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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT
ĐỘ NƢỚC LÀM MÁT VÀ DẦU BÔI TRƠN
ĐỘNG CƠ CHO BĂNG THỬ ELBE
Chuyên ngành : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số

: 8.52.01.16

TÓM TẮT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ MINH TIẾN

TS. Lê Văn Tụy
Phản biện 1: ..............................................................................

TS. Nguyễn Văn Phụng
Phản biện 2: ..............................................................................

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại Trường Đại học
Bách khoa vào ngày ……. tháng ……. năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách
khoa - ĐHĐN


`1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kể từ sau cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh với sự ra đời
của động cơ hơi nước thì có thể coi động cơ đốt trong (ĐCĐT) là
một trong những phát minh lớn nhất của con người. ĐCĐT là một
loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dưới dạng moment quay (hay
còn gọi là moment xoắn) bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ.
Mặc dù ĐCĐT là một trong các thủ phạm chính gây ra ô nhiễm môi
trường và sự nóng lên của trái đất nhưng không thể phủ nhận vai trò
quan trọng mà nó đã đem lại cho cuộc sống của con người. ĐCĐT
xuất hiện trên hầu hết các phương tiện vận tải hàng hóa, máy công
tác như: máy bay, tàu thủy, ô tô, máy phát điện, máy bơm nước, …
Cho dù các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu để đưa ra
các giải pháp thay thế cho động cơ đốt trong như động cơ điện, động
cơ sử dụng pin nhiên liệu nhằm đối phó với tình trạng cạn kiệt nguồn
nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên của trái đất. Tuy nhiên cho đến
tận thời điểm này động cơ đốt trong vẫn là không thể thay thế.
Xu hướng của thế giới hiện nay là phát triển các công nghệ
để tối ưu hóa kết cấu tiết kiệm nhiên liệu và tìm kiếm nguồn nhiên

liệu mới có thể thay thế cho nhiên liệu hóa thạch nhằm giảm bớt sức
nóng về sự khan hiếm của nguồn nhiên liệu nói trên và sự ô nhiễm
môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra. Thiết bị cơ bản
đầu tiên trong việc nghiên cứu thay đổi kết cấu của động cơ và nhiên
liệu mới là Băng thử công suất động cơ.
Hiện nay, tại khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách
khoa, Đại học Đà Nẵng có hệ thống băng thử công suất của hãng
AVL và băng thử Froude đều có công suất thiết kế ~200kW và băng
thử thủy lực ELBE sản xuất tại Đức có công suất thiết kế 475kW phù
hợp để nghiên cứu cho động cơ diesel cỡ lớn trang bị trên xe vận tải,


`2
tàu thủy, … Tuy nhiên do thiết bị được đầu tư khá lâu và đến nay
không còn vận hành được.
Nhằm giảm chi phí đầu tư mua sắm thiết bị mới, đồng thời
đảm bảo điều kiện cơ sở vật chất dạy học cho sinh viên Khoa Cơ khí
Giao thông nói chung và sinh viên ngành Kỹ thuật Tàu thủy nói
riêng, việc phục hồi hoạt động cho băng thử ELBE hoạt động là hết
sức cần thiết và cấp bách. Băng thử này có cơ cấu xác định công suất
và tốc độ kiểu cơ khí cổ điển dẫn đến hiệu quả khai thác sử dụng
thiết bị không cao. Ngoài việc phục hồi, cải tạo để nâng cao công
suất sử dụng thì để cho băng thử hoạt động một cách ổn định thì bộ
phận làm mát cho băng thử cũng rất quan trọng. Với mong muốn tìm
giải pháp để nâng cấp hệ thống băng thử công suất động cơ nói trên
đồng thời nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống
mà tiết kiệm chi phí đầu tư cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa
được dễ dàng.
Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nguyên cứu, thiết kế bộ ổn định nhiệt độ
nƣớc làm mát và dầu bôi trơn động cơ cho băng thử ELBE”

2. Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở hệ thống băng thử kiểu cơ khí, ta thiết kế lắp đặt
hệ thống làm mát bao gồm các thiết bị làm mát băng thử, cảm biến,
thiết lập mạch điều khiển điện tử và chương trình trên máy tính để có
thể ổn định được nhiệt độ nước làm mát trên băng thử Elbe.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống làm mát cho băng thử công suất thủy lực ELBE.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp ổn định nhiệt độ nước
làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất thủy
lực ELBE dựa vào các cảm biến điện tử.


`3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình
đã công bố về các hệ thống làm mát trên băng thử công suất động cơ,
thiết kế- chế tạo và thử nghiệm, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình
bày báo cáo. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại
xưởng Động lực, khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách khoa
- Đại học Đà Nẵng.
5. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận cấu trúc của luận văn bao gồm các
phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan về các loại băng thử công suất được
sử dụng hiện nay, các phương án làm mát cho từ loại băng thử.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sự truyền nhiệt, động cơ đốt
trong khi được thử nghiệm và cơ sở lý thuyết về phương pháp đo
lường được sử dụng trong thiết kế hệ thống làm mát của băng thử.

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát
của động cơ, hệ thống làm mát băng thử. Trong chương này tác giả
trình bày các tính toán liên quan đến nội dung chính của đề tài .
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Trong chương này tác giả trình
báy các nội dung thực nghiệm được thực hiện tại xưởng Động lực
thuộc Khoa cơ khí Giao thông – trường Đại học Bách khoa, Đại học
Đà Nẵng.


`4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN CÁC KIỂU BĂNG THỬ CÔNG SUẤT
ĐỘNG CƠ
Bệ thử công suất động cơ là thiết bị dùng để đánh giá các chỉ
tiêu về kinh tế - kỹ thuật dựa trên nguyên lý tạo ra mô men cản cản
lại mô men của động cơ. Dựa vào nguyên lý đó mà có các loại bệ thử
công suất như sau:
1.1.1. Băng thử cơ khí
1.1.2. Băng thử thủy lực
1.1.3. Băng thử điện
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÁC HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH
NHIỆT ĐỘ NƢỚC LÀM MÁT TRÊN BĂNG THỬ CÔNG
SUẤT CỦA THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.2.1. Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nƣớc
làm mát trên băng thử công suất của thế giới
1.2.2. Tình hình nghiên cứu các hệ thống ổn định nhiệt độ nƣớc
làm mát và dầu bôi trơn cho động cơ trên băng thử công suất
việt nam
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG
Băng thử công suất động cơ được sử dụng rất rộng rãi trong

nghiên cứu động cơ đốt trong. Hiện trong nước và trên thế giới đã có
nhiều thiết bị đo công suất động cơ với những kết cấu khác nhau.
Đã có nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhằm cải
tiến băng thử công suất động cơ.


`5
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
2.1.1. Công suất động cơ
2.1.2. Hiệu suất.
2.2. CÁC ĐẶC TÍNH VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.3. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CẢM BIẾN
2.3.1. Lý thuyết tín hiệu
2.3.2. Lý thuyết cảm biến
2.4. LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG
2.4.1. Khái niệm về kỹ thuật đo lƣờng
2.4.2. Cơ sở kỹ thuật đo lƣờng
2.4.2.1. Đại lượng đo
2.4.2.2. Phương trình cơ bản của phép đo
2.4.2.3. Phương pháp đo
2.4.2.4. Đánh giá kết quả đo
2.5. LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT.
2.5.1. Các định luật và phƣơng trình cơ bản về dẫn nhiệt.
2.5.1.1. Định luật Fourier về dẫn nhiệt.
2.5.1.2. Phương trình vi phân dẫn nhiệt.
2.5.1.3. Điều kiện đơn trị.
2.5.2. Trao đổi nhiệt đối lƣu.
2.6. KẾT LUẬN
Việc đánh giá động cơ đốt trong cần phải dựa trên nhiều chỉ

tiêu kinh tế kỹ thuật. Trong đó chỉ tiêu công suất và mô men động cơ
là quan trọng nhất.
Để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ
người ta sử dụng các đường đặc tính khác nhau.
Xây dựng và kết nối các thiết bị, cảm biến và phần mềm
thành một hệ thống thiết bị thí nghiệm hoàn chỉnh.


`6
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP LÀM MÁT BĂNG THỬ
3.1.1. Giới thiệu băng thử
Băng thử ELBE là băng thử thủy lực dạng chốt. Rotor được
chế tạo ở dạng hình trụ. Trên đó có gắn vào bốn hàng chốt 4 cạnh.
Mặt hông của stato cũng xen kẽ các chốt ba cạnh. Giữa các hàng
chốt có khe hở nhất định để tạo khoang nươc và tránh va chạm kẹt.
Phanh thử này làm việc theo nguyên tắc điền đầy bộ phận và thuận
nghịch.
Phanh thử ELBE có các thông số sau:
+ Công suất cực đại đo được: Nph= 650[mã lực] hay Nph=
475[kW];
+ Số vòng quay cực đại nmax = 3500[vòng/phút];
+ Khối lượng toàn bộ 900[kg];
+ Hệ số phụ thuộc phanh thử k = 0,001.
3.1.2. Các phƣơng án làm mát
3.1.2.1. Làm mát bằng không khí
Vỏ bộ tạo mômen sẽ được hàn các gân tản nhiệt. Lượng
nhiệt phát sinh trong quá trình làm việc của bộ ma sát sẽ truyền qua
vỏ dẫn đến các gân tản nhiệt. Nhờ các gân tản nhiệt mà diện tích tiếp
xúc của vỏ với không khí xung quanh tăng lên qua đó làm mát cho

bộ ma sát. Có thể thiết kế thêm quạt gió để tăng hiệu suất tản nhiệt.
Làm mát bằng không khí có ưu điểm là đơn giản, dễ chế tạo
tuy nhiên hiệu suất tản nhiệt thấp nhất là đối với thiết bị không di
chuyển.
3.1.2.2. Làm mát bằng nước
Hệ thống làm mát bằng nước có đặc điểm là hiệu quả làm
mát cao nhưng trong quá trình làm việc đòi hỏi phải bổ sung nước
làm mát vì nước được dùng làm dung môi trung gian dùng để tải


`7
nhiệt khỏi các chi tiết.
Trong hệ thống làm mát bằng nước, người ta lại chia ra
thành ba loại: bốc hơi, đối lưu tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức.
Nhận xét: Phương án làm mát bằng nước có ưu điểm vượt
trội hơn phương pháp làm mát bằng không khí, tăng cao hiệu suất tản
nhiệt của thiết bị tạo mô men, dẫn đến việc kết quả đo sẽ chính xác
hơn. Do đó để đảm bảo thiết bị được làm mát tốt ta chọn phương
pháp làm mát bằng nước.
3.2. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU
Động cơ DE12TI là một trong những động cơ Diesel bốn kỳ, sáu
xilanh thẳng hàng hiện đại và được sử dụng rộng rải hiện nay. Động
cơ được lắp trên xe bus DAEWOO 49 chỗ.
Bảng 3-1. Thông số kỹ thuật của động cơ
Ký
Giá trị
Đơn vị
hiệu
- Loại động cơ
- Cách bố trí xi lanh

- Số xi lanh
- Thứ tự nổ
- Đường kính xi lanh
- Hành trình piston
- Dung tích xi lanh
- Tỉ số nén
- Công suất cực đại
- Số vòng quay ứng với công suất
cực đại.
- Momen cực đại
- Tốc độ ứng với momen cực đại

D
S
Vh
ε
Ne
nđm
Memax
nM

DAEWOO
Thẳng hàng
6
1-5-3-6-2-4
123
155
11,051
16,8
250

2100
1421
1260

mm
mm
cc
kW
vòng/ph
N.m
vòng/ph


`8
3.2.1. Các phƣơng án bôi trơn trong động cơ đốt trong.
3.2.1.1. Bôi trơn bằng phương pháp vung té dầu.
3.2.1.2. Phương án bôi trơn cưỡng bức.
3.2.1.3. Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt :
3.2.1.4. Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte khô.
3.2.1.5. Bôi trơn bằng cách pha dầu nhờn vào nhiên liệu.
3.2.1.6. Bôi trơn bằng phương pháp hỗn hợp.
3.3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO
3.3.1. Tính toán trao đổi nhiệt của băng thử
Trong quá trình làm việc, nước trong băng thử nhận nhiệt từ
các chi tiết ma sát và nóng lên. Vì vậy ở phanh thử này nước vừa là
chất lỏng công tác, vừa là chất lỏng làm mát. Muốn tính lượng nước
cần thiết cung cấp cho băng thử, ta viết phương trình cân bằng nhiệt.
Theo [1] ta có lượng nhiệt do công cơ học sinh ra trong một
giờ là:
(1.1)

1 kW  859,8 [kcal/h]
Băng thử ELBE sử dụng phanh thủy lực dạng chốt:
- + Công suất cực đại đo được: Ne = 475 [kW]
- + Số vòng quay cực đại nmax = 3500 [vòng/phút];
- + Khối lượng toàn bộ 900 [kg];
- + Hệ số phụ thuộc phanh thử k = 0,001.
Suy ra lượng nhiệt do công cơ học của động cơ thực nghiệm
sinh ra trong một giờ là:
Q = 859,8.Ne = 859,8.475= 408405 [kcal/h].
Phương trình cân bằng nhiệt, nhiệt lượng do công cơ học tạo
ra bằng nhiệt lượng làm mát:
Qlm  Glm .Cn . t n  Q[kcal/h]

-

Trong đó:
+ Qlm: Nhiệt lượng làm mát [kcal/h];

(1.2)


`9
-

+ Glm: Lượng nước làm mát cấp vào phanh thử trong một giờ

-

[kg/h];
+ ∆tn: Hiệu nhiệt độ nước vào và nước ra bộ tản nhiệt;

+ Cn: nhiệt dung riêng của nước, Cn=4187 [J/kg.độ];
Suy ra lượng nước làm mát cấp vào phanh thử trong 1h là:
Glm 

859,8.Ne 408405.4184

 6801,87[kg / h]=113.36[kg/ph]
Cn  tr  tv 
4187.60

Lượng nước của bơm nước cần cung cấp trong 1h với

b  0,9
Gb 

Glm

b



6801,87
=7557,63[kg / h ]=125,96[kg/ph]
0,9

Sức cản chuyển động của nước trong hệ thống làm mát được
tính theo cột nước H và phụ thuộc vào sức cản của từng bộ phận: két
nước, ống dẫn, vách nước trong thân và nắp máy… Thường sức cản
tổng quát của hệ thống làm mát khi tính toán gần đúng có thể lấy
H=3,5÷15 mH2O. Chọn H=15 mH2O.

Công suất tiêu hao cho bơm nước tính theo công suất sau:
Nb 

Gb .H .9,81.103
[kW]
b .c. g

(1.3)

Trong đó: + c. g : Hiệu suất cơ giới của bơm,

c. g = 0,7÷0,9. Chọn c.g =0,7
Nb 

125,96.15.9,81.103
=0,55[kW ]
60.0,8.0,7

3.3.2. Tính toán trao đổi nhiệt của động cơ nằm trên băng thử
Nhiệt độ từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần
bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí,
lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng chiếm


`10
khoảng 20  30%, còn của động cơ điêden chiếm khoảng 15  25%
tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu toả ra. Nhiệt lượng Qlm có thể tính
theo công thức kinh nghiệm sau đây

Qlm  qlm .Ne [kcal / h]

(1.4)

Đối với động cơ diesel ta chọn q=750 [kcal/ml.h]

Qlm  qlm .Ne  750.250  187500[kcal / h]
Từ công thức (3.2) ta có phương trình cần bằng nhiệt:

Qlm  Glm .Cn . t n  Q[kcal/h]
Ta chọn t  100 C , Cn  4187  J / kg.đo
Glm 

Qlm
187500.4186

 18745,5[kg / h]  312,4[kg / ph]
Cn .t
4187.10

3.3.3. Tính toán két làm mát nƣớc của hệ thống làm mát
+ Chiều dài làm việc của ống: l=810 mm;
+ Chiều rộng của ngăn két: a= 620 mm;
+ Chiều dày của ngăn két: b= 70 mm;
+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;
+ Số dãy ống: 2 dãy;
+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;
+ Kích thước ngoài của ống 30x1,6 mm;
+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;
+ Số cánh tản nhiệt k= 475 mm
+ Chiều dày cánh tản nhiệt 0.12 mm.

Tính toán kiểm nghiệm lại khả năng làm mát của két làm
mát được chọn. Tiết diện lưu thông chất lỏng qua két
b= 1,6 – 2.0,2 = 1,2 mm
a= 30 – 2.0,2 = 29,6 mm


`11
S0 

 .(1,2)2
 (29,6  1,2).1,2  35,21[mm]
4

S  S0 .n  35,21.58  2042,18[mm2 ]

-

Hình 3.1. Sơ đồ kết cấu ống nước
Diện tích tiếp xúc với chất lỏng F1:
F1  F0 .n

(1.5)

Trong đó:F0: Diện tích tiếp xúc của một ống [m2];
n: Số ống trên một ngăn két;

F1  F0 .n

-

(1.6)

h: Chiều dài của ống (m);
p1: Chu vi thành trong của ống;
p1= 2.c + π.d = 2.(29,6-2.(1,2/2))+ π.1,2=60,57 [mm]
F0= 810.60,57= 49061,6 [mm2]
F1= 49061,6.56= 2747449,6 [mm2]=2,7 [m2]
Diện tích tiếp xúc với không khí F2:

Hình 3.2. Sơ đồ tính toán két nước


`12

F2= F3+F4
F3: Diện tích ống nước tiếp xúc với không khí
F4: Diện tích cánh tản nhiệt tiếp xúc với không khí

F3 

Hình 3.30. Sơ đồ tính toán chi tiết két nước
P2 .H .n
(1.7)

P2: Chu vi tiết diện ngoài của ống
P2=2.C+ π.1,6= 2.28,4+ 3,14.1,6= 61,824 [mm]
C= 30- 2(1,6/2)=28,4[mm]
+h: Chiều dài làm việc của ống tiếp xúc với không khí
H= h-k.s= 810- 0,2.475=715[mm]
h: Chiều dài làm việc của ống, h= 810 [mm]

s: Chiều dài của cánh tản nhiệt
k: Số cánh tản nhiệt
n: Số ống
F3= 61,824.715.56= 2475432,96 [mm2]= 2,5 [m2 ]
Diện tích cánh tản nhiệt tiếp xúc với không khí F4:


`13
Hình 3.4. Sơ đồ tính toán két nước
F4  F41  F42

(1.8)

F41: Diện tích toàn bộ cánh tản nhiệt
F41=475.70.10.58=19285000 [mm2]= 19,285 [m2]
F42: Diện tích các lỗ ống nước trên các cánh tản nhiệt

F42  n.S2 .k

(1.9)

n= 56.2=112: Số ống nước
k: Số cánh tản nhiệt
S2: Diện tích ngoài của ống
S2= 30.1,6+ π.(1,6)2/4=50 [mm2]
F42= 112.50.475=2660000 [mm2]=2,66 [m2]
Vậy F4= 19,285-2,66=16,625 [m2]
F2= 2,5+ 16,625= 19,125 [m2]
Diện tích tản nhiệt cần thiết của két làm nước là:
Fk 

Qlm
[m2]
k  tn  tkk 

(1.10)

Trong đó: k: Hệ số truyền nhiệt tổng quát giữa nước và môi
chất làm mát.
k=

1 F2
α1 F1

+

1
δ F2
λ F1

(1.11)
+

1
α2

Hệ số α1 có thể xác định bằng công thức thực nghiệm. Trị số
thí nghiệm của hệ số α1 thay đổi trong khoảng
α1=2326÷4070[W/m2.độ]. Chọn α1=4070 [W/m2.độ]
Hệ số  của đồng lá   83,9  126 [W/m.độ], của hợp kim

nhôm

  104,8 198 [W/m.độ],

còn

của

thép

không

gỉ


`14
  9,3  18,6 [W/m.độ]. Chọn vật liệu làm ống tản nhiệt là hợp kim
nhôm,   150 [W/m.độ].
Hệ số α2 phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ không khí

kk

Khi thay đổi ωkk từ 5 ÷ 60 m/s thì hệ số α2 thay đổi đồng biến
từ 40,6 ÷ 303 [W/m2.độ].
Hệ số k cho bộ tản nhiệt kiểu ống có thể xác định theo đồ thị
k = f(ωkk). Theo số liệu thí nghiệm, xác định bề mặt làm mát của bộ
tản nhiệt, có thể lấy k ≈ α2 và có thể tính gần đúng α2 = 11,38. kk

0,8

(W/m2.độ).
Trong đó: + ωkk: Tốc độ của không khí đi qua bộ tản nhiệt (m/s).
Chọn ωkk= 30m/s
0,8

Vậy α2 = 11,38. 60
k

 301 (W/m2.độ)

1
 197,16
1 19,125 2.104 19,125
1


4070 2,7
150 2,7
301

Thay vào công thức (3.5) ta có nhiệt lượng làm mát của 1
két làm mát là:

Qlm  F2 .k.(t n  t kk ) [J/s]

(1.12)

+ tn: Nhiệt độ trung bình của nước làm mát, [0C];

tn 

tnv  tnr 0
[ C]
2

(1.13)

+ tkk: Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát

tkk 

tkkv  tkkr
2

Nhiệt lượng làm mát của két thứ nhất
+ tnv: Nhiệt độ nước vào tnv = 1000C
+ tnr: Nhiệt độ nước vào tnr = 800C

(1.14)


`15
+ tn: Nhiệt độ trung bình của nước làm mát, [0C];
0
100  80
 90 [ C]
2
+ tkk: Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát, [0C];

tn 

0
70  40
 55 [ C]
2
+ tkkv: Nhiệt độ không khí phía trước bộ tản nhiệt tkkv = 700C

tkk 

Qlm1  19,125.197,16.(90  55)  131973,98[J / s]
Nhiệt lượng làm mát của két thứ 2 :
+ tnv: Nhiệt độ nước vào tnv = 800C;
+ tnr: Nhiệt độ nước ra tnr = 400C;
+ tn: Nhiệt độ trung bình của nước làm mát, [0C];
0
80  40
 60 [ C]
2
+ tkk: Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát, [0C];

tn 

0
50  30
 40 [ C]
2
+ tkkv: Nhiệt độ không khí phía trước bộ tản nhiệt tkkv = 400C

tkk 

Qlm2  19,125.197,16.(60  40)  75413,7[J / s]
Vậy nhiệt lượng tổng cộng 2 két tản nhiệt được là

Q  Qlm1  Qlm2  131973,98  75413,7  207387,68[J / s]
Vậy 2 két làm mát được chọn đảm bảo yêu cầu của hệ thống làm mát
của băng thử.
3.3.4. Tính toán quạt gió của hệ thống làm mát
Lưu lượng không khí cần thiết mà quạt gió cần cung cấp
Gkk 

Qlm
kk .C p .tkk

Trong đó:

(1.15)


`16
+ ρkk: Khối lượng riêng của không khí [kg/m3],
ρkk = 1,1[kg/m3]
+ Cp: Nhiệt dung riêng của nước, Cn=1005 [J/kg.độ];
+ ∆tkk: Chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt,
∆tkk lấy bằng 20÷300C. Chọn ∆tkk = 300C.

Gkk 

408405.1,163
 14,32[kg / s]
1,1.1005.30

Vì vậy cần lựa chọn quạt sao cho thỏa mãn lưu lượng cung
cấp cần thiết.
3.3.5. Thiết kế, chế tạo thiết bị
3.3.5.1. Két làm mát
Từ phần tính toán kiểm nghiệm ở trên ta thấy kết nước được
chọn có các thông số như sau:
+ Chiều dài làm việc của ống: l=810 mm;
+ Chiều rộng của ngăn két: a= 620 mm;
+ Chiều dày của ngăn két: b= 70 mm;
+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;
+ Số dãy ống: 2 dãy;
+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;
+ Kích thước ngoài của ống 30x1,6 mm;
+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;
+ Số cánh tản nhiệt k= 475 mm
+ Chiều dày cánh tản nhiệt 0.12 mm.
3.3.5.2. Bơm nước
Kết luận: Qua những phân tích trên ta chọn bơm ly
tâm làm bơm cấp nước cho hệ thống làm mát


`17
Ta chọn bơm lưu lượng DK THT 1.5DK-24 1HP có thông
số như sau:
Bảng 3-2. Thông số bơm DK THT 1.5DK-24 1HP
Công suất ( HP/Kw)
1HP
Cột áp ( m)

22

Lưu lượng ( L / phút)

266

Đầu vào – Đầu ra ( mm)

49-49

Nguồn điện

220V- 1 phase- 50Hz

3.3.5.3. Bình chứa
3.3.5.4. Quạt gió
Để tối ưu hóa quá trình làm mát ta sử dụng quạt có thông số
như sau:
+ Kiểu quạt : Quạt hướng trục; + Lưu lượng: 23600- 39600 m3/h;
+ Áp suất tĩnh 90;
+ Mô tơ có công suất 2,2 kW với số vòng quay max 1440
vòng/phút.


`18
3.3.5.5. Thiết kế khung để lắp đặt hệ thống làm mát
3.3.6. Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho hệ thống
làm mát
3.3.6.1. Giới thiệu mạch vi điều khiển Arduino UNO R3
3.3.6.2. Sơ đồ bố trí lắp đặt

3.3.6.3. Lắp đặt cảm biến nhiệt điện trở
3.3.6.4. Lắp đặt bộ biến tần điều khiển mô tơ quạt
3.3.7. Xây dựng chƣơng trình điều khiển
3.3.7.1. Sơ đồ thuật toán
3.3.7.2. Chương trình cho vi điều khiển
3.4. TÍNH TOÁN KÉT LÀM MÁT DẦU BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ
3.4.1. Tính toán lƣu lƣợng dầu bôi trơn và lƣu lƣợng của bơm
dầu
3.4.2. Tính toán két làm mát dầu bôi trơn động cơ
Để tối ưu hóa quá trình làm mát ta sử dụng két làm mát dầu
có các thông số cơ bản như sau:
+ Chiều dài làm việc của ống: l=520 mm;
+ Chiều rộng của ngăn két: a= 600 mm;
+ Chiều dày của ngăn két: b= 50 mm;
+ Số ống của một ngăn: n= 56 ống;
+ Cách sắp xếp ống: thẳng hàng;
+ Kích thước ngoài của ống 20x1,6 mm;
+ Chiều dày của thành ống 0,2 mm;
+ Số cánh tản nhiệt k= 475 mm
+ Chiều dày cánh tản nhiệt 0.12 mm.
3.5. KẾT LUẬN
Sau khi phân tích lựa chọn phương án, việc thiết kế chế tạo
hệ thống làm mát băng thử đã hoàn thành:


`19
-

-

Các thiết bị đo và cảm biến đã chọn phù hợp với hệ
thống.
Chương trình vi điều khiển chế tạo kết hợp mạch điều
khiển Arduino UNO R3 đã thu thập và xử lí tín hiệu điện
áp thành các giá trị đại lượng đúng và có độ chính xác
cao.
Hệ thống đảm bảo ổn định nhiệt độ nước đầu vào cho hệ
thống.


`20
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ
4.1. THỰC NGHIỆM ĐO
4.1.1. Mục đích thực nghiệm
Việc thực nghiệm nhằm những mục đích sau:
- Đánh giá sự làm việc của các cảm biến trên hệ thống làm
mát
- Đánh giá khả năng ổn định nhiệt độ của hệ thống làm mát
4.1.2. Hệ thống thực nghiệm
4.1.2.1. Mô hình lắp đặt thực nghiệm
4.1.3. Quy trình thực hiện
Kiểm tra các thiết bị được lắp đặt phải được chắc chắn, kiểm
tra các vị trí lắp ghép trục các đăng và tấm chắn bảo vệ.
Kiểm tra nước làm mát trong hệ thống phải được đầy đủ.
Kiểm tra các đường dây điện và dây tín hiệu các cảm biến
phải được kết nối đúng và gọn gàng, nguồn điện cho máy tính và
nguồn điện từ ắc quy phải cung cấp đầy đủ.
Khởi động máy tính và chương trình phần mềm
Khởi động hệ thống làm mát nếu không có báo hiệu gì từ
chương trình của phần mềm thì chương trình đã xác nhận các tín hiệu

thu được là đầy đủ và chương trình hoạt động không bị lỗi.
Thu thập được các thông số: nhiệt độ T1 nước làm mát đầu
vào, nhiệt độ T2 nước làm mát đầu ra hệ thống.
Thiết lập nhiệt độ cho T1 đầu vào của hệ thống làm mát. Cho
hệ thống hoạt động đo kết quả.
4.2. KẾT QUẢ ĐO
4.2.1. Hệ thống hoạt động với nhiệt độ đầu vào của hệ thống làm
mát T1 = 550C với thời gian 10 phút.
Nổ máy động cơ cho băng thử hoạt động, khi nhiệt độ đầu
vào của hệ thống làm mát T1=550C. Ta thiết lập hệ thống điều khiển


`21
để T1=350C, bắt đầu cho hệ thống làm mát làm việc sau thời gian 10
phút ta có được số liệu theo phụ lục 4.1.
Ta xây dựng đồ thị nhiệt độ đầu ra, đầu vào, tốc độ cánh quạt
của hệ thống làm mát:

Nhiệt độ [0C] /Tốc độ
100*[vòng/phút]

60
50
40
30

Nhiệt độ T1

20

Nhiệt độ T2

10

Tốc độ quạt

0
0

200

400

600

800

Thời gian [s]
Hình 4.4 Đồ thị làm việc lúc T1=550C
Trong đó:
T1 là nhiệt độ đầu vào của hệ thống làm mát
T2 là nhiệt độ đầu ra của hệ thống làm mát
Qua đồ thị ta thấy sau thời gian khoảng 400[s] thì nhiệt độ
đầu ra của hệ thống làm mát T2 =350C
Từ đồ thị trên ta nhận thấy ngay từ khi khởi động thì hệ
thống điều khiển đã điều khiển cánh quạt hoạt động hết công suất để
đưa nhiệt độ T1=350C. Sau thời gian khoảng 10 phút ta nhận thấy hệ
thống điều khiển đã đưa nhiệt độ về gần với giá trị cần thiết.
Chênh lệch nhiệt độ đầu ra và đầu vào khoảng 150C
4.2.2. Hệ thống hoạt động với nhiệt độ đầu vào của hệ thống làm

mát T1 = 500C với thời gian 14 phút
Nổ máy động cơ cho băng thử hoạt động, khi nhiệt độ đầu
vào của hệ thống làm mát T1=500C. Ta thiết lập hệ thống điều khiển


`22
để T1=350C, bắt đầu cho hệ thống làm mát làm việc sau thời gian 14
phút ta có được số liệu theo phụ lục 4.2
Ta xây dựng đồ thị nhiệt độ đầu ra, đầu vào, tốc độ cánh
quạt của hệ thống làm mát:
60

Nhiệt độ/Tốc độ
100*[vòng/phút]

50
40
30

Nhiệt độ T1

20

Nhiệt độ T2
Tốc độ quạt

10
0

0

500

1000

Thời gian [T]

Hình 4.5 Đồ thị làm việc lúc T1=500
Từ đồ thị trên ta nhận thấy ngay từ khi khởi động thì hệ
thống điều khiển đã điều khiển cánh quạt hoạt động gần hết công
suất để đưa nhiệt độ T1=350C. Sau thời gian khoảng 14 phút ta nhận
thấy hệ thống điều khiển đã đưa nhiệt độ về gần đúng với nhiệt độ
yêu cầu của hệ thống.
Sau thời gian khoảng 2 phút nhiệt độ đầu ra của hệ thống
làm mát T2=350C
Qua đó ta thấy hệ thống hoạt động có hiệu quả.
4.2.3. Hệ thống làm việc đồng thời với băng thử
Lúc này nhiệt độ đầu ra của hệ thống làm mát là T1= 400C. Ta cho
hệ thống điều khiển T1=350 ta có được kết quả theo phụ lục 4.3
Ta xây dựng được đồ thị sau


Nhiệt độ [0C] /Tốc độ
100*[vòng/phút]

`23
45
40
35
30

25
20
15
10
5
0

Nhiệt độ T1
Nhiệt độ T2
Tốc độ quạt
0

200

400

600

800

Thời gian [T]
Hình 4.6. Đồ thị làm việc khi T1=400C
Qua đồ thị trên ta nhận thấy nhiệt độ đầu vào của hệ thống
T1 và nhiệt độ đầu ra T2 không có sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến
hệ thống điều khiển chỉ hoạt khoảng 25% công suất là đủ duy trì
được nhiệt độ cần thiết để cấp cho hệ thống.
4.3. KẾT LUẬN
Quá trình thực nghiệm đã đánh giá hiệu quả của hệ thống
làm mát một cách chính xác. Duy trì được nhiệt độ cần thiết cấp cho
băng thử.