Nghiên cứu thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn động cơ cho băng thử elbe

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT VÀ DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ CHO BĂNG THỬ ELBE Từ khóa: Nước làm mát, băng thử công suất, dầu bôi trơn, arduino, động cơ Abstract: Thi

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng, 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT VÀ DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ CHO BĂNG THỬ ELBE

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÊ MINH TIẾN

Đà Nẵng, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến:

Thầy giáo hướng dẫn: TS Lê Minh Tiến đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Các Thầy, Cô Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng đã luôn tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Lãnh đạo Trung tâm Đăng Kiểm Xe Cơ Giới Đà Nẵng đã luôn tạo mọi điều kiện cho việc học tập, nghiên cứu, tiến hành luận văn

Gia đình và toàn thể anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT VÀ DẦU

BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ CHO BĂNG THỬ ELBE

Từ khóa: Nước làm mát, băng thử công suất, dầu bôi trơn, arduino, động cơ

Abstract:

This thesis focused on TEMPERATURE STABILITY OF COOLANT and the engine lubricating oil Based on a mechanical dynamometer system, we design and install cooling systems including kip coolers, sensors, Arduino UNO R3 control circuits and computer programs It is possible to stabilize the cooling water temperature on LBE POWER DYNAMOMETER ENGINE The system is working correctly, maintain the required temperature for dynamometer

Key words: Coolant, power dynamometer, lubricant, arduino, engine

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

1.1 TỔNG QUAN CÁC KIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 4

1.1.1 Băng thử cơ khí 4

1.1.2 Băng thử thủy lực 6

1.1.3 Băng thử điện 10

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC LÀM MÁT TRÊN BĂNG THỬ CÔNG SUẤT CỦA THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 14

1.2.1 Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nước làm mát trên băng thử công suất của thế giới 14

1.2.2 Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất việt nam 15

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ 17

2.1.1 Công suất động cơ 17

2.1.2 Hiệu suất 17

2.2 CÁC ĐẶC TÍNH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 18

2.3 LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CẢM BIẾN 20

2.3.1 Lý thuyết tín hiệu 20

2.3.2 Lý thuyết cảm biến 20

2.4 LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG 21

2.4.1 Khái niệm về kỹ thuật đo lường 21

2.4.2 Cơ sở kỹ thuật đo lường 22

2.5 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT 24

2.5.1 Các định luật và phương trình cơ bản về dẫn nhiệt 26

2.5.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 31

2.5.3 Truyền nhiệt qua vách có cánh 32

2.6 KẾT LUẬN 34

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 35

3.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT BĂNG THỬ 35

3.1.1 Giới thiệu băng thử 35

3.1.2 Các phương án làm mát 36

3.2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 36

3.2.1 Các phương án bôi trơn trong động cơ đốt trong 39

3.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO 45

3.3.1 Tính toán trao đổi nhiệt của băng thử 45

3.3.2 Tính toán trao đổi nhiệt của động cơ nằm trên băng thử 47

3.3.3 Tính toán két làm mát nước của hệ thống làm mát 48

3.3.4 Tính toán quạt gió của hệ thống làm mát 52

3.3.5 Thiết kế, chế tạo thiết bị 53

3.3.6 Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống làm mát 61

3.3.7 Xây dựng chương trình điều khiển 68

3.4 TÍNH TOÁN KÉT LÀM MÁT DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ 73

3.4.1 Tính toán lưu lượng dầu bôi trơn và lưu lượng của bơm dầu 73

3.4.2 Tính toán két làm mát dầu bôi trơn động cơ 74

3.5 KẾT LUẬN 75

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ 76

4.1 THỰC NGHIỆM ĐO 76

4.1.1 Mục đích thực nghiệm 76

4.1.2 Hệ thống thực nghiệm 76

4.1.3 Quy trình thực hiện 77

4.2 KẾT QUẢ ĐO 78

4.2.1 Hệ thống hoạt động với nhiệt độ đầu vào của hệ thống làm mát T1 = 550C với thời gian 10 phút 78

4.2.2 Hệ thống hoạt động với nhiệt độ đầu vào của hệ thống làm mát T1 = 500C với thời gian 14 phút 79

4.2.3 Hệ thống làm việc đồng thời với băng thử 79

4.3 KẾT LUẬN 80

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 83

Qkt Nhiệt trị thấp của 1kg nhiên liệu J/kg

L0 Lượng không khí lý thuyết đốt kiệt 1kg nl

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu

1.1 Sơ đồ cấu tạo phanh thử dạng cơ khí 4

1.2 Đặc tính momen của động cơ và phanh 5

1.5 Sơ đồ phanh thử kiểu thủy lực kiểu đĩa 7 1.6 Stato và Roto phanh thủy lực dạng chốt 8 1.7 Stato và Roto phanh thử thủy lực dạng cánh 8

2.3 Trường nhiệt độ và gradient nhiệt độ 26

2.4 Dòng nhiệt qua diện tích phân tố dF 28

2.5 Sơ đồ tính truyền nhiệt qua vách có cánh 32

3.1 Băng thử thủy lực ELBE thực tế 35

3.3 Mặt cắt ngang động cơ DE12TIS 37

Sơ đồ bố trí bơm tay hoặc bơm điện trong hệ thống

3.12 Sơ đồ tính toán chi tiết két nước 49

3.14 Quan hệ của hệ số truyền nhiệt k với tốc độ không khí

kk

3.18 Sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của bơm cánh hút 56

3.22 Quạt gió của hệ thống làm mát 59

3.24 Mô hình khung giá đặt hệ thống làm mát 60

3.25 Kết cấu khung giá đặt hệ thống làm mát 60

3.26 Giá đặt hệ thống làm mát thực nghiệm 61

3.27 Sơ đồ lắp đặt hệ thống làm mát 61

3.32 Sơ đồ mạch điện của cảm biến nhiệt độ khi gắn trên

3.33 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ 65

3.34 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 65

3.36 Sơ đồ chi tiết mạch điện của biến tần 67

3.37 Kết nối biến tần và mạch Arduino 67

3.39 Sơ đồ thuật toán chương trình điều khiển 68

3.40 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển ổn định nhiệt độ 69

3.41 Giao diện máy tính phần mềm Arduino 69

4.1 Sơ đồ hệ thống làm mát đã thiết kế 76 4.2 Các thiết bị và cảm biến được lắp đặt vào hệ thống

4.3 Hệ thống đường ống cấp nước cho băng thử 77 4.4 Đồ thị làm việc lúc T 1 =55 0 C 78 4.5 Đồ thị làm việc lúc T 1 =50 0 C 79

4.6 Đồ thị làm việc khi T 1 =40 0 C 80

Cho dù các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu để đưa ra các giải pháp thay thế cho động cơ đốt trong như động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu nhằm đối phó với tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên của trái đất Tuy nhiên cho đến tận thời điểm này động cơ đốt trong vẫn là không thể thay thế

Xu hướng của thế giới hiện nay là phát triển các công nghệ để tối ưu hóa kết cấu tiết kiệm nhiên liệu và tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch nhằm giảm bớt sức nóng về sự khan hiếm của nguồn nhiên liệu nói trên và sự ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra Thiết bị cơ bản đầu tiên trong việc nghiên cứu thay đổi kết cấu của động cơ và nhiên liệu mới là Băng thử công suất động cơ

Hiện nay, tại khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng có hệ thống băng thử công suất của hãng AVL và băng thử Froude đều có công suất thiết kế ~200kW và băng thử thủy lực ELBE sản xuất tại Đức có công suất thiết kế 475kW phù hợp để nghiên cứu cho động cơ diesel cỡ lớn trang bị trên xe vận tải, tàu thủy, … Tuy nhiên do thiết bị được đầu tư khá lâu và đến nay không còn vận hành được

2

Nhằm giảm chi phí đầu tư mua sắm thiết bị mới, đồng thời đảm bảo điều kiện cơ

sở vật chất dạy học cho sinh viên Khoa Cơ khí Giao thông nói chung và sinh viên ngành

Kỹ thuật Tàu thủy nói riêng, việc phục hồi hoạt động cho băng thử ELBE hoạt động là hết sức cần thiết và cấp bách Băng thử này có cơ cấu xác định công suất và tốc độ kiểu

cơ khí cổ điển dẫn đến hiệu quả khai thác sử dụng thiết bị không cao Ngoài việc phục hồi, cải tạo để nâng cao công suất sử dụng thì để cho băng thử hoạt động một cách ổn định thì bộ phận làm mát cho băng thử cũng rất quan trọng Với mong muốn tìm giải pháp để nâng cấp hệ thống băng thử công suất động cơ nói trên đồng thời nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống mà tiết kiệm chi phí đầu tư cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa được dễ dàng

Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nguyên cứu, thiết kế bộ ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn động cơ cho băng thử ELBE”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở hệ thống băng thử kiểu cơ khí, ta thiết kế lắp đặt hệ thống làm mát bao gồm các thiết bị làm mát băng thử, cảm biến, thiết lập mạch điều khiển điện tử và chương trình trên máy tính để có thể ổn định được nhiệt độ nước làm mát trên băng thử

Elbe

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống làm mát cho băng thử công suất thủy lực ELBE

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi

3

trơn cho động cơ trên băng thử công suất thủy lực ELBE dựa vào các cảm biến điện tử

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình đã công bố về các

hệ thống làm mát trên băng thử công suất động cơ, thiết kế- chế tạo và thử nghiệm, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại xưởng Động lực, khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

5 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận cấu trúc của luận văn bao gồm các phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về các loại băng thử công suất được sử dụng hiện nay, các phương án làm mát cho từ loại băng thử

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sự truyền nhiệt, động cơ đốt trong khi được thử nghiệm và cơ sở lý thuyết về phương pháp đo lường được sử dụng trong thiết kế hệ thống làm mát của băng thử

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát của động cơ, hệ thống làm mát băng thử Trong chương này tác giả trình bày các tính toán liên quan đến nội dung chính của đề tài

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Trong chương này tác giả trình báy các nội dung thực nghiệm được thực hiện tại xưởng Động lực thuộc Khoa cơ khí Giao thông – trường

Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN CÁC KIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

Bệ thử công suất động cơ là thiết bị dùng để đánh giá các chỉ tiêu về kinh tế - kỹ thuật dựa trên nguyên lý tạo ra mô men cản cản lại mô men của động cơ Dựa vào nguyên

lý đó mà có các loại bệ thử công suất như sau:

Công cơ học của động cơ biến thành nhiệt năng làm các chi tiết của phanh thử nóng lên Vì vậy, phải đưa nước làm mát vào

5

1.1.1.3 Đường đặc tính phanh thử cơ khí

Hình 1.2 Đặc tính momen của động cơ và phanh Trong bệ thử này roto truyền mô men Mrt = Mst cho stato nhờ ma sát giữa các lá thép

và tấm ma sát Vì vậy, mô men bệ thử chỉ phụ thuộc vào lực siết lò xo tại cơ cấu tay quay Ở một giá trị lực siết lò xo nhất định, đường đặc tính mô men của bệ thử cắt đặc tính của động cơ tại 2 điểm A* và B* (hình 1-7) Nghĩa là, cùng một mô men bệ thử sẽ

có hai điểm làm việc của động cơ: A*(nA*,M*) và B*(nB*,M*)

Ở tốc độ thấp, điểm làm việc là A*, điểm làm việc này là không ổn định Vì nếu một

lý do nào đó tốc độ động cơ lớn hơn nA*, thì mô men động cơ lớn hơn mô men bệ thử, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục tăng và nếu tốc độ động cơ nhỏ hơn nA*, thì mô men động cơ sẽ nhỏ hơn mô men bệ thử, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục giảm, dẫn đến tình trạng tắt máy

Ở tốc độ lớn hơn nB*, điểm làm việc là B*, điểm làm việc này là ổn định Vì khi tốc

độ động cơ lớn hơn nB*, thì mô men động cơ nhỏ hơn mô men bệ thử, làm cho tốc độ động cơ giảm xuống Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn nB*, thì mô men động cơ lớn hơn mô men bệ thử, làm cho tốc độ động cơ tăng lên Như vậy, điểm làm việc ổn định là điểm

B* Chúng ta thấy rằng nếu dùng bệ thử này chỉ cho phép xác định được đường đặc tính của động cơ trong nhánh từ Mmax đến MB*

- Làm việc không ổn định (nhiệt phát ra lớn)

- Việc điều chỉnh tải bằng cách thay đổi lực siết bu lông gây khó khăn cho quá

Theo kết cấu, người ta chia thành 3 loại: loại đĩa, loại chốt và loại cánh

Để tăng hiệu quả phanh, người ta có thể làm roto nhiều đĩa hoặc khoan các lỗ trên bề mặt đĩa Loại phanh này làm việc theo nguyên tắc điền đầy bộ phận

Hình 1.5 Sơ đồ phanh thử kiểu thủy lực kiểu đĩa Stato; 2- Ổ bi stato; 3- Ổ bi roto; 4- Mặt bích;

5- Bệ; 6- Van điều chỉnh,7- Khớp nối; 8- Roto

 Loại chốt:

Phanh thủy lực dạng chốt có tính thuận nghịch nghĩa là: momen sinh ra không phụ thuộc vào chiều quay của động cơ

Hình 1.6 Stato và Roto phanh thủy lực dạng chốt

Stato; 2- Chốt trên stato; 3- Roto; 4- Chốt trên roto; 5- Then;

6- Trục nối với trục động cơ; 7- Trục roto

 Loại cánh:

Hình 1.7 Stato và Roto phanh thử thủy lực dạng cánh

Cánh của roto; 2- Roto; 3- Stato; 4- Cánh trên stato; 5- Vỏ; 6- Cánh tay đòn Roto và stato có dạng cánh Loại này, làm việc theo chế độ nạp đầy, tức là trọng mọi chế độ phụ tải, roto hoàn toàn đầy nước Loại phanh cánh thẳng làm việc thuận nghịch Loại phanh cánh nghiêng làm việc không thuận nghịch

Phanh thử thủy lực dạng cánh dẫn, điều chỉnh momen phanh bằng cách thay đổi lượng nước trong phanh hoặc thay đổi độ nghiêng của cánh Phanh loại này có khả năng tạo momen lớn, làm việc êm hơn dạng chốt Nhược điểm là chế tạo khó khăn, đặc biệt

bị cân lực

Momen nhận được qua các thiết bị cân lực sẽ cân bằng với momen ma sát thủy động tác dụng lên phanh

1.1.2.3 Đường đặc tính phanh thử thủy lực

Dưới đây là đặc tính lý thuyết của phanh Thực tế chế độ làm việc của phanh bị giới hạn bởi các đường:

- oa: Khi phanh làm việc với lượng nước tác dụng lớn nhất

- ab: Đường giới hạn mô men phanh lớn nhất cho phép đối với sức bền của các chi tiết

- bc: Đường giới hạn công suất phanh lớn nhất

- cd: Số vòng quay cực đại bị giới hạn bởi sức bền các chi tiết dưới tác dụng của lực ly tâm

Do phanh làm việc không tải: Tiêu hao công suất chủ yếu là do lực ma sát của không khí và lực ma sát trong các ổ đỡ

Những động cơ có đường đặc tính nằm trong vùng đặc tính làm việc của phanh thử mới có thể xác định được đặc tính trên phanh thử đó

10

Hình 1.8 Đặc tính phanh thử thủy lực

1.1.2.4 Ưu, nhược điểm

Ưu điểm:

- Thử được động cơ có công suất lớn

- Giới hạn thử lớn đặc biệt là khi kết hợp với phanh cơ khí

1.1.3.1 Tổng quan về phanh thử công suất kiểu điện

Thực chất của phanh thử loại này là một máy phát điện một chiều hay xoay chiều được dẫn động trực tiếp từ động cơ thử Sự thay đổi lực cản được thực hiện nhờ thay đổi điện trở tải Điện trở tải thường là điện trở kim loại hay điện trở nước Điện trở nước gồm những bản cực kim loại được nhúng trong dung dịch muối NaCO3 với diện tích bản cực ngập trong nước điều chỉnh được Điện trở sử dụng phải đủ lớn để không bị quá nóng hoặc bị cháy khi quá tải

Phanh thử công suất điện có 2 phương pháp để xác định công suất động cơ Trên

cơ sở đó ta có 2 dạng phanh thử công suất kiểu điện:

11

Dạng thứ nhất: Phanh thử công suất điện có cơ cấu cân bằng là phanh thử mà

cơ cấu phanh là một máy phát điện có nhiệm vụ tạo ra momen cản Nguyên lý làm việc tương tự như phanh cơ khí, phanh thủy lực Chỉ khác môi trường truyền momen là môi trường điện từ

Dạng thứ hai: Phanh thử công suất điện không có cơ cấu cân bằng Năng lượng

cơ học của động cơ dùng để quay máy phát điện và chuyển thành năng lượng điện Đo các đại lượng điện của máy phát điện ta xác định được công suất của máy phát điện Do

đó, xác định công suất của động cơ Sự biến đổi cơ năng thành điện năng bao giờ cũng tổn thất Vì vậy, cần phải biết hiệu suất của máy phát điện để tính công suất động cơ Nếu công suất đo được là Nđ [kW] và hiệu suất của máy điện là d thì công suất của động cơ là:

d e d

N N



Công suất điện được đo thông qua điện áp U giữa 2 đầu điện trở tải và cường độ

I trong mạch Đối với máy phát điện xoay chiều thì cần biết thêm cosφ loại phanh thử này stato của máy điện gắn liền với bệ thử và máy điện làm việc như một máy điện bình thường

Phanh dòng điện Foucault:

Hình 1.9 Phanh dòng điện Foucault

Stato; 2- Các cuộn dây kích thích; 3- Đĩa kim loại không từ tính;

4- Cánh tay đòn; 5- Quả cân

Phanh này gồm có một đĩa kim loại không từ tính quay trong một từ trường có

từ thông điều chỉnh được Khi đó dòng điện Foucault sinh ra trong đĩa có khuynh hướng phanh đĩa lại Momen cản tăng theo từ trường kích thích Vì vậy, momen cản có thể thay đổi được một cách liên tục bằng cách điều chỉnh cường độ dòng điện kích thích

Năng lượng do dòng Foucault sinh ra làm nóng đĩa Do đó, phải làm mát phanh bằng nước

Các cuộn dây kích thích lắp trong stato có thể lắc lư được trên trục của nó Cũng như các loại phanh kể trên, stato được giữ cân bằng nhờ lực ngược chiều tác dụng lên stato

Phanh thử dòng điện xoáy:

Ở stato có cuộn kích bằng dòng điện một chiều, tạo ra từ trường Khi roto quay

U I N



Loại này không được phát triển rộng vì sai số của nó lớn hiệu suất máy phát thay đổi phụ thuộc vào số vòng quay, tải, nhiệt độ nhưng trong quá trình tính toán ta lấy là một hằng số, dùng máy phát có cơ cấu cân lực điều chỉnh tải bằng biến trở từ trường tác dụng giữa roto và stato sẽ truyền momen

13

Hình 1.11 Đặc tính phanh điện a) Loại máy phát b) Loại dòng xoáy

1.1.3.2 Đặc tính của phanh điện

Đặc tính của phanh điện là sự phụ thuộc giữa công suất phát ra và số vòng quay trục máy Được xác định bởi cường độ lớn nhất của dòng điện phần ứng mà dòng điện này có thể giả thiết hoàn toàn dùng để nung nóng cuộn dây của phần ứng khi kích từ hoàn toàn Vì thế, phanh điện cũng bị giới hạn công suất thử, do giới hạn nhiệt chế độ nhiệt của cuộn dây phần ứng

Theo định luật Ohm khi điện trở biến tải bằng R[Ohm], hiệu điện thế 2 đầu máy phát là U[Volt] thì cường độ dòng điện toàn phần trong mạch phần ứng là I[A]:

U I R

 f [T] cường độ từ trường của stato

Với: f : Từ thông của stato dưới các cực từ [webe]

S: tiết diện các cực từ

n: tốc độ quay của phần ứng [Vòng/Phút]

Điện áp không phụ thuộc vào sự kích thích mà tăng tỉ lệ bậc nhất với số vòng



 là hằng số của phanh điện với một chế độ tải (R)

Như vậy, công suất phanh tỉ lệ bậc hai với tốc độ quay của phần ứng n Khi n tăng thì công suất phanh sẽ tăng theo đường Parabol và có thể xem gần đúng rằng: họ đường cong Parabol biểu diễn công suất phanh không phụ thuộc vào sự thay đổi điện trở mạch phần ứng (R) hoặc từ trường của stato B1 Quan hệ giữa momem phanh và tốc

- Trong điều kiện cho phép có thể thu hồi được năng lượng động cơ

- Các máy điện có tính thuận nghịch nên có thể khởi động động cơ hay xác định tổn thất cơ khí của động cơ

- Làm việc êm dịu, kết cấu gọn nhẹ, dễ tìm máy phát điện làm phanh vì có thể dùng bất kỳ máy điện nào

- Phanh điện một chiều có khoảng điều chỉnh rộng hơn phanh điện xoay chiều

- Phanh được các động cơ có công suất nhỏ đến lớn,tốc độ trung bình hay cường hóa

Do các bệ thử công suất được ứng dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu thực nghiệm ngành động cơ đốt trong Vì vậy, thế giới đã có một số công trình nghiên cứu để hoàn thiện tốt hơn thiết bị này:

15

Năm 2002-2004 Giáo sư Gitano Horizon thuộc Đại học Malaysia đã chế tạo một

bệ thử công suất cho động cơ một xy lanh dành cho động cơ cỡ nhỏ dành cho xe máy Trong đó sử dụng nguyên lý của phanh thủy lực để tạo ma sát và giao tiếp với máy tính qua chuẩn USB bằng card U2802A và U2355A Kết quả nghiên cứu cho thấy việc chế tạo bệ thử như vậy rất phù hợp cho việc nghiên cứu các động cơ cỡ nhỏ Sử dụng card giao tiếp chuẩn USB cho phép giám sát linh hoạt nhiều thông số khác nhau cùng lúc [17]

Năm 2012 Mohd Hasnun Arif Bin Hassan báo cáo đề tài Nghiên cứu thiết kế khớp nối trục phù hợp với bệ thử động cơ chỉ ra rằng: Trục và khớp nối giữa động cơ thử nghiệm và bệ thử chịu rất nhiều dao động trong quá trình thử nghiệm Nếu kích thước (đường kính trục và chiều dài nối trục) không phù hợp có thể dẫn đến những kết quả không mong muốn (gãy trục, xoắn trục) có thể gây hại cho hệ thống thử nghiệm Một trong những nguyên nhân đó là nối trục không đáp ứng được đối với mômen động

cơ thử nghiệm hoặc do cộng hưởng dẫn đến những dao động bất thường Báo cáo cũng cho thấy kích thước nối trục là tỉ lệ thuận với mômen tối đa của động cơ thử nghiệm nhưng đường kính trục là thông số quan trọng hơn so với chiều dài trục Cụ thể, đối với động cơ có mômen cực đại trong khoảng từ 40 đến 200 Nm có thể sử dụng trục với cùng chiều dài 500 mm, nhưng sự gia tăng đường kính trục phải phù hợp với mômen tương ứng Nếu mômen động cơ thử là 40 Nm thì đường kính trục 20mm là phù hợp nhất [19]

Báo cáo của Mohammad Sami Ahmad, nghiên cứu về bệ thử động cơ sử dụng phanh bằng khí với cấu tạo khá đơn giản Trong đó, một máy nén khí và bình nén được

sử dụng để làm sức cản mômen động cơ Sức cản của bình nén và máy nén khí tạo ra tăng theo áp suất trong bình nén nhưng sự gia tăng này không phải là tuyến tính Tuy nhiên, trong thực tế loại bệ thử này ít được sử dụng do đặc điểm khi làm việc tạo ra tiếng ồn lớn và kiểm soát độ chính xác không cao Tác giả cũng đề xuất sử dụng phương

án này để kiểm tra hiệu quả của các hộp số trong các bệ thử động cơ có sử dụng hộp số [18]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất việt nam

Tại Việt Nam bệ thử công suất động cơ từ lâu cũng đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đặc biệt là tại các trung tâm nghiên cứu thuộc các trường Đại học, Học viện Tuy vậy, chưa có đơn vị nào thiết kế và chế tạo một bệ thử công suất động cơ hoàn chỉnh mang tính thương mại hóa có thể cung cấp ra thị trường mà chủ yếu là các nghiên cứu mang tính cải tiến những bệ thử cũ nhằm nâng cao khả năng hoạt động của chúng Một số công trình tiêu biểu nghiên cứu về bệ thử công suất động cơ trong nước:

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong” của Thạc sĩ Đặng Đình Được đã xây dựng được mô hình thí nghiệm trên bệ thử thủy lực FROUDE Trong đó, mô hình đã ứng dụng phần mềm Labview để mô phỏng và ghi nhận các số liệu thực nghiệm một cách trực quan, dễ dàng theo dõi và xử

16

Đề tài “Nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng phanh thủy lực Dynomite

13 Dual Rotor tại phòng thí nghiệm động cơ bộ môn động lực” của Lê Văn Kiên Đề tài đã nghiên cứu về phanh thủy lực Dynomite 13 Dual Rotor và đề xuất giải pháp lắp đặt thêm một hộp tăng tốc độ động cơ thử nghiệm nhằm tăng khả năng làm việc của phanh đối với những động cơ có số vòng quay thấp như động cơ tàu thủy Giải pháp đề xuất đã được triển khai và áp dụng vào thực tế giúp mở rộng được khả năng đo của phanh thủy lực Dynomite 13 Dual Rotor [ó]

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ đo mômen xoắn dùng cảm biến biến dạng kết hợp với trục xoắn” của Lê Duy Hưng và Huỳnh Xuân Bình Đề tài đã nghiên cứu chế tạo bộ đo công suất động cơ xe máy thông qua trục xoắn kết hợp với cảm biến biến dạng Với bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu hoàn toàn được thực hiện bằng những linh kiện điện tử có sẵn trên thị trường và phần cơ khí đơn giản phù hợp với điều kiện Việt Nam cho phép làm chủ được công nghệ trong việc chế tạo sử dụng và bảo dưỡng Tuy vậy, đề tài nên được tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn [8]

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Băng thử công suất động cơ được sử dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu động cơ đốt trong Hiện trong nước và trên thế giới đã có nhiều thiết bị đo công suất động cơ với những kết cấu khác nhau

Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm cải tiến băng thử công suất động cơ

17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ

2.1.1 Công suất động cơ

Công suất là yêu cầu đầu tiên của máy công tác và hệ thống động lực sử d ụ n g động cơ Công suất có ích là công suất thu được từ đuôi trục khuỷu, rổỉ từ đó truyền cho máy công tác Công suất có ích là chỉ tiêu quan trọng quyết định khả năng sử dụng động

cơ để dẫn động máy công tác và hệ thống động lực cụ thể

Công suất là thông số đặc trưng cơ bản đặc trưng cho động cơ, nó là chỉ tiêu quan trọng không phụ thuộc vào công dụng và kiểu loại động cơ Công suất có ích là công suất thu được từ đuôi trục khuỷu và có tính quyết định khả năng sử dụng động cơ để dẫn động máy công tác và hệ thống động lực cụ thể

.

.2

60 30.

e e h e

Ne: Công suất có ích (KW);

Pe: Áp suất có ích trung bình (N/m2) ;

Vh: Thể tích công tác của xi lanh(lít); i: Số

lượng chuyển thành công có ích, chính là công suất có ích Ne (W) Còn nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy bên trong xilanh tạo ra là : Gnl , Qtk

(trong đó Gnl (kg/s) - lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây ;

Qtk (J/kg) - là nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu)

Biểu thức tính trở thành :

tk

Gnl.Q

e e

N

Trên thực tế : Gnl thường được tính theo (kg/giờ) ; công suất Ne thường tính bằng

kW, ge được tính theo (g/kW.h) và Qtk tính theo (MJ/kg) Vì vậy các biểu thức ηe trở thành :

18

Biểu thức (2.2) chỉ rằng : Nếu Qtk = const thì ηe càng cao khỉ ge càng nhỏ

Hiệu suất chỉ thị ηi của động cơ: là tỉ số giữa nhiệt lượng được chuyển thành công chỉ thị và nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy trong xilanh tạo ra trong cùng một thời gian Do đó lấy thời gian là 1 giây, cũng tương tự như ηe ta sẽ được :

tk

Gnl.Q

i i

N

Hiệu suất chỉ thị ηi của các loại động cơ thường nằm trong phạm vi :

ηi = 0,23 ÷ 0,55 hoặc cao hơn

2.2 CÁC ĐẶC TÍNH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Người ta dùng đặc tính để đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ, hoạt động trong các điều kiện khác nhau Đặc tính của động cơ là hàm số thể hiện sự thay đổi của các chỉ tiêu công tác chính như: công suất có ích Ne, mô men có ích Me, áp suất có ích trung bình pe, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, lưu lượng nhiên liệu Gnl theo chỉ tiêu công tác khác hoặc theo nhân tố nào đó có ảnh hưởng trực tiếp tới chu trình công tác

Các đặc tính được sử dụng nhiều trong động cơ gồm có: Đặc tính tốc độ (có đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận), đặc tính tải, đặc tính tổng hợp, đặc tính không tải, đặc tính điều tốc, đặc tính chân vịt và đặc tính điều chỉnh Trong đó các đặc tính tổng hợp, điều tốc, không tải, chân vịt chỉ là các trường hợp đặc biệt của đặc tính tốc độ Do vậy trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ tập trung vào phân tích đặc tính tốc độ (đặc tính

bộ phận) để qua đó đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel pha trộn Biodiesel với các tỷ lệ khác nhau về thể tích

Muốn phân tích đặc tính của động cơ cần lập mối quan hệ toán học giữa các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như công suất có ích Ne, mô men có ích Me, áp suất có ích trung bình pe, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, lưu lượng nhiên liệu Gnl với các thông số của chu trình như:, ηi, ηm, α

Đối với các động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng ta có biểu thức [8]:

0

1 ; [W]

h k v ct

Trong thực tế động cơ hoạt động ở nhiều chế độ phức tạp khác nhau, vì vậy người

ta sử dụng đặc tính động cơ để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật ở mỗi chế độ đó Muốn phân tích các đường đặc tính của động cơ cần lập mối quan hệ giữa các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật của động cơ như công suất có ích Ne, mô men có ích Me, áp suất có ích trung bình pe, suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, lưu lượng nhiên liệu Gnl với các thông số của chu trình như: ^v, ^i, ^m, a

Dựa theo quá trình biến thiên của, tín hiệu được phân loại thành tín hiệu xác định

và tín hiệu ngẫu nhiên

Dựa trên hình thái của tín hiệu, tín hiệu được phân thành tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

Cảm biến trên động cơ đốt trong cho ra hầu hết là tín hiệu xác định, việc khảo sát các tín hiệu từ cảm biến giúp ta xác định miền làm việc của tín hiệu, các đường đặc tính

là cơ sở cho việc thay thế các cảm biến, cũng như thiết kế các bộ lọc (bộ lọc thông thấp,

bộ lọc dãi, bộ lọc thông cao), các mạch khuếch đại tín hiệu để phù hợp với chuẩn đầu vào máy tính

Tín hiệu xác định được xem là một hàm xác định của biến thời gian s(t) Hàm này có thể được mô tả bằng một biểu thức giải tích hoặc được mô tả bằng đồ thị Một trong các đặc trưng vật lý quan trọng của tín hiệu là hàm mật độ phổ biên độ phức

Sau đây là một số đặc trưng vật lý của tín hiệu:

- Thời hạn của tín hiệu (T): Thời hạn của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu, trong khoảng này giá trị của tín hiệu không đồng nhất bằng 0

- Bề rộng phổ của tín hiệu (F): Đây là miền xác định bởi tần số khác không cao nhất của tín hiệu

- Năng lượng của tín hiệu (E): Năng lượng của tín hiệu có thể tính theo miền thời gian hay miền tần số

2.3.2 Lý thuyết cảm biến

Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất

ds s S



Hệ số S thường phụ thuộc vào các yếu tố:

- Sự biến thiên giá trị của đại lượng cần đo (độ tuyến tính của đồ thị biến đổi đại lượng cần đo) và tần số thay đổi của nó (dải thông)

- Thời gian sử dụng của cảm biến (độ già hoá)

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (nhiễu từ môi trường xung quanh) Cảm biến có thể phân loại theo nhiều cơ sở khác nhau, dựa theo nguyên lý chế tạo mà có thể phân thành hai loại:

- Cảm biến tích cực là loại cảm biến có nguyên lý hoạt động là biến đổi các dạng năng lượng phi điện nào đó thành năng lượng điện với tín hiệu ra là dòng điện, điện áp, điện tích có tỷ lệ tương quan với đại lượng cần đo

- Cảm biến thụ động là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc đại lượng cần

đo có tác động ảnh hưởng làm thay đổi giá trị trở kháng của cảm biến và do đó làm thay đổi giá trị kiến tạo mạch điện xử lý gia công thông tin đo phía sau một cách tương ứng

Cảm biến sử dụng trên động cơ đốt trong có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu về trạng thái các thông số trong động cơ như cảm biến nhiệt độ cho biết nhiệt độ nước làm mát của động cơ, cảm biến ôxy xác định lượng ôxy có trong sản vật cháy tại ống thải, cảm biến lưu lượng khí nạp xác định lưu lượng không khí nạp đi qua ống nạp …Để thu thập tín hiệu từ cảm biến ta cần xác định dạng tín hiệu của cảm biến

2.4 LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG

Khi công nghệ ngày một phát triển thì việc ứng dụng các phần mềm trong thí nghiệm động cơ và ô tô là điều rất cần thiết Hiện nay có rất nhiều phần mềm về đo lường các tín hiệu số hay logic có thể ứng dụng trong thí nghiệm động cơ

2.4.1 Khái niệm về kỹ thuật đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Kỹ thuật đo lường là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả của

đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống Trong kỹ thuật đo lường, cảm biến chính là một trong những sản phẩm quan trọng nhất, vì các đại lượng vật lý cần đo được

cảm biến biến đổi thành một đại lượng điện tương ứng ở đầu ra Đại lượng điện này phản ánh các thông tin cần thiết liên quan đến đại lượng cần đo

22

Kỹ thuật đo lường gồm các đặc trưng sau:

- Đại lượng đo (hay tín hiệu đo): Là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu

đo Do quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể mà ta chỉ quan tâm đến một hoặc vài thông số nhất định

- Điều kiện đo: Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn liền với môi trường chứa đại lượng đo Môi trường ở đây có thể kiều kiện môi trường tự nhiên và cả môi trường do con người tạo ra Do đó khi đo phải đảm bảo loại bỏ được các ảnh hưởng của môi trường đến thiết bị đo (những yếu tố khiến cho phép đo không thực hiện được trong điều kiện tiêu chuẩn đã định), đồng thời bản thân thiết bị đo cũng không được gây ảnh hưởng đến (làm biến đổi) đại lượng đo

- Đơn vị đo: Là các giá trị mẫu chuẩn về một đại lượng nào đó đã được quốc tế quy định chung cho mọi quốc gia phục vụ cho việc so sánh với giá trị đo được

để phép đo đưa ra được thông số cụ thể Bảng đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất của các đơn vị đo thể hiện trong phụ lục 2.1

- Thiết bị đo và phương pháp đo:

Thiết bị đo[8]: Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo

thành dạng tiện lợi cho người quan sát Chúng có các tính chất đo lường học tức là các tính chất ảnh hưởng đến kết quả đo và sai số của phép đo

Phương pháp đo[8]: Là cách thức thực hiện quá trình đo, nó phụ thuộc vào

phương pháp nhận thông tin và các yếu tố khác như độ lớn đại lượng đo, điều kiện đo, sai số yêu cầu …

- Người quan sát: Là người tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo Yêu cầu nắm được phương pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo và biết cách gia công số liệu thu được khi đo

- Kết quả đo: Giá trị xác định bằng thực nghiệm được gọi là ước lượng của đại lượng đo, giá trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực Vậy để đánh giá độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực, người ta đưa ra khái niệm sai số của phép đo (trị tuyệt đối hiệu của 2 giá trị này) Đây chính là thông số cho phép đánh giá phép đo hay thiết bị thực hiện phép đo có đạt yêu cầu không

2.4.2 Cơ sở kỹ thuật đo lường

2.4.2.1 Đại lượng đo

Với một đại lượng cần đo X ta có thể tìm được một đại lượng X để cho:

m DX  X và m  DX  X (2.23) Hay nói cách khác, ánh xạ được X vào tập số tự nhiên {N} với độ đo X

2.4.2.2 Phương trình cơ bản của phép đo

0 0

23

Muốn đo giá trị của một đại lượng vật lý bất kỳ phải chuyển đổi đại lượng này sang một đại lượng vật lý khác có thể so sánh được giá trị của nó với mẫu Do đó, không phải đại lượng nào cũng có thể đo được một cách trực tiếp vì không có đơn vị mẫu của đại lượng đó để thực hiện so sánh, ví dụ: ứng suất cơ học… Khi đó người ta phải chuyển đổi đại lượng vật lý này sang dạng khác để thực hiện phép đo, ví dụ: chuyển sang dạng điện trong cảm biến lực căng (loadcell) và so sánh bằng tương quan điện

Hình 2-1 Sơ đồ biến đổi đo thẳng

Trong đó: X – Tín hiệu cần đo;

X0 – Tín hiệu mẫu (Dùng để chia vạch đơn vị trong thang đo);

Nx – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo;

N0 – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của đơn vị đo;

Xk – Tín hiệu phản hồi (Tín hiệu so sánh tỷ lệ với đại lượng mẫu);

Nx – Thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo;

BĐ – Bộ biến đổi;

D/A – Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự;

Thiết bị đo kiểu này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh hay thiết bị bù

2.4.2.4 Đánh giá kết quả đo

Để đánh giá giữa giá trị ước lượng và giá trị thực, người ta sử dụng khái niệm sai

số của phép đo Sai số thực của phép đo là hiệu giữa giá trị thực (Xthuc) và giá trị ước lượng (Xuocluong) [8]:

X

Sai số tương đối có giá trị càng nhỏ thì độ chính xác của phép đo càng cao, sai số tuyệt đối có cùng thứ nguyên với giá trị thực, sai số tuyệt đối không có thứ nguyên mà chúng được biểu thị bằng %

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số:

- Do phương pháp đo không hoàn thiện;

- Sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài những điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn;

- Do dụng cụ đo không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của người quan sát, do cách đặt dụng cụ đo không đúng quy định v.v

2.5 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT

Truyền nhiệt là môn khoa học nghiên cứu các quy luật phân bố nhiệt độ và trao đổi nhiệt trong không gian và theo thời gian giữa các vật có nhiệt độ khác nhau Nó là phần lí thuyết cơ sở để tính toán các quá trình và các thiết bị trao đổi nhiệt trong tự nhiên

và kĩ thuật

Truyền nhiệt nghiên cứu các định luật cơ bản của các phương thức trao đổi nhiệt

và ứng dụng nó để khảo sát các quá trình trao đổi nhiệt phức tạp trong các thiết bị năng lượng nhiệt

Để nghiên cứu truyền nhiệt, người ta thường dùng hai phương pháp chủ yếu: phương pháp giải tích và phương pháp thực nghiệm Phương pháp giải tích dựa vào các định luật cơ bản của vật lý, sử dụng các phép tính giải tích để dẫn ra luật phân bố nhiệt

25

độ và công thức tính nhiệt Phương pháp thực nghiệm dựa trên lí thuyết đồng dạng hoặc phân tích thứ nguyên, lập mô hình thí nghiệm đo giá trị các thông số, xử lí số liệu để đưa ra công thức thực nghiệm

Nhiệt lượng là năng lượng trao đổi giữa các phần tử thuộc hai vật có nhiệt độ khác nhau, tức có động năng trung bình phân tử khác nhau Hiện tượng trao đổi nhiệt

chỉ xảy ra giữa hai điểm, hai hệ vật có nhiệt độ khác nhau, tức có độ chênh nhiệt độ Δt khác không Giữa hai vật cân bằng nhiệt, có Δt = 0, nhiệt lượng trao đổi luôn bằng không

Trong tự nhiên, nhiệt lượng chỉ truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp Do đó, trao đổi nhiệt là một quá trình không thuận nghịch

Các phương thức trao đổi nhiệt:

Dẫn nhiệt là hiện tượng các phân tử vật 1 va chạm (trực tiếp hoặc thông qua các

điện tử tự do trong vật) vào các phân tử vật 2 để truyền một phần động năng Dẫn nhiệt xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần của một vật hoặc giữa hai vật tiếp xúc nhau.Dẫn nhiệt thuần túy xảy ra trong hệ gồm các vật rắn có sự tiếp xúc trực tiếp Tỏa nhiệt xảy ra tại vùng chất lỏng hoặc khí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc Chuyển động có hướng đối lưu của chất lỏng có thể được sinh ra một cách tự nhiên, khi nó chịu tác động của trọng lực và độ chênh nhiệt độ, hoặc do các lực cưỡng bức khác, khi ta dùng bơm, quạt

Cường độ tỏa nhiệt q [W/m2] tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt [W/m2K], và được tính theo công thức Newton:

qa t t  a t (2.29)

Trong đó Δt là hiệu số nhiệt độ bề mặt vật và chất lỏng

Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tượng các phân tử vật 1 bức xạ ra các hạt, truyền đi

trong không gian dưới dạng sóng điện từ, mang năng lượng đến truyền cho các phân tử vật 2

Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt bức xạ có thể xảy ra giữa hai vật ở cách nhau rất xa, không cần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi trường chất lỏng hoặc khí, luôn xảy ra với sự chuyển hóa giữa năng lượng nhiệt và năng lượng điện từ Đây là phương thức trao đổi nhiệt giữa các thiên thể trong vũ trụ, chẳng hạn giữa mặt trời và các hành tinh

Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phương thức trao đổi nhiệt nói trên, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức tỏa nhiệt và trao đổi nhiệt bức

26

xạ

2.5.1 Các định luật và phương trình cơ bản về dẫn nhiệt

2.5.1.1 Định luật Fourier về dẫn nhiệt

Ta hãy khảo sát một vật thể đồng nhất, đẳng hướng có cấu tạo vật chất được xem

là liên tục Khi vật không ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tức là khi mọi điểm trong vật có nhiệt độ không như nhau, thì trong vật thể xảy ra quá trình dẫn nhiệt Tập hợp tất

cả các giá trị nhiệt độ trong không gian của vật thể tạo một thời điểm nào đó được gọi

là trường nhiệt độ Một cách tổng quát, trường nhiệt độ là một hàm hai biến độc lập: véc

tơ không gian và thời gian , t= f( , ) Bề mặt nối tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tại cùng một thời điểm được gọi là mặt đẳng nhiệt Sự thay đổi nhiệt độ theo phương pháp tuyến của các mặt đẳng nhiệt là lớn nhất:

Trên phương lệch khỏi phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt một góc (hình 2-3), sự thay đổi nhiệt độ được tính theo:



cos

ds s

t r

s

t dr r

t dt

27

Trong công thức (2.31) là tích vô hướng của 2 véc tơ và nên khi sữ dụng biểu thức đồng nhất:

(2.32) Thì sự thay đổi nhiệt độ được viết dưới dạng đơn giản:

(2.33a)

Véc tơ được định nghĩa theo (2.32) là gradient của trường nhiệt độ (gọi tắt là gradient nhiệt độ) Gradien nhiệt độ có chiều là chiều tăng nhiệt độ lớn nhất và giá trị tuyệt đối của nó bằng độ tăng nhiệt độ lớn nhất, do đó:

Sự phụ thuộc của vào nhiệt độ, trong phần lớn các trường hợp có thể biễu diễn qua:

, [W/m.K]

Trong đó và là hằng số xác định bằng thực nghiệm, có thể lớn hơn, hay nhỏ hơn 0, tuỳ thuộc vào sự thay đổi của khả năng dẫn nhiệt theo nhiệt độ Đối với không khí và các vật rắn không dẫn điện thì (tức là tăng khi nhiệt độ tăng), còn khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng, , trừ nước grixerin

Dòng nhiệt truyền qua bề mặt dF có phương pháp tuyến n lệch khỏi phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt một góc (hình 2-4) được tính qua tích vô hướng của hai véc

tơ và :

(2.35)

cos

*

dr dr

s

t dt

) 0 (

gradt dF

n gradt dF

n q

dQ n .   .   . cos( 180 ).