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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MINH THẠCH

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
CỦA XE ĐƠNG LẠNH ĐỂ XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH KINH TẾ
KỸ THUẬT KHAI THÁC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 01 năm 2020


i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồng Đức Thông
Chữ ký: …………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Hữu Nhân
Chữ ký: …………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Văn Trạng
Chữ ký: …………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 08 tháng 01 năm 2020.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Lê Đình Tuân - Chủ tịch
2. TS. Phạm Tuấn Anh - Thư ký
3. TS. Trần Hữu Nhân - Phản biện 1
4. TS. Nguyễn Văn Trạng - Phản biện 2
5. TS. Đặng Tiến Phúc - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Lê Đình Tn

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TS. Trần Hữu Nhân


ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN MINH THẠCH

MSHV: 1670759

Ngày, tháng, năm sinh: 01/09/1992

Nơi sinh: Tỉnh Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Mã số: 60520116

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mô phỏng quá trình truyền nhiệt của xe đơng lạnh để
xây dựng đặc tính kinh tế kỹ thuật và khai thác.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng, tính tốn
tổn thất nhiệt qua các vách do q trình truyền nhiệt của thùng xe đơng lạnh. Từ kết quả
mơ phỏng, đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và khai thác của xe đơng lạnh có độ
dày vách khác nhau.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒNG ĐỨC THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

Tp. HCM, ngày tháng năm 2019
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Hồng Đức Thông

TS. Trần Đăng Long

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
(Họ tên và chữ ký)

TS. Trần Hữu Nhân


iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa
TP.HCM, đặc biệt là quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Giao Thơng và bộ mơn Kỹ
Thuật Ơ Tơ – Máy Động Lực đã tận tình và hết lịng truyền đạt những kiến thức, kinh
nghiệm quý báu cho em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hồng Đức Thông, người đã giúp đỡ
và ln theo sát em trong q trình thực hiện đề tài này.
Và em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Hữu Nhân và Thầy Nguyễn Văn
Trạng và các thầy trong hội đồng đã phản biện và có những góp ý đáng giá để nội dung
của luận văn được hồn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin kính chúc sức khỏe và thành công đến với quý Thầy Cô trong
khoa Kỹ Thuật Giao Thông và bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Máy Động Lực.
Dù đã rất cố gắng nhưng nội dung luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp
cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để nội dung luận văn được hoàn
thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện

Nguyễn Minh Thạch


iv

TĨM TẮT
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu mơ hình nhiệt tổn thất của thùng xe
đơng lạnh, để xây dựng mơ hình mơ phỏng nhiệt tổn thất do q trình truyền nhiệt trên
cơ sở kích thước và kết cấu của thùng xe đơng lạnh cụ thể. Mơ hình tính tốn nhiệt được
xây dựng để nghiên cứu ảnh hưởng trong điều kiện xe đang hoạt động trên đường.
Phương pháp xây dựng mơ hình mơ phỏng nhiệt tổn thất do quá trình truyền nhiệt dựa
trên các cơ sở lý thuyết truyền nhiệt. Nội dung của mơ hình bao gồm các thành phần đặc
trưng cho q trình truyền nhiệt của khơng khí trong và ngồi thùng, của các vật liệu
cấu tạo thùng. Nội dung nghiên cứu xét đến nhiệt độ môi trường là 38oC, hàng hóa là cá
được đóng gói bằng thùng giấy cạc tông, theo tiêu chuẩn xe chở đầy tải là 7,1 tấn và
nhiệt độ bảo quản đông yêu cầu là -18oC. Phần mềm Ansys được sử dụng để xây dựng
mơ hình mơ phỏng, tính tốn tải nhiệt do quá trình truyền nhiệt của thùng xe cũng như
thời gian giảm nhiệt độ của hàng hóa trong thùng. Thơng số đầu ra của q trình mơ
phỏng bao gồm nhiệt độ qua vách, nhiệt lượng tổn thất qua vách và thời gian giảm nhiệt
độ của hàng hóa. Kết quả mơ phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của từng điều kiện
hoạt động và thông số kết cấu đến tổn thất nhiệt qua thùng. Dựa trên cơ sở đó, có thể
xác định được các thơng số tối ưu hóa đến tính năng kinh tế và khai thác của phương
tiên. Mơ hình có thể được sử dụng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá khả năng tổn
thất nhiệt trong quá trình thiết kế và cải tạo kết cấu thùng.


v

ABSTRACT
The main content of this thesis is to study the heat loss of a refrigeration truck in
order to build a simulation model of heat loss due to heat transfer based on the size
and structure of a specific refrigeration truck. The thermal computation model was
developed to study the effect of vehicle conditions on the road. The method of
building the simulation model of heat loss is based on heat transfer theories. The
contents of the model include specific factors of the heat transfer process of the air

inside and outside the container and the container’s materials. This research assumes
that the ambient temperature is 38oC; freezing fishes are packed in cardboard boxes;
the truck is at full load condition of 7,1 tons according to the standard; the required
freezing temperature is -18oC. Ansys software is used to build the simulation models
in order to calculate the heat load due to the heat transfer of the container as well as
the time period to reduce the temperature of the goods in the container. The outputs
of the simulation process include the temperature through the wall, the heat loss
through the wall, and the time period to reduce the temperature of the goods. The
simulation results are used to evaluate the effect of each operation conditions and
structural parameters on the heat loss through the container. Based on that, it is
possible to identify which parameters are used to optimize the economic and
exploitation features of the vehicle. This model can be used as a basis for studying
and assessing the heat loss during the designing and improving process of the
container’s structure.


vi

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu do chính tơi thực hiện. Các số liệu
và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cống bố trong
bất kỳ công trình nào khác. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu
trong luận văn tốt nghiệp của mình.
Học viên

Nguyễn Minh Thạch


vii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
TÓM TẮT.......................................................................................................................iv
ABSTRACT ....................................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ix
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................................x
DANH MỤC HÌ NH ẢNH ............................................................................................ xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................................................1
1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................1
1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1
1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................... 1
1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại ................................................................................. 2
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................2
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................... 2
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 3
1.3 Mục tiêu đề tài ........................................................................................................3
1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn...................................................................3
1.4.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................. 3
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn.............................................................................................. 3
1.5 Phương pháp tính tốn ...........................................................................................4
1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn .............................................................. 4
1.5.2 Phương pháp ứng dụng các phần mềm có sẵn................................................. 4
1.5.3 Phương pháp xử lý kết quả .............................................................................. 4


viii
1.5.4 Phương pháp chuyên gia .................................................................................. 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................5
2.1 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT ...........................................................................5
2.1.1 Dẫn nhiệt .......................................................................................................... 5
2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu ........................................................................................ 7
2.1.3 Truyền nhiệt bức xạ ....................................................................................... 12
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT QUA
THÂN XE ......................................................................................................................14
3.1 Xây dựng mơ hình tính tốn.................................................................................14
3.1.1 Mơ hình thùng đơng lạnh ............................................................................... 14
3.1.2 Xây dựng mơ hình tính tốn tổn thất nhiệt .................................................... 16
3.2 Tính tốn q trình truyền nhiệt qua thân xe .......................................................17
3.2.2 Tính tải nhiệt truyền ra mơi trường xung quanh bằng ANSYS ..................... 18
3.2.3 Tính tải nhiệt truyền ra mơi trường xung quanh bằng giải tích ..................... 25
3.2.4 So sánh kết quả hai phương pháp .................................................................. 41
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .........................................................................42
4.1 Ảnh hưởng của thông số bề dày vách với nhiệt lượng tổn thất ...........................42
4.2 Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc với nhiệt lượng tổn thất.......................................43
4.3 Ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt đến nhiệt lượng tổn thất ....................................44
4.4 Nhận xét chung ....................................................................................................46
4.5 Ứng dụng mơ hình để tính tốn, kiểm tra cho xe thực tế .....................................47
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................57
5.1 Kết luận ................................................................................................................57
5.2 Kiến nghị ..............................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................59


ix

LỜI MỞ ĐẦU
Theo nghiên cứu gần đây nghành thực phẩm thương mại, bao gồm nông nghiệp,

vận chuyển sản xuất thực phẩm và bán lẻ chịu trách nhiệm cho 22% tổng lượng khí thải
nhà kính. Phân phối và bán lẻ thực phẩm chiếm khoảng một phần ba trong số này, với
việc vận tải lạnh hàng hóa chiếm khoảng 1,8% tổng lượng khí thải. Thiết bị làm lạnh để
vận chuyển đường bộ hoạt động khắc nghiệt hơn nhiều so với thiết bị làm lạnh cố định,
do phạm vi rộng của các điều kiện vận hành và bị ràng buộc về khối lượng và khơng
gian chứa hàng hóa nên thiết bị làm lạnh vận chuyển có hiệu suất thấp hơn thiết bị làm
lạnh đứng yên. Bên cạnh đó, để phục vụ tốt cho việc giao lưu hàng hóa trong và ngồi
nước, mở rộng phạm vi vận tải lạnh và kỳ vọng chất lượng hàng hóa cao hơn thì việc
giảm được chi phí đầu tư, chi phí vận chuyển và tổn thất nhiệt trong quá trình vận chuyển
là hết sức cần thiết và cần được nghiên cứu phát triển. Với lý do đó đề tài: “Nghiên cứu
mơ phỏng q trình truyền nhiệt của xe đơng lạnh để xây dựng đặc tính kinh tế kỹ
thuật khai thác” đã được thực hiện.


x

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
ω


Re
Le
 ng

 tr
cp

Đơn vị
m/s

W/m.K
m2/s
m
W/m2.K

Ý nghĩa
Vận tốc xe chạy trên đường
Hệ số dẫn nhiệt
Độ nhớt động học
Hệ số reynold
Chiều dài thùng
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên ngoài

W
C
W

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên trong
Nhiệt dung riêng
Khối lượng riêng
Bề dày
Diện tích
Các thành phần nhiệt trở
Nhiệt tổng qua đoạn 1
Nhiệt độ
Nhiệt tổng qua đoạn 2

Qs

W

Nhiệt tổng qua mạng sàn

ks

W/m2.K

Qvh

W

Nhiệt tổng qua mảng hông

Qm

W

Nhiệt tổng qua mảng mui

Qtr

W

Nhiệt tổng qua vách trước

Qth

W

Nhiệt tổng qua thùng

Nhiệt trợ tổng
Độ chênh lệch nhiệt độ
Tải nhiệt bức xạ
Diện tích mui
Diện tích vách
Hệ số truyền nhiệt qua mui
Hệ số truyền nhiệt qua vách
Hệ số màu




A
R
Q s1
T
Qs2

Rq
t
Q bx
Fm
Fv
km
kv

m

W/m2.K
J/kgK

kg/m3
m
m2

o

o

C
W
m2
m2
W/m2.K
W/m2.K

s
Rxn
m
n
hi
hr

i
r

Hệ số truyền nhiệt thực tế qua sàn

Hệ số hấp thụ của mui và vách
W/m2
kg

giờ
kJ/kg
kJ/kg
kg/m3

Nhiệt bức xạ xâm nhập vào mui và vách
Khối lượng hàng nhập vào
Số giờ cần thiết để bảo quản sản phẩm
Enthalpy của luồng khí đi vào qua cửa
Enthalpy của khơng khí trong thùng
Khối lượng riêng của khơng khí đến

kg/m3

Khối lượng riêng của khơng khí trong thùng


xi
g
H
Fm
Df
Dt
Ef
q

m/s2
m

W

Ktt
K dt
Ncs
QMN
Q0

k
b

W
W
W

Gia tốc trọng trường
Chiều cao cửa
Hệ số mật độ
Yếu tố dòng chảy qua cửa
Yếu tố thời gian mở cửa
Hệ số hiệu quả của thiết bị bảo vệ cửa mở
Công suất thiết bị
Hệ số tính tốn bằng tỷ số giữa công suất làm việc
thực với công suất định mức
Hệ số đồng thời
Tổng công suất của tất cả các đèn chiếu sáng
Phụ tải nhiệt của máy nén
Năng suất lạnh của máy nén
Hệ số lạnh tính đến tổn thất trên đường ống và thiết
bị của hệ thống lạnh
Hệ số thời gian làm việc của máy nén

xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mơ tả dẫn nhiệt qua vách phẳng ......................................................................5
Hình 2.2: Dẫn nhiệt qua vách hỗn hợp ............................................................................6
Hình 2.3: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và khơng khí ................................9
Hình 2.4: Chế độ chảy của chất lỏng .............................................................................10
Hình 2.5: Lớp giới hạn biên ..........................................................................................11
Hình 3.1: Mơ hình thùng xe thực tế ..............................................................................14
Hình 3.2: Mơ hình 3D thùng xe thực tế.........................................................................15
Hình 3.3: Mơ hình 3D thùng xe tính tốn .....................................................................15
Hình 3.4: Mơ hình tính tốn tổn thất nhiệt ....................................................................16
Hình 3.5: Trình tự tính tốn ...........................................................................................19
Hình 3.6: Mơ hình mơ phỏng ........................................................................................21
Hình 3.7: Điều kiện tính tốn bên ngồi........................................................................21
Hình 3.8: Điều kiện tính tốn bên trong ........................................................................21
Hình 3.9: Mơ hình chia lưới ..........................................................................................22
Hình 3.10: Phân bố nhiệt độ ..........................................................................................22
Hình 3.11: Phân bố dịng nhiệt ......................................................................................23
Hình 3.12: Cơng suất tổn thất ........................................................................................23
Hình 3.13: Phân bố cơng suất theo thời gian.................................................................24
Hình 3.14: Nhiệt độ hàng hóa theo thời gian ................................................................24
Hình 3.15: Kết cấu mảng sàn ........................................................................................26
Hình 3.16: Mặt cắt mảng sàn đoạn 1, A-A của hình 3.15 .............................................26
Hình 3.17: Mặt cắt mảng sàn đoạn 2, B-B của hình 3.15 .............................................26
Hình 3.18: Các thành phần nhiệt đoạn 1 .......................................................................27
Hình 3.19: Mơ hình nhiệt trở qua đoạn 1 ......................................................................27
Hình 3.20: Nhiệt độ tại từng mặt ...................................................................................29

Hình 3.21: Các thành phần nhiệt đoạn 2 .......................................................................29
Hình 3.22: Mơ hình nhiệt trở qua đoạn 2 ......................................................................30
Hình 3.23: Kết cấu vách hơng .......................................................................................32
Hình 3.24: Mặt cắt vách hơng đoạn 1, A-A ..................................................................32
Hình 3.25: Mặt cắt vách hông đoạn 2, B-B ...................................................................32


xiii
Hình 3.26: Các thành phần nhiệt đoạn 1 .......................................................................33
Hình 3.27: Mơ hình nhiệt trở qua đoạn 1 ......................................................................33
Hình 3.28: Nhiệt độ tại từng mặt ...................................................................................35
Hình 3.29: Các thành phần nhiệt đoạn 2 .......................................................................35
Hình 3.30: Mơ hình nhiệt trở qua đoạn 2 ......................................................................36
Hình 3.31: Kết cấu vách mui .........................................................................................37
Hình 3.32: Mặt cắt vách mui đoạn 1, A-A của hình 3.31 .............................................37
Hình 3.33: Mặt cắt vách mui đoạn 2, B-B của hình 3.31 ..............................................38
Hình 3.34: Kết cấu vách trước.......................................................................................39
Hình 3.35: Mặt cắt vách trước đoạn 1, A-A ..................................................................39
Hình 3.36: Mặt cắt vách trước đoạn 2, B-B ..................................................................39
Hình 4.1: Phân bố cơng suất vách 75 theo thời gian .....................................................42
Hình 4.2: Phân bố cơng suất vách 95 theo thời gian .....................................................42
Hình 4.3: Đặc tính cơng suất nhiệt qua vách .................................................................43
Hình 4.4: Đồ thị cơng suất nhiệt theo vận tốc ...............................................................44
Hình 4.5: Cơng suất qua vách theo thời gian ................................................................45
Hình 4.6: Máy lạnh một khối ........................................................................................52
Hình 4.7: Suất tiêu hao của nhiên liệu động cơ .............................................................52
Hình 4.8: Tổn thất qua vách theo thời gian ...................................................................53


xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Các thơng số tính tốn trong ANSYS ...........................................................19
Bảng 3.2: Các thơng số tính tốn bên trong ..................................................................20
Bảng 3.3: Kết quả chia lưới trong Ansys ......................................................................22
Bảng 3.4: Các thơng số tính tốn ban đầu .....................................................................25
Bảng 3.5: Các thơng số tính tốn đầu vào .....................................................................25
Bảng 3.6: Thơng số vật liệu mảng sàn ..........................................................................27
Bảng 3.7: Nhiệt trở qua từng thành phần ......................................................................28
Bảng 3.8: Nhiệt trở qua từng thành phần ......................................................................30
Bảng 3.9: Các thơng số tính tốn qua vách hông ..........................................................31
Bảng 3.10: Thông số vật liệu mảng sàn ........................................................................33
Bảng 3.11: Nhiệt trở qua từng thành phần ....................................................................34
Bảng 3.12: Nhiệt trở qua từng thành phần ....................................................................36
Bảng 3.13: Kết quả vách mui ........................................................................................38
Bảng 3.14: Kết quả vách trước ......................................................................................40
Bảng 3.15: So sánh kết quả phương án .........................................................................41
Bảng 4.1: Kết quả công suất nhiệt .................................................................................44
Bảng 4.2: Kết quả nhiệt tổn thất theo thời gian .............................................................45
Bảng 4.3: Kết quả các phương án..................................................................................46
Bảng 4.4: Các tổn thất lạnh ...........................................................................................50
Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật máy lạnh ..........................................................................51
Bảng 4.6: So sánh nhiên liệu giữa các phương án.........................................................52
Bảng 4.7: So sánh nhiên liệu giữa các phương án (triệu VNĐ) ....................................54
Bảng 4.8: So sánh nhiên liệu giữa các phương án (triệu VNĐ) ....................................56


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nước
1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, những lo ngại về tác động môi trường của hệ thống
làm lạnh bằng việc nén hơi do đốt cháy nhiên liệu diesel, rò rỉ chất làm lạnh đang là
vấn đề được quan tâm, kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ sản phẩm
trong quá trình vận chuyển hàng lạnh, là điều cần thiết để có thể vận hành một q
trình vận tải lạnh thành công. Vận chuyển thực phẩm làm lạnh là một liên kết quan
trọng trong chuỗi thực phẩm không chỉ về mặt duy trì sự tồn vẹn nhiệt độ của các
sản phẩm dễ hỏng mà còn ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng và khí thải CO 2. Các
nghiên cứu về xe đông lạnh sử dụng các công nghệ thay thế khác cũng đang được
quan tâm và nghiên cứu như: hệ thống eutectic dựa trên lưu trữ năng lượng nhiệt
eutectic, sự kết hợp của hệ thống nén hơi và hệ thống eutectic, các hệ thống đông lạnh
sử dụng nitơ hoặc carbon dioxide cũng mang lại lợi thế về mức tiêu thụ năng lượng
thấp và ít tác động đến mơi trường so với các hệ thống nén hơi thông thường, nhược
điểm của các hệ thống này là chi phí tương đối cao của môi chất làm lạnh và cơ sở
hạ tầng cần thiết cho các trạm nạp trung gian. Hiện nay, việc lựa chọn máy lạnh chủ
yếu dựa trên kinh nghiệm, khiến việc lựa chọn máy lạnh có thể dẫn đến việc quá tải,
hoặc không đủ tải để làm lạnh hàng hóa. Dẫn đến chi phí đầu tư cao, cũng như chi
phí để vận hành tăng. Vì thế, u cầu xây dựng một mơ hình tính tốn phù hợp có xét
đến ảnh hưởng của các yếu tố như điều kiện thời tiết bên ngồi, điều kiện bên trong
mong muốn, tính chất cách nhiệt, sự xâm nhập của khơng khí và độ ẩm, sự đánh đổi
giữa chi phí đầu tư ban đầu, vận hành và sự suy giảm vật lý từ các rung động theo
thời gian là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại.
1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước
S.A. Tassou, A. Hadawey, Y.T. Ge, B. Lagroy de Groutte [3] trong một bài báo đã
nghiên cứu vận hành các hệ thống làm lạnh để vận chuyển thực phẩm đông lạnh bằng
việc sử dụng CO2 làm nhiên liệu và đưa ra so sánh giữa hệ thống này với hệ thống


2

nén hơi thông thường được điều khiển bằng động cơ diesel phụ trợ. Mơ hình có tính
đến tổn thất qua lớp cách nhiệt, tính chất của hàng hóa thực phẩm, điều kiện thời tiết
và lịch trình vận hành.
David Bergeron [4] thuộc phịng thí nghiệm quốc gia Sandia Albuquerque, New
Mexico 87185 và Livermore, California 94550 Sandia, trong bài báo “Solar Powered
Refrigeration for Transport Application - A Feasibility Study” được thực hiện để xác
định xem năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để bù hoặc thay thế hệ thống làm
lạnh chạy bằng nhiên liệu diesel đang được sử dụng trong các phương tiện vận tải.
Nghiên cứu tập trung vào tính khả thi kỹ thuật và khả năng kinh tế của năng lượng
mặt trời, xây dựng được mơ hình tốn học chi tiết để dự đoán hiệu suất của hệ thống.
Tamba Jamiru, Oludaisi Adekomaya, Rotimi Sadiku, Zhongie Huan [5] trong bài
phân tích “Analysis of Overall Heat Transfer Coefficient of Composite Panels for
Thermal Insulation” tạm dich là “Phân tích hệ số truyền nhiệt của tấm composite cho
cách nhiệt” đã thực hiện các thí nghiệm với các sợi đã biết đặt ra ở các hướng khác
nhau để đo được ảnh hưởng của sợi đến sự truyền nhiệt, kết quả đã đưa ra so sánh
việc tiết kiệm năng lượng trong tấm composite sử dụng sợi định hướng và sợi không
định hướng.
1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại
Hầu hết các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về việc hạn chế tổn thất nhiệt,
cũng như sử dụng nhiên liệu mới đã đạt được một số kết quả khả quan, nhưng việc
áp dụng thực tiễn vẫn còn nhiều vướng mắc do cơ sở hạ tầng cũng như chi phí đầu tư
ban đầu cao. Nên việc xây dựng mơ hình tính tốn tổn thất nhiệt trong q trình vận
hành để tối ưu cho xe đơng lạnh ở nước ta là vấn đề cần được quan tâm, cũng như
nghiên cứu ứng dụng và phát triển trong quá trình thương mại hóa.
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn Thạc sĩ,
đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu như sau:
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là quá trình truyền nhiệt qua thùng xe

3
đơng lạnh. Trong đó cần nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng tổn thất nhiệt do
q trình truyền nhiệt trên cơ sở các thông số của thùng xe đông lạnh được lắp đặt
trên nền xe ISUZU FRV34Q đã được sản xuất trên thị trường có tổng tải trọng 15,1
tấn và tải trọng hàng hóa cho phép là 7,1 tấn.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
Vấn đề tổn thất nhiệt qua thùng xe đơng lạnh trong q trình vận chuyển là một
vấn đề rất phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và các trạng thái làm việc
khác nhau. Vì vậy đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu ảnh hưởng lượng nhiệt
tổn thất do quá trình truyền nhiệt qua thùng khi xe chuyển động với vận tốc không
đổi, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bảo quản bên trong thùng là cố định.
1.3 Mục tiêu đề tài
Xây dựng mơ hình mơ phỏng tính tốn tổn thất nhiệt qua thùng xe do quá trình
truyền nhiệt bằng phần mềm ANSYS dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của thùng
xe đông lạnh.
Nhận xét kết quả thu được từ đó rút ra các kết luận về ảnh hưởng của điều kiện hoạt
động và thông số truyền nhiệt ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt qua thùng xe.
1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.1 Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu xây dựng đường đặc tính nhiệt lượng tổn thất qua thùng cho các điều
kiện khác nhau khi thay đổi các thơng số truyền nhiệt. Từ đó có thể dự đốn được
ảnh hưởng của các thơng số truyền nhiệt đến cơng suất nhiệt tổn thất.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Có thể xác định được các thơng số tối ưu hóa đến tính năng kinh tế và khai thác
của phương tiện. Mơ hình có thể được sử dụng làm cơ sở để nghiên cứu và đánh giá
khả năng tổn thất nhiệt trong quá trình thiết kế, cải tạo kết cấu thùng và lựa chọn máy
lạnh phù hợp.

4
1.5 Phương pháp tính tốn
1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu có sẵn
Thu thập, chọn lọc thơng tin từ các nghiên cứu trước, các bài tạp chí, bài báo trong
và ngồi nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu.
1.5.2 Phương pháp ứng dụng các phần mềm có sẵn
Sử dụng phần mềm SolidWord, Ansys hỗ trợ cho việc tính tốn q trình truyền
nhiệt qua xe đơng lạnh.
1.5.3 Phương pháp xử lý kết quả
Dùng phương pháp thống kê, so sánh giữa kết quả tính tốn lý thuyết và kết quả
mơng phỏng.
1.5.4 Phương pháp chuyên gia
Đưa ý kiến đến thầy giáo hướng dẫn để nghe ý kiến, phân tích, nhận định.


5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT
Truyền nhiệt là dạng truyền năng lượng khi có sự chênh lệch về nhiệt độ, có ba
dạng truyền nhiệt cơ bản là: truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu, truyền
nhiệt bức xạ.
2.1.1 Dẫn nhiệt
2.1.1.1 Định nghĩa
Dẫn nhiệt là một trong ba phương thức truyền nhiệt cơ bản. Dẫn nhiệt xảy ra bên
trong vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc nhau khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa
các phần đó. Dẫn nhiệt khơng chỉ có mặt trong vật rắn, mà có mặt cả trong chất lỏng
và trong chất khí. Dẫn nhiệt được thực hiện thơng qua q trình truyền dao động các
phần tử vi mơ của vật thể: trong kim loại dẫn nhiệt chủ yếu nhờ quá trình truyền dao
động của các điện tử tự do, trong chất điện mơi và chất lỏng dẫn nhiệt nhờ sóng đàn

hồi truyền dao động nhiệt, trong chất khí dẫn nhiệt nhờ q trình khuếch tán các phân
tử.

Hình 2.1: Mơ tả dẫn nhiệt qua vách phẳng
Dòng nhiệt truyền qua vật trong 1(s) theo phương x được tính theo định luật Fourier:
Qx= -λ F

T
[W]
x

Hoặc qx=Qx/F = -λ

T
[W/m2]
x

Ở đây:
Qx: dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W)


6
qx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s [W/m2]
F: diện tích tiết diện vng góc với phương x [m2]
T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (0C)
λ: hệ số dẫn nhiệt của vật [W/mK]
Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ cịn
vectơ mật độ dịng nhiệt ln đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “–”
trong phương trình trên.
2.1.1.2 Dẫn nhiệt ổn định qua vách có vật liệu hỗn hợp

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

Hình 2.2: Dẫn nhiệt qua vách hỗn hợp
Mỗi vật liệu có tính chất nhiệt đồng nhất. Hai phía của vách có hai chất lỏng nhiệt độ
và hệ số toả nhiệt tương ứng là tL1, 1 và tL2, 2. Khi đó dịng nhiệt chỉ truyền theo
hướng bề dày. Gọi các đoạn vách có cấu trúc giống nhau là một phần tử thì dịng
nhiệt qua mọi phần tử là hồn tồn như nhau. Từ tính chất tương tự của khái niệm
cường độ dòng điện (a), mật độ dòng nhiệt (b):

I

U
 RI

(a)

q

T
 Rq

(b)

Trong đó: U và t tương ứng là hiệu điện áp hai đầu mạch điện và độ chênh nhiệt


7

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

R

I

 R1  RA 

RB .RC
 RD  R2
RB  RC

Từ đó suy ra cơng thức tính nhiệt trở tổng:

 B C
.

1  A B C  D 1
1 
1
1
 Rq       B C        A  B C  D  
1
A
D
2
1
A

D
2


B C
 B C
Trong đó:
1

1

và

1

2

tương ứng là nhiệt trở tỏa nhiệt của 2 mặt ngoài vách;


A
và D tương ứng là nhiệt trở dẫn nhiệt của lớp A và D;
D
A
1

B C là nhiệt trở dẫn nhiệt tương đương của 2 lớp B và C;

 B C
Từ đó tính ra mật độ dòng nhiệt truyền qua vách hỗn hợp:

q

t L1  t L 2
 Rq

2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu
2.1.2.1 Định nghĩa
Toả nhiệt đối lưu là một phương thức truyền nhiệt xảy ra giữa bề mặt vật rắn và
chất lỏng hoặc khí - gọi chung là chất lỏng, khi giữa chúng có chênh lệch nhiệt độ và
tiếp xúc với nhau. Khi chất lỏng hoặc khí là mơi trường khơng chuyển động tiếp xúc
với bề mặt vật rắn có nhiệt độ khác chúng, các phần tử chất lỏng sẽ trao đổi nhiệt với
bề mặt vật bằng dẫn nhiệt qua lớp chất lỏng sát bề mặt vật. Khi đó nhiệt độ của lớp
chất lỏng thay đổi gây nên mật độ của chất lỏng thay đổi. Sự chênh lệch mật độ làm


8
xuất hiện chuyển động tạo thành dòng đối lưu, đồng thời mang nhiệt đi. Nếu chất
lỏng hoặc khí là mơi trường chuyển động thì lượng nhiệt trao đổi do dịng chất lỏng
chuyển động mang đi càng lớn. Vậy trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng
là một quá trình phức tạp bao gồm quá trình dẫn nhiệt qua các lớp chất lỏng và truyền
nhiệt đối lưu do các phần tử chất lỏng chuyển động mang nhiệt đi gọi là trao đổi nhiệt
đối lưu.
2.1.2.2 Các loại đối lưu
Theo nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng có thể chia thành:
a. Đối lưu tự do: Đối lưu tự do là quá trình chuyển động của chất lỏng khi nhiệt
độ giữa các vùng chất lỏng khác nhau làm mật độ của chúng khác nhau dẫn tới chuyển
động.
b. Đối lưu cưỡng bức: Đối lưu cưỡng bức là quá trình chuyển động do các tác
động cơ học từ bên ngoài như dùng máy nén, quạt, máy khuấy...
Thực tế trong đối lưu cưỡng bức ln có mặt đối lưu tự nhiên. Nếu độ chênh

nhiệt độ giữa bề mặt vật và chất lỏng nhỏ thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của đối lưu tự
nhiên, nếu độ chênh nhiệt độ lớn thì cần tính đến ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên, vì
chính độ chênh nhiệt độ sẽ tạo ra chuyển động của chất lỏng do mật độ của chúng
chênh lệch.
Trong kỹ thuật để tính tốn đơn giản q trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường
dùng công thức Newtơn:
Q = α.F(Tw – Tf) (W)
Trong đó:
α: là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (W/m2K)
F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)
Tw: nhiệt độ trung bình của bề mặt (0C)
Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) (0C)


9

Hình 2.3: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và khơng khí
2.1.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng
a. Tính chất vật lý của chất lỏng
Toả nhiệt đối lưu phụ thuộc vào bản chất vật lý của chất lỏng: không khí, các
chất khí, nước, dầu... Các chất lỏng khác nhau được thể hiện ở các tính chất vật lý
khác nhau và có ảnh hưởng khác nhau tới toả nhiệt đối lưu. Đó là các đại lượng: hệ
số dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng CP, mật độ , hệ số nhớt , hệ số nén đẳng nhiệt, hệ
số giãn nở nhiệt, ... Các tính chất vật lý của các chất lỏng khác nhau có giá trị khác
nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong đó , CP, ,  là những đại lượng có vai trị
quan trọng hơn cả. Lấy thí dụ về hệ số nhớt . Trong chất lỏng thực ln có mặt độ
nhớt thể hiện bởi hệ số nhớt , nó làm phát sinh lực ma sát S giữa các lớp chất lỏng
cạnh nhau có tốc độ khác nhau:

S  .

trong đó:  = . là hệ số nhớt động lực;

W
n

W
là gradient tốc độ.
n

Lực ma sát ln có chiều ngược với chiều tăng tốc độ nên hạn chế sự thay đổi tốc độ
của dịng chảy, có nghĩa là làm mất động năng của dòng chảy. Khi nhiệt độ tăng thì
hệ số nhớt  của chất lỏng giảm nên ma sát cũng giảm, chất lỏng có thể đối lưu mạnh
hơn làm toả nhiệt tăng.
b. Chế độ chảy và lớp giới hạn
Theo tính chất chuyển động có thể chia chế độ chảy thành: chảy tầng và chảy rối.
Chảy tầng: Dòng chảy tầng là dịng chảy có các phần tử chất lỏng chuyển động theo
những đường dòng riêng biệt, tạo thành các lớp song song nhau và song song với


10
thành ống, các phần tử trong mỗi lớp không chuyển động xáo trộn sang nhau. Trong
dòng chảy tầng, toả nhiệt thực hiện chủ yếu bằng phương thức dẫn nhiệt qua các lớp
chất lỏng. Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng nói chung là thấp, bởi vậy toả nhiệt đối lưu
khi chảy tầng nhỏ. Chảy tầng luôn xuất hiện ở lớp chất lỏng sát vách ống do có mặt
của ma sát.
Chảy rối: Dịng chảy rối là dịng chảy có các phần tử chất lỏng chuyển động xáo trộn
không theo các đường dịng riêng biệt. Trong dịng chảy rối các dịng xốy ln sinh
ra làm q trình truyền nhiệt xảy ra mạnh và nhiệt truyền đi bằng cơ cấu đối lưu.

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

Hình 2.4: Chế độ chảy của chất lỏng
Để xác định chế độ chảy, dựa vào tiêu chuẩn Raynơn:

Re 

.l


trong đó:  - tốc độ dòng chảy, m/s;  - hệ số nhớt, m2/s;  - kích thước xác định
(m); Khi Re < 2300 chảy tầng ; Re > 2300 chảy rối.
Với dòng chảy trong ống hoặc cắt ngang ngồi ống kích thước xác định tương
ứng là đường kính trong hoặc ngồi ống. Dịng chảy trên bề mặt tấm, kích thước xác
đinh là chiều dài tấm.
Lớp giới hạn, lớp giới hạn thuỷ lực 
Lớp giới hạn thuỷ lực còn gọi là lớp chất lỏng sát vách có tốc độ thay đổi từ 0 ở trên
vách đến xấp xỉ tốc độ w của dòng chảy, hình 2.2a. Lớp giới hạn thuỷ lực xuất hiện
là do có ma sát giữa chất lỏng và bề mặt vách. Trong lớp giới hạn thuỷ lực, lớp chất