NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo cấu TRÚC mới CHO mái XE ô tô NHẮM mục ĐÍCH NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGĂN CHẶN DÒNG NHIỆT KHÔNG MONG MUỐN vào KHÔNG GIAN CABIN

M CL C
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
C m t ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ...................................................................................... viii
Danh sách các hình .................................................................................................... ix
Danh sách các b ng ..................................................................................................xii
Chương 1 ..................................................................................................................... 1
Tổng quan ................................................................................................................... 1
1.1 Tổng quan tình hình nghiên c u thuộc lĩnh vực c a đề tài ở trong và ngoài
nước ............................................................................................................................. 1
1.2 Tính cấp thiết c a đề tài ....................................................................................... 6
1.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên c u ................................................................. 6
1.4 Nhiệm vụ nghiên c u và giới h n c a đề tài ........................................................ 7
1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên c u .............................................................. 8
1.6 Kế ho ch thực hiện ............................................................................................... 9
Chương 2 .................................................................................................................. 10
Vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới c a mái xe ô tô ......................................... 10
2.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM) ............................................... 10
2.2 Cơ sở lý thuyết chọn PCM đ lưu nhiệt ............................................................. 12
2.3 Phương trình truyền nhiệt c a PCM ................................................................... 19
2.4 Kết cấu lớp mái xe ô tô ....................................................................................... 20
Chương 3 ……………………………………………………………………….…..25

Phương pháp và thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 25

vi


3.1 Trang thiết bị thí nghiệm .................................................................................... 25
3.2 Chuẩn bị mô hình mô phỏng và thí nghiệm ....................................................... 27
3.3 Phần mềm mô phỏng .......................................................................................... 29
3.4 Phương pháp thí nghiệm .................................................................................... 29
3.5 Mô hình toán học ............................................................................................... 31
3.6 Xác định lượng Paraffin cần sử dụng ................................................................. 36
Chương 4 .................................................................................................................. 38
Mô phỏng và thí nghiệm quá trình lưu giữ nhiệt c a kết cấu mái xe ....................... 38
4.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 38
4.2 Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ng với các kết cấu khác nhau c a mái xe ... 39
4.3 Kết qu thực nghiệm .......................................................................................... 46
4.4 So sánh kết qu mô phỏng và thực nghiệm ....................................................... 50
Chương 5 .................................................................................................................. 56
Kết luận và hướng phát tri n .................................................................................... 56
5.1 Kết luận .............................................................................................................. 56
5.2 Hướng phát tri n ................................................................................................ 56
Tài liệu tham kh o .................................................................................................... 57

vii


DANH M C CHỮ VIẾT TẮT
PCM : Phase Change Material
ADAM: Advantech ADAM
PDE: Partial Differential Equations

CAD: Computer Aided Design

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: PCM -

ng dụng trong y tế ..................................................................... 2

Hình 1.2: PCM -

ng dụng sưởi ấm .......................................................................... 2

Hình 1.3: PCM -

ng dụng làm mát .......................................................................... 3

Hình 1.4: PCM -

ng dụng làm mát trong áo ............................................................ 3

Hình 2.1: Chu trình làm việc c a PCM .................................................................... 11
Hình 2.2: Sơ đồ phân lo i PCM ............................................................................... 12
Hình 2.3: Hình nh sáp Parafin C22H46 .................................................................... 17
Hình 2.4: Đóng gói PCM trong Polymer ................................................................. 18

Hình 2.5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép ................................................... 18
Hình 2.6: Đóng gói PCM trong ống kim lo i .......................................................... 18
Hình 2.7: Dán kính (phim) cách nhiệt hoặc miếng dính ph n quang ...................... 20
Hình 2.8: Hình nh kết cấu c a mái xe thông thường ............................................. 22
Hình 2.9: Kết cấu c a mái xe thông thường ............................................................ 23
Hình 2.10: Hình nh kết cấu mới c a mái xe .......................................................... 23
Hình 2.11: Cấu trúc hình vuông ............................................................................... 24
Hình 2.12: Cấu trúc hình tròn .................................................................................. 24
Hình 2.13: Kết cấu mới c a mái xe .......................................................................... 24
Hình 3.1: Cặp nhiệt điện .......................................................................................... 26
Hình 3.2: Đèn halogen ............................................................................................. 26
Hình 3.3: Bộ chuy n đổi tín hiệu ............................................................................. 26
Hình 3.4: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm ....................................................................... 26
Hình 3.5: Minh họa mô hình bình thường .............................................................. 27
Hình 3.6: Minh họa mô hình mới th nhất ............................................................. 27
Hình 3.7: Minh họa mô hình mới th hai ............................................................... 28
Hình 3.8: Mô hình thí nghiệm có/ không có PCM ............................................... 28
Hình 3.9: Hệ thống thí nghiệm với mô hình bình thường ........................................ 30

ix


Hình 3.10: Hệ thống thí nghiệm với mô hình có lớp PCM ...................................... 31
Hình 4.1: Mật độ thông lượng nhiệt c a mô hình mô phỏng ................................... 40
Hình 4.2: Mô hình chia lưới mái xe thông thường ................................................. 41
Hình 4.3: Mô hình chia lưới kết cấu 1 ...................................................................... 41
Hình 4.4: Mô hình chia lưới kết cấu 2 ..................................................................... 42
Hình 4.5: Phân bố nhiệt độ trên lớp mái xe thông thường ...................................... 43
Hình 4.6: Phân bố nhiệt lượng trên lớp mái xe thông thường ................................ 43
Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ c a lớp mái xe trong kết cấu 1 ..................................... 44

Hình 4.8: Phân bố nhiệt lượng c a lớp mái xe trong kết cấu 1 ................................ 44
Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ c a lớp mái xe trong kết cấu 2 ..................................... 45
Hình 4.10: Phân bố nhiệt lượng c a lớp mái xe trong kết cấu 2 ............................. 45
Hình 4.11: Mô hình thí nghiệm kết cấu mái xe có / không có PCM ...................... 47
Hình 4.12: Giao diện đo nhiệt độ ………………………………………………….47
Hình 4.13: Bi u đồ đáp ng nhiệt độ c a mô hình có / không có PCM
(không có gió bên ngoài)………………………………………………………..….48
Hình 4.14: Đáp ng nhiệt độ c a mô hình có / không có PCM
( có gió bên ngoài)………………………… ………………………….……….…..50

x


DANH SÁCH CÁC B NG
HÌNH

TRANG

B ng 1.1 Kế ho ch thực hiện luận văn ……………………………………… . …….9
B ng 2.1 Số liệu một số vật liệu chuy n pha ............................................................ 15
B ng 2.2 Đặc tính lý nhiệt c a Parafin C22H46 ................................................. ……17
B ng 2.3 Hấp thụ c a các màu sơn ………………………………………… . ……21
B ng 4.1 Thông số vật liệu dùng trong mô hình ...................................................... 39
B ng 4.2 Tổng hợp nhiệt độ …………………………………… ......... ……………46
B ng 4.3: Trích các kho ng thời gian thí nghiệm…………………………… . ……49
B ng 4.4: So sánh kết qu thí nghiệm ………………………………. …………….52
B ng 4.5: nh hưởng c a nhiệt độ môi trường xung quanh ………………… …...53
B ng 4.6: nh hưởng cu tốc độ gió ……………………………… . …………….54
B ng 4.7: nh hưởng cu nhiệt độ nóng ch y ………………… . ………………...54
B ng 4.8: nh hưởng bởi nhiệt ẩn c a PCM …………………… . ………………..55

xi


Ch

ng 1

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

c

1.1.1 Tình hình nghiên c u ngoài nước
Năng lượng là nguồn sống c a tất c các ho t động c a con người trên trái
đất. Nhưng sự gia tăng liên tục m c độ phát th i khí nhà kính và h n chế nguồn tài
nguyên nhiên liệu liên quan đến vấn đề tăng giá nhiên liệu chính là những động lực
đ sử dụng hiệu qu hơn các nguồn năng lượng tái t o. Trên thế giới đư có rất nhiều
bài báo công bố các kết qu về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha (vật liệu chuy n
pha) t o ra những kết cấu ưu việt đ lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích sưởi
ấm và làm mát không gian sống nhằm tiết kiệm nhiên liệu và b o vệ môi trường.
Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material) đư được nghiên c u gần 40 năm
và nó đư được ch ng minh là một trong những gi i pháp hữu ích trong một số lĩnh
vực nghiên c u, ng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt với những thành công lớn như:
thiết bị điện l nh, tấm pin mặt trời, các hệ thống sàn b c x , sưởi ấm và làm mát các
công trình xây dựng [1 .
Vật liệu biến đổi pha rất phong phú và đa d ng. Đ phù hợp với một ng dụng
nhất định, vật liệu biến đổi pha được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ nóng ch y (chuy n
pha) c a vật liệu, dung lượng ẩn nhiệt chuy n pha c a vật liệu và điều kiện làm việc,

điều kiện thời tiết c a từng khu vực. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên vật liệu sẽ hấp
thụ nhiệt rồi lưu trữ nhiệt trong một thời gian nhất định và khi mà nhiệt độ bên ngoài
gi m xuống thì nó l i phát nhiệt đ trở về tr ng thái ban đầu [2 . Những vật liệu tan
ch y ở nhiệt độ dưới 15°C được sử dụng cho việc lưu trữ l nh trong các ng dụng
điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan ch y trên 90°C được sử dụng đ hấp
thụ l nh. Vật liệu biến đổi pha được ng dụng trong nhiều lĩnh vực đ b o qu n thực
phẩm, đồ uống, các s n phẩm sữa…

ng dụng trong ngành y tế đ vận chuy n máu,

vacxin và phương pháp điều trị nóng l nh [3 …
1


Hình 1.1: PCM -

ng dụng trong y tế

Tất c các vật liệu tan ch y ở nhiệt độ từ 15°C đến 90°C được áp dụng trong
các ng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên c u t i
Ningpo, Đ i học Nottingham Trung Quốc, đư chế t o vật liệu biến đổi pha mới điều
ch nh nhiệt có th cắt gi m chi phí cho quá trình sưởi ấm và làm mát cho các tòa nhà
trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Hình 1.2: PCM - ng dụng sưởi ấm

2


Hình 1.3: PCM - ng dụng làm mát

Lo i vật liệu mới này có kh năng lưu giữ nhiều năng lượng hơn mà l i ph n
ng với nhiệt nhanh hơn các vật liệu thông thường và được s n xuất với giá thành
thấp. Cấu trúc cơ b n c a vật liệu được điều ch nh ở m c nhiệt độ cụ th trước khi
vật liệu được sử dụng. Nhóm nghiên c u đ ng đầu là GS. Jo Darkwa, Giám đốc
Trung tâm công nghệ năng lượng bền vững hiện đang nghiên c u chế t o vật liệu
dùng cho các ng dụng sưởi ấm và làm mát.

Hình 1.4: PCM - ng dụng làm mát trong áo

3


Nhiều nhà khoa học và tổ ch c quốc tế cũng đầu tư vào nghiên c u, phát
tri n và ng dụng PCM trong lưu trữ năng lượng. Đặc biệt kết qu c a công trình
Phase Change Materials Based On Polyethylene, Paraffin Wax and Wood Flour c a
Mfiso Emmanuel Mngomezulu (B.Sc. Hons.) t i Univerrity of the Free State
(WAQWA CAMPUS) đư t o đà cho các ng dụng c a PCM trong xây dựng, lưu trữ
năng lượng... Các kết qu c a nhóm tác gi càng khẳng định tính ưu việt c a PCM
khi mà thế giới đang hướng tới xu thế phát tri n năng lượng bền vững đ gi m thi u
hiệu ng nhà kính và gi m thi u việc sử dụng nhiên liệu truyền thống đang dần bị
c n kiệt.
Trên thế giới vật liệu biến đổi pha đư được nghiên c u, phát tri n và ng dụng
rất nhiều trong các lĩnh vực c a xã hội nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống hướng
tới phát tri n bền vững năng lượng xanh và s ch.
1.1.2 Tình hình nghiên c u trong nước
Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đư sớm được Bộ khoa học và công
nghệ giới thiệu qua Hội th o “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ
thuật viên và các nhà qu n lý đư tham dự. Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi
đầu trong việc nghiên c u, ng dụng vật liệu mới và đư nghiên c u, so sánh kh
năng lưu trữ năng lượng nhiệt đ làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông

nghiệp, th y s n….
- Sau hơn 2 năm nghiên c u, thử nghiệm t i Hà Nội và tri n khai thử nghiệm
t i một số địa phương khan hiếm nước ngọt ven bi n c a t nh Bến Tre và Thừa
Thiên Huế, đến tháng 3 năm 2007 nhóm tác gi t i Viện Hoá học đư ng dụng thành
công vật liệu chuy n pha trữ nhiệt vào công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước bi n
bằng năng lượng mặt trời, đ t 6-8 lít/m2/ngày, hiệu qu gấp đôi so với công nghệ
truyền thống. Công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước bi n bằng năng lượng mặt trời
cũng như công nghệ tích trữ nhiệt bằng vật liệu chuy n pha đ ng riêng lẻ là không
mới. Nhưng vấn đề kết hợp 2 công nghệ với nhau là một ý tưởng hoàn toàn mới. Sự
kết hợp này cho phép tận thu nhiệt lượng dư thừa khi trời nắng to đ sau đó tái sử
dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuy n pha trữ nhiệt đ m nhiệm. Nhờ vậy, khác với
4


các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có ch ho t động khi có mặt
trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục ho t động ngay c khi trời đư tắt
nắng.
- Luận văn tốt nghiệp cao học c a học viên NGUY N TH H NG NHUNG
(ĐH Đà Nẵng): “ Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng
lượng mặt trời”. Luận văn này đư đề cập đến cơ sở c a việc tính toán, thiết kế thiết
bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy h i s n có sử dụng
Paraffin đ trữ nhiệt. Tuy nhiên, đề tài này ch tính toán được thời gian tích trữ, gi i
phóng năng lượng c a Parafin trong Collector tấm phẳng đ sấy h i s n.
- Báo cáo đề tài Khoa học và Công nghệ “ ng dụng vật liệu biến đổi pha PCM
làm mát tòa nhà tr m vi n thông” do VNPT Đồng Nai thực hiện. Nội dung nghiên
c u c a đề tài là tiến hành thực nghiệm kh năng ng dụng các tấm panel vật liệu
biến đổi pha PCM đ làm mát thiết bị vi n thông trong các nhà tr m vi n thông
Đồng Nai nhằm gi m chi phí nhiên liệu, điện năng và điều hòa không khí. Nhưng đề
tài báo cáo ch

ng dụng PCM trong làm mát, còn những h n chế về nội dung và tính

toán mô phỏng.
Tuy nhiên, đến hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa được ng dụng nhiều
trong các lĩnh vực, phần lớn các đề tài ch sử dụng vật liệu biến đổi pha theo hướng
lưu trữ nhiệt lượng bằng thực nghiệm mà chưa khai thác hiệu qu tiềm năng c a vật
liệu.
Qua thời gian kh o sát thông tin từ những t p chí và các trang thông tin
() nhưng vẫn chưa tìm thấy thông tin viết về vấn đề mà chúng
tôi đang nghiên c u. Vì vậy, có th nói chúng tôi là một trong những nhóm tiên
phong trong việc nghiên c u về kết cấu mới cho mái xe ô tô có sử dụng vật liệu biến
đổi pha nhẳm mục đích ngăn dòng nhiệt xâm nhập vào không gian cabin, tiết kiệm
nhiên liệu cho hệ thống làm mát, t o không gian tho i mái khi chúng ta sử dụng ô tô
làm phương tiện lưu thông đồng thời gi m thi u lượng khí th i và góp phần b o vệ
môi trường.

5


1.2 Tính c p thi t c a đ tài
Như đư trình bày ở trên, hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa thực sự được
ng dụng rộng rưi trong các lĩnh vực đời sống trong khi hiệu qu c a vật liệu này đ t
được là rất lớn. Hầu hết các công trình ch

ng dụng vật liệu theo kinh nghiệm mà

chưa lựa chọn lo i vật liệu biến đổi pha phù hợp với một ng dụng nhất định đ khai
thác hết hiệu qu mà vật liệu biến đổi pha mang l i. Đây cũng là lo i vật liệu mà kh
năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu khác khó có th so
sánh được. Không những góp phần b o vệ môi trường mà so với những phương pháp

chống nóng khác cho xe ô tô thì việc đưa vật liệu biến đổi pha vào kết cấu mái xe đ
chống nóng không quá ph c t p nhưng đem l i hiệu qu thiết thực đồng thời gi m
chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu đ làm mát.
1.3 M c tiêu đ tƠi, đối t

ng nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu đề tài
Nghiên c u kh năng lưu giữ nhiệt c a chất biến đổi pha (PCM) đ giữ nhiệt
với kết cấu mới c a mái xe ô tô có lớp vật liệu biến đổi pha nhằm ngăn dòng nhiệt
không mong muốn khi nhiệt độ môi trường tăng cao. Kết cấu mới này rất phù hợp
với điều kiện thời tiết ở Việt Nam, đặc biệt là ở khu vực miền Nam với d i nhiệt độ
trong kho ng 250 – 400C.
1.3.2 Đối tượng nghiên c u
Mô hình kết cấu mới c a mái xe ô tô bao gồm:
-

Lớp mái bằng thép

-

Lớp cách nhiệt

-

Lớp vật liệu biến đổi pha (PCM)

-

Lớp v i len

Phương pháp mô phỏng các mô hình với kết cấu mới c a lớp mái xe nhằm dự đoán
kết qu lưu giữ và ngăn dòng nhiệt đi vào không gian cabin đ ổn định nhiệt độ, t o
không gian tho i mái cho người sử dụng phương tiện.

6


1.4 Nhi m v nghiên cứu và gi i h n c a đ tài
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên c u
-

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

-

Tìm hi u về kết cấu c a mái xe thông thường trên thị trường với các cách
chống nóng đang được áp dụng hiện t i.

-

Phân tích và đề xuất kết cấu cho mái xe khi có thêm lớp vật liệu biến đổi pha
với các phương án bố trí vật liệu theo nhiều d ng khác nhau.

-

Mô phỏng các kết cấu mới này và chọn ra kết cấu kh thi phù hợp với thông
số, hình dáng c a một chiếc xe.

-

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

-

Tổng kết và đưa ra phương án tối ưu.

1.4.2 Giới h n đề tài
-

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

-

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

-

Các đèn được cố định ở kho ng cách nhất định và chiếu sáng liên tục trong
thời gian 4 giờ với cùng một nguồn điện đư cung cấp đ các b c x đ t tới
trung bình và được duy trì kho ng 950W/m2 khi được bật.

-

Nhiệt độ c a không khí xung quanh toàn bộ hệ thống thí nghiệm luôn luôn
được giữ kho ng 250C và thực hiện trong điều kiện không có gió đ đ m b o
b c x và đối lưu di n ra tự nhiên và được ổn định.

7


1.5 Cách ti p c n, ph

ng pháp nghiên cứu

1.5.1 Cách tiếp cận
Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích, mô
phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm ki m ch ng kết qu và đưa ra dự đoán.
1.5.2 Phương pháp nghiên c u
1.5.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật vật liệu biến đổi
pha đ đ m b o tính đa d ng và vận dụng được các kết qu c a các nghiên c u mới
nhất trong thời gian gần đây sao cho phù hợp với nội dung nghiên c u c a đề tài.
1.5.2.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết qu và thất b i trong quá trình thực nghiệm, từ đó lựa chọn
được kết cấu phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết qu thí nghiệm.
Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau c a lớp vật liệu.
1.5.2.3 Phương pháp phân tích so sánh
Dựa trên các kết qu về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 thiết kế c a
lớp vật liệu về các yếu tố:
-

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

-

Sự truyền nhiệt vào không gian cabin.

-

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

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

8


1.6 K ho ch thực hi n
Kế ho ch thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong b ng 1.1
STT

Nội dung công việc

Thời gian thực hiện

1

Tổng quan

09/2014

2

Vật liệu biến đổi pha và ng dụng

trong kết cấu mới c a mái xe ô tô

10/2014 – 12/2014

3

Phương pháp và thiết bị thí nghiệm

1/2015 – 03/2015

4

Mô phỏng và thí nghiệm kết cấu mới

04/2015 – 07/2015

5

Kết luận và hướng phát tri n

08/2015

B ng 1.1: Kế ho ch thực hiện luận văn

9

Ghi chú


Chương 2

V T LI U BIẾN Đ I PHA TRONG KẾT C U M I
C A MÁI XE Ô TÔ
Chương này sẽ giới thiệu về vật liệu biến đổi pha và vấn đề lựa chọn vật liệu
biến đổi pha phù hợp đ

ng dụng trong kết cấu mới c a mái xe ô tô. Phân tích các

phương án bố trí lớp vật liệu biến đổi pha. Hiện nay phương pháp sử dụng vật liệu
biến đổi pha đ lưu trữ nhiệt đồng thời ngăn nguồn nhiệt không mong muốn do điều
kiện thời tiết quá nắng nóng là một trong những phương pháp mới đang được ng
dụng ngày càng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, tiết kiệm nhiên liệu,
gi m chi phí và b o vệ môi trường.
2.1 Gi i thi u chung v v t li u bi n đ i pha (PCM)
2.1.1 Định nghĩa
PCM là chất có kh năng nóng ch y hoặc đông đặc ở một nhiệt độ nhất định
và trong quá trình đó thì nó có kh năng hấp thụ, lưu trữ và gi i phóng một lượng lớn
nhiệt năng. PCM đóng vai trò là bộ phận giữ nhiệt đ ổn định nhiệt cho hệ thống sử
dụng vật liệu này. Đ lưu trữ và gi i phóng nhiệt, vật liệu biến đổi pha sử dụng liên
kết hóa học và chuy n giao năng lượng x y ra khi vật liệu thay đổi tr ng thái t c là
từ tr ng thái rắn chuy n qua lỏng hoặc ngược l i từ lỏng trở về tr ng thái rắn.
PCM dự trữ nhiệt thông qua quá trình chuy n pha được thực hiện khi chuy n
tr ng thái rắn – rắn, rắn – lỏng, rắn – khí, khí – lỏng. Tuy nhiên khi chuy n pha rắn –
khí hay khí – lỏng nó gây ra sự thay đổi lớn về th tích, còn khi chuy n pha rắn – rắn
thì nó dự trữ được ít nhiệt năng. Do đó chuy n pha rắn – lỏng được sử dụng nhiều
nhất trong các ng dụng ổn định nhiệt độ và đ lưu trữ nhiệt với nhiệt năng lớn kết
hợp với sự thay đổi nhiệt độ khá nhỏ [4 .
PCM làm việc theo một chu trình khép kín: ở tr ng thái rắn PCM hấp thụ nhiệt
khi nhiệt độ tăng lên, rồi tan ch y dần dần và lưu trữ nhiệt trong khỏang thời gian
nhất định cho dù nhiệt độ tiếp tục tăng hơn nữa. Khi nhiệt độ môi trường xung quanh

10


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

rắn

lỏng

Hình 2.1: Chu trình làm việc c a PCM
2.1.2 Phân lo i PCM
Vật liệu biến đổi pha được phân lo i thành nhiều lo i khác nhau. Có hợp chất
hữu cơ và vô cơ, cũng như hỗn hợp eutectic c a các hợp chất này. Tất c chúng khi
cung cấp nhiệt độ sẽ cho giai đo n chuy n tiếp khác nhau. Hình 2.2 đưa ra một sơ đồ
phân lo i PCM đ i diện. Với các chữ in đậm là lo i PCM được chú trọng hơn và ng
dụng trong nghiên c u này. Các hợp chất hữu cơ (Organic compounds) bao gồm các
hợp chất parafin (Parafin compounds) và không parafin (Non - Parafin compounds),
trong khi các hợp chất vô cơ (Inorganic Compounds) bao gồm hydrat muối (Salt
hydrates), kim lo i và hợp kim (Metals and Alloys). Các hợp chất hữu cơ, vô cơ và
hỗn hợp eutectics đư là một ch đề nghiên c u cách đây hơn bốn mươi năm trước.
Trong số ba lo i PCM, hợp chất hữu cơ được nghiên c u rộng rưi nhất, trong đó sáp
Paraffin được đặc biệt quan tâm nghiên c u thời gian gần đây do nó có nhiều tính
chất tiềm năng về nhiệt lý, kỹ thuật, tính kinh tế và d dàng ng dụng mang l i
11


những hiệu qu không nhỏ trong việc sưởi ấm hay làm mát góp phần gi m hiệu ng

nhà kính, phát tri n công nghệ năng lượng xanh bền vững [6 .

Hình 2.2: Sơ đồ phân loại PCM
2.2 C sở lý thuy t ch n PCM đ l u nhi t
PCM thực hiện được hai quá trình đó là lưu trữ và gi i phóng nhiệt. Tuy nhiên
có rất nhiều những yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào lĩnh vực ng dụng PCM. Trong
đề tài này vấn đề chọn lo i PCM phù hợp đ

ng dụng dựa trên các cơ sở sau:

 Nhiệt lý
 Nhiệt dung riêng
 Tính chất hóa học
 Tính kinh tế


ng dụng

Có một d i rộng các vật liệu chuy n pha có nhiệt độ nóng ch y trong kho ng
từ -50 tới 1900C phục vụ cho các ng dụng ổn định nhiệt khác nhau. Vật liệu tan
ch y ở nhiệt độ dưới 150C được sử dụng cho việc lưu trữ l nh trong các ng dụng
12


điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan ch y trên 900C được sử dụng đ hấp
thụ l nh. Tất c các vật liệu tan ch y ở nhiệt độ từ 150C đến 900C được áp dụng
trong các ng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời. Lưu trữ năng
lượng nhiệt là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất khi ng dụng PCM.
Đ phù hợp với một ng dụng nhất định, PCM được lựa chọn trên cơ sở c a
nhiệt độ chuy n tiếp và nhiệt độ nóng ch y ph i phù hợp với nhiệt độ ho t động c a

hệ thống sử dụng chúng. Trong đề tài này vật liệu chuy n pha được lựa chọn ng
dụng trong kho ng nhiệt độ từ 300C đến 700C.
Mục tiêu c a lưu trữ nhiệt lượng là đ t được mật độ lưu trữ cao trong một th
tích tương đối nhỏ. PCM cần ph i có nhiệt độ nóng ch y entanpy cao[ KJ/Kg] và
mật độ th tích entanpy nóng ch y[ KJ/m3] cao[6 .
Hệ thống nhiệt hóa ch có th hấp thụ và gi i phóng năng lượng nhiệt trong
việc phá vỡ và sắp xếp l i liên kết phân tử trong một ph n ng hóa học. Khối lượng
PCM lưu trữ, kh năng thu nhiệt c a ph n ng và m c độ chuy n đổi sẽ là những
nhân tố chính nh hưởng đến tổng số năng lượng nhiệt được lưu trữ [6 . Bên c nh
đó yêu cầu vật liệu có tính chất hóa học ổn định lâu dài, kh năng tương thích với
các vật liệu ch a đựng và thiết bị trao đổi nhiệt, không có độc tính và không có nguy
cơ gây hỏa ho n.
Tính kinh tế cũng là một trong những yếu tố quan trọng đối với ý tưởng sử dụng
PCM đ làm mát không gian trong nhà do b c x nhiệt c a mặt trời. Các lo i PCM
phù hợp với những ng dụng thực tế ph i phong phú, đa d ng, hiệu qu cao và chi
phí thấp.
PCM không th sử dụng như phương tiện truyền nhiệt đơn lẻ. Đ trở thành
một phương tiện truyền nhiệt nó ph i được kết hợp với thiết bị trao đổi nhiệt đ t o
thành lớp ở giữa có th lưu giữ năng lượng nhiệt khi nhiệt độ tăng lên và phát trở l i
môi trường khi nhiệt độ gi m, đặc biệt là kh năng ngăn chặn dòng nhiệt đi vào
không gian sinh ho t c a con người. Tác dụng cách nhiệt được thực hiện bởi một sự
thay đổi về kết cấu mái xe trong đó có một lượng PCM với nhiệt độ nóng ch y trong
ph m vi nhiệt độ mong muốn, một bề mặt trao đổi nhiệt thích hợp, và một kết cấu
ch a PCM tương thích [7 . Do đó ph i xác định đi m nóng ch y cụ th c a PCM đ
13


thiết kế hệ thống lưu trữ nhiệt phù hợp. Các thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng ph i
được thiết kế không quá ph c t p, hiệu qu sử dụng cao.
Trong nghiên c u này chúng tôi chọn vật liệu biến đổi pha với ng dụng điều

hòa nhiệt độ phù hợp với sinh ho t c a con người trong kho ng từ 20°C tới 30°C.
Đây là kho ng nhiệt độ mà chúng ta c m thấy mát mẻ, tho i mái đ làm việc cũng
như ngh ngơi.
Thông qua b ng 2.1 cho chúng ta thấy một số đặc đi m c a các nhóm vật liệu
chuy n pha đi n hình kết hợp với quá trình phân tích về các yếu tố: nhiệt lý, nhiệt
dung riêng, hóa học, tính kinh tế chúng tôi chọn sáp Parafin đ nghiên c u.

14


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

Pharafin

Nonpharafin

Muối
hyđrat

Metalic

Eutectics

C13H28

Đi m
nóng
ch y
(0C)
-6

Khối
lượng
riêng ρr
kg/m3
756

2

C17H36

22

778

3

C18H38

28,2

814

4

C20H42

39

5

C22H46

6

STT

Tên Vật Liệu

1

Khối
lượng
riêng ρ[
kg/m3

Hệ số dẫn
nhiệt k
(W/mK)

Nhiệt
chuy n
pha
(KJ/Kg)

0,21
0,21

215

775

0,35

245

912

769

0,21

44

912

769

0,21

249

C24H50

51

912

769

0,21

255

7

C33H68

71

930

830

0,21

189

8

Axit focmic

7,8

247

9

Methyl- palmitate

29

205

10

Camphenilone

39

205

11

Camphene

50

238

12

Na2SO4.10H2O

32.4

241

13

FeCl3.6 H2O

37

223

14

MgCl3.6 H2O

117

167

15

Gallium

30

80,3

16

Cerrolow eutectic

58

90,9

17

Bi-Pb eutectic

125

18

CaCl2.6 H2O +

14,7

148

30

136

81,5

116

CaBr2.6 H2O
19

Ca(NO3)2.6 H2O +
Mg(NO3)2.6 H2O

20

LiNO3 + NH4NO3
+ KNO3

15


Paraffin lo i CnH2n+2 là một nhóm các hydrocarbon bão hòa với tính chất
rất giống nhau. Parafin giữa C5 và C15 là các chất lỏng và phần còn l i là chất rắn
d ng sáp. Sáp parafin là một trong những PCM lưu trữ nhiệt hữu cơ phổ biến nhất
cho các ng dụng thương m i. Nó bao gồm một hydrocacbon m ch thẳng có nhiệt độ
nóng ch y dao động từ 220 C đến 710C. Sau đây là một số trong những lợi thế và bất
lợi c a parafin[8].
-

u đi m:

+ Parafin có ph m vi nhiệt độ lớn.
+ Parafin ổn định về mặt hóa học, không x y ra ph n ng hóa học, không ăn mòn.
+ Sáp parafin có nhiệt độ cao tiềm ẩn c a ph n ng tổng hợp.
+ Sáp parafin được an toàn, sinh thái vô h i, có sẵn và không tốn kém.
-

Nhược đi m:

+ Parafin dẫn nhiệt thấp,
+ Thay đổi khối lượng cao giữa các giai đo n rắn và lỏng.
+ Parafin d cháy
+ Parafin tinh khiết đắt tiền,
+ Parafin kỹ thuật thường được sử dụng như PCMs đ lưu trữ năng lượng nhiệt bởi
vì nó rẻ hơn so với Paraffin tinh khiết.

Parafin được sử dụng làm nguyên liệu thay đổi giai đo n cho các ng dụng
lưu trữ nhiệt, bởi vì nó có hầu hết các tính chất cần thiết. Chúng được sử dụng như
phương tiện lưu trữ năng lượng nhiệt, trong các lĩnh vực không gian nhỏ, làm l nh
và điều hòa hệ thống, quy trình b o tồn, hệ thống năng lượng mặt trời, phục hồi năng
lượng, hệ thống sưởi và làm mát các tòa nhà. Ngoài ra, chúng được sử dụng trong
các hệ thống b o vệ nhiệt, cũng như trong làm mát động và thụ động c a các thiết bị
điện.
Có rất nhiều chất lưu nhiệt khác nhau với các gi i nhiệt độ khác nhau. Với gi i
nhiệt độ từ 300C – 700 C và các tiêu chí đư phân tích ở trên cùng những ưu, nhược
đi m c a Parafin chúng tôi chọn Parafin C20H42 làm chất lưu nhiệt đ nghiên c u và
ng dụng làm thí nghiệm trong đề tài này.

16


Hình 2.3: Hình ảnh sáp Parafin C20H42
B ng 2.2: Đặc tính lý nhiệt c a Parafin C20H42
Đặc tính vật lý

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

Đi m nóng ch y

tc

39

Nhiệt dung riêng ở th rắn

Cpr

2,9

kJ/kgK

Nhiệt dung riêng ở th lỏng

Cpl

2,93

kJ/kgK

Khối lượng riêng ở th rắn

ρr

912

kg/m3

Khối lượng riêng ở th lỏng

ρl

769

kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt

λ

0,21

W/mK

Nhiệt chuy n pha

r

247

kJ/kg

0

C

Khi nhiệt độ tăng sáp Parafin chuy n tr ng thái từ rắn sang lỏng do đó không
thuận tiện đ sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu biến đổi pha. Điều này có nghĩa rằng
Parafin cần ph i được đóng gói đ đ m b o cho Parafin khi nóng ch y không bị rò r
và lưu được nhiệt lượng cao trong giai đo n chuy n tiếp và ổn định nhiệt trong thời
gian nhất định. Có nhiều cách khác nhau đ đóng gói vật liệu biến đổi pha. Các
phương pháp được biết đến là vật liệu biến đổi pha trong bê tông, th ch cao hoặc các

17


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

Hình 2.4: Đóng gói PCM trong Polymer

Hình 2.5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép

Hình 2.6: Đóng gói PCM trong ống kim loại
Đ không làm nh hưởng nhiều đến kích thước, hình dáng kết cấu c a lớp mái xe
trong đề tài này chúng tôi chọn cách đóng gói PCM trong polymer.
18


2.3 Ph

ng trình truy n nhi t c a PCM

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

Q

mC p dT

(1)

Tio

Q = mCp(Tf – Ti)

(2)

(khi Cp không thay đổi theo nhiệt độ)
Trong đó: Ti là nhiệt độ ban đầu [oC], Tf là nhiệt độ cuối cùng [oC], Cp là nhiệt dung
riêng [J/kgK], m là khối lượng c a vật liệu lưu trữ [kg], Q là năng lượng nhiệt [J].
Lưu trữ nhiệt ẩn (Latent Heat Storage) được dựa trên sự hấp thu nhiệt hoặc t n
nhiệt khi vật liệu chuy n pha tr i qua một giai đo n thay đổi, t c là từ tr ng thái rắn
chuy n qua lỏng, chất lỏng sang khí hoặc ngược l i [8 . Nhiệt ẩn trên một đơn vị
khối lượng càng cao thì càng tốt đ gi m thi u sự giãn nở nhiệt c a lớp ch a PCM.
Dung lượng lưu trữ nhiệt ẩn c a hệ thống với một lượng PCM trung bình được cho
bởi phương trình:
Tf

Tm

Q

mC p dT

mf hm

Tio

mC p dT

(3)

Tm

Q = m( Cpr (Tm - To) + fΔhm + Cpl( Tf - Tm ))

(4)

(khi Cpr và Cpl không thay đổi theo nhiệt độ)
Trong đó: Tm là nhiệt độ nóng ch y [0C], f là phần nóng ch y [không th nguyên],
Δhm là nhiệt c a ph n ng tổng hợp trên một đơn vị khối lượng [J/kg], Cpr là nhiệt
dung riêng trong pha rắn [J/KgK], Cpl là nhiệt dung riêng trong giai đo n lỏng
[J/KgK].
19