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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỊ SEN

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

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 7 1 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỊ SEN

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

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN VŨ LÂN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Họ và tên: Lê Thị Sen

Giới tính: nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1980

Nơi sinh: Thanh Hóa

Quê quán: Tĩnh Gia - Thanh Hóa

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: KP1A – An Phú – Thuận An – Bình Dương
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại di động: 0915513335

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Trung học chuyên nghiệp
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……../……. đến ……..

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2. Đại học
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2001 đến 03/2006

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

01/10/2009

Trường Cao đẳng nghề Việt Nam -

Giáo viên khoa Cơ khí

Singapore

chế tạo

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Thị Sen

ii


CẢM TẠ
Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy,
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn
và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn đúng tiến độ.
Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn TS. NGUYỄN VŨ LÂN, dù rất bận rộn với
công việc giảng dạy, công tác của phòng Quan hệ và hợp tác Quốc tế nhưng thầy
vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng dẫn rất tận tình cho tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu, thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2015

iii


ABSTRACT

In the recent years, energy demand has increased due to the hight-energy
consumption in different fields. Energy sources are gradually depleted and
contributed to environmental pollutants. Renewable energy will play a role as an
alternative energy source for the foreseeable future. One of prospective techniques
of storing thermal ennery is the application of phase change materials(PCM).
Thermal energy storage through PCM is capable of storing and releasing larger
amounts of energy. This is material that ability to reuse and environmentally
friendly but other materials can hardly be compared. Topic “ study, design and
manufacture new structure for the roof of cars aimed at improving the efficiency
blocking heat flo” has applied phase change material to store heat flow into the
cabin space. Not only contribute to environmental protection by considering
different methods of heat-resistant for cars, the introduction of phase change
materials in the roof structure to prevent hot car is not too complex, but giving
practical effect simultaneously lower costs for fuel problem to cool. The study of
the subject begins with comparing two structural design car roof by using the
ANSYS simulation software. Continued, with selected structural design to compare
with experimental and simulation results to see the efficiency of the use of phase
change materials in new structural than normal structural.
With the best structure of the two test results and simulation parameters
have shown that the new design has better thermal performance than normal roof
structure of the vehicle is available. In the experimental conditions mentioned, the
new design could help reduce up to 40% of the energy needed for cooling by heat
comes down from the roof into the cabin. Savings rate may be much higher in the

case of external natural wind or the vehicle to move when in use.
By doing this study, accurate calculation and comparison of methods to
improve the thermal conductivity of the PCM during heat retention.

iv


TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, nhu cầu về năng lượng đã tăng lên do sự tiêu thụ
năng lượng rất lớn trong các lĩnh vực khác nhau. Các nguồn năng lượng đang dần bị
cạn kiệt và góp phần không nhỏ gây ô nhiễm môi trường. Năng lượng tái tạo sẽ
đóng vai trò là nguồn năng lượng thay thế trong tương lai gần. Một trong những
tiềm năng của việc lưu trữ năng lượng là ứng dụng các vật liệu biến đổi pha. Vật
liệu biến đổi pha có khả năng lưu giữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng. Đây
là loại vật liệu mà khả năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu
khác khó có thể so sánh được.
Đề tài “ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo kết cấu mới cho mái xe ô tô nhằm mục đích
nâng cao hiệu quả ngăn chặn dòng nhiệt” đã ứng dụng vật liệu biến đổi pha để lưu
giữ dòng nhiệt truyền vào không gian cabin. Không những góp phần bảo 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 để chống nóng không quá phức tạp nhưng đem
lại hiệu quả thiết thực đồng thời giảm chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu để làm
mát.
Nghiên cứu của đề tài được bắt đầu với việc so sánh 2 thiết kế kết cấu lớp
mái xe ô tô bằng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Tiếp đó chọn ra
thiết kế tối ưu để thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng để thấy được hiệu
quả của việc sử dụng vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới so với kết cấu bình
thường.
Với cấu trúc tốt nhất của hai kết quả thí nghiệm và mô phỏng các thông số đã chỉ ra
rằng các thiết kế mới có hiệu suất nhiệt tốt hơn so với kết cấu mái bình thường của

các xe có sẵn. Trong điều kiện thí nghiệm đã đề cập, các thiết kế mới có thể giúp
giảm lên đến khoảng 40% năng lượng cần thiết để làm mát bởi nhiệt đi xuống từ
lớp mái xe vào cabin. Tỷ lệ tiết kiệm có thể còn cao hơn nhiều trong trường hợp bên
ngoài có gió tự nhiên hoặc các xe di chuyển khi sử dụng.
Hướng nghiên cứu dự kiến, tính toán chính xác và so sánh các phương pháp
nâng cao hệ số truyền nhiệt của PCM trong quá trình lưu giữ nhiệt.

v


M ỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ...................................................................................... viii
Danh sách các hình .................................................................................................... ix
Danh sách các bảng ..................................................................................................xii
Chương 1 ..................................................................................................................... 1
Tổng quan ................................................................................................................... 1
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài
nước ............................................................................................................................. 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 6

1.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu ................................................................. 6
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài ........................................................ 7
1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .............................................................. 8
1.6 Kế hoạch thực hiện ............................................................................................... 9
Chương 2 .................................................................................................................. 10
Vật liệu biến đổi pha trong kết cấu mới của 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 để lưu nhiệt ............................................................. 12
2.3 Phương trình truyền nhiệt của 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 của kết cấu mái xe ....................... 38
4.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 38
4.2 Mô phỏng quá trình lưu giữ nhiệt ứng với các kết cấu khác nhau của mái xe ... 39
4.3 Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 46
4.4 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ....................................................... 50
Chương 5 .................................................................................................................. 56
Kết luận và hướng phát triển .................................................................................... 56

5.1 Kết luận .............................................................................................................. 56
5.2 Hướng phát triển ................................................................................................ 56
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 57

vii


DANH MỤC 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 - Ứng dụng trong y tế ..................................................................... 2
Hình 1.2: PCM - Ứng dụng sưởi ấm .......................................................................... 2
Hình 1.3: PCM - Ứng dụng làm mát .......................................................................... 3
Hình 1.4: PCM - Ứng dụng làm mát trong áo ............................................................ 3
Hình 2.1: Chu trình làm việc của PCM .................................................................... 11
Hình 2.2: Sơ đồ phân loại PCM ............................................................................... 12
Hình 2.3: Hình ảnh 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 loại .......................................................... 18
Hình 2.7: Dán kính (phim) cách nhiệt hoặc miếng dính phản quang ...................... 20
Hình 2.8: Hình ảnh kết cấu của mái xe thông thường ............................................. 22
Hình 2.9: Kết cấu của mái xe thông thường ............................................................ 23
Hình 2.10: Hình ảnh kết cấu mới của 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 của mái xe .......................................................................... 24
Hình 3.1: Cặp nhiệt điện .......................................................................................... 26
Hình 3.2: Đèn halogen ............................................................................................. 26
Hình 3.3: Bộ chuyển 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 thứ nhất ............................................................. 27
Hình 3.7: Minh họa mô hình mới thứ 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 của 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 của lớp mái xe trong kết cấu 1 ..................................... 44
Hình 4.8: Phân bố nhiệt lượng của lớp mái xe trong kết cấu 1 ................................ 44

Hình 4.9: Phân bố nhiệt độ của lớp mái xe trong kết cấu 2 ..................................... 45
Hình 4.10: Phân bố nhiệt lượng của 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: Biểu đồ đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM
(không có gió bên ngoài)………………………………………………………..….48
Hình 4.14: Đáp ứng nhiệt độ của mô hình có / không có PCM
( có gió bên ngoài)………………………… ………………………….……….…..50

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
HÌNH

TRANG

Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện luận văn ……………………………………… . …….9
Bảng 2.1 Số liệu một số vật liệu chuyển pha ............................................................ 15
Bảng 2.2 Đặc tính lý nhiệt của Parafin C22H46 ................................................. ……17
Bảng 2.3 Hấp thụ của các màu sơn ………………………………………… . ……21
Bảng 4.1 Thông số vật liệu dùng trong mô hình ...................................................... 39
Bảng 4.2 Tổng hợp nhiệt độ …………………………………… ......... ……………46
Bảng 4.3: Trích các khoảng thời gian thí nghiệm…………………………… . ……49
Bảng 4.4: So sánh kết quả thí nghiệm ………………………………. …………….52
Bảng 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh ………………… …...53
Bảng 4.6: Ảnh hưởng cuả tốc độ gió ……………………………… . …………….54
Bảng 4.7: Ảnh hưởng cuả nhiệt độ nóng chảy ………………… . ………………...54
Bảng 4.8: Ảnh hưởng bởi nhiệt ẩn của PCM …………………… . ………………..55

xi


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài
nƣớc
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năng lượng là nguồn sống của tất cả các hoạt động của con người trên trái
đất. Nhưng sự gia tăng liên tục mức độ phát thải khí nhà kính và hạn chế nguồn tài
nguyên nhiên liệu liên quan đến vấn đề tăng giá nhiên liệu chính là những động lực
để sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo. Trên thế giới đã có rất nhiều
bài báo công bố các kết quả về việc sử dụng vật liệu biến đổi pha (vật liệu chuyển
pha) tạo ra những kết cấu ưu việt để lưu trữ năng lượng mặt trời cho mục đích sưởi
ấm và làm mát không gian sống nhằm tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.
Vật liệu biến đổi pha (Phase Change Material) đã được nghiên cứu gần 40 năm
và nó đã được chứng minh là một trong những giải pháp hữu ích trong một số lĩnh
vực nghiên cứu, ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt với những thành công lớn như:
thiết bị điện lạnh, tấm pin mặt trời, các hệ thống sàn bức xạ, sưởi ấm và làm mát các
công trình xây dựng [1 .
Vật liệu biến đổi pha rất phong phú và đa dạng. Để phù hợp với một ứng dụng
nhất định, vật liệu biến đổi pha được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ nóng chảy (chuyển
pha) của vật liệu, dung lượng ẩn nhiệt chuyển pha của vật liệu và điều kiện làm việc,
điều kiện thời tiết của 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
giảm xuống thì nó lại phát nhiệt để trở về trạng thái ban đầu [2 . Những vật liệu tan
chảy ở nhiệt độ dưới 15°C được sử dụng cho việc lưu trữ lạnh trong các ứng dụng
điều hòa không khí, trong khi những vật liệu tan chảy trên 90°C được sử dụng để hấp
thụ lạnh. Vật liệu biến đổi pha được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực để bảo quản thực

phẩm, đồ uống, các sản phẩm sữa… Ứng dụng trong ngành y tế để vận chuyển máu,
vacxin và phương pháp điều trị nóng lạnh [3 …
1


Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế
Tất cả các vật liệu tan chảy ở nhiệt độ từ 15°C đến 90°C được áp dụng trong
các ứng dụng sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu tại
Ningpo, Đại học Nottingham Trung Quốc, đã chế tạo vật liệu biến đổi pha mới điều
chỉnh nhiệt có thể cắt giảm 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 - ứng dụng sưởi ấm

2


Hình 1.3: PCM - ứng dụng làm mát
Loại vật liệu mới này có khả năng lưu giữ nhiều năng lượng hơn mà lại phản
ứng với nhiệt nhanh hơn các vật liệu thông thường và được sản xuất với giá thành
thấp. Cấu trúc cơ bản của vật liệu được điều chỉnh ở mức nhiệt độ cụ thể trước khi
vật liệu được sử dụng. Nhóm nghiên cứu đứng đầu là GS. Jo Darkwa, Giám đốc
Trung tâm công nghệ năng lượng bền vững hiện đang nghiên cứu chế tạo vật liệu
dùng cho các ứng dụng sưởi ấm và làm mát.

Hình 1.4: PCM - ứng dụng làm mát trong áo

3

Nhiều nhà khoa học và tổ chức quốc tế cũng đầu tư vào nghiên cứu, phát
triển và ứng dụng PCM trong lưu trữ năng lượng. Đặc biệt kết quả của công trình
Phase Change Materials Based On Polyethylene, Paraffin Wax and Wood Flour của
Mfiso Emmanuel Mngomezulu (B.Sc. Hons.) tại Univerrity of the Free State
(WAQWA CAMPUS) đã tạo đà cho các ứng dụng của PCM trong xây dựng, lưu trữ
năng lượng... Các kết quả của nhóm tác giả càng khẳng định tính ưu việt của PCM
khi mà thế giới đang hướng tới xu thế phát triển năng lượng bền vững để giảm thiểu
hiệu ứng nhà kính và giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu truyền thống đang dần bị
cạn kiệt.
Trên thế giới vật liệu biến đổi pha đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng
rất nhiều trong các lĩnh vực của xã hội nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống hướng
tới phát triển bền vững năng lượng xanh và sạch.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, vật liệu biến đổi pha cũng đã sớm được Bộ khoa học và công
nghệ giới thiệu qua Hội thảo “ năng lượng và môi trường ” với các chuyên gia, kỹ
thuật viên và các nhà quản lý đã tham dự. Bộ khoa học và công nghệ là đơn vị đi
đầu trong việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới và đã nghiên cứu, so sánh khả
năng lưu trữ năng lượng nhiệt để làm mát và sưởi ấm trong xây dựng, y tế, nông
nghiệp, thủy sản….
- Sau hơn 2 năm nghiên cứu, thử nghiệm tại Hà Nội và triển khai thử nghiệm
tại một số địa phương khan hiếm nước ngọt ven biển của tỉnh Bến Tre và Thừa
Thiên Huế, đến tháng 3 năm 2007 nhóm tác giả tại Viện Hoá học đã ứng dụng thành
công vật liệu chuyển pha trữ nhiệt vào công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển
bằng năng lượng mặt trời, đạt 6-8 lít/m2/ngày, hiệu quả gấp đôi so với công nghệ
truyền thống. Công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời
cũng như công nghệ tích trữ nhiệt bằng vật liệu chuyển pha đứng 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 để sau đó tái sử
dụng (phóng nhiệt) do vật liệu chuyển pha trữ nhiệt đảm nhiệm. Nhờ vậy, khác với
4

các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời khác hiện có chỉ hoạt động khi có mặt
trời, công nghệ mới này cho phép thiết bị tiếp tục hoạt động ngay cả khi trời đã tắt
nắng.
- Luận văn tốt nghiệp cao học của học viên NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
(ĐH Đà Nẵng): “ Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng
lượng mặt trời”. Luận văn này đã đề cập đến cơ sở của việc tính toán, thiết kế thiết
bị thu trữ, cấp nhiệt năng lượng mặt trời dùng trong hệ thống sấy hải sản có sử dụng
Paraffin để trữ nhiệt. Tuy nhiên, đề tài này chỉ tính toán được thời gian tích trữ, giải
phóng năng lượng của Parafin trong Collector tấm phẳng để sấy hải sản.
- Báo cáo đề tài Khoa học và Công nghệ “Ứng dụng vật liệu biến đổi pha PCM
làm mát tòa nhà trạm viễn thông” do VNPT Đồng Nai thực hiện. Nội dung nghiên
cứu của đề tài là tiến hành thực nghiệm khả năng ứng dụng các tấm panel vật liệu
biến đổi pha PCM để làm mát thiết bị viễn thông trong các nhà trạm viễn thông
Đồng Nai nhằm giảm chi phí nhiên liệu, điện năng và điều hòa không khí. Nhưng đề
tài báo cáo chỉ ứng dụng PCM trong làm mát, còn những hạn chế về nội dung và tính
toán mô phỏng.
Tuy nhiên, đến hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa được ứng dụng nhiều
trong các lĩnh vực, phần lớn các đề tài chỉ sử dụng vật liệu biến đổi pha theo hướng
lưu trữ nhiệt lượng bằng thực nghiệm mà chưa khai thác hiệu quả tiềm năng của vật
liệu.
Qua thời gian khảo sát thông tin từ những tạp chí và các trang thông tin
() nhưng vẫn chưa tìm thấy thông tin viết về vấn đề mà chúng
tôi đang nghiên cứu. Vì vậy, có thể nói chúng tôi là một trong những nhóm tiên
phong trong việc nghiên cứu 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, tạo không gian thoải mái khi chúng ta sử dụng ô tô
làm phương tiện lưu thông đồng thời giảm thiểu lượng khí thải và góp phần bảo vệ
môi trường.

5


1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Như đã trình bày ở trên, hiện nay vật liệu biến đổi pha vẫn chưa thực sự được
ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống trong khi hiệu quả của vật liệu này đạt
được là rất lớn. Hầu hết các công trình chỉ ứng dụng vật liệu theo kinh nghiệm mà
chưa lựa chọn loại vật liệu biến đổi pha phù hợp với một ứng dụng nhất định để khai
thác hết hiệu quả mà vật liệu biến đổi pha mang lại. Đây cũng là loại vật liệu mà khả
năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mà các vật liệu khác khó có thể so
sánh được. Không những góp phần bảo 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 để
chống nóng không quá phức tạp nhưng đem lại hiệu quả thiết thực đồng thời giảm
chi phí cho vấn đề sử dụng nhiên liệu để làm mát.
1.3 Mục tiêu đề tài, đối tƣợng nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu khả năng lưu giữ nhiệt của chất biến đổi pha (PCM) để giữ nhiệt
với kết cấu mới của 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 dải nhiệt độ
trong khoảng 250 – 400C.
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
Mô hình kết cấu mới của mái xe ô tô bao gồm:
-

Lớp mái bằng thép

-

Lớp cách nhiệt

-

Lớp vật liệu biến đổi pha (PCM)

-

Lớp vải len

Phương pháp mô phỏng các mô hình với kết cấu mới của lớp mái xe nhằm dự đoán
kết quả lưu giữ và ngăn dòng nhiệt đi vào không gian cabin để ổn định nhiệt độ, tạo
không gian thoải mái cho người sử dụng phương tiện.

6


1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu
-

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

-

Tìm hiểu về kết cấu của mái xe thông thường trên thị trường với các cách
chống nóng đang được áp dụng hiện tại.

-

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 dạng khác nhau.

-

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

-

Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng.

-

Tổng kết và đưa ra phương án tối ưu.

1.4.2 Giới hạn 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 phủ bởi một trong những mô
hình với kết cấu mới của mái xe trong mỗi thí nghiệm.

-

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

-

Các đèn được cố định ở khoảng cách nhất định và chiếu sáng liên tục trong
thời gian 4 giờ với cùng một nguồn điện đã cung cấp để các bức xạ đạt tới
trung bình và được duy trì khoảng 950W/m2 khi được bật.

-

Nhiệt độ của không khí xung quanh toàn bộ hệ thống thí nghiệm luôn luôn
được giữ khoảng 250C và thực hiện trong điều kiện không có gió để đảm bảo
bức xạ và đối lưu diễn ra tự nhiên và được ổn định.

7


1.5 Cách tiếp cận, phƣơng 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 kiểm chứng kết quả và đưa ra dự đoán.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu
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 để đảm bảo tính đa dạng và vận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới
nhất trong thời gian gần đây sao cho phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài.
1.5.2.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết quả và thất bại trong quá trình thực nghiệm, từ đó lựa chọn
được kết cấu phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.
Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau của lớp vật liệu.
1.5.2.3 Phương pháp phân tích so sánh

Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa 2 thiết kế của
lớp vật liệu về các yếu tố:
-

Khả năng lưu giữ nhiệt lượng của lớp vật liệu biến đổi pha khi nhiệt độ tăng.

-

Sự truyền nhiệt vào không gian cabin.

-

Khả năng phát nhiệt trở lại môi trường khi nhiệt độ giảm.

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

8


1.6 Kế hoạch thực hiện
Kế hoạch thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong bảng 1.1
STT

Nội dung công việc

Thời gian thực hiện

1

Tổng quan

09/2014

2

Vật liệu biến đổi pha và ứng dụng

10/2014 – 12/2014

trong kết cấu mới của mái xe ô tô
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 triển

08/2015

Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện luận văn

9

Ghi chú


Chương 2

VẬT LIỆU BIẾN ĐỔI PHA TRONG KẾT CẤU MỚI
CỦA 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 để ứng dụng trong kết cấu mới của 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 để 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 ứng
dụng ngày càng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, tiết kiệm nhiên liệu,
giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
2.1 Giới thiệu chung về vật liệu biến đổi pha (PCM)
2.1.1 Định nghĩa
PCM là chất có khả năng nóng chảy hoặc đông đặc ở một nhiệt độ nhất định
và trong quá trình đó thì nó có khả năng hấp thụ, lưu trữ và giải phóng một lượng lớn
nhiệt năng. PCM đóng vai trò là bộ phận giữ nhiệt để ổn định nhiệt cho hệ thống sử
dụng vật liệu này. Để lưu trữ và giải phóng nhiệt, vật liệu biến đổi pha sử dụng liên
kết hóa học và chuyển giao năng lượng xảy ra khi vật liệu thay đổi trạng thái tức là
từ trạng thái rắn chuyển qua lỏng hoặc ngược lại từ lỏng trở về trạng thái rắn.
PCM dự trữ nhiệt thông qua quá trình chuyển pha được thực hiện khi chuyển
trạng thái rắn – rắn, rắn – lỏng, rắn – khí, khí – lỏng. Tuy nhiên khi chuyển pha rắn –
khí hay khí – lỏng nó gây ra sự thay đổi lớn về thể tích, còn khi chuyển pha rắn – rắn
thì nó dự trữ được ít nhiệt năng. Do đó chuyển pha rắn – lỏng được sử dụng nhiều
nhất trong các ứng dụng ổn định nhiệt độ và để 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 trạng thái rắn PCM hấp thụ nhiệt
khi nhiệt độ tăng lên, rồi tan chảy 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


giảm xuống thì nhiệt này sẽ được tản ra môi trường và PCM trở về trạng thái ban
đầu. Chu trình này được lặp lại nhiều lần mà PCM vẫn ổn định trong suốt quá trình
làm việc [5 . Đây cũng chính là hiệu quả tái sử dụng của PCM mà các vật liệu khác
khó có thể so sánh được.

rắn

lỏng

Hình 2.1: Chu trình làm việc của PCM
2.1.2 Phân loại PCM
Vật liệu biến đổi pha được phân loại thành nhiều loại khác nhau. Có hợp chất
hữu cơ và vô cơ, cũng như hỗn hợp eutectic của các hợp chất này. Tất cả chúng khi
cung cấp nhiệt độ sẽ cho giai đoạn chuyển tiếp khác nhau. Hình 2.2 đưa ra một sơ đồ
phân loại PCM đại diện. Với các chữ in đậm là loại PCM được chú trọng hơn và ứng
dụng trong nghiên cứu 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 loại và hợp kim (Metals and Alloys). Các hợp chất hữu cơ, vô cơ và
hỗn hợp eutectics đã là một chủ đề nghiên cứu cách đây hơn bốn mươi năm trước.
Trong số ba loại PCM, hợp chất hữu cơ được nghiên cứu rộng rãi nhất, trong đó sáp
Paraffin được đặc biệt quan tâm nghiên cứu thời gian gần đây do nó có nhiều tính
chất tiềm năng về nhiệt lý, kỹ thuật, tính kinh tế và dễ dàng ứng dụng mang lại

11


những hiệu quả không nhỏ trong việc sưởi ấm hay làm mát góp phần giảm hiệu ứng
nhà kính, phát triển công nghệ năng lượng xanh bền vững [6 .

Hình 2.2: Sơ đồ phân loại PCM
2.2 Cơ sở lý thuyết chọn PCM để lƣu nhiệt
PCM thực hiện được hai quá trình đó là lưu trữ và giải phóng nhiệt. Tuy nhiên
có rất nhiều những yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng PCM. Trong
đề tài này vấn đề chọn loại PCM phù hợp để ứng dụng dựa trên các cơ sở sau:
 Nhiệt lý
 Nhiệt dung riêng
 Tính chất hóa học
 Tính kinh tế
 Ứng dụng
Có một dải rộng các vật liệu chuyển pha có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng
từ -50 tới 1900C phục vụ cho các ứng dụng ổn định nhiệt khác nhau. Vật liệu tan
chảy ở nhiệt độ dưới 150C được sử dụng cho việc lưu trữ lạnh trong các ứng dụng
12