4 Mô phỏng và thí nghiệm kết cấu mới 04/2015 – 07/2015

5 Kết luận và hướng phát tri n 08/2015

B ng 1.1: Kế ho ch thực hiện luận văn

biến đổi pha đ lưu trữ nhiệt đồng thời ngăn nguồn nhiệt không mong muốn do điều kiện thời tiết quá nắng nóng là một trong những phương pháp mới đang được ng

dụng ngày càng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, tiết kiệm nhiên liệu,

gi m chi phí và b o vệ môi trường

2.1 Gi i thi u chung v v t li u bi n đ i pha (PCM)

2.1.1 Định nghĩa

PCM là chất có kh năng nóng ch y hoặc đông đặc ở một nhiệt độ nhất định

và trong quá trình đó thì nó có kh năng hấp thụ, lưu trữ và gi i phóng một lượng lớn nhiệt năng PCM đóng vai trò là bộ phận giữ nhiệt đ ổn định nhiệt cho hệ thống sử

dụng vật liệu này Đ lưu trữ và gi i phóng nhiệt, vật liệu biến đổi pha sử dụng liên

kết hóa học và chuy n giao năng lượng x y ra khi vật liệu thay đổi tr ng thái t c là

từ tr ng thái rắn chuy n qua lỏng hoặc ngược l i từ lỏng trở về tr ng thái rắn

PCM dự trữ nhiệt thông qua quá trình chuy n pha được thực hiện khi chuy n

tr ng thái rắn – rắn, rắn – lỏng, rắn – khí, khí – lỏng Tuy nhiên khi chuy n pha rắn – khí hay khí – lỏng nó gây ra sự thay đổi lớn về th tích, còn khi chuy n pha rắn – rắn thì nó dự trữ được ít nhiệt năng Do đó chuy n pha rắn – lỏng được sử dụng nhiều

nhất trong các ng dụng ổn định nhiệt độ và đ lưu trữ nhiệt với nhiệt năng lớn kết

hợp với sự thay đổi nhiệt độ khá nhỏ [4

PCM làm việc theo một chu trình khép kín: ở tr ng thái rắn PCM hấp thụ nhiệt khi nhiệt độ tăng lên, rồi tan ch y dần dần và lưu trữ nhiệt trong khỏang thời gian

nhất định cho dù nhiệt độ tiếp tục tăng hơn nữa Khi nhiệt độ môi trường xung quanh

gi m xuống thì nhiệt này sẽ được t n ra môi trường và PCM trở về tr ng thái ban đầu Chu trình này được lặp l i nhiều lần mà PCM vẫn ổn định trong suốt quá trình làm việc [5 Đây cũng chính là hiệu qu tái sử dụng c a PCM mà các vật liệu khác khó có th so sánh được

2.1.2 Phân lo i PCM

Vật liệu biến đổi pha được phân lo i thành nhiều lo i khác nhau Có hợp chất hữu cơ và vô cơ, cũng như hỗn hợp eutectic c a các hợp chất này Tất c chúng khi cung cấp nhiệt độ sẽ cho giai đo n chuy n tiếp khác nhau Hình 2.2 đưa ra một sơ đồ phân lo i PCM đ i diện Với các chữ in đậm là lo i PCM được chú trọng hơn và ng dụng trong nghiên c u này Các hợp chất hữu cơ (Organic compounds) bao gồm các hợp chất parafin (Parafin compounds) và không parafin (Non - Parafin compounds), trong khi các hợp chất vô cơ (Inorganic Compounds) bao gồm hydrat muối (Salt hydrates), kim lo i và hợp kim (Metals and Alloys) Các hợp chất hữu cơ, vô cơ và hỗn hợp eutectics đư là một ch đề nghiên c u cách đây hơn bốn mươi năm trước Trong số ba lo i PCM, hợp chất hữu cơ được nghiên c u rộng rưi nhất, trong đó sáp Paraffin được đặc biệt quan tâm nghiên c u thời gian gần đây do nó có nhiều tính chất tiềm năng về nhiệt lý, kỹ thuật, tính kinh tế và d dàng ng dụng mang l i

l ỏng

r ắn

những hiệu qu không nhỏ trong việc sưởi ấm hay làm mát góp phần gi m hiệu ng nhà kính, phát tri n công nghệ năng lượng xanh bền vững [6

2.2 C sở lý thuy t ch n PCM đ l u nhi t

PCM thực hiện được hai quá trình đó là lưu trữ và gi i phóng nhiệt Tuy nhiên

có rất nhiều những yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào lĩnh vực ng dụng PCM Trong

đề tài này vấn đề chọn lo i PCM phù hợp đ ng dụng dựa trên các cơ sở sau:

Có một d i rộng các vật liệu chuy n pha có nhiệt độ nóng ch y trong kho ng

từ -50 tới 1900C phục vụ cho các ng dụng ổn định nhiệt khác nhau Vật liệu tan

ch y ở nhiệt độ dưới 150C được sử dụng cho việc lưu trữ l nh trong các ng dụng

điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan ch y trên 900C được sử dụng đ hấp

thụ l nh Tất c các vật liệu tan ch y ở nhiệt độ từ 150C đến 900C được áp dụng trong các ng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời Lưu trữ năng lượng nhiệt là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất khi ng dụng PCM

Đ phù hợp với một ng dụng nhất định, PCM được lựa chọn trên cơ sở c a nhiệt độ chuy n tiếp và nhiệt độ nóng ch y ph i phù hợp với nhiệt độ ho t động c a

hệ thống sử dụng chúng Trong đề tài này vật liệu chuy n pha được lựa chọn ng

dụng trong kho ng nhiệt độ từ 300C đến 700C

Mục tiêu c a lưu trữ nhiệt lượng là đ t được mật độ lưu trữ cao trong một th tích tương đối nhỏ PCM cần ph i có nhiệt độ nóng ch y entanpy cao[ KJ/Kg] và

mật độ th tích entanpy nóng ch y[ KJ/m3] cao[6

Hệ thống nhiệt hóa ch có th hấp thụ và gi i phóng năng lượng nhiệt trong

việc phá vỡ và sắp xếp l i liên kết phân tử trong một ph n ng hóa học Khối lượng PCM lưu trữ, kh năng thu nhiệt c a ph n ng và m c độ chuy n đổi sẽ là những nhân tố chính nh hưởng đến tổng số năng lượng nhiệt được lưu trữ [6 Bên c nh

đó yêu cầu vật liệu có tính chất hóa học ổn định lâu dài, kh năng tương thích với các vật liệu ch a đựng và thiết bị trao đổi nhiệt, không có độc tính và không có nguy

cơ gây hỏa ho n

PCM đ làm mát không gian trong nhà do b c x nhiệt c a mặt trời Các lo i PCM phù hợp với những ng dụng thực tế ph i phong phú, đa d ng, hiệu qu cao và chi phí thấp

PCM không th sử dụng như phương tiện truyền nhiệt đơn lẻ Đ trở thành

một phương tiện truyền nhiệt nó ph i được kết hợp với thiết bị trao đổi nhiệt đ t o thành lớp ở giữa có th lưu giữ năng lượng nhiệt khi nhiệt độ tăng lên và phát trở l i

môi trường khi nhiệt độ gi m, đặc biệt là kh năng ngăn chặn dòng nhiệt đi vào không gian sinh ho t c a con người Tác dụng cách nhiệt được thực hiện bởi một sự thay đổi về kết cấu mái xe trong đó có một lượng PCM với nhiệt độ nóng ch y trong

ph m vi nhiệt độ mong muốn, một bề mặt trao đổi nhiệt thích hợp, và một kết cấu

ch a PCM tương thích [7 Do đó ph i xác định đi m nóng ch y cụ th c a PCM đ

thiết kế hệ thống lưu trữ nhiệt phù hợp Các thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng ph i được thiết kế không quá ph c t p, hiệu qu sử dụng cao

Trong nghiên c u này chúng tôi chọn vật liệu biến đổi pha với ng dụng điều hòa nhiệt độ phù hợp với sinh ho t c a con người trong kho ng từ 20°C tới 30°C Đây là kho ng nhiệt độ mà chúng ta c m thấy mát mẻ, tho i mái đ làm việc cũng như ngh ngơi

Thông qua b ng 2.1 cho chúng ta thấy một số đặc đi m c a các nhóm vật liệu chuy n pha đi n hình kết hợp với quá trình phân tích về các yếu tố: nhiệt lý, nhiệt dung riêng, hóa học, tính kinh tế chúng tôi chọn sáp Parafin đ nghiên c u

B ng 2.1: S ố liệu một số vật liệu chuy n pha

STT Tên V ật Liệu Đi m

nóng

ch y ( 0 C)

Kh ối lượng riêng ρ r

kg/m 3

Kh ối lượng riêng ρ [

kg/m 3

H ệ số dẫn nhi ệt k (W/mK)

Nhi ệt chuy n pha (KJ/Kg)

Paraffin lo i CnH2n+2 là một nhóm các hydrocarbon bão hòa với tính chất

rất giống nhau Parafin giữa C5 và C15 là các chất lỏng và phần còn l i là chất rắn

d ng sáp Sáp parafin là một trong những PCM lưu trữ nhiệt hữu cơ phổ biến nhất cho các ng dụng thương m i Nó bao gồm một hydrocacbon m ch thẳng có nhiệt độ nóng ch y dao động từ 220 C đến 710C Sau đây là một số trong những lợi thế và bất

+ Parafin tinh khiết đắt tiền,

+ Parafin kỹ thuật thường được sử dụng như PCMs đ lưu trữ năng lượng nhiệt bởi

vì nó rẻ hơn so với Paraffin tinh khiết

Parafin được sử dụng làm nguyên liệu thay đổi giai đo n cho các ng dụng lưu trữ nhiệt, bởi vì nó có hầu hết các tính chất cần thiết Chúng được sử dụng như phương tiện lưu trữ năng lượng nhiệt, trong các lĩnh vực không gian nhỏ, làm l nh

và điều hòa hệ thống, quy trình b o tồn, hệ thống năng lượng mặt trời, phục hồi năng lượng, hệ thống sưởi và làm mát các tòa nhà Ngoài ra, chúng được sử dụng trong các hệ thống b o vệ nhiệt, cũng như trong làm mát động và thụ động c a các thiết bị điện

Có rất nhiều chất lưu nhiệt khác nhau với các gi i nhiệt độ khác nhau Với gi i nhiệt độ từ 300C – 700 C và các tiêu chí đư phân tích ở trên cùng những ưu, nhược

đi m c a Parafin chúng tôi chọn Parafin C20H42 làm chất lưu nhiệt đ nghiên c u và

ng dụng làm thí nghiệm trong đề tài này

Khối lượng riêng ở th rắn ρr 912 kg/m3

Khối lượng riêng ở th lỏng ρl 769 kg/m3

và lưu được nhiệt lượng cao trong giai đo n chuy n tiếp và ổn định nhiệt trong thời gian nhất định Có nhiều cách khác nhau đ đóng gói vật liệu biến đổi pha Các phương pháp được biết đến là vật liệu biến đổi pha trong bê tông, th ch cao hoặc các

ván ốp tường, vật liệu biến đổi pha trong than chì hoặc kim lo i hay vật liệu biến đổi pha trong polyme [9],

Đ không làm nh hưởng nhiều đến kích thước, hình dáng kết cấu c a lớp mái xe trong đề tài này chúng tôi chọn cách đóng gói PCM trong polymer

2.3 Ph ng trình truy n nhi t c a PCM

Trong lưu trữ nhiệt lý (Sensible Heat Storage), năng lượng nhiệt được lưu trữ bằng sự gia tăng nhiệt độ c a một vật rắn hoặc chất lỏng trong quá trình n p và gi m dần nhiệt độ c a các đối tượng trong quá trình x [10 Các yếu tố quan trọng c a quá trình này là nhiệt dung riêng c a môi trường, sự thay đổi nhiệt độ và khối lượng vật liệu lưu trữ Phương trình nhiệt c a quá trình này là:

(khi Cp không thay đổi theo nhiệt độ)

Trong đó: Ti là nhiệt độ ban đầu [oC], Tf là nhiệt độ cuối cùng [oC], Cp là nhiệt dung riêng [J/kgK], m là khối lượng c a vật liệu lưu trữ [kg], Q là năng lượng nhiệt [J]

Lưu trữ nhiệt ẩn (Latent Heat Storage) được dựa trên sự hấp thu nhiệt hoặc t n nhiệt khi vật liệu chuy n pha tr i qua một giai đo n thay đổi, t c là từ tr ng thái rắn chuy n qua lỏng, chất lỏng sang khí hoặc ngược l i [8 Nhiệt ẩn trên một đơn vị

khối lượng càng cao thì càng tốt đ gi m thi u sự giãn nở nhiệt c a lớp ch a PCM Dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn c a hệ thống với một lượng PCM trung bình được cho bởi phương trình:

(khi Cpr và Cpl không thay đổi theo nhiệt độ)

Trong đó: Tm là nhiệt độ nóng ch y [0C], f là phần nóng ch y [không th nguyên],

Δhm là nhiệt c a ph n ng tổng hợp trên một đơn vị khối lượng [J/kg], Cpr là nhiệt dung riêng trong pha rắn [J/KgK], Cpl là nhiệt dung riêng trong giai đo n lỏng [J/KgK]

f m m

io

T

T p m

T

T

mC Q

2.4 K t c u l p mái xe ô tô

Dòng nhiệt truyền xuống từ lớp mái xe cùng với b c x thông qua các cửa sổ kính góp phần trong tổng nhiệt c a không gian cabin xe Sự góp phần này làm tăng đáng k tổng nhiệt đặc biệt khi thời tiết nắng nóng và gió nhẹ Một mái xe, giống như một tấm kim lo i c a một ngôi nhà, có th nhận được một b c x mặt trời lên đến hơn 1000W/m2 trong điều kiện bầu trời có nắng và từ 20% đến 95% b c x này

có th được hấp thụ Trong những năm gần đây, có nhiều phương pháp thiết kế cấu trúc lớp mái đ lưu giữ các b c x mặt trời trên diện tích lớp mái đồng thời gi m dòng nhiệt đi xuống từ mái vào không gian cabin Các phương pháp chính có th được phân lo i thành 2 nhóm Nhóm cơ b n đầu tiên dựa trên khái niệm về gi m thi u sự hấp thụ b c x mặt trời c a lớp mái, chẳng h n như gắn thu năng lượng mặt trời và hệ thống quang điện trên toàn bộ diện tích bề mặt mái xe Bằng cách này, các tia b c x hồng ngo i không ch được ngăn c n trên bề mặt lớp mái mà còn thu được đ s n xuất điện cung cấp cho chiếc xe Ngoài ra người ta thường sử dụng biện pháp chống nóng bằng cách dán phim cách nhiệt hay miếng dính ph n quang Trong khi đó, nhóm th hai sử dụng phương pháp thay đổi các tính chất nhiệt c a lớp mái Thêm các vật liệu cách nhiệt nhiều hơn vào lớp mái có th giúp tăng kháng nhiệt c a các mái xe Nhưng các phương pháp đấy là bất lợi khi dòng nhiệt đư xâm nhập vào không gian cabin rồi thì nó l i khó phát trở l i môi trường mặc dù nhiệt độ bên ngoài

đư gi m xuống

Thêm một yếu tố nữa nh hưởng đến m c độ hấp thụ và b c x năng lượng mặt trời đó là màu sắc sơn xe Những màu sơn có màu sáng như màu trắng, màu xanh, màu vàng thì m c độ hấp thụ ít hơn và ph n x ánh sáng nhiều hơn so với

màu xám hoặc màu đen Nhưng màu sắc cũng phần nào nh hưởng đến vẻ đẹp c a

một chiếc xe mà người sử dụng quan tâm Đ không nh hưởng đến vẻ đẹp về hình dáng, máu sắc và sự tiện nghi c a một chiếc xe trong đề tài này kết cấu lớp mái c a chiếc xe được thay đổi Và chúng tôi chọn màu sơn c a xe là màu xám đ thực hiện

mô phỏng, thí nghiệm Đây cũng là màu sắc được nhiều người sử dụng ưa chuộng

Kết cấu lớp mái xe Nissan hiện đ i được sử dụng đ thí mô phỏng th hiện như hình 2.9

Đây cũng là kết cấu thông dụng mà hầu hết các xe trên thị trường đang sử dụng

2.2.2 K t c u m i c a mái xe

Khi nhiệt độ bên trong cabin cao hơn nhiệt độ ngoài trời, người sử dụng có

th mở cửa sổ đ thông gió cho không khí đ gi i phóng nhiệt Tuy nhiên, điều này không thuận tiện nếu trời mưa hoặc bên ngoài quá bụi bặm Bên c nh đó, khi mở cửa

sổ có th nh hưởng đến sự tập trung c a người lái và do đó nh hưởng đến sự an toàn đặc biệt là khi lái xe với tốc độ cao Thông thường, điều hòa không khí được sử

dụng đ làm mát không gian cabin trong khi dòng nhiệt từ các lớp mái vẫn tiếp tục truyền xuống Nếu tổng kháng nhiệt c a mái xe được c i thiện thì năng lượng được dành cho mục đích làm mát sẽ ít hơn Vì vậy một lớp vật liệu chuy n pha được đưa vào giữa lớp cách điện và thay thế lớp giấy carton

Lớp PCM được tính toán sắp xếp theo nhiều d ng sao cho kh năng lưu được nhiệt lượng lớn, số lượng PCM được lựa chọn đúng cách đ nó có th duy trì quá trình nóng ch y càng lâu càng tốt nhưng ph i đơn gi n phù hợp với kích thước, hình dáng c a một chiếc xe Trong phần này chúng tôi trình bày 2 phương án cho lớp ch a vật liệu PCM

Phương án th nhất: Parafin bố trí trong khung với cấu trúc d ng hình vuông như

Kết cấu lớp mái xe kết cấu có lớp PCM sử dụng đ thí nghiệm th hiện như hình 2.12

Chương 3

Chương này sẽ giới thiệu về các trang thiết bị, mô hình phục vụ cho quá trình thí nghiệm và phương pháp ng dụng kết cấu mới c a mái xe đ nâng cao hiệu qu ngăn dòng nhiệt vào không gian cabin đ tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống làm mát

3.1 Trang thi t b thí nghi m

Hệ thống mô phỏng b c x năng lượng mặt trời được xây dựng bởi thí nghiệm b c x điện liên tục vào bề mặt mái xe Bao gồm:

+ Cặp nhiệt điện (thermocouple) (Hình 3.1)

+ Đèn halogen công suất điện 500W / 110V (Hình 3.2)

+ Bộ chuy n đổi tín hiệu ADAM (Hình 3.3)

+ Các mô hình khác nhau c a mái xe với quy mô nhỏ

Đ đ t được một gi định phù hợp với b c x mặt trời trên bề mặt lớp mái, các đèn được cố định ở kho ng cách nhất định chiếu sáng liên tục với cùng một nguồn điện đư cung cấp đ các b c x đ t tới trung bình và được duy trì kho ng 950 W/m2 khi được bật Bên c nh đó, nhiệt độ c a không khí xung quanh hệ thống thí nghiệm luôn luôn được giữ kho ng 250C

Cặp nhiệt điện T là lo i cặp nhiệt điện với dung sai kho ng 0,20C được sử

dụng đ đo nhiệt độ bề mặt c a lớp kim lo i trên, dưới bề mặt c a lớp PCM, các lớp cách nhiệt và không khí xung quanh Các cặp nhiệt điện được kết nối với một bộ chuy n đổi tín hiệu ADAM sau đó là lần lượt kết nối với máy tính thông qua kết nối

Hình nh một số thiết bị trong quá trình thí nghiệm

ADA M

Cặp nhiệt điện

C m biến tín hiệu Giao diện