Nghiên cứu mô phỏng chế độ nhiệt không ổn định của các kết cấu nhiệt lạnh

Với sự phát triển bùng nổ của máy tính và những thành tựu vượt bậc của công nghệ thông tin đã có nhiều phần mềm lập trình và mô phỏng mạch điện thì ngoài hai phương pháp lí thuyết xác đị

Bộ giáo dục và đào tạo

Bộ giáo dục và đào tạo

Được sự tạo điều kiện thuận lợi của ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học, sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh và sự nỗ lực phấn đấu của bản thân em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài:

“Nghiên cứu mô phỏng chế độ nhiệt không ổn định của các kết cấu nhiệt-lạnh“

Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với:

- Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học, trường Đại học Bách khoa

Mục Lục

Lời Mở đầu

1 chế độ nhiệt không ổn định của các kết cấu nhiệt

lạnh, phương pháp nghiên cứu …1

1.1 Kết cấu nhiệt-lạnh và chế độ nhiệt không ổn định của kết cấu nhiệt- lạnh …1

1.1.1 Tổng quan về các kết cấu nhiệt-lạnh …1

1.1.2 Chế độ nhiệt của kết cấu nhiệt-lạnh ….3

1.2 Các phương pháp nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt không ổn định ….4 1.2.1 Phương trình vi phân dẫn nhiệt và các điều kiện biên ….4

1.2.2 Phương pháp giải phương trình vi phân dẫn nhiệt không ổn định …6 1.3 Tổng quan về kết quả nghiên cứu theo phương pháp mô hình điện ….8 2 Phương pháp mô hình tương tự - Mô hình điện………… 11

2.1 Cơ sở của phương pháp mô hình điện 11

2.2 Tương quan giữa các đại lượng nhiệt và điện - các đại lượng không thứ nguyên……….13

2.2.1 Sự tương quan giữa các đại lượng nhiệt và đại lượng điện 13

2.2.2 Các đại lượng không thứ nguyên 15

2.3 Xác định các thông số của mô hình điện 21

2.3.1 Thông số của mô hình điện và thông số của mô hình nhiệt 21

2.3.1.1 Hằng số thời gian của một phân tố RC đơn giản 21

2.3.1.2 Hằng số thời gian của kết cấu và hằng số thời gian mô hình 22

2.3.2 Xác định các đại lượng của mô hình điện .24

2.3.2.1 Xác định giá trị điện dung CD và điện trở RD của mô hình điện tương ứng với kết cấu nhiệt lạnh 24

2.3.2.2 Xác định dòng điện cung cấp và điện trở chuyển tiếp Ra cho mô hình điện 24

3 Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nhiệt không ổn định của

một thiết bị lạnh 26

3.1 Mục đích và yêu cầu 26

3.2 Mô hình thí nghiệm 26

3.2.1 Cấu tạo thiết bị 26

3.2.2 Đặc trưng của thiết bị thí nghiệm 27

3.3 Phương pháp thực nghiệm và kết quả 29

3.3.1 Chuẩn bị dụng cụ đo 29

3.3.2 Bố trí đầu cảm biến 31

3.3.2.1 Các vị trí cần đo nhiệt độ 31

3.3.2.2 Cách gá đầu cảm biến 31

3.3.3 Trình tự tiến hành thực nghiệm và kết quả 32

3.3.3.1 Kiểm tra độ đồng đều của nhiệt độ nước muối 32

3.3.3.2 Kiểm tra trường nhiệt độ trên bề mặt vách ngoài 33

3.3.3.3 Kết quả thực nghiệm 35

3.4 Đánh giá kết quả thí nghiệm 39

3.4.1 Biến thiên nhiệt độ của nước muối 39

3.4.1.1 Phương trình cân bằng tổng quát 39

3.4.1.2 Năng suất lạnh của bể đá 41

3.4.1.3 Hệ số truyền nhiệt qua vách bể đá 42

3.4.1.4 Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm 44

3.4.2 Các dòng nhiệt tiêu hao 45

4 Mô phỏng quá trình dẫn nhiệt không ổn định 49

4.1 Đối tượng mô phỏng 49

4.1.1 Mô hình lò thí nghiệm 49

4.1.2 Mô hình máy đá cây 50

4.1.3 Kho lạnh Thụy Phương 50

4.2 Điều kiện biên và các mô hình điện 51

4.2.1 Điều kiện biên 51

4.2.1.1 Điều kiện biên cho mô hình lò thí nghiệm 51

4.2.1.2 Điều kiện biên cho mô hình máy đá 52

4.2.1.3 Điều kiện biên cho kho lạnh Thụy Phương 53

4.2.2 Các mô hình điện 53

4.2.2.1 Mô hình điện cho vách mô hình lò thí nghiệm 53

4.2.2.2 Mô hình điện cho vách bể đá 56

4.2.2.3 Mô hình điện cho vách kho lạnh Thụy Phương 58

4.2.3 Xây dựng phần mềm phân tích mạch 60

4.3 Kết quả và đánh giá 71

4.3.1 Kết quả tính toán đối mô hình lò thí nghiệm 72

4.3.2 Kết quả tính toán đối với bể đá 74

4.3.3 Kết quả tính toán cho kho lạnh Thụy Phương 76

5 Tóm tắt, kết luận và kiến nghị 80

5.1 Tóm tắt 80

5.2 Kết luận 81

5.3 Phương hướng mở rộng kết quả nghiên cứu 82

Tài liệu tham khảo …83

Phụ lục

Các ký hiệu sử dụng trong đồ án

CN kJ/kgK, J/kgK Nhiệt dung riêng

Lời mở đầu

Chức năng cơ bản và quan trọng nhất của hệ thống nhiệt lạnh là cung cấp nhiệt, lạnh để tạo ra các không gian có nhiệt độ khác biệt với nhiệt độ môi trường xung quanh nhằm thực hiện các quá trình công nghệ nào đó: Cấp nhiệt

để tạo ra các không gian sấy, nung; cấp lạnh để có các kho lạnh đông, kho lạnh bảo quản và các không gian được điều hoà không khí Vì có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ môi trường nên các không gian nhiệt lạnh luôn

được ngăn cách với môi trường bằng một kết cấu cách nhiệt Kết cấu có khả năng cách nhiệt càng cao, tức là có chiều dày lớn, hệ số dẫn nhiệt bé thì thông thường lượng nhiệt tích trong nó càng lớn Vì thế tổn thất nhiệt là đặc trưng cơ bản nhất của các kết cấu nhiệt-lạnh Tổn thất nhiệt (do tích nhiệt và do trao

đổi với môi trường) có khi chiếm tới 50% tiêu hao năng lượng của một hệ thống nhiệt-lạnh

Trong bối cảnh ngày càng cạn kiệt các nguồn năng lượng thì vấn đề sử dụng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng được đặt lên hàng đầu ý thức được tầm quan trọng đó nên trong những năm gần đây Trung tâm nghiên cứu ứng dụng thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh đã tập trung nghiên cứu nhằm xác định đặc trưng và tính toán chế độ nhiệt không ổn định của kết cấu nhiệt-lạnh như đã nghiên cứu bằng phương pháp giải tích, phương pháp số về chế độ nhiệt không ổn định trong kết cấu nhiệt-lạnh

Với sự phát triển bùng nổ của máy tính và những thành tựu vượt bậc của công nghệ thông tin đã có nhiều phần mềm lập trình và mô phỏng mạch điện thì ngoài hai phương pháp lí thuyết xác định trường nhiệt độ không ổn định trong kết cấu nhiệt-lạnh (phương pháp số và phương pháp giải tích), còn có phương pháp tỏ ra có hiệu quả đó là phương mô hình tương tự - mô hình điện

Để hoàn thiện kết quả nghiên cứu cũng như để kiểm tra độ tin cậy của các kết quả thu được nhằm góp phần xây dựng một phương pháp tính toán chế độ

nhiệt không ổn định sau này, trong phạm vi luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu chế độ nhiệt không ổn định trong kết cấu nhiệt-lạnh bằng phương pháp mô hình tương tự - mô hình điện để giải bài bài toán với điều kiện biên thay

đổi theo thời gian Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên kết cấu nhiệt-lạnh thực tế đó là mô hình máy đá Các kết quả thu được sẽ được đánh giá, so sánh với kết quả thực nghiệm, ngoài ra sẽ tiến hành kiểm tra, đánh giá một số kết quả thực nghiệm có sẵn bằng phương pháp mô hình tương tự

Mô hình tương tự sẽ được nghiên cứu theo hướng xây dựng mô hình dưới dạng mạch điện mô phỏng quá trình dẫn nhiệt không ổn định trong kết cấu nhiệt-lạnh bằng phương pháp phân tích mạch điện tương tự theo phần mềm tin học chuyên dùng Orcad và Matlab trong lí thuyết mạch

Do hạn chế về thời gian và trình độ nên kết quả thu được còn rất khiêm tốn và chắc sẽ không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp

1 chế độ nhiệt không ổn định của các kết cấu nhiệt lạnh, phương pháp nghiên cứu

1.1 Kết cấu lạnh và chế độ nhiệt không ổn định của kết cấu lạnh

nhiệt-1.1.1 Tổng quan về các kết cấu nhiệt-lạnh

Hệ thống nhiệt-lạnh có chức năng tạo ra và duy trì nhiệt độ cho không gian nhiệt-lạnh khác với nhiệt độ môi trường Do có sự chênh lệch nhiệt độ nên các không gian nhiệt-lạnh được ngăn cách với môi trường bằng kết cấu bao che, cách nhiệt - gọi là kết cấu nhiệt-lạnh

Nhiệt độ yêu cầu của không gian nhiệt-lạnh thay đổi trong phạm vi rất rộng, thường từ - 40 OC đến 1600 OC Dựa theo mục đích sử dụng và yêu cầu nhiệt độ, có thể phân không gian nhiệt-lạnh ra làm các loại: không gian lò công nghiệp, không gian buồng sấy, không gian được điều hoà không khí, không gian buồng lạnh (kho lạnh), bể nước muối trong công nghệ làm kem hay nước đá… Các kết cấu bao che tạo ra các không gian này được gọi tên tương ứng, như kết cấu lò công nghiệp, kết cấu buồng sấy, kết cấu điều hoà không khí, kết cấu buồng lạnh, kết cấu bể đá…

Vì nhiệt độ làm việc của các không gian nhiệt-lạnh khác với nhiệt độ môi trường nên bao giờ cũng có tổn thất năng lượng Chênh lệch nhiệt độ giữa không gian nhiệt-lạnh và môi trường càng lớn thì lượng nhiệt tổn thất càng tăng Để giảm tổn thất nhiệt, người ta phải dùng các loại vật liệu cách nhiệt Kích thước cũng như loại vật liệu cách nhiệt được chọn tuỳ vào nhiệt độ của không gian nhiệt-lạnh và độ chênh lệch nhiệt độ với môi trường Do dải nhiệt

độ làm việc của không gian nhiệt-lạnh rất khác nhau nên cấu tạo của các kết cấu nhiệt-lạnh là rất đa dạng

Kết cấu vách lò công nghiệp thường có hai lớp Thứ nhất là lớp chịu lực, tuỳ theo nhiệt độ và tính chất môi trường làm việc của lò mà lớp này được xây dựng bằng những vật liệu (thường là vật liệu chịu lửa) khác nhau Lớp thứ hai

là lớp cách nhiệt có nhiệm vụ hạn chế tổn thất nhiệt qua kết cấu Ví dụ đối với những lò công nghiệp có nhiệt độ làm việc 1200 OC vật liệu chịu lửa được dùng là gạch samốt có chiều dày 230 ữ 345 mm, vật liệu cách nhiệt có chiều dày từ 65 ữ 230 mm Các kích thước còn lại của kết cấu phụ thuộc vào năng suất và loại lò cụ thể, có khi đến vài chục mét, thậm chí hàng trăm mét như ở

lò quay xi măng

Kết cấu thiết bị sấy được xây dựng từ những vật liệu với kích thước khác nhau tuỳ theo nhiệt độ và loại mô hình nhưng tối thiểu cũng phải có một lớp vật liệu chịu lực đồng thời là vật liệu cách nhiệt để tạo ra không gian sấy Trong nhiều trường hợp, kết cấu thiết bị sấy có thêm lớp vật liệu cách nhiệt để hạn chế bớt tổn thất nhiệt ra môi trường Kích thước hình học của thiết bị sấy cũng rất đa dạng, chiều dày thể xây thường từ 0,05 đến 0,3 m Chiều cao và chiều rộng của nó phụ thuộc vào năng suất, nhưng thường cũng lớn hơn rất nhiều so với chiều dày

Do làm việc ở nhiệt độ thấp nên kết cấu của kho lạnh có thêm lớp vật liệu cách ẩm Vật liệu chính dùng trong kết cấu lạnh bao gồm: vật liệu chịu lực, vật liệu cách nhiệt và vật liệu cách ẩm Chiều dày của các lớp vật liệu

được thiết kế tuỳ theo phạm vi nhiệt độ làm việc của kho Các kho lạnh cổ

điển thường có chiều dày lớn hơn 0,25 m, còn các kho lạnh hiện đại dùng các tấm Panel ghép lại có chiều dày nhỏ hơn nhưng thường không nhỏ hơn 0,1 m Các kho lạnh thường có dạng hình hộp chữ nhật và các kích thước chiều cao, dài, rộng của kết cấu thay đổi tuỳ theo năng suất của kho, có khi đến vài chục mét, ví dụ như kho lạnh vạn năng có dung tích 300 tấn có chiều cao 7 m, chiều rộng 20 m và chiều dài 24 m

Kết cấu của không gian điều hoà không khí là loại đơn giản nhất, kết cấu bao che không có riêng một lớp vật liệu cách nhiệt mà lớp chịu lực đóng luôn vai trò là lớp cách nhiệt Chiều dày của kết cấu bao che thường nằm trong

Kết cấu bể nước muối trong công nghệ làm kem hay nước đá thường có

ba lớp: lớp trong cùng thường bằng inox hay tôn có quét nhựa đường chống gỉ,

độ dầy của lớp này thường từ 0,7mm đến 5mm tuỳ thuộc dung tích bể, lớp thứ hai là vật liệu cách nhiệt dạng bọt xốp như polystyrol, polyurethane, polyêtylen…Lớp ngoài cùng thường làm bằng gỗ với bể nhỏ và được xây bằng gạch với bể lớn

Các kết cấu nhiệt-lạnh thực tế thường có chiều dày rất nhỏ so với các kích thước còn lại, vì vậy khi nghiên cứu người ta thường coi quá trình dẫn nhiệt ở đây là một chiều Ngoài ra các kết cấu thường có dạng phẳng nên trong nghiên cứu người ta thường coi vách của kết cấu nhiệt-lạnh là vách phẳng rộng vô hạn

1.1.2 Chế độ nhiệt của kết cấu nhiệt-lạnh

Nhiệt độ của các kết cấu nhiệt-lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường

và nhiệt độ của không gian xử lý nhiệt-lạnh Nhiệt độ môi trường thực tế có thay đổi theo thời gian nhưng theo yêu cầu tính toán dẫn nhiệt có thể xem gần

đúng là ổn định Vì thế, chế độ nhiệt trong kết cấu nhiệt-lạnh có thể coi như chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian thực hiện quá trình công nghệ trong không gian xử lý nhiệt-lạnh

Khi đạt đến trạng thái ổn định, nhiệt độ trong kết cấu sẽ giữ cố định và quá trình tích nhiệt sẽ ngừng lại Để đạt đến trạng thái ổn định này cần mất rất nhiều thời gian Chế độ này chỉ xẩy ra đối với các thiết bị hoạt động liên tục lâu dài Thời gian để các kết cấu nhiệt-lạnh thực tế đạt đến trạng thái ổn định thường rất dài, có khi phải mất hàng tuần

Trước khi đạt đến trạng thái ổn định, nhiệt độ trong kết cấu luôn thay

đổi và quá trình tích nhiệt trong kết cấu vẫn tiếp tục diễn ra Vì thế, chế độ nhiệt không ổn định trong thực tế là rất phổ biến Ví dụ như trong quá trình làm việc nhiệt độ không gian nhiệt-lạnh thay đổi để đáp ứng yêu cầu công nghệ, chẳng hạn sự thay đổi nhiệt độ trong giản đồ nung kim loại, kéo theo sự

thay đổi nhiệt độ kết cấu Trong quá trình khởi động - để nâng hoặc giảm nhiệt độ không gian nhiệt-lạnh đến nhiệt độ làm việc yêu cầu, nhiệt độ trong kết cấu sẽ thay đổi theo sự biến thiên nhiệt độ của không gian nhiệt-lạnh Vì thời gian khởi động nhỏ hơn nhiều so với thời gian ổn định nên sau khoảng thời gian khởi động nhiệt độ trong kết cấu vẫn tiếp tục thay đổi mặc dù nhiệt

độ trong không gian nhiệt-lạnh được duy trì ở một giá trị nào đó Chế độ nhiệt không ổn định đôi khi còn xảy ra theo chu kỳ ví dụ như ở một số thiết bị làm việc không liên tục (làm việc một thời gian rồi nghỉ và sau một khoảng thời gian nào đó lại tiếp tục làm việc) Điển hình nhất của chế độ nhiệt không ổn

định trong kết cấu nhiệt-lạnh là sự thay đổi nhiệt độ khi thiết bị:

Khởi động hoặc ngừng

Hoạt động theo chu kì

1.2 Các phương pháp nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt không ổn định 1.2.1 Phương trình vi phân dẫn nhiệt và các điều kiện biên

Phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát với trường nhiệt độ không ổn

định, có nguồn nhiệt bên trong với hệ toạ độ Decart:

∂

∂ +

∂

∂

2 2 2 2 2 2

z

t y

t x

cần giải phương trình vi phân trên kết hợp với điều kiện đơn trị

Điều kiện đơn trị còn được gọi là điều kiện giới hạn, nhờ chúng ta mới

có thể xác định trường nhiệt độ trong vật thể một cách đơn trị Ngoài các điều kiện hình học (cho biết hình dáng, kích thước vật), điều kiện vật lí (cho biết tính chất vật lí của vật λ, c, ρ cũng như mật độ và phân bố nguồn nhiệt trong

qv), điều kiện đơn trị còn bao gồm điều kiện ban đầu và điều kiện biên

Điều kiện đầu: Cho biết phân bố nhiệt độ trong vật tại thời điểm ban

đầu, τ = 0

t(→r,τ = 0) = t0(→r ) (1.3)

Điều kiện biên được chia thành ba loại:

Điều kiện biên loại 1: Điều kiện biên loại một cho biết nhiệt độ trên

biên dưới dạng một hàm của toạ độ bề mặt và thời gian Với S là bề mặt bao quanh vật thể, điều kiện này được viết dưới dạng:

Điều kiện biên loại 3: Đặc trưng cho trường hợp khi bề mặt vật tiếp xúc

trực tiếp với một môi trường khác và quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt và môi trường đã biết trước Trường hợp phổ biến của của điều kiện biên loại ba là trường hợp bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu với môi trường:

Khi bề mặt trao đổi nhiệt bằng bức xạ với môi trường xung quanh, điều kiện biên loại ba có thể viết dưới dạng (1.6) nhưng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

được thay bằng hệ số quy dẫn αbx = αqd

Trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại ba còn gọi là điều kiện biên loại bốn hoặc điều kiện biên liên hợp, xảy ra khi bề mặt vật tiếp xúc trực tiếp với một vật rắn khác, tức là:

Các bài toán dẫn nhiệt không ổn định tuyến tính (các thông số nhiệt vật

lý c, ρ, λ và các điều kiện biên không phụ thuộc vào nhiệt độ) có thể giải bằng giải tích, ví dụ như phương pháp biến đổi tích phân, phương pháp phân li biến

số, phương pháp nguồn,

Phương pháp biến đổi tích phân là phương pháp cho phép chuyển một phương trình đạo hàm riêng, như phương trình vi phân dẫn nhiệt dẫn nhiệt không ổn định chẳng hạn, về một phương trình đạo hàm thường đối với ảnh Giải phương trình ảnh sẽ thu được hàm ảnh, sau đó bằng phương pháp biến

đổi ngược ta sẽ thu được hàm gốc ban đầu Hàm ảnh F(p,τ) của hàm gốc f(x,τ) được xác định bởi tích phân F(p,τ) =∫f(x,τ ).K(p,τ ).dτ Trong đó K(p,τ) gọi là nhân tố biến đổi, với p có thể là một số phức nhưng phần thực luôn dương Nếu lấy cận từ 0 đến ∞ và thay F(p,τ) bằng exp(-pτ) ta có biến

đổi tích phân Laplace một phía, nếu cận từ -∞ đến +∞ thì ta có biến đổi tích phân hai phía Tuy nhiên do sự phức tạp của điều kiện đơn trị (hình dạng vật

phức tạp, điều kiện ban đầu không thể biểu diễn bằng biểu thức toán học đơn giản v.v ) nên rất nhiều quá trình dẫn nhiệt không ổn định không giải được bằng giải tích hoặc nếu có giải thì khối lượng tính toán quá lớn Trong những trường hợp này hầu hết các bài toán dẫn nhiệt phi tuyến được giải bằng các phương pháp khác như phương pháp số, phương pháp mô hình tương tự

Hai phương pháp số hay được sử dụng để giải các bài toán dẫn nhiệt không ổn định là phương pháp sai phân và phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp sai phân sử dụng đơn giản và dễ dàng hơn phương pháp phần tử hữu hạn Bù lại, phương pháp phần tử hữu hạn cho phép giải các bài toán mà vật thể có hình dạng hình học phức tạp tốt hơn Nhược điểm của các phương pháp số (phương pháp sai phân và phương pháp phần tử hữu hạn) là phải chia các khoảng tọa độ và thời gian đủ nhỏ để đảm bảo độ chính xác làm cho quá trình tính toán rất dài và phức tạp

Các quá trình hai và ba chiều với các điều kiện biên phức tạp yêu cầu một thời gian tính, ngay cả đối với máy tính điện tử cũng quá lớn do đó khó

có thể thực hiện được bằng phương pháp giải tích và phương pháp số Trong trường hợp như vậy mô hình điện là một phương tiện hữu ích đơn giản và chính xác

Phương pháp mô hình tương tự - mô hình điện dựa trên các hiện tượng

có bản chất vật lí khác nhau nhưng được mô tả bằng những biểu thức toán học giống nhau về hình thức Nhờ sự tương tự giữa dòng nhiệt và dòng điện người

ta có thể xây dựng các mô hình điện để nghiên cứu hiện tượng nhiệt, nói cách khác, thay vì nghiên cứu biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong các kết cấu thì người ta nghiên cứu biến thiên điện áp theo thời gian trong mạch điện vì các đại lượng điện: điện áp, điện trở, cường độ dòng điện dễ đo hơn nhiều so với các đại lượng nhiệt tương ứng như nhiệt độ, nhiệt trở, mật độ dòng nhiệt Phương pháp này sẽ được trình bày rõ hơn ở phần hai

1.3 Tổng quan về kết quả nghiên cứu theo phương pháp mô hình điện

Năm 1936 Beuken là kỹ sư người Hà Lan được Trường Đại học Freiburg Đức cấp bằng tiến sĩ sau khi hoàn thành luận văn với đề tài “ Tổn thất nhiệt của các loại lò điện hoạt động chu kỳ ” Đây là phương pháp mới để tính toán (xác định trước) các dòng nhiệt không ổn định Mô hình của ông là công trình đầu tiên theo hướng này và bao gồm một mạng RC như H.1

Ce = C V

m ρ

4

1

Các hệ số m4 và m5 được lựa chọn sao cho:

• Các tụ điện và điện trở để xây dựng mô hình có thông số phù hợp với các loại thông dụng có trên thị trường

• Quá trình truyền nhiệt được mô phỏng trên mô hình phải xảy ra

Tiếp theo công trình đầu tiên của Beuken, hàng loạt các công trình nghiên cứu theo hướng này đã được tiến hành nhằm:

Tính tổn thất nhiệt qua tường lò và qua các góc tường lò làm việc theo chu kỳ [16], [21]

Xác định khả năng tính nhiệt trong một kết cấu nhiệt (tường lò) [19] Giải bài toán dẫn nhiệt trong không gian có nguồn trong phân bố đều [20]

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới các hệ thống sưởi, điều hoà không khí bằng năng lượng mặt trời [17], [18]

Tất cả các mô hình ứng dụng trên đây đều là mô hình vật lý, tức là các mạch điện thực tế tương tự mô hình nhiệt Việc nghiên cứu quá trình nhiệt trên các mô hình như vậy tuy tỏ ra có nhiều ưu điểm như dễ đo chính xác các

đại lượng điện, dụng cụ đo đơn giản, thời gian thực nghiệm nhanh hơn nhiều

so với thực nghiệm trên mô hình nhiệt nhưng có khó ngăn trong việc tìm kiếm các phần tử của mô hình điện có thông số thích hợp để xây dựng mô hình tương tự Mặt khác là mô hình vật lý nên thời gian thí nghiệm và xây dựng thí nghiệm cũng còn kéo dài

ứng dụng thành tựu của tin học, mấy năm gần đây một số cán bộ Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh đã tiến hành nghiên mô phỏng chế độ nhiệt không ổn định của một số kết cấu nhịêt-lạnh dưới dạng các mô hình điện

được xây dựng trên phần mềm phân tích mạch

Ưu điểm của phương pháp này thời gian nghiên cứu rất ngắn, các giá trị của đại lượng điện có thể chọn tuỳ ý phù hợp mô hình nhiệt, kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao do không mắc phải những sai số khi đo các đại lượng

điện tương ứng

Các nghiên cứu này để mở ra một khả năng mới trong nghiên cứu chế

độ nhiệt không ổn định Đáng tiếc là chưa tìm được phần mềm thích hợp nên

các mô hình mô phỏng đó được công bố trong [11], [12] đều phải chấp nhận các điều kiện biên bất biến do đó kết quả thu được chưa có độ chính xác cao

2 Phương pháp mô hình tương tự - Mô hình điện

2.1 Cơ sở của phương pháp mô hình điện

Phương pháp mô hình điện được sử dụng để giải các bài toán dẫn nhiệt khi phương pháp giải tích không mang lại kết quả và phương pháp số quá cồng kềnh, phức tạp Phương pháp mô hình điện cho phép xác định phân bố nhiệt độ trong đối tượng nghiên cứu từ phân bố điện áp trong mô hình điện

được xây dựng cho mô hình nghiên cứu đó, vì những sự phân bố này được biểu diễn bằng những biểu thức toán học tương tự nhau Ví dụ như các phương trình dưới đây:

Phương trình xác định dòng nhiệt truyền qua kết cấu có chiều dày δ và

hệ số dẫn nhiệt λ

R

t t

t

q w − w = ∆

= λ

V V

2

=

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

z

t y

t x

Phương trình điện áp

0

2 2 2 2 2

2

=

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

z

u y

u x

Các cặp phương trình trên là những biểu thức toán học tương tự nhau từng đôi một Các phương trình này hoàn toàn đồng nhất khi chuyển chúng về

dạng không thứ nguyên Và như vậy, dẫn nhiệt và dẫn điện là những hiện tượng tương tự, do đó có thể sử dụng hiện tượng này để nghiên cứu hiện tượng kia

Vì việc đo các đại lượng điện dễ dàng và chính xác hơn các đại lượng nhiệt nên phương pháp này được ứng dụng để nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt,

đặc biệt là để giải các bài toán dẫn nhiệt trong các vật có hình dạng phức tạp

được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu có tính chất vật liệu khác nhau

Ngoài ra, do quá trình điện thường xảy ra rất nhanh còn quá trình nhiệt xảy ra rất chậm nên sử dụng mô hình điện để nghiên cứu quá trình nhiệt sẽ thuận lợi hơn, nhất là khi nghiên cứu chế độ nhiệt không ổn định của kết cấu nhiệt lạnh thực tế ở nhiều chế độ công suất và nhiệt độ khác nhau

Để minh họa ta khảo sát quá trình dẫn nhiệt không ổn định qua tấm phẳng rộng vô hạn với trường nhiệt độ một chiều ( Xem H.2.1 )

H.2.1: Mô hình mạch điện nghiên cứu biến thiên nhiệt độ trong vách phẳng

Điểm P1 trong mạch ứng với bề mặt tấm thứ 1,… điểm Pn ứng với bề mặt lớp bề mặt thứ n của tấm, điện trở Ri và tụ điện Ci tương ứng với nhiệt trở

và nhiệt dung của tấm

còn lại sẽ được truyền đến các phần tử tiếp theo Do có tích nhiệt nên nhiệt độ trong kết cấu tăng lên và do có sự truyền nhiệt giữa các phần tử mà nhiệt được truyền từ nguồn nóng sang nguồn lạnh Tương tự như vậy, khi cấp cho mạch

điện một dòng i trong mạch điện sẽ xuất hiện điện áp trên mỗi nút Pi Các

điện áp này tương ứng với các giá trị nhiệt độ ti

Để thu được các giá trị nhiệt độ cụ thể từ giá trị điện áp xác định phải thực hiện phép chuyển đổi thông qua một hệ số tương quan m1 Vì hệ số này

là một hằng số và có thể tuỳ chọn nên nhiệt độ tại các lớp được xác định theo quan hệ: θi = m1.Ui

Phần dưới đây sẽ trình bày cụ thể về cách thức xác định các đại lượng cơ bản để xây dựng mô hình nghiên cứu cụ thể

2.2 Tương quan giữa các đại lượng nhiệt và điện - các đại lượng không thứ nguyên

2.2.1 Sự tương quan giữa các đại lượng nhiệt và đại lượng điện

Khảo sát một phân tố thể tích trong lòng vật thể, phân tố này có nhiệt

độ t(x,τ) Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng khi không có nguồn trong và đối với trường hợp một chiều có tính chất vật lý không phụ thuộc vào nhiệt độ ta có :

τ λ

τ λ

∂

∂ +

∂

z

t y

t x

t

.

2 2 2 2 2

2

(2.6)

Phương trình tương tự phương trình (2.5) là phương trình điện tích Phương trình này đúng với mạch điện có điện trở và điện dung phân bố đều khi bỏ qua cảm ứng

d d d

Mô hình điện bao gồm hàng trăm cây số dây dẫn là điều không thực tế

và không mong muốn do đó giải pháp thực tiễn duy nhất ở đây là sử dụng các

điện trở bình thường dưới dạng một mạch nối tiếp có gắn các điện dung ở các

điểm nút như ở hình H.2.1 Nếu chuyển phân tố thể tích dạng vô hạn thành phân tố thể tích hữu hạn thì dx được thay bằng ∆x, khi đó phương trình biểu diễn mật độ dòng nhiệt ổn định truyền qua một đơn vị diện tích của phân tố thể tích q, lượng nhiệt tích lại trong phân tố ứng với một đơn vị diện tích qt

được viết dưới dạng

x

t q

q t = ∆ (2.10) Với kí hiệu: Ct = c.ρ.∆x = c.ρ.∆x (2.11)

Thì

τ

d

dt C

q t = t. (2.12)

i= d. (2.13)

Sự tương tự từng thành phần một giữa phương trình (2.12) và (2.13) là rõ ràng, do đó nhiệt dung của phân tố thể tích sẽ được biểu diễn bằng điện dung trong một mô hình điện, được gọi là tụ điện Tụ thường được sử dụng rộng rãi nhất là tụ điện phân, có hai cực (+) và (-) Nối một cực với dây nối đất thì ở cực kia xuất hiện một điện áp tỷ lệ thuận với điện tích và tỷ lệ nghịch với điện dung của tụ

Uc = Q/C (2.14)

Những phương trình toán học được nêu ở trên là cơ sở để khẳng định sự tương tự giữa hai hiện tượng dẫn nhiệt và dẫn điện Trên cơ sở này có thể xây dựng một mạch điện RC biểu diễn phân bố nhiệt độ theo thời gian trong một vật rắn

2.2.2 Các đại lượng không thứ nguyên

Như trên đã trình bày, hiện tượng dẫn nhiệt và dẫn điện hoàn toàn tương

tự nhau về mặt toán học vì vậy các phương trình đó hoàn toàn có thể đồng nhất được khi chuyển về dạng không thứ nguyên

Các đại lượng vật lý có thể chia thành hai nhóm: nhóm các đại lượng

độc lập và nhóm các đại lượng không độc lập Đối với quá trình trao đổi nhiệt nhóm các đại lượng độc lập là: chiều dài L, khối lượng M, thời gian τ, nhiệt lượng Q, nhiệt độ θ và các đại lượng không độc lập là hệ số toả nhiệt α, hệ số dẫn nhiệt độ a… Tương tự như vậy, đối với quá trình dẫn điện, nhóm các đại lượng độc lập là chiều dài L, thời gian τ, điện áp U, cường độ dòng điện A và các đại lượng không độc lập là điện trở R, điện dung C…, các đại lượng này và thứ nguyên của nó được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Các đại lượng nhiệt, điện và thứ nguyên của nó

Ta lập tích của các đại lượng này dưới dạng hàm mũ với các số mũ chưa

xác định nào đó:

Đối với các đại lượng nhiệt:

θo p n

l u n

Các đại lượng nhiệt Các đại lượng điện

hiệu

Thứ nguyên

s A

.

7 Hệ số toả

sK m

Vì cần tìm các tổ hợp thứ nguyên nên cần đồng nhất 0 với số mũ của từng đại lượng:

Với θ: o - v - x - z = 0 Với L: p - v - 2w - 3y - 2z = 0 Với T: u - v - w -z = 0 Với Q: v + w + x + z = 0 Với M: y - x = 0 Tất cả tồn tại 8 đại lượng nhưng số phương trình để xác định các số mũ

là 5 nên để giải được phương trình cần chọn 3 biến tuỳ ý Chọn w, y, z để biểu diễn tất cả các số biến còn lại qua chúng

γ = (2.18) Chọn y = 1, w = 0, z = 0 thì (2.17) có dạng:

l

n n

n

n n

.

.

2

τ λ τ

l

a

F τ

= (2.19) Chọn z = 1, w = 0, y = 0 thì (2.17) có dạng:

λ

α α

l

B = (2.20) Đối với các đại lượng điện

uo p d

l v d

d

r x d

c iy z

a

R (2.21) Thay các công thức thứ nguyên của các đại lượng vật lý vào (2.22):

Vo.Lp.Tv.Ay.(V.A-1.L-1)w.(A.T.V-1.L-1)x.(V.A-1)z

Vo + w – x + z.Lp – w – x.T v + x.Ay – w + x – z (2.22)

Tương tự như với các đại lượng nhiệt để tìm các tổ hợp không thứ nguyên phải đồng nhất 0 với các số mũ của từng đại lượng:

V: o + w – x + z = 0 L: p – w – x = 0 T: v + x = 0 A: y – w + x – z = 0 Tất cả tồn tại 7 đại lượng nhưng chỉ có 4 phương trình, nên để xác định các đại lượng phải chọn 3 biến tuỳ ý Chọn x, y, z để biểu diễn tất cả các số

d r c l

τ

.

2

d r c l

τ

.

2

ta có:

d d d

d D

c r l

F

.

2 0

l d.d. ta có:

i r l

u

d d D

.

a

r l R

a

r l

R ta có

a

d d iD

R

r l

B = . (2.26) Sau khi biến đổi ta xác định được các tổ hợp không thứ nguyên của hai

đại lượng nhiệt và điện, được ghi trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Tổ hợp không thứ nguyên của hai đại lượng nhiệt và điện

i r l

u

d d D

.

d D

c r l

F

.

2 0

R

r l

B = .

Khi giữa hai lĩnh vực vật lý tồn tại sự tương tự thì các tổ hợp không thứ nguyên tương ứng có giá trị bằng nhau về đại số và trong trường hợp này ta nhận được các biểu thức sau:

Cho γN = γD

i r l

u q

l n. d.d.

.

= λ

i R

q l

u D

n

.

λ

Với: RD = ld.rd

Đặt m1 =

i R

q l

u D

n

.

λ

n

n

c r l l

a

.

.

2 2

τ τ

d

d d n

d

n

C R a

l

.

2

= τ τ

Với: RD = ld.rd và CD = ld.cd

Đặt m2 =

d

d d n

d

n

C R a

l

.

2

= τ

α

.

.

.

n

D a a

d d n

l

R R R

r l l

Phần tiếp theo sẽ trình bày công thức xác định các thông số của mô hình điện dùng để nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt không ổn định trong kết cấu

2.3 Xác định các thông số của mô hình điện

2.3.1 Thông số của mô hình điện và thông số của mô hình nhiệt

2.3.1.1 Hằng số thời gian của một phân tố RC đơn giản

Xét một phân tố RC đơn giản bao gồm một tụ điện C được nối với nguồn

điện áp thông qua một điện trở R được mô tả ở hình H.2.3 tích số RC (Ohm.Farad) có thứ nguyên ‘giây’ và được gọi là hằng số thời gian τ0

R

U U

τ = 0 → U = 0

τ = ∞ → U = U0

Để điện áp U đạt được giá trị U0, về lý thuyết, cần một thời gian rất dài Tuy nhiên nếu xét tỷ số U/U0 sau các khoảng thời gian khác nhau ta thấy rằng:

Khi:

τ = τ0 thì U/U0 = 0,632 hay 63%

τ = 4τ0 thì U/U0 = 0,981 hay 98%

τ = 5τ0 thì U/U0 = 0,993 hay 99%

Như vậy sau khoảng thời gian τ = 5τ0 thì điện áp U đạt giá trị thấp hơn

điện áp cấp là 1% Lúc này có thể coi như tụ đã tích đầy, vì vậy có thể giả

thiết rằng giá trị cuối cùng của điện áp sẽ đạt được sau khoảng thời gian τ =

5τ0

Ngược lại khi ngắt nguồn, tụ phóng điện và điện áp U giảm dần từ giá

trị UC ban đầu đến 0 Phương trình biểu diễn sự biến thiên điện áp U khi ngắt

diễn trên trục thời gian logarit các quá trình nhiệt từ trạng thái cân bằng này

tới trạng thái cân bằng khác

2.3.1.2 Hằng số thời gian của kết cấu và hằng số thời gian mô hình

Hằng số thời gian của kết cấu và hằng số thời gian của mô hình điện

được xác định nhờ công thức thứ nguyên biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng

nhiệt và đại lượng điện

Với một phân tố bất kỳ của kết cấu nhiệt lạnh sẽ có hằng số thời gian:

CN: Lượng nhiệt tích trong phân tố thể tích hay còn gọi là nhiệt dung của phân tố thể tích

Vậy nếu xét cho toàn bộ hệ thống thì RN và CN là tổng nhiệt trở và tổng nhiệt dung của từng thành phần trong hệ thống đó Ví dụ xét một kết cấu hai lớp:

2 2 1

1

λ

x x

D

N

τ

τ τ

τ

=

0 0

τN, τD: thời gian của hệ thống nhiệt và mô hình điện

τ0N, τ0D: hằng số thời gian của hệ thống nhiệt và mô hình điện

Để tính hằng số thời gian của mô hình điện theo hướng dòng nhiệt phải

sử dụng tổng của tất cả các điện trở mắc nối tiếp và tổng của tất cả các tụ điện mắc trên mạch Tích của hai tổng này cho ta hằng số thời gian của mô hình

Như vậy muốn tính RD, CD cho toàn mạch điện thì lấy hằng số thời gian

τ0D chia cho một đại lượng đã biết

2.3.2 Xác định các đại lượng của mô hình điện

2.3.2.1 Xác định giá trị điện dung C D và điện trở R D của mô hình điện tương ứng với kết cấu nhiệt lạnh

Thay các quan hệ đã được xác định ở mục (2.22):

D D

t

d

du m

m C dm

u dm C q

τ

.

.

3 1 3

.

m R

q R i

m R

q l i

D N

D n

Xác định điện trở chuyển tiếp Ra ứng với nhiệt trở trao đổi nhiệt từ bề mặt kết cấu ra môi trường

Sử dụng công thức (2.30):

α α

λ

.

.

N D

n a

R

R l

R

R = = (2.39) Trong đó:

Ra: Điện trở chuyển tiếp do toả nhiệt

RN: Tổng nhiệt trở của kết cấu

α: hệ số toả nhiệt từ vách ra môi trường

Trên đây đã thiết lập được mối quan hệ giữa các đại lượng nhiệt và điện, cơ sở để xây dựng một mô hình điện nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt không ổn

định xảy ra trong kết cấu nhiệt-lạnh Việc thành lập mô hình điện cũng như áp dụng nó trong nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt ổn định sẽ được trình bày ở những phần tiếp theo

3 Nghiên cứu thực nghiệm chế độ nhiệt không ổn định của một thiết bị lạnh

3.1 Mục đích và yêu cầu

Để có số liệu kiểm tra, đánh giá, so sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp mô hình điện cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm hoặc trên các thiết bị thực tế hoặc trên các mô hình trong phòng thí nghiệm Tiến hành

đo đạc trực tiếp trên thiết bị thực tế là điều đặc biệt khó khăn do khó có sự cho phép của cơ sở sản xuất và không được hay không thể đưa đầu đo vào kết cấu

để xác định biến thiên nhiệt độ Mặt khác, độ tin cậy của các phương pháp đo thực tế cũng rất khó đảm bảo do tính không ổn định của quá trình công nghệ

được tiến hành trên thiết bị đó Vì vậy bên cạnh việc xác định biến thiên nhiệt

độ trong các kết cấu của một số hệ thống đặc trưng: Kho lạnh, lò nung đốt bằng nhiên liệu và lò điện trở cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong thí nghiệm

Để việc so sách, đánh giá có ý nghĩa thì các kết quả đo đạc phải có độ tin cậy cao và mang đặc trưng của chế độ nhiệt không ổn định trong các kết cấu, do đó mô hình thực nghiệm phải đảm bảo các yêu cầu sau :

- Đồng dạng về hình học với phần lớn các không gian nhiệt - lạnh trong thực tế

- Cho phép xác định chính xác trường nhiệt độ trong quá trình đốt nóng và làm lạnh

- Đơn giản về kết cấu và đo đạc nhưng đảm bảo độ bền cơ, nhiệt để có thể làm thí nghiệm trong môi trường có nhiệt độ khác nhau trong thời gian lâu dài

3.2 Mô hình thí nghiệm

3.2.1 Cấu tạo thiết bị

Do đã có một mô hình đốt nóng trong phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh [10] nên đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là

không gian và kết cấu lạnh Mô hình được xây dựng mới phải đảm bảo phù hợp với một thiết bị công nghệ thực tế và có công suất, kích thước đủ lớn để

đảm bảo độ tin cậy khi kiểm chứng kết quả mô phỏng với kết quả thực tế Mô hình là máy sản xuất đá cây được chế tạo từ máy điều hoà nhiệt độ một cục công suất 12000 BTU/h tại xưởng thực hành của bộ môn Kỹ thuật nhiệt, Trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội Sơ đồ cấu tạo của thiết bị được mô tả trên hình H.3.1

H.3.1: Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm 1- quạt gió dàn ngưng; 2- máy nén kín (lốc); 3- vách gỗ dày 1,3 cm; 4- lớp cách nhiệt bằng Polyurethane; 5- thành bể bằng inox; 6- dàn bay hơi; 7- cánh khuấy nước muối; 8- chân đế; 9- dung dịch nước muối; 10- động cơ cánh khuấy; 11- nắp bể bằng gỗ; 12- ống mao; 13- phin sấy lọc; 14- ống đẩy; 15- dàn ngưng

3.2.2 Đặc trưng của thiết bị thí nghiệm

Máy đá được chế tạo từ máy điều hòa nhiệt độ một cục công suất 12000 BTU/h (35167W) với chế độ tiêu chuẩn: t0 = 50C, tk = 350C, tqn = 150C, tql =

300C Máy được thiết kế để chạy ở chế độ làm đá với thông số thiết kế: t0 = -

150C, tk = 450C, tqn = 00C, tql = 380C [3] Công suất lạnh thực tế của máy là Q0

= 1440 W (các bước tính toán được trình bày ở phần sau)

Hình ảnh thiết bị thí nghiệm thể hiện trên H.3.2

H.3.2: Hình ảnh thiết bị thí nghiệm

Dàn ngưng của máy được giữ nguyên, còn dàn lạnh được uốn từ ống

đồng φ10 làm nhiều hàng trải đều trên mặt đáy bể đá và đặt cách mặt đáy của

bể là 4 cm ống mao được cân theo kinh nghiệm và lắp vào hệ thống

Cánh khuấy được làm bằng inox, công suất động cơ cánh khuấy là 150W Với dung tích bể nhỏ và sâu nên để thuận lợi cho việc lắp đặt đã chọn phương án cách khuấy để đứng mà vẫn đảm bảo độ đồng đều của nước muối

Bể đá được làm bằng inox có độ dày là 0,7 mm, kích thước WxHxD = 800x540x700 mm, để có thể coi tiếp xúc giữa các lớp vật liệu là lý tưởng bể

đá được cách nhiệt bằng một lớp cách nhiệt điền đầy Polyurethane dày 10 cm, lớp ngoài cùng là gỗ dán có độ dày 1,3 cm, nắp bể được làm bằng một lớp gỗ

có độ dày 1,5 cm

Thông số kết cấu và tính chất vật lý của vật liệu làm vách bể đá được trình bày trong bảng 3.1 [1], [13], [20], còn hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt Polyurethan, lớp gỗ thành bể, nắp bể trình bày trong bảng 3.1 được xác định theo phương pháp que thăm và phương pháp nguồn bề mặt, thiết bị do Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh chế tạo

Bảng 3.1: Thông số kết cấu và tính chất vật lý của vật liệu chế vách bể đá

3.3.1 Chuẩn bị dụng cụ đo

Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là xác định trường nhiệt độ không ổn

định trong kết cấu cách nhiệt, nên thiết bị đo chủ yếu trong nghiên cứu nghiệm là thiết bị đo nhiệt độ

Theo [4] tuỳ theo phạm vi nhiệt độ có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba giải: Nhiệt độ thấp, nhiệt

độ trung bình và cao

ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay trong môi trường cần đo

Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đo đặt ngoài môi trường đo Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc, có hai loại: nhiệt kế điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Khi

đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao nhiệt Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất Cặp nhiệt, được chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Tức là khi một đầu của hai thanh kim loại khác nhau về bản chất được hàn với nhau thì giữa hai đầu còn lại của hai thanh kim loại sẽ xuất hiện một sức điện

động, độ lớn của sức điện động này phụ thuộc vào nhiệt độ tại mối hàn Từ nguyên lý này người ta đã chế tạo một số cặp nhiệt có độ chính xác tương đối cao như cặp: XA (Cromen – Alumen), cặp nhiệt XK(Cromen – Copen), cặp

T (Cu- Hợp kim Cu-Ni)…

Với đặc điểm của đối tượng nghiên cứu trong thí nghiệm này là chế độ nhiệt không ổn định nên để kết quả đo có độ chính xác cao cần thời gian trễ nhiệt của thiết bị đo nhỏ, và đầu cảm biến nhiệt phải nhỏ để có thể gắn lên bề mặt vách và để đưa sâu vào trong vách Thoả mãn yêu cầu này ta dùng cặp nhiệt T với đường kính dây 0,2 mm, cặp nhiệt T có một cực là Cu, một cực là hợp kim của 55%Cu và 45%Ni Hai đầu của dây cặp nhiệt được hàn bằng phương pháp hồ quang điện trong bột graphít, đầu cặp nhiệt sau khi hàn có hình giọt nước có đường kính 0,4 mm

Cặp nhiệt được nối thông qua một hộp chuyển đổi có một công tắc chuyển mạch tám vị trí để có thể đo được tám vị trí khác nhau sau đó được

đưa tới bộ hiển thị có độ phân giải nhiệt độ 0,10C trong phạm vi từ -200 đến

2000C