Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh để xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật khai thác

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán tổn thất nhiệt qua các vách do quá trình truyền nhiệt của thùng xe đông lạnh.. Vì thế, yêu cầu xây dựng một mô hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồng Đức Thông

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Lê Đình Tuân - Chủ tịch

2 TS Phạm Tuấn Anh - Thư ký

3 TS Trần Hữu Nhân - Phản biện 1

4 TS Nguyễn Văn Trạng - Phản biện 2

5 TS Đặng Tiến Phúc - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS Lê Đình Tuân TS Trần Hữu Nhân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH THẠCH MSHV: 1670759

Ngày, tháng, năm sinh: 01/09/1992 Nơi sinh: Tỉnh Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số: 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh để

xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật và khai thác

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng, tính toán

tổn thất nhiệt qua các vách do quá trình truyền nhiệt của thùng xe đông lạnh Từ kết quả

mô phỏng, đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và khai thác của xe đông lạnh có độ dày vách khác nhau

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2019

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt là quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông và bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực đã tận tình và hết lòng truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồng Đức Thông, người đã giúp đỡ

và luôn theo sát em trong quá trình thực hiện đề tài này

Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Hữu Nhân và Thầy Nguyễn Văn Trạng và các thầy trong hội đồng đã phản biện và có những góp ý đáng giá để nội dung của luận văn được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin kính chúc sức khỏe và thành công đến với quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thông và bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực

Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thạch

mô hình mô phỏng, tính toán tải nhiệt do quá trình truyền nhiệt của thùng xe cũng như thời gian giảm nhiệt độ của hàng hóa trong thùng Thông số đầu ra của quá trình mô phỏng bao gồm nhiệt độ qua vách, nhiệt lượng tổn thất qua vách và thời gian giảm nhiệt

độ của hàng hóa Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của từng điều kiện hoạt động và thông số kết cấu đến tổn thất nhiệt qua thùng Dựa trên cơ sở đó, có thể xác định được các thông số tối ưu hóa đến tính năng kinh tế và khai thác của phương tiên Mô hình có thể được sử dụng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá khả năng tổn thất nhiệt trong quá trình thiết kế và cải tạo kết cấu thùng

ABSTRACT

The main content of this thesis is to study the heat loss of a refrigeration truck in order to build a simulation model of heat loss due to heat transfer based on the size and structure of a specific refrigeration truck The thermal computation model was developed to study the effect of vehicle conditions on the road The method of building the simulation model of heat loss is based on heat transfer theories The contents of the model include specific factors of the heat transfer process of the air inside and outside the container and the container’s materials This research assumes that the ambient temperature is 38oC; freezing fishes are packed in cardboard boxes; the truck is at full load condition of 7,1 tons according to the standard; the required freezing temperature is -18oC Ansys software is used to build the simulation models

in order to calculate the heat load due to the heat transfer of the container as well as the time period to reduce the temperature of the goods in the container The outputs

of the simulation process include the temperature through the wall, the heat loss through the wall, and the time period to reduce the temperature of the goods The simulation results are used to evaluate the effect of each operation conditions and structural parameters on the heat loss through the container Based on that, it is possible to identify which parameters are used to optimize the economic and exploitation features of the vehicle This model can be used as a basis for studying and assessing the heat loss during the designing and improving process of the container’s structure

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu

và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cống bố trong bất kỳ công trình nào khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp của mình

Nguyễn Minh Thạch

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

LỜI MỞ ĐẦU ix

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại 2

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.3 Mục tiêu đề tài 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.5 Phương pháp tính toán 4

1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn 4

1.5.2 Phương pháp ứng dụng các phần mềm có sẵn 4

1.5.3 Phương pháp xử lý kết quả 4

1.5.4 Phương pháp chuyên gia 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT 5

2.1.1 Dẫn nhiệt 5

2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu 7

2.1.3 Truyền nhiệt bức xạ 12

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT QUA THÂN XE 14

3.1 Xây dựng mô hình tính toán 14

3.1.1 Mô hình thùng đông lạnh 14

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán tổn thất nhiệt 16

3.2 Tính toán quá trình truyền nhiệt qua thân xe 17

3.2.2 Tính tải nhiệt truyền ra môi trường xung quanh bằng ANSYS 18

3.2.3 Tính tải nhiệt truyền ra môi trường xung quanh bằng giải tích 25

3.2.4 So sánh kết quả hai phương pháp 41

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 42

4.1 Ảnh hưởng của thông số bề dày vách với nhiệt lượng tổn thất 42

4.2 Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc với nhiệt lượng tổn thất 43

4.3 Ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt đến nhiệt lượng tổn thất 44

4.4 Nhận xét chung 46

4.5 Ứng dụng mô hình để tính toán, kiểm tra cho xe thực tế 47

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

LỜI MỞ ĐẦU

Theo nghiên cứu gần đây nghành thực phẩm thương mại, bao gồm nông nghiệp, vận chuyển sản xuất thực phẩm và bán lẻ chịu trách nhiệm cho 22% tổng lượng khí thải nhà kính Phân phối và bán lẻ thực phẩm chiếm khoảng một phần ba trong số này, với việc vận tải lạnh hàng hóa chiếm khoảng 1,8% tổng lượng khí thải Thiết bị làm lạnh để vận chuyển đường bộ hoạt động khắc nghiệt hơn nhiều so với thiết bị làm lạnh cố định,

do phạm vi rộng của các điều kiện vận hành và bị ràng buộc về khối lượng và không gian chứa hàng hóa nên thiết bị làm lạnh vận chuyển có hiệu suất thấp hơn thiết bị làm lạnh đứng yên Bên cạnh đó, để phục vụ tốt cho việc giao lưu hàng hóa trong và ngoài nước, mở rộng phạm vi vận tải lạnh và kỳ vọng chất lượng hàng hóa cao hơn thì việc giảm được chi phí đầu tư, chi phí vận chuyển và tổn thất nhiệt trong quá trình vận chuyển

là hết sức cần thiết và cần được nghiên cứu phát triển Với lý do đó đề tài: “Nghiên cứu

mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đông lạnh để xây dựng đặc tính kinh tế kỹ

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

 W/m2.K Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên trong

k W/m2.K Hệ số truyền nhiệt thực tế qua sàn

g m/s2 Gia tốc trọng trường

thực với công suất định mức

dt

bị của hệ thống lạnh

DANH MU ̣C HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng 5

Hình 2.2: Dẫn nhiệt qua vách hỗn hợp 6

Hình 2.3: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí 9

Hình 2.4: Chế độ chảy của chất lỏng 10

Hình 2.5: Lớp giới hạn biên 11

Hình 3.1: Mô hình thùng xe thực tế 14

Hình 3.2: Mô hình 3D thùng xe thực tế 15

Hình 3.3: Mô hình 3D thùng xe tính toán 15

Hình 3.4: Mô hình tính toán tổn thất nhiệt 16

Hình 3.5: Trình tự tính toán 19

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng 21

Hình 3.7: Điều kiện tính toán bên ngoài 21

Hình 3.8: Điều kiện tính toán bên trong 21

Hình 3.9: Mô hình chia lưới 22

Hình 3.10: Phân bố nhiệt độ 22

Hình 3.11: Phân bố dòng nhiệt 23

Hình 3.12: Công suất tổn thất 23

Hình 3.13: Phân bố công suất theo thời gian 24

Hình 3.14: Nhiệt độ hàng hóa theo thời gian 24

Hình 3.15: Kết cấu mảng sàn 26

Hình 3.16: Mặt cắt mảng sàn đoạn 1, A-A của hình 3.15 26

Hình 3.17: Mặt cắt mảng sàn đoạn 2, B-B của hình 3.15 26

Hình 3.18: Các thành phần nhiệt đoạn 1 27

Hình 3.19: Mô hình nhiệt trở qua đoạn 1 27

Hình 3.20: Nhiệt độ tại từng mặt 29

Hình 3.21: Các thành phần nhiệt đoạn 2 29

Hình 3.22: Mô hình nhiệt trở qua đoạn 2 30

Hình 3.23: Kết cấu vách hông 32

Hình 3.24: Mặt cắt vách hông đoạn 1, A-A 32

Hình 3.25: Mặt cắt vách hông đoạn 2, B-B 32

Hình 3.26: Các thành phần nhiệt đoạn 1 33

Hình 3.27: Mô hình nhiệt trở qua đoạn 1 33

Hình 3.28: Nhiệt độ tại từng mặt 35

Hình 3.29: Các thành phần nhiệt đoạn 2 35

Hình 3.30: Mô hình nhiệt trở qua đoạn 2 36

Hình 3.31: Kết cấu vách mui 37

Hình 3.32: Mặt cắt vách mui đoạn 1, A-A của hình 3.31 37

Hình 3.33: Mặt cắt vách mui đoạn 2, B-B của hình 3.31 38

Hình 3.34: Kết cấu vách trước 39

Hình 3.35: Mặt cắt vách trước đoạn 1, A-A 39

Hình 3.36: Mặt cắt vách trước đoạn 2, B-B 39

Hình 4.1: Phân bố công suất vách 75 theo thời gian 42

Hình 4.2: Phân bố công suất vách 95 theo thời gian 42

Hình 4.3: Đặc tính công suất nhiệt qua vách 43

Hình 4.4: Đồ thị công suất nhiệt theo vận tốc 44

Hình 4.5: Công suất qua vách theo thời gian 45

Hình 4.6: Máy lạnh một khối 52

Hình 4.7: Suất tiêu hao của nhiên liệu động cơ 52

Hình 4.8: Tổn thất qua vách theo thời gian 53

DANH MU ̣C BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các thông số tính toán trong ANSYS 19

Bảng 3.2: Các thông số tính toán bên trong 20

Bảng 3.3: Kết quả chia lưới trong Ansys 22

Bảng 3.4: Các thông số tính toán ban đầu 25

Bảng 3.5: Các thông số tính toán đầu vào 25

Bảng 3.6: Thông số vật liệu mảng sàn 27

Bảng 3.7: Nhiệt trở qua từng thành phần 28

Bảng 3.8: Nhiệt trở qua từng thành phần 30

Bảng 3.9: Các thông số tính toán qua vách hông 31

Bảng 3.10: Thông số vật liệu mảng sàn 33

Bảng 3.11: Nhiệt trở qua từng thành phần 34

Bảng 3.12: Nhiệt trở qua từng thành phần 36

Bảng 3.13: Kết quả vách mui 38

Bảng 3.14: Kết quả vách trước 40

Bảng 3.15: So sánh kết quả phương án 41

Bảng 4.1: Kết quả công suất nhiệt 44

Bảng 4.2: Kết quả nhiệt tổn thất theo thời gian 45

Bảng 4.3: Kết quả các phương án 46

Bảng 4.4: Các tổn thất lạnh 50

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật máy lạnh 51

Bảng 4.6: So sánh nhiên liệu giữa các phương án 52

Bảng 4.7: So sánh nhiên liệu giữa các phương án (triệu VNĐ) 54

Bảng 4.8: So sánh nhiên liệu giữa các phương án (triệu VNĐ) 56

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, những lo ngại về tác động môi trường của hệ thống làm lạnh bằng việc nén hơi do đốt cháy nhiên liệu diesel, rò rỉ chất làm lạnh đang là vấn đề được quan tâm, kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ sản phẩm trong quá trình vận chuyển hàng lạnh, là điều cần thiết để có thể vận hành một quá trình vận tải lạnh thành công Vận chuyển thực phẩm làm lạnh là một liên kết quan trọng trong chuỗi thực phẩm không chỉ về mặt duy trì sự toàn vẹn nhiệt độ của các sản phẩm dễ hỏng mà còn ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2 Các nghiên cứu về xe đông lạnh sử dụng các công nghệ thay thế khác cũng đang được quan tâm và nghiên cứu như: hệ thống eutectic dựa trên lưu trữ năng lượng nhiệt eutectic, sự kết hợp của hệ thống nén hơi và hệ thống eutectic, các hệ thống đông lạnh

sử dụng nitơ hoặc carbon dioxide cũng mang lại lợi thế về mức tiêu thụ năng lượng thấp và ít tác động đến môi trường so với các hệ thống nén hơi thông thường, nhược điểm của các hệ thống này là chi phí tương đối cao của môi chất làm lạnh và cơ sở

hạ tầng cần thiết cho các trạm nạp trung gian Hiện nay, việc lựa chọn máy lạnh chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, khiến việc lựa chọn máy lạnh có thể dẫn đến việc quá tải, hoặc không đủ tải để làm lạnh hàng hóa Dẫn đến chi phí đầu tư cao, cũng như chi phí để vận hành tăng Vì thế, yêu cầu xây dựng một mô hình tính toán phù hợp có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như điều kiện thời tiết bên ngoài, điều kiện bên trong mong muốn, tính chất cách nhiệt, sự xâm nhập của không khí và độ ẩm, sự đánh đổi giữa chi phí đầu tư ban đầu, vận hành và sự suy giảm vật lý từ các rung động theo thời gian là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại

1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

S.A Tassou, A Hadawey, Y.T Ge, B Lagroy de Groutte [3] trong một bài báo đã

nghiên cứu vận hành các hệ thống làm lạnh để vận chuyển thực phẩm đông lạnh bằng việc sử dụng CO2 làm nhiên liệu và đưa ra so sánh giữa hệ thống này với hệ thống

nén hơi thông thường được điều khiển bằng động cơ diesel phụ trợ Mô hình có tính đến tổn thất qua lớp cách nhiệt, tính chất của hàng hóa thực phẩm, điều kiện thời tiết

và lịch trình vận hành

David Bergeron [4] thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Sandia Albuquerque, New

Mexico 87185 và Livermore, California 94550 Sandia, trong bài báo “Solar Powered Refrigeration for Transport Application - A Feasibility Study” được thực hiện để xác định xem năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để bù hoặc thay thế hệ thống làm lạnh chạy bằng nhiên liệu diesel đang được sử dụng trong các phương tiện vận tải Nghiên cứu tập trung vào tính khả thi kỹ thuật và khả năng kinh tế của năng lượng mặt trời, xây dựng được mô hình toán học chi tiết để dự đoán hiệu suất của hệ thống

Tamba Jamiru, Oludaisi Adekomaya, Rotimi Sadiku, Zhongie Huan [5] trong bài

phân tích “Analysis of Overall Heat Transfer Coefficient of Composite Panels for Thermal Insulation” tạm dich là “Phân tích hệ số truyền nhiệt của tấm composite cho cách nhiệt” đã thực hiện các thí nghiệm với các sợi đã biết đặt ra ở các hướng khác nhau để đo được ảnh hưởng của sợi đến sự truyền nhiệt, kết quả đã đưa ra so sánh việc tiết kiệm năng lượng trong tấm composite sử dụng sợi định hướng và sợi không định hướng

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn Thạc sĩ,

đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu như sau:

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là quá trình truyền nhiệt qua thùng xe

đông lạnh Trong đó cần nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng tổn thất nhiệt do quá trình truyền nhiệt trên cơ sở các thông số của thùng xe đông lạnh được lắp đặt trên nền xe ISUZU FRV34Q đã được sản xuất trên thị trường có tổng tải trọng 15,1 tấn và tải trọng hàng hóa cho phép là 7,1 tấn

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Vấn đề tổn thất nhiệt qua thùng xe đông lạnh trong quá trình vận chuyển là một vấn đề rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và các trạng thái làm việc khác nhau Vì vậy đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hưởng lượng nhiệt tổn thất do quá trình truyền nhiệt qua thùng khi xe chuyển động với vận tốc không đổi, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bảo quản bên trong thùng là cố định

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Có thể xác định được các thông số tối ưu hóa đến tính năng kinh tế và khai thác của phương tiện Mô hình có thể được sử dụng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá khả năng tổn thất nhiệt trong quá trình thiết kế, cải tạo kết cấu thùng và lựa chọn máy lạnh phù hợp

1.5 Phương pháp tính toán

1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các nghiên cứu trước, các bài tạp chí, bài báo trong

và ngoài nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu

1.5.4 Phương pháp chuyên gia

Đưa ý kiến đến thầy giáo hướng dẫn để nghe ý kiến, phân tích, nhận định

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT

Truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có ba dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền nhiệt bức xạ

2.1.1 Dẫn nhiệt

2.1.1.1 Định nghĩa

Dẫn nhiệt là một trong ba phương thức truyền nhiệt cơ bản Dẫn nhiệt xảy ra bên trong vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc nhau khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần đó Dẫn nhiệt không chỉ có mặt trong vật rắn, mà có mặt cả trong chất lỏng

và trong chất khí Dẫn nhiệt được thực hiện thông qua quá trình truyền dao động các phần tử vi mô của vật thể: trong kim loại dẫn nhiệt chủ yếu nhờ quá trình truyền dao động của các điện tử tự do, trong chất điện môi và chất lỏng dẫn nhiệt nhờ sóng đàn hồi truyền dao động nhiệt, trong chất khí dẫn nhiệt nhờ quá trình khuếch tán các phân

tử

Hình 2.1: Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng

Dòng nhiệt truyền qua vật trong 1(s) theo phương x được tính theo định luật Fourier:

qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s [W/m2] F: diện tích tiết diện vuông góc với phương x [m2]

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (0C) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật [W/mK]

Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “–” trong phương trình trên

2.1.1.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách có vật liệu hỗn hợp

Trong thực tế có nhiều trường hợp các vách được cấu tạo bởi các vật liệu có tính chất nhiệt khác nhau Khi đó coi dòng nhiệt dẫn qua vách tương tự như dòng điện qua mạch có các điện trở ghép nối tiếp hoặc song song nhau Khảo sát một vách phẳng rất rộng có ba lớp dày 1, 2, 3 tạo nên bởi nhiều vật liệu khác nhau như hình

Hình 2.2: Dẫn nhiệt qua vách hỗn hợp

Mỗi vật liệu có tính chất nhiệt đồng nhất Hai phía của vách có hai chất lỏng nhiệt độ

và hệ số toả nhiệt tương ứng là tL1, 1 và tL2, 2 Khi đó dòng nhiệt chỉ truyền theo hướng bề dày Gọi các đoạn vách có cấu trúc giống nhau là một phần tử thì dòng nhiệt qua mọi phần tử là hoàn toàn như nhau Từ tính chất tương tự của khái niệm cường độ dòng điện (a), mật độ dòng nhiệt (b):

độ giữa hai chất lỏng; I và q tương ứng là cường độ dòng điện qua mạch và mật độ dòng nhiệt truyền qua vách có thể rút ra công thức tính nhiệt trở tổng theo công thức tính điện trở tổng RI Điện trở tổng RI của mạch điện trên là:

B C





 

là nhiệt trở dẫn nhiệt tương đương của 2 lớp B và C;

Từ đó tính ra mật độ dòng nhiệt truyền qua vách hỗn hợp:

1 2

L L q

t t q

bề mặt vật bằng dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng sát bề mặt vật Khi đó nhiệt độ của lớp chất lỏng thay đổi gây nên mật độ của chất lỏng thay đổi Sự chênh lệch mật độ làm

xuất hiện chuyển động tạo thành dòng đối lưu, đồng thời mang nhiệt đi Nếu chất lỏng hoặc khí là môi trường chuyển động thì lượng nhiệt trao đổi do dòng chất lỏng chuyển động mang đi càng lớn Vậy trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng

là một quá trình phức tạp bao gồm quá trình dẫn nhiệt qua các lớp chất lỏng và truyền nhiệt đối lưu do các phần tử chất lỏng chuyển động mang nhiệt đi gọi là trao đổi nhiệt đối lưu

2.1.2.2 Các loại đối lưu

Theo nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng có thể chia thành:

a Đối lưu tự do: Đối lưu tự do là quá trình chuyển động của chất lỏng khi nhiệt

độ giữa các vùng chất lỏng khác nhau làm mật độ của chúng khác nhau dẫn tới chuyển động

b Đối lưu cưỡng bức: Đối lưu cưỡng bức là quá trình chuyển động do các tác động cơ học từ bên ngoài như dùng máy nén, quạt, máy khuấy Thực tế trong đối lưu cưỡng bức luôn có mặt đối lưu tự nhiên Nếu độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật và chất lỏng nhỏ thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên, nếu độ chênh nhiệt độ lớn thì cần tính đến ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên, vì chính độ chênh nhiệt độ sẽ tạo ra chuyển động của chất lỏng do mật độ của chúng chênh lệch

Trong kỹ thuật để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức Newtơn:

Q = α.F(Tw – Tf) (W) Trong đó:

α: là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m2K) F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)

Tw: nhiệt độ trung bình của bề mặt (0C)

Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) (0C)

Hình 2.3: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí

2.1.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng

a Tính chất vật lý của chất lỏng

Toả nhiệt đối lưu phụ thuộc vào bản chất vật lý của chất lỏng: không khí, các chất khí, nước, dầu Các chất lỏng khác nhau được thể hiện ở các tính chất vật lý khác nhau và có ảnh hưởng khác nhau tới toả nhiệt đối lưu Đó là các đại lượng: hệ

số dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng CP, mật độ , hệ số nhớt , hệ số nén đẳng nhiệt, hệ

số giãn nở nhiệt, Các tính chất vật lý của các chất lỏng khác nhau có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ Trong đó , CP, ,  là những đại lượng có vai trò quan trọng hơn cả Lấy thí dụ về hệ số nhớt  Trong chất lỏng thực luôn có mặt độ nhớt thể hiện bởi hệ số nhớt , nó làm phát sinh lực ma sát S giữa các lớp chất lỏng cạnh nhau có tốc độ khác nhau:

W

thành ống, các phần tử trong mỗi lớp không chuyển động xáo trộn sang nhau Trong dòng chảy tầng, toả nhiệt thực hiện chủ yếu bằng phương thức dẫn nhiệt qua các lớp chất lỏng Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng nói chung là thấp, bởi vậy toả nhiệt đối lưu khi chảy tầng nhỏ Chảy tầng luôn xuất hiện ở lớp chất lỏng sát vách ống do có mặt của ma sát

Chảy rối: Dòng chảy rối là dòng chảy có các phần tử chất lỏng chuyển động xáo trộn không theo các đường dòng riêng biệt Trong dòng chảy rối các dòng xoáy luôn sinh

ra làm quá trình truyền nhiệt xảy ra mạnh và nhiệt truyền đi bằng cơ cấu đối lưu

a) Chảy tầng; b) Chảy quá độ; c) Chảy rối

Với dòng chảy trong ống hoặc cắt ngang ngoài ống kích thước xác định tương ứng là đường kính trong hoặc ngoài ống Dòng chảy trên bề mặt tấm, kích thước xác đinh là chiều dài tấm

Lớp giới hạn, lớp giới hạn thuỷ lực 

Lớp giới hạn thuỷ lực còn gọi là lớp chất lỏng sát vách có tốc độ thay đổi từ 0 ở trên vách đến xấp xỉ tốc độ w của dòng chảy, hình 2.2a Lớp giới hạn thuỷ lực xuất hiện

là do có ma sát giữa chất lỏng và bề mặt vách Trong lớp giới hạn thuỷ lực, lớp chất

lỏng sát bề mặt vách luôn là chảy tầng gọi là lớp đệm tầng, trong đó toả nhiệt xảy ra bằng dẫn nhiệt qua các lớp là chính, nên toả nhiệt thấp và có ảnh hưởng lớn đến toả nhiệt đối lưu của cả dòng chảy

a) Lớp giới hạn thủy lực; b) Lớp giới hạn nhiệt

Hình 2.5: Lớp giới hạn biên

Lớp tiếp theo lớp đệm tầng trong lớp biên có thể là chảy tầng hoặc chảy rối tuỳ thuộc dòng chảy bên trong ống Lớp giới hạn thuỷ lực còn gọi là lớp biên thuỷ lực có

bề dày , được quy ước là có tốc độ từ 0 tới 99% tốc độ dòng w Lớp giới hạn nhiệt

T lớp chất lỏng sát vách ống có nhiệt độ thay đổi dần từ nhiệt độ bề mặt vách đến

nhiệt độ dòng chảy gọi là lớp giới hạn nhiệt hoặc lớp biên nhiệt, hình 2.4b Lớp biên nhiệt tương tự như lớp biên thuỷ lực Trong lớp biên nhiệt cơ cấu truyền nhiệt là dẫn nhiệt nhờ độ chênh nhiệt độ giữa các lớp Ngoài lớp biên nhiệt, truyền nhiệt trong dòng chảy bằng đối lưu Lớp biên thuỷ lực và lớp biên nhiệt nói chung có bề dày khác nhau Để so sánh bề dày lớp biên thuỷ lực và lớp biên nhiệt người ta dùng tiêu chuẩn

Pơ răng (Pr): Pr = /a Lớp biên thuỷ lực và lớp biên nhiệt chỉ bằng nhau khi Pr của chất lỏng bằng 1

c Hình dạng và kích thước bề mặt trao đổi nhiệt

Hình dạng và kích thước bề mặt vật rắn có ảnh lớn đến toả nhiệt Tuỳ thuộc vật

có hình dạng kích thước khác nhau thí dụ như như tấm phẳng, đường ống hay các hình phức tạp mà toả nhiệt sẽ thay đổi Đặc điểm của bề mặt vật nhẵn hay nhám hay

có gân, có cánh cũng sẽ dẫn tới toả nhiệt khác nhau

độ ánh sáng Sự lan truyền sóng điện từ được gọi là bức xạ điện từ Các bức xạ điện

từ đập vào bề mặt vật thể khác, một phần năng lượng bị vật đó hấp thụ biến thành nhiệt Quá trình truyền năng lượng nhiệt bằng sóng điện từ đó gọi là trao đổi nhiệt bức xạ Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu là bức xạ sóng điện từ của vật thứ nhất ra không gian, giai đoạn sau là sóng điện từ gặp vật thứ hai bị hấp thụ biến thành nhiệt trên vật đó Mọi vật luôn tồn tại nhiệt độ T > 0 K, nên luôn phát ra bức xạ nhiệt và đồng thời cũng hấp thụ các tia bức xạ nhiệt từ các vật khác chiếu tới Vậy quá trình trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình hai chiều, nhưng ở vật

có nhiệt độ cao năng lượng bị mất đi bởi bức xạ ra sẽ lớn hơn năng lượng nhận được bởi hấp thụ Khi các vật có nhiệt độ bằng nhau, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa chúng vẫn xảy ra nhưng ở thế cân bằng động, tức là ở mỗi vật có năng lượng bức xạ

ra bằng năng lượng hấp thụ vào nên nhiệt độ của vật đó không thay đổi Bức xạ nhiệt

có bản chất của là sóng điện từ nên nó có tính chất sóng và tính chất hạt như ánh sáng

và quá truyền sóng không cần môi trường vật chất trung gian, đó cũng là điểm khác biệt của trao đổi nhiệt bức xạ so với trao đổi nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt Các vật khác nhau bức xạ các sóng điện từ có bước sóng rất khác nhau Các bước sóng có thể từ 0

Sóng vô tuyến cực ngắn: 102 – 2.105

Sóng vô tuyến: 2.105 - 1010

Các tia có bước sóng từ 10-1 đến 102 m, tức là một phần tử ngoại, toàn bộ ánh sáng thấy được, và toàn bộ hồng ngoại có khả năng biến thành nhiệt Như vậy trao đổi nhiệt bức xạ có thể được thực hiện trong khoảng sóng khá rộng Các vật đều có khả năng bức xạ và hấp thụ: chất rắn và chất lỏng có khả năng hấp thụ và bức xạ khá lớn Quá trình bức xạ và hấp thụ xảy ra trên bề mặt ngoài của vật có bề dày từ 1 m đến 1 mm Các quá trình đó phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt cũng như màu sắc của vật gọi là hiện tượng bề mặt Chất khí có khả năng bức xạ và hấp thụ nhỏ Quá trình bức xạ và hấp thụ xảy ra trong toàn bộ thể tích Các đại lượng đặc trưng khả năng tiếp nhận tia bức xạ chiếu tới của vật:

: Hệ số hấp thụ, biểu thị tỷ lệ năng lượng tia chiếu tới được vật tiếp nhận

: Hệ số phản xạ, biểu thị tỷ lệ năng lượng tia chiếu tới bị vật phản xạ

: Hệ số xuyên qua, biểu thị tỷ lệ năng lượng tia chiếu tới được vật cho đi qua Các hệ số trên phụ thuộc vào bước sóng, góc chiếu của tia tới, với mọi vật luôn có: +  +  = 1

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH

TRUYỀN NHIỆT QUA THÂN XE

3.1 Xây dựng mô hình tính toán

Mục tiêu chính trong chương này là đối với đối tượng thùng đông lạnh thực tế, ta xây dựng mô hình tính toán tải nhiệt phù hợp cho thùng tải xe đông lạnh, các đặc điểm sau được nghiên cứu: các kích thước hình học bên trong và bên ngoài, kết cấu các thành phần (vách trước, sau, vách hông, trần, sàn) có xét đến vật liệu, bề dày, hệ

số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, …

- Để tính toán nhiệt trong ansys ta xây dựng mô hình 3D thùng đông lạnh bằng phần mềm solidwork Khi chia lưới mô hình để tính toán thùng, việc chia lưới các chi tiết nhỏ và nằm bên ngoài như: tay khóa cửa, bản lề cửa, trụ khóa cửa, ốp trang trí, gioăng cao su, … làm cho phần mềm chạy chậm, tốn nhiều thời gian cũng như chiếm dung lượng lớn dữ diệu của máy tính, mà không ảnh hưởng nhiều đến kết quả tính toán, để đơn giản và giảm khối lượng trong chia lưới, tính toán ta mô hình thùng đông lạnh như hình 3.3

Hình 3.2: Mô hình 3D thùng xe thực tế

Hình 3.3: Mô hình 3D thùng xe tính toán

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán tổn thất nhiệt

Từ kinh nghiệm thực tế, cũng như các kiến thức đã học và tìm hiểu các bài báo, tạp chí, ta xây dựng mô hình tính toán tổn thất nhiệt cho thùng xe đông lạnh trong quá trình vận chuyển như sau:

Hình 3.4: Mô hình tính toán tổn thất nhiệt

1) Tải nhiệt truyền

Phần này tính đến dẫn nhiệt, đối lưu, nhiệt qua thân xe trong trường hợp đóng cửa 2) Tải nhiệt bức xạ

Phần này tính đến bức xạ qua thân xe trong trường hợp đóng cửa

5) Tải khác

Tải do các thiết bị điện liên quan như quạt giàn lạnh, đèn trong thùng, …

Trong các tải nhiệt tổn thất được trình bày thì nhiệt lượng qua các vách thùng là lớn nhất so với các tổn thất khác, vì vậy ở đây đề tài này tập trung phân tích các nhiệt lượng qua vách thùng bằng phương pháp giải tích và mô phỏng dựa trên cơ sở lý thuyết Ngoài ra, để lựa chọn máy lạnh cho phù hợp, cuối chương ta sẽ tính toán ví

dụ liên quan đến mô hình để đánh giá sự phù hợp, có thể sử dụng hệ số an toàn cho từng loại tải để cho phép có sự khác biệt giữa phương pháp lý thuyết được áp dụng

và quá trình vận hành thực tế

3.2 Tính toán quá trình truyền nhiệt qua thân xe

3.2.1 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên ngoài thùng:

Điều kiện làm việc môi trường bên ngoài:

+ Nhiệt độ môi trường: o

- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở trong thùng:

Điều kiện làm việc môi trường bên trong:

+ Nhiệt độ môi trường bên trong: t = -18 Cf o

+ Nhiệt độ mặt trong thời điểm đầu: t =38w o C

3.2.2 Tính tải nhiệt truyền ra môi trường xung quanh bằng ANSYS

Mô hình tính toán trong ANSYS như sau:

Hình 3.5: Trình tự tính toán

Xây dựng mô hình tính toán trong ANSYS sử dụng các thông số điều kiện tính toán như sau:

Bảng 3.1: Các thông số tính toán trong ANSYS

6

Vật liệu polyurethane foam

7 Vật liệu gỗ

oC

- Các thành phần khối lượng trong thùng:

Với kích thước lọt lòng thùng, ta tính ra số thùng cạc tông có thể chở, mỗi thùng

chứa bao nhiêu con cá, còn lại là không khí, ta tính ra bảng thông số sau:

Bảng 3.2: Các thông số tính toán bên trong

Tỷ lệ % Theo thể tích thùng

Khối lượng riêng (kg m ) / 3

Nhiệt dung riêng (J kgK/ )

Hệ số dẫn nhiệt

- Mô hình tính toán trong Ansys

+ Nhập mô hình trong Ansys gắn với các điều kiện đã xác định, ta được mô hình

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng

+ Điều kiện tính toán bên ngoài

Hình 3.7: Điều kiện tính toán bên ngoài

+ Điều kiện tính toán bên trong

Hình 3.8: Điều kiện tính toán bên trong

- Mô hình chia lưới:

+ Chia lưới dựa trên tiêu chuẩn chia lưới Skewness, kết quả chia lưới như sau:

Bảng 3.3: Kết quả chia lưới trong Ansys

+ Mô hình chia lưới

Hình 3.9: Mô hình chia lưới

- Kết quả tính toán:

+ Phân bố nhiệt độ

Nhiệt độ có sự thay đổi giảm dần từ bề mặt ngoài thùng vô trong thùng

Hình 3.10: Phân bố nhiệt độ