(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cải tiến két nước trên xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh mini nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xe tay ga đang trở nên phổ biến tại các thành phố lớn nhờ vào thiết kế đẹp mắt và hệ thống truyền động vô cấp, giúp người dùng không cần sang số khi tăng tốc Để đạt được những ưu điểm này, hệ thống làm mát trên xe tay ga có cấu trúc khác biệt so với xe số, với toàn bộ thân xe được bao kín và tốc độ lưu thông không khí thấp, ngay cả khi xe di chuyển với tốc độ cao.

Hầu hết xe tay ga sử dụng hệ truyền động vô cấp, tạo ra nhiều nhiệt hơn so với hệ thống truyền động xích trên xe số Để xử lý vấn đề này, các nhà sản xuất thường áp dụng hai giải pháp: sử dụng quạt thổi gió cưỡng bức vào động cơ hoặc thiết kế hệ thống làm mát bằng dung dịch.

Hệ thống làm mát bằng gió sử dụng động cơ để quay quạt, hút không khí từ bên ngoài và làm mát thân máy Mặc dù cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, nhưng hệ số tỏa nhiệt đối lưu của không khí thấp hơn nhiều so với dung dịch, dẫn đến hiệu suất làm mát kém hơn Do đó, xe sử dụng động cơ làm mát bằng gió thường cần có dung tích xi-lanh lớn hơn để đạt hiệu suất tương đương với xe làm mát bằng dung dịch, đồng thời cần xem xét ảnh hưởng của lượng hơi nóng phát sinh trong quá trình hoạt động.

Động cơ làm mát bằng dung dịch mang lại khả năng kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn, hiệu suất hoạt động và độ ổn định cao hơn so với làm mát bằng gió cưỡng bức, và đã được áp dụng trên nhiều dòng xe tay ga mới như Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX Tuy nhiên, hệ thống làm mát này vẫn tồn tại một số nhược điểm như cánh tản nhiệt mỏng dễ bị hư hại và bám bẩn, cùng với khả năng truyền nhiệt kém do thiết kế hàn vào ống dẫn Hơn nữa, bộ tản nhiệt hiện tại cần quạt gió để làm mát, nhưng vẫn cồng kềnh và hiệu quả truyền nhiệt chưa cao Công nghệ truyền nhiệt Mini/Microchannel đang cho thấy ưu điểm rõ rệt, khi có thể thay thế bộ tản nhiệt truyền thống bằng bộ tản nhiệt kênh Mini sử dụng công nghệ dán UV light, giúp tiết kiệm không gian và tận dụng dòng gió cưỡng bức từ chuyển động của xe mà không cần quạt gió.

Đề tài nghiên cứu cải tiến két nước trên xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh Mini (Minichannel heat sink) nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt đã được lựa chọn Sự cải tiến này không chỉ nâng cao hiệu suất động cơ mà còn giúp động cơ hoạt động ổn định, vận hành êm ái, tiết kiệm nhiên liệu và có kích thước nhỏ gọn.

Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan

Quá trình hoạt động của động cơ đốt trong dẫn đến việc nhiệt lượng truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy, như piston và xéc măng, chiếm khoảng 25% đến 35% nhiệt lượng sinh ra từ nhiên liệu Do đó, các chi tiết này thường bị đốt nóng mạnh, với nhiệt độ đỉnh piston có thể đạt tới 600°C và nhiệt độ nấm xupap lên tới 900°C Hình 1.1 minh họa sự phân bố năng lượng trên xe, trong đó 30% là tải nhiệt làm mát, 35% là tải nhiệt theo khí thải và 35% là năng lượng nhiệt còn lại.

Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1]

Các kết quả nghiên cứu liên quan đến hệ thống làm mát trên xe ô tô và xe ngắn máy cũng đã được một số nhà khoa học nghiên cứu

Trivedi và Vasava [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS 12.1 để phân tích dòng chảy lưu chất và truyền nhiệt trong két nước làm mát ô tô Kết quả cho thấy rằng việc thay đổi khoảng cách giữa các ống ảnh hưởng đến lượng nhiệt truyền ra ngoài không khí, với hiệu quả tối ưu cho hệ số truyền nhiệt khi khoảng cách giữa các ống là 12 mm Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 1.

Bảng 1.1: Kết quả thực nghiệm của công ty

Nhiệt độ phía đầu vào

Nhiệt độ phía đầu ra (thực nghiệm)

Nhiệt độ mặt bên phía ngoài đầu vào

Nhiệt độ mặt bên phía trong đầu ra (thực nghiệm)

Kết quả phân tích bằng CFD

Kết quả nhiệt độ đầu vào và đầu ra của ống được thể hiện trong hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2: Nhiệt độ đầu vào 95 0 C

Kết quả nhiệt độ hai mặt bên của két nước được thể hiện trong hình 1.4 và 1.5

Hình 1.4: Nhiệt độ đầu vào 35 O C

Bảng 1.2: Tóm tắt kết quả CFD

Vận tốc của xe km/h

Nhiệt độ mặt phía ngoài đầu vào

Nhiệt độ mặt phía trong đầu ra

Bảng 1.3: So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả CFD

Nhiệt độ đầu ra của ống (thực nghiệm)

Nhiệt độ đầu ra của ống

Nhiệt độ mặt ngoài đầu vào

Nhiệt độ đầu ra của mặt phía trong (thực nghiệm)

Nhiệt độ đầu ra của mặt phía trong

Phần trăm biến thiên nhiệt độ ống

Phần trăm biến thiên nhiệt độ hai mặt bên

Bảng 1.4: Kết quả ảnh hưởng của khoảng cách

Nhiệt độ phía ống đầu vào

Nhiệt đô phía ống đầu ra

Nhiệt độ phía vỏ đầu vào

Nhiệt độ phía vỏ đầu ra

Yadav và Singh đã tiến hành phân tích và so sánh các chất làm mát khác nhau cho két nước xe ô tô, sử dụng nước và hỗn hợp nước với propylene glycol theo tỷ lệ 40:60 Kết quả cho thấy nước là chất làm mát hiệu quả nhất, nhưng có thể gây ăn mòn và chứa muối không tan, dẫn đến thoái hóa đường ống dẫn Hỗn hợp nước với ethylene glycol mặc dù có nhiệt dung riêng giảm, nhưng lại cải thiện các tính chất khác, tăng nhiệt độ sôi và giảm nhiệt độ đóng băng Hiệu suất của hỗn hợp này tương đương với nước, với lưu lượng tăng lên Hình 1.6 minh họa mô hình thí nghiệm làm mát trên xe.

Hình 1.6: Mô hình làm mát trên xe

Hiệu suất của tản nhiệt ε = 𝑚𝑐 𝐶 𝑚𝑐 𝐶 𝑝𝑐

1000𝑥60 kg/s (đối với nước và propylen glycol)

Với: C pc = 4,18KJ/kgK (với nước) = 3,39kJ/kgK (với 40% nước + 60% propylenglycol)

C pa = 1,005 kJ/kgK m a = 1,49 kg/s m c : Lưu lượng khối lượng của chất làm mát kg/s m a : Lưu lượg khối lượng của không khí kg/s

C pa : Nhiệt dung riêng của không khí tại áp suất không đổi kJ/kg K

Nhiệt dung riêng của chất làm mát tại áp suất không đổi (C PC) là yếu tố quan trọng trong quá trình truyền nhiệt Nhiệt độ đầu vào của môi chất làm mát (t ci) và nhiệt độ đầu ra của chất tải lạnh (t co) ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm mát Đồng thời, nhiệt vào của không khí (t ai) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định cho hệ thống.

Khot và Santosh [4] đã áp dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và so sánh hiệu suất của hai loại áo nước làm mát cho động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng Phân tích cho thấy rằng model 2 có tốc độ dòng chảy ở đầu áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm đáng kể.

Nhiệt độ dầu động cơ có thể được cải thiện thông qua thiết kế tối ưu trong hệ thống làm mát, như nghiên cứu của Singh và cộng sự đã chỉ ra Cụ thể, việc cải tiến tấm ngăn trên nắp máy đã giúp giảm nhiệt độ dầu khoảng 7°C Tiếp theo, khi thiết kế nắp máy để dòng chảy trực tiếp trên thân máy, nhiệt độ dầu giảm thêm 12,5°C Cuối cùng, sau khi thiết kế lại các cánh quạt ly tâm, nhiệt độ dầu đã giảm tổng thể khoảng 24°C.

Hình 1.7: Hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức

Qingzhao đã phân tích sự phân bố áp suất, vận tốc, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước ở đầu xylanh, cho thấy nước làm mát đã thực hiện phân phối lưu lượng dòng chảy tốt và áp suất tương đối chấp nhận được Thiết kế của các phần trong đầu xylanh đã tạo ra tác động cần thiết để cải thiện khả năng làm mát ở những khu vực quan trọng như xupap thải và kim phun nhiên liệu, giúp các chi tiết nóng không bị quá nhiệt và hư hại Mẫu thiết kế hình học của áo nước đầu xylanh được trình bày trong hình 1.8.

Hình 1.8: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh

Paul và cộng sự đã nghiên cứu việc sử dụng không khí để làm mát động cơ xilanh bằng cách giả định các cánh tản nhiệt có hình dạng vành khuyên gắn trên xilanh Họ đã thực hiện mô phỏng số để xác định các đặc tính truyền nhiệt dựa trên các thông số của cánh như kích thước, độ dày và sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày cánh tăng Khoảng cách giữa các cánh giảm dần, tạo ra hiện tượng rối, từ đó tăng cường khả năng truyền nhiệt Việc sử dụng nhiều cánh với độ dày nhỏ để giải nhiệt cho xe phân khối lớn là rất phổ biến, giúp nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt.

Pulkit cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sự truyền nhiệt thông qua phương pháp mô phỏng số CFD Kết quả cho thấy tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ xung quanh Cụ thể, ở các vận tốc 40 km/h, 60 km/h và 72 km/h, hệ số truyền nhiệt được tính toán lần lượt là 724 W, 933,56 W và 1123,03 W.

Masao cùng cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cánh, khoảng cách cánh và tốc độ gió đến hiệu quả làm mát xylanh động cơ xe máy Kết quả cho thấy nhiệt độ tỏa ra từ xylanh không được cải thiện khi có quá nhiều cánh và khoảng cách giữa các cánh quá hẹp ở tốc độ gió thấp, dẫn đến nhiệt độ tăng Kích thước cánh tối ưu được xác định là 20 mm khi xe đứng yên và 8 mm khi xe di chuyển.

Siegel và Graham [10] đã tiến hành nghiên cứu về hiệu suất truyền nhiệt của màng ngăn các cánh tản nhiệt trên các đầu nhỏ của xilanh Kết quả cho thấy rằng thiết kế cánh tản nhiệt cho động cơ có khoảng cách khác nhau tùy thuộc vào độ dài của khu vực cánh Cụ thể, khu vực giữa các đường ống nạp và xả thường có độ dài ngắn hơn và giá trị tổn thất áp suất cao hơn trên mỗi đơn vị chiều dài so với các khu vực cánh xung quanh đầu.

Công cụ CFD đã được sử dụng để tối ưu hóa hình dạng vỏ bộ tản nhiệt của xe tải TATA Mini, theo nghiên cứu của Chackol và cộng sự Kết quả cho thấy việc cải tiến thiết kế cơ bản đã giúp loại bỏ vùng tuần hoàn khép kín và tăng lưu lượng gió qua cánh tản nhiệt lên đến 34%.

Laramee [12] đã sử dụng các tính năng tiên tiến trong công nghệ trích đặc điểm và kỹ thuật hình ảnh để khảo sát dòng chảy của lưu chất qua áo nước làm mát Nghiên cứu này áp dụng phương pháp mô phỏng số CFD, cung cấp hình ảnh không gian về hình dạng tia phun, dòng chảy và dòng bề mặt, nhằm xác định chính xác sự phân bố nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy và áp suất.

Wamei đã sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT để phân tích các đặc tính của bộ trao đổi nhiệt với hình dạng cánh và vật liệu mới Nghiên cứu so sánh mức độ hoàn thiện giữa các loại bộ trao đổi nhiệt cho thấy bộ tản nhiệt mới với cánh sóng và vật liệu bọt grafit có hiệu suất cao hơn so với bộ trao đổi nhiệt truyền thống Vật liệu mới này không chỉ cải thiện khả năng truyền nhiệt mà còn giúp giảm đáng kể thể tích và khối lượng của thiết bị.

Hệ số truyền nhiệt bề mặt chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như chiều rộng cánh, khoảng cách giữa các cánh, độ dày cánh, sự biến đổi vận tốc dòng khí và cấu tạo vật liệu cánh Nghiên cứu của ARNOLD và BENJAAW cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt đối lưu chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc dòng không khí và khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt.

Mục đích của đề tài

Đề tài này nghiên cứu quá trình tản nhiệt trong bộ tản nhiệt kênh Mini, ứng dụng vào hệ thống làm mát bằng dung dịch cho xe tay ga Mục tiêu là nâng cao hiệu quả làm mát động cơ, giúp động cơ hoạt động ổn định, êm ái và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giữ cho kết cấu bộ tản nhiệt nhỏ gọn.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

Tập trung nghiên cứu đánh giá quá trình trao đổi nhiệt trong bộ tản nhiệt két nước trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan

Lựa chọn thiết kế bộ trao đổi nhiệt phù hợp để thay thế cho bộ tản nhiệt két nước trên xe tay ga hiện nay

Bài viết phân tích và đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ tản nhiệt được lựa chọn so với bộ tản nhiệt két nước trên xe tay ga thông qua phương pháp thực nghiệm Nghiên cứu này nhằm xác định khả năng làm mát và hiệu suất hoạt động của từng loại bộ tản nhiệt, từ đó đưa ra những nhận định chính xác về ưu nhược điểm của chúng trong điều kiện thực tế Kết quả sẽ giúp người tiêu dùng và nhà sản xuất có cái nhìn rõ hơn về sự phù hợp của từng loại tản nhiệt trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ xe tay ga.

Với thời gian và khả năng có hạn, tôi quyết định tập trung phân tích quá trình trao đổi nhiệt trong bộ tản nhiệt két nước của xe tay ga.

Phương pháp nghiên cứu

Tổng quan các kết quả phân tích của các nghiên cứu liên quan

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết truyền nhiệt

Về cơ bản có ba phương thức sau:

Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật chất có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc trực tiếp Trong quá trình này, nhiệt lượng được truyền qua mà không làm thay đổi vị trí của các vật chất.

Trao đổi nhiệt đối lưu diễn ra giữa lưu chất (khí) và bề mặt rắn có nhiệt độ khác nhau, trong đó quá trình truyền nhiệt gắn liền với dòng chảy của lưu chất.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình chuyển giao năng lượng thông qua sóng điện từ mà không cần tiếp xúc trực tiếp Quá trình này diễn ra giữa năng lượng sóng điện từ và nhiệt năng, cho phép nhiệt được trao đổi hiệu quả.

Các định luật cơ bản về truyền nhiệt được xác định bởi định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, hay còn gọi là nguyên tắc bảo toàn năng lượng Mặc dù nội năng U là một đại lượng phức tạp trong việc đo lường và mô phỏng, nhưng các định luật này thường được diễn đạt lại trong bối cảnh nhiệt độ.

T Đối với một lưu chất, có phương trình nhiệt là:

•  là khối lượng riêng, kg/m 3

• C p là nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

• T là nhiệt độ tuyệt đối, K

• q là khối lượng riêng dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m 2

•  là ứng suất nhớt tensor, Pa

Dựa trên phương trình (2-1), một số mối quan hệ nhiệt động lực học đã được áp dụng Phương trình này khẳng định rằng khối lượng luôn được bảo toàn, do đó, khối lượng riêng và vận tốc cần phải được liên kết với nhau.

 Chế độ ứng dụng truyền nhiệt tổng quát sử dụng luật Fourier về dẫn nhiệt, q thì tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ: qi k T xi

Hệ số dẫn nhiệt (k) được đo bằng đơn vị W/(m.K) và có thể khác nhau theo các hướng trong chất rắn Do đó, k trở thành một tensor với các thành phần xx, xy, xz, yx, yy, yz, zx, zy, zz, phản ánh sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt trong các hướng khác nhau.

  và mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt được cho bằng: i ij j j q k T x

Phần bên phải của phương trình (2-1) thể hiện quá trình gia nhiệt nhớt của lưu chất, trong khi một hiện tượng tương tự diễn ra bên trong, làm giảm độ nhớt của chất rắn.

":" thể hiện ở dạng thu gọn và trong trường hợp này nó có thể được viết với hình thức sau đây: n m nm nm a b     a b

Phần thứ ba liên quan đến áp suất làm việc và thể hiện ý nghĩa vật lý trong việc gia nhiệt của lưu chất trong quá trình nén nhiệt, cũng như một số hiệu ứng âm thanh nhiệt Thông thường, thành phần này có giá trị nhỏ đối với các dòng chảy có số Mach thấp.

Bằng cách thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1) và sắp xếp lại các phần, đồng thời bỏ qua gia nhiệt nhớt và áp suất làm việc, chúng ta có thể rút gọn phương trình nhiệt thành một hình thức đơn giản hơn.

Phương thức truyền nhiệt thứ ba là truyền nhiệt bức xạ, trong đó nhiệt bức xạ được hiểu là các sóng điện từ phát ra từ một vật ở nhiệt độ nhất định Bài viết này sẽ nghiên cứu lý thuyết về quá trình truyền nhiệt bức xạ diễn ra trên bề mặt của vật thể.

Làm lạnh - gia nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt

Một trong những điều kiện biên phổ biến trong mô hình truyền nhiệt là quá trình làm mát hoặc gia nhiệt thông qua đối lưu, trong đó một chất lỏng hoặc khí làm mát bề mặt bằng cách đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức Nguyên tắc mô hình hóa quá trình này có thể được thực hiện theo hai phương pháp khác nhau.

• Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu

• Mở rộng mô hình để mô tả dòng chảy và truyền nhiệt trong lưu chất làm mát

Phương pháp đầu tiên rất mạnh và hiệu quả trong việc ứng dụng truyền nhiệt Chế độ ứng dụng này dựa trên việc sử dụng hệ số truyền nhiệt, là một cách tiếp cận chính xác cho hầu hết các mục đích kỹ thuật Để mô hình hóa làm mát đối lưu, cần xác định mật độ dòng nhiệt tại biên tiếp xúc với các lưu chất làm mát, tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ trên lớp cách nhiệt giả định Hệ số truyền nhiệt h được mô tả theo phương trình cụ thể.

Cách tiếp cận thứ hai bao gồm cả dòng chảy của lưu chất làm mát và truyền nhiệt trong mô hình, điều này có thể hữu ích trong một số trường hợp nhất định Ví dụ, hình dạng của mô hình có thể làm thay đổi đáng kể hệ số truyền nhiệt theo vị trí Nhiệt độ trong lưu chất cũng có ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt, và trong những trường hợp như vậy, các điều kiện biên tại các mặt chung cần được duy trì liên tục.

Mô hình tăng độ phức tạp do yêu cầu giải quyết các trường dòng chảy và nhiệt độ, dẫn đến việc tăng đáng kể bộ nhớ và thời gian tính toán Phần này sẽ tập trung vào phương pháp sử dụng hệ số truyền nhiệt để mô tả quá trình làm mát đối lưu.

Khó khăn lớn nhất trong việc áp dụng hệ số truyền nhiệt h là xác định giá trị chính xác của nó Hệ số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại lưu chất làm mát, đặc tính vật liệu, nhiệt độ bề mặt, phương pháp đối lưu cưỡng bức và vận tốc dòng chảy Bên cạnh đó, hình dạng và cấu trúc hình học cũng có tác động đáng kể đến giá trị của hệ số này.

Mát đối lưu được chia thành bốn loại chính dựa trên điều kiện đối lưu (tự nhiên hoặc cưỡng bức) và hình học (bên trong hoặc bên ngoài dòng chảy) Mỗi loại có thể là dòng chảy đối lưu chảy tầng hoặc chảy rối, dẫn đến tổng cộng tám loại đối lưu khác nhau.

Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu

Sự khác biệt giữa đối lưu tự nhiên và cưỡng bức thể hiện rõ khi có lực bên ngoài như quạt tạo dòng chảy Đối lưu tự nhiên được gây ra bởi sự khác biệt nhiệt độ và giản nở nhiệt của môi chất Các tài liệu liên quan đã đưa ra mối quan hệ khác nhau cho hệ số truyền nhiệt của từng loại Trong hầu hết các trường hợp, phương trình mô tả hệ số truyền nhiệt h thay đổi đáng kể theo hình dạng hình học, ví dụ như công thức khác nhau cho dòng chảy tầng trong ống và giữa các tấm song song.

Thư viện hệ số truyền nhiệt của Module truyền nhiệt bao gồm một tập hợp con, sử dụng cuốn sổ tay biểu thức dựa trên các thiết lập các số không thứ nguyên.

• Số Nusselt Nu L (Re, Pr, Ra )  hL k /

• số Rayleigh, Ra  Gr Pr  2 g C p  TL 3 / ( k )

• h là hệ số truyền nhiệt, W/(m 2 K)

• L là độ dài xác định, m

•  T là độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và chất tải lạnh, K

• g là hằng số gia tốc trọng trường, m/s 2

• k là độ dẫn nhiệt của lưu chất, W/(m.K)

•  là khối lượng riêng, kg/m 3

• U là vận tốc chất tải, m/s

• C p là nhiệt dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)

•  là độ giãn nỡ nhiệt, 1/K

• Gr được viết tắt bởi Grashof, được định nghĩa là tỷ số giữa lực nâng và lực nhớt.

Đối lưu tự nhiên – hệ số Grashof

Trước khi thiết lập mô hình dòng chảy lưu chất, việc hiểu bản chất của dòng chảy là rất quan trọng, vì điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn các mô hình toán học phù hợp.

Trong dòng chảy bên ngoài, như đối lưu cưỡng bức, bản chất của dòng chảy được xác định bởi hệ số Reynolds (Re), phản ánh tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt Hệ số này phụ thuộc vào các yếu tố như vận tốc, độ nhớt, khối lượng riêng và kích thước tính toán.

Vận tốc trong các dòng chảy bên trong, như đối lưu tự nhiên, thường chứa nhiều biến chưa biết Trong những trường hợp này, hệ số Grashof (Gr) đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả dòng chảy, thể hiện tỷ lệ giữa các lực bên trong (lực nâng) và lực nhớt tác động lên lưu chất Tương tự, hệ số Reynolds cũng yêu cầu xác định kích thước tính toán, tính chất vật lý của lưu chất và chênh lệch nhiệt độ Số Grashof được định nghĩa để hỗ trợ trong việc phân tích và hiểu rõ hơn về các hiện tượng dòng chảy.

Trong công thức tính toán, các yếu tố quan trọng bao gồm gia tốc trọng trường (g), hệ số giãn nở nhiệt của lưu chất (β), nhiệt độ bề mặt nóng (T), nhiệt độ không khí xung quanh (T0), kích thước tính toán (L), độ nhớt động học của lưu chất (η), và khối lượng riêng (ρ) Đặc biệt, đối với khí lý tưởng, hệ số giãn nở nhiệt được xác định một cách cụ thể.

Việc chuyển đổi từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối xảy ra trong khoảng giá trị Gr là 10 9 , dòng chảy rối cho các giá trị lớn hơn.

Hệ số Nusselt

Thư viện hệ số truyền nhiệt trong Module truyền nhiệt dựa vào hệ số Nusselt từ cuốn sổ tay, được xác định theo các đặc tính vật liệu, nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy và hình dáng hình học Đối với đối lưu tự nhiên, hệ số Nusselt thường có một mối quan hệ nhất định.

Tham số C' phụ thuộc vào hình học, với số mũ n là 0.25 cho chảy tầng và 0.33 cho dòng chảy rối Mối quan hệ Nusselt đối với hiện tượng đối lưu cưỡng bức có sự biến đổi đáng kể và không tồn tại công thức chung.

Có hai loại số Nusselt: trung bình (Nu L) và cục bộ (Nu y) Số Nusselt trung bình được xác định thông qua tích phân dựa trên tổng chiều dài bề mặt làm mát, tạo ra hệ số truyền nhiệt trung bình h ave Ngược lại, số Nusselt cục bộ phản ánh hệ số truyền nhiệt tại một vị trí cụ thể, trong đó biến L được thay thế bằng y, đại diện cho khoảng cách từ mép đầu hoặc điểm tiếp xúc đầu tiên theo hướng dòng chảy Cả hai loại số Nusselt đều được xem xét trong thư viện hệ số truyền nhiệt.

Dòng chảy lưu chất

Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, một số giả thiết được đưa ra:

- Lưu chất có tính liên tục

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng

(2- 10) Trong đó: Qi là sự phát sinh nhiệt bên trong, T là nhiệt độ, C p là nhiệt dung riêng đẳng áp,  là hệ số dẫn nhiệt

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ phân tích các đặc tính của lưu chất, bao gồm mật độ dòng nhiệt, hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt, dựa trên các điều kiện thực nghiệm đã được thiết lập.

Trong đó: Q là tốc độ truyền nhiệt m w là khối lượng

C p là nhiệt dung riêng đẳng áp

T wi là nhiệt độ đầu vào

T w0 là nhiệt độ đầu ra

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính

Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định

Mật độ dòng nhiệt được tính c w

 (2 -15 ) Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định max min max min ln lm

Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, c là nhiệt dung riêng,

Nhiệt độ đầu vào và đầu ra được ký hiệu là T w,i và T w,o, trong khi q đại diện cho mật độ dòng nhiệt Diện tích truyền nhiệt được ký hiệu là A, và hệ số truyền nhiệt tổng là k Cuối cùng, ∆𝑇 𝑙𝑚 là độ chênh nhiệt độ trung bình theo phương pháp logarit.

Chỉ số Reynolds được xác định:

(2 - 17) Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi:

(2 -18) Trong đó D h  4 A c / P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương z, là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, A c là diện tích mặt cắt,

P là chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning

Chế độ ứng dụng phương trình Navier-Stokes không nén được giả định lưu chất là không nén, tức là mật độ  được coi là hằng số hoặc gần như hằng số Điều này áp dụng cho tất cả các lưu chất trong điều kiện bình thường và cũng có thể áp dụng cho chất khí ở vận tốc thấp Khi  được coi là hằng số, phương trình (2-9) sẽ được đơn giản hóa.

Và tensor ứng suất  trong phương trình (2-25) trở thành:

Các giả thuyết này cùng cung cấp cho các phương trình động lượng sau đây:

   t               (2-20) Các phương trình trên được sử dụng để thiết lập cho các điều kiện của các miền con trong chế độ ứng dụng này

Các điều kiện biên cho chế độ ứng dụng phương trình Navier-Stokes không nén được nhóm lại thành các loại sau:

Những điều kiện biên này mô tả sự tồn tại của một vách rắn:

Không trược là điều kiện biên chuẩn và mặt định cho một vách rắn ổn định Điều kiện mô tả lưu chất ở tại vách không di chuyển

Vách di chuyển, dòng lưu chất cũng phải thay đổi Do đó, điều kiện biên thể hiện u  u w

Bạn có thể áp dụng điều kiện biên cho vách di chuyển để mô phỏng sự rò rỉ của lưu chất qua một bức vách có lỗ Điều kiện vách trượt giả định bức vách như một băng chuyền, với bề mặt vách di chuyển theo hướng tiếp tuyến của nó Tuy nhiên, trong thực tế, các vách không di chuyển trong một hệ tọa độ cố định.

Trong không gian hai chiều (2D), hướng tiếp tuyến được xác định rõ ràng bởi biên, nhưng trong không gian ba chiều (3D), hướng này trở nên phức tạp hơn Do đó, điều kiện biên đã được định nghĩa khác nhau tùy theo không gian Điều kiện trượt giả định không có lực nhớt tác động lên vách, dẫn đến việc không hình thành lớp biên Đây có thể là một xấp xỉ hợp lý khi tác dụng chính của vách là ngăn chặn lưu chất rời khỏi miền khảo sát Trong toán học, sự ràng buộc này có thể được xây dựng một cách chính xác.

Trong đó t là một vector tiếp tuyến của biên

Loại biên này bao gồm nhiều dạng khác nhau nhằm xác định các điều kiện liên quan đến biên, nơi mà lưu chất được giả định đi vào miền khảo sát Các công thức trong tất cả các loại biên mô tả đều có sự tương đồng, với một số có sự thay đổi nhỏ Điều này cho thấy rằng không có công thức toán học nào ngăn cản lưu chất từ miền đi qua biên.

Điều kiện vận tốc cung cấp hai phương pháp để xác định vận tốc đầu vào Phương pháp đầu tiên là thiết lập giá trị vận tốc bằng một vector vận tốc đã cho, cụ thể là u = u0.

Cách thứ hai xác định vận tốc dòng chảy bình thường:

Chú ý rằng biên pháp tuyến, n , hướng ra phía ngoài của miền khảo sát

- Địều kiện áp suất, không ứng suất nhớt chỉ rõ sự mất lực nhớt cùng với điều kiện Dirichlet trên vấn đề áp suất:

Điều kiện biên ổn định số học kiểm soát áp suất dọc theo toàn bộ biên, nhưng nếu dòng chảy không vuông góc, nó tạo ra một đặc điểm đặc biệt cho bài toán Trong trường hợp này, giải pháp có thể có vận tốc đầu vào không theo phương pháp tuyến Có hai lựa chọn: di chuyển biên ra xa hơn vị trí dòng chảy pháp tuyến hoặc sử dụng điều kiện biên ứng suất Điều kiện này tương tự như điều kiện áp suất, không yêu cầu điều kiện ứng suất nhớt cho đầu ra Tùy thuộc vào trường áp suất ở phần còn lại của miền con, điều kiện biên này có thể phù hợp cho đầu ra.

Loại biên này có nhiều phương pháp để xác định điều kiện tại biên, nơi lưu chất rời khỏi miền khảo sát Tất cả các công thức trong loại biên này có thể được tìm thấy và điều chỉnh trong các loại biên khác Điều này có nghĩa là không có công thức toán học nào có thể ngăn cản dòng lưu chất đi vào vùng ngang qua biên khi bạn thiết lập kiểu biên đầu ra.

Việc thiết lập điều kiện đầu ra cho các phương trình Navier-Stokes là một nhiệm vụ phức tạp Khi có hiện tượng quan trọng xảy ra tại biên đầu ra, cần mở rộng miền khảo sát để phân tích Điều kiện biên về vận tốc cung cấp hai phương pháp xác định vận tốc đầu ra; trong đó, phương pháp đầu tiên là thiết lập vận tốc bằng một vector nhất định: \( u = u_0 \).

Cách thứ hai là chỉ rõ vận tốc pháp tuyến đầu ra:

Biên pháp tuyến n hướng ra ngoài miền khảo sát, với điều kiện biên về áp suất không có ứng suất nhớt, thể hiện sự mất lực nhớt Đồng thời, điều kiện Dirichlet về áp suất cũng được áp dụng trong trường hợp này.

      Điều kiện áp suất mô tả chỉ có điều kiện Dirichlet cho áp suất : p  p 0

Sử dụng điều kiện biên này giới hạn cho dòng chảy có chỉ số Reynolds cao ở biên đầu ra, đó là Re | | 2 1 c h

Nó ít ổn định hơn điều kiện biên về áp suất, không ứng suất nhớt nhưng nó phù hợp với vận tốc dòng chảy không bình thường

- Điều kiện không ứng suất nhớt mô tả sự triệt tiêu ứng suất nhớt

Điều kiện này có thể hữu ích trong một số trường hợp vì nó không áp đặt bất kỳ ràng buộc nào về áp lực Một ví dụ điển hình là mô hình với lực khối làm tăng gradient áp suất, nhưng khó thể hiện trước Tuy nhiên, cần kết hợp với điều kiện ràng buộc về áp suất để có được lời giải số ổn định.

Điều kiện ứng suất pháp yêu cầu tổng ứng suất pháp trên biên phải được thiết lập bằng một đại lượng vector ứng suất f, được xác định ngược hướng với chiều pháp tuyến.

Tổng ứng suất theo hướng tiếp tuyến bằng 0, thiết lập điều kiện biên này tạo ra một ràng buộc áp suất cho dòng chảy trong không gian 2D.

 nhỏ, phương trình (2-21) có thể được hiểu p  f 0

Navier-Stokes chịu nén yếu

Phương pháp ứng dụng Navier-Stokes chịu nén yếu bao gồm các phương trình liên tục và phương trình động lượng:

Ứng suất tiếp tuyến trong phương trình (2-29) được sử dụng để mô tả lưu chất Newton, bao gồm thành phần K dv Thành phần này phản ánh sai số từ giả thuyết Stokes, trong đó các hạt lưu chất ở trạng thái nhiệt động lực học cân bằng với các hạt lân cận Tuy nhiên, hiếm khi lưu chất cho thấy sự lệch đáng kể so với giả thuyết này.

Stokes và K dv Do vậy giá trị này thiếp lập mặc định bằng không

Ứng dụng phương trình Navier-Stokes chịu nén yếu được thiết kế để mô phỏng dòng chảy với sự thay đổi khối lượng riêng Chế độ ứng dụng thứ hai trong phương trình này kiểm soát khối lượng riêng thông qua quá trình cân bằng nhiệt.

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Mô hình thực nghiệm

3.1.1 Lắp đặt hệ thống thí nghiệm

Trong hệ thống thí nghiệm, ba bộ phận chính bao gồm mẫu thí nghiệm (bộ trao đổi nhiệt Minichannel heat sink và két nước), hệ thống bơm và hệ thống đường ống Bộ trao đổi nhiệt Minichannel heat sink và két nước được sử dụng để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, với nước là chất liệu truyền nhiệt từ nguồn gia nhiệt Sau khi được gia nhiệt, lưu chất được bơm vào bộ tản nhiệt kênh Mini hoặc két nước, trong khi cánh tản nhiệt hoặc hai mặt bên của két nước được giải nhiệt bằng gió.

Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm

3.1.1.1Bộ trao đổi nhiệt két nước

Bộ tản nhiệt két nước được chế tạo từ nhôm, với độ dẫn nhiệt đạt 237 W/(mK), mật độ 2700 kg/m³ và nhiệt dung riêng đẳng áp là 904 J/(kgK) Hình 3.2 minh họa mô hình thực nghiệm của két nước.

Hệ thống thí nghiệm két nước bao gồm 14 ống với chiều dài 16 mm và chiều rộng 2 mm, được kết nối bằng các ống dẫn hình chữ nhật có chiều rộng 24 mm và chiều dài 140 mm Các cánh tản nhiệt được hàn vào các ống nước có mặt cắt ngang hình chữ nhật, chiều cao 135 mm, và khoảng cách giữa các ống kề nhau là 8 mm Diện tích mặt cắt ngang của mỗi đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt là 176 mm² Thông số kỹ thuật chi tiết của két nước làm mát được trình bày trong bảng số 5.

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của két nước

Mục Thông số kỹ thuật

Dung tích làm mát Bộ tản nhiệt động cơ 0,49 lít

Bình dự trữ 0,2 lít Áp suất ở nắp bộ tản nhiệt 108 – 137 kPa

Dung dịch làm mát tiêu chuẩn Dung dịch làm mát Pre-Mix Honda

3.1.1.2 Bộ trao đổi nhiệt Minichannel heat sink

Bộ tản nhiệt kênh Mini được chế tạo từ nhôm, với bề dày substrate có độ dẫn nhiệt lên tới 237 W/(mK) và mật độ đạt 2,700 kg/m³, cùng với nhiệt dung riêng đẳng áp.

904 J/(kgK) Bề dày của substrate 1mm Hình 3.3 cho thấy kích thước mẫu thí nghiệm của các bộ tản nhiệt kênh Mini

Hình 3.3: Kích thước mẫu thí nghiệm

Bộ tản nhiệt kênh Mini bao gồm 52 kênh, mỗi kênh dài 114 mm với mặt cắt ngang hình chữ nhật, chiều rộng và chiều sâu mỗi kênh đều là 1 mm Khoảng cách giữa các kênh Mini kề nhau là 1 mm Tất cả các kênh được kết nối thông qua các ống dẫn hình chữ nhật ở đầu vào và đầu ra, với chiều rộng 10 mm và chiều sâu 1 mm Cánh tản nhiệt của bộ tản nhiệt này cũng có mặt cắt ngang hình chữ nhật, chiều sâu 10 mm.

Một lớp PMMA (polymethyl methacrylate) dày 150 mm đã được gắn lên bề mặt của substrate thông qua phương pháp rọi tia cực tím Phần thử nghiệm được chế tạo bằng gia công Mini chính xác, với diện tích mặt cắt ngang của mỗi đầu vào và đầu ra bộ tản nhiệt là 19,6 mm² PMMA có hệ số dẫn nhiệt 0,19 (W/mK) và mật độ 1,420 kg/m³ Diện tích bộ trao đổi nhiệt này chỉ đạt 64% so với bộ trao đổi nhiệt két nước của nhà sản xuất Hình 3.4 minh họa kích thước của hai bộ tản nhiệt kênh Mini và két nước làm từ vật liệu nhôm.

Hình 3.4: Bộ trao đổi nhiệt kênh Mini và két nước dùng vật liệu nhôm

Dụng cụ thí nghiệm

Bơm YS – 1200 và bơm VSP-1200, sản xuất bởi Tokyo Rikakikai, được sử dụng trong hệ thống đo lưu lượng dòng chảy Với lưu lượng dòng chảy đạt 1400 l/h và công suất 20 W, bơm này hoạt động hiệu quả với nguồn điện xoay chiều 220 V – 240 V, 50 Hz.

Bình phụ được dùng với lưu lượng dòng chảy liên tục nhiều hơn Sự gia nhiệt trước được điều khiển bởi bộ điều chỉnh nhiệt độ - OMRON E5CSZ

Trong nghiên cứu này, một bộ gia nhiệt có công suất 300 W đã được sử dụng để cải thiện nhiệt độ Thiết bị này có giới hạn nhiệt độ tối đa là 110 °C và sai số được xác định là

 0,1 o C; điều khiển nhiệt độ chính xác là  0,1 o C; và độ sai số nhiệt độ là  0,1 o C

Mối nối PMMA được lắp đặt tại đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt kênh Mini, nơi có hai cảm biến nhiệt độ được đặt để ghi nhận giá trị nhiệt độ Nhiệt độ nước tại đầu vào và đầu ra được đo bằng cặp nhiệt loại.

T Các cặp nhiệt này được chèn vào trong ống ở mối nối đầu vào và đầu ra Ngoài ra, 6 cảm biến nhiệt độ được đặt hai mặt bên của bộ trao đổi nhiệt Minichannel Vì vậy, có tổng cộng 8 cảm biến nhiệt độ được sử dụng để nghi dữ liệu

Nhiệt độ và tín hiệu điện thế đã được ghi lại thông qua cụm thu nhận dữ liệu 54-11-CT/HĐ-CTTB, sau đó dữ liệu được truyền đến máy tính Hình 3.5 minh họa bộ thiết bị đo nhiệt độ.

Hình 3.5: Bộ thiết bị đo lường nhiệt độ

Kết nối các thiết bị trong bộ đo:

 Nối nguồn với mạch gia nhiệt:

Cực dương (+V) của nguồn được kết nối với đầu dương của mạch gia nhiệt, trong khi đầu âm của mạch gia nhiệt nối với dây trắng-xanh của Transitor Dây trắng của Transitor kết nối với chân 8 của mạch gia nhiệt, và dây xám của Transitor nối với chân 1 của mạch gia nhiệt Cuối cùng, dây vàng-nâu được kết nối với đầu COM của nguồn.

 Nối nguồn với mạch đo nhiệt độ áp suất, nhiệt độ:

Nối chân 2 của mạch áp suất, nhiệt độ nối với đầu dương (+V) của nguồn Nối chân 30 của mạch áp suất, nhiệt độ nối với đầu COM của nguồn

Tiến hành nối các cảm biến nhiệt độ, áp suất theo hướng dẫn các đầu chân như đã giới thiệu ở trên

Kết nối các cổng USB của mạch gia nhiệt và mạch đo áp suất, nhiệt độ với máy tính để hiển thị và điều khiển thông qua phần mềm đã được cài đặt.

Sau khi kết nối hệ thống ta tiến hành thí nghiệm, khảo sát:

Hình 3.6: Ảnh kết nối hệ thống thí nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm từ bộ tản nhiệt kênh Mini cho thấy nhiệt độ phòng dao động trong khoảng 32 đến 35 độ C Độ chính xác và các dải thang đo của dụng cụ thử nghiệm được trình bày trong bảng 6 Danh sách các thiết bị sử dụng trong quá trình thực nghiệm cũng đã được liệt kê.

1 Cảm biến nhiệt độ, loại T

2 Bơm, mã hiệu (YS – 1200), sản xuất bởi Trung Quốc

3 Bơm, mã hiệu VSP-1200, sản xuất bởi Tokyo Rikakikai

4 Điện trở, mã hiệu AXW-8, sản xuất bởi Medilab

5 Cân điện tử, mã hiệu TE-214S, sản xuất bởi Sartorious

6 Bộ thiết bị đo lường nhiệt độ

7 Bộ đo vận tốc gió

Bảng 3.2: Độ chính xác và các dải thang đo của dụng cụ thử nghiệm

Dụng cụ thử nghiệm Độ chính xác Dải thang đo

Bộ căn bằng chính xác  0,0015g 0,0000 ~ 220 g

Lưu lượng khối lượng nước trên xe đã được kiểm tra bằng các thiết bị chuyên dụng, cho thấy kết quả đo nằm trong khoảng từ 100 ml/phút đến 630 ml/phút.

Đo đạt số liệu

Trước khi tiến hành đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra, cần đảm bảo rằng tất cả các cảm biến nhiệt độ đều đạt đến nhiệt độ môi trường xung quanh Sau đó, chu kỳ thử nghiệm sẽ diễn ra trong 20 phút để hệ thống ổn định Giá trị nhiệt độ sẽ được ghi lại trong 10 phút, và giá trị trung bình của tất cả các nhiệt độ sẽ được tính toán Cuối cùng, hai giá trị nhiệt độ đầu vào và đầu ra của bộ tản kênh micro sẽ được kiểm tra bằng hai cảm biến nhiệt độ tại các mối nối kết nối với đường ống dẫn đến bộ tản nhiệt kênh Mini.

Tỉ lệ lưu lượng khối của bơm phun được điều chỉnh bằng cách cân khối lượng thay đổi trong một khoảng thời gian nhất định Thực tế cho thấy, tỉ lệ lưu lượng khối mà bơm cung cấp thường thấp hơn tỉ lệ định mức Trước khi tiến hành đo tỉ lệ lưu lượng khối, cần đảm bảo rằng giá trị hiển thị trên đĩa cân là 0,0000 g Chu kỳ thử nghiệm kéo dài 20 phút để đạt trạng thái ổn định, trong đó tỉ lệ lưu lượng khối được điều chỉnh 10 lần, với khoảng thời gian giữa các lần điều chỉnh là một phút Cuối cùng, giá trị trung bình của tỉ lệ lưu lượng khối được tính toán để có kết quả chính xác.

Phân tích sai số

Kết hợp sự sai số với các tham số đã được đánh giá theo phương pháp sau đây đã đề xuất bởi Holman [18]

Trong đó R được xác định bởi một hàm số đã cho của các biến đo khác x 1 , x 2 , x 3 , …x n , R = R (x 1 , x 2 , x 3 , …x n ) và u 1 , u 2 , u 3 , … u n là các sai số trong các biến đo này

Cặp nhiệt kế và hệ thống thu thập dữ liệu đã được hiệu chỉnh ở trạng thái nước đóng băng với sai số  0,1 o C Tổng cộng có 5 cặp nhiệt kế loại T được bố trí tại các vị trí chiến lược: đầu vào và đầu ra của bộ tản nhiệt kênh Mini, các mối nối ở cuối đầu vào và đầu ra, cũng như trên và dưới các vách của PMMA Các phép đo nhiệt độ cho thấy đường cong tuyến tính, với nguồn góc sai lệch bao gồm sai số điều chỉnh từ cặp nhiệt kế và sai số do trạng thái không ổn định của nước, được đánh giá trong khoảng  0,3 o C Kết hợp các hiệu ứng này, ước lượng sai số tổng thể là  0,4 o C.

Thang đo áp suất có dải từ 0 đến 1 bar với độ chính xác ± 0,025 Sai số do trạng thái không ổn định của nước ước lượng là ± 1% Khi kết hợp các yếu tố này, tổng sai số ước lượng đạt ± 1,1%.

Theo các phép đo tỷ lệ lưu lượng khối, độ chính xác của đĩa cân đạt  0,0015 g Các sai số từ phép đo thực nghiệm ước lượng trong khoảng  1,4% Kết hợp các kết quả này, ước lượng sai số tổng thể là  1,5%.

CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả thực nghiệm lưu chất làm việc là nước

4.1.1 Lưu lượng khối lượng của lưu chất thay đổi

Trong nghiên cứu này, vận tốc gió được giữ cố định ở mức 0,8 m/s, với nhiệt độ đầu vào của nước là 61°C và lưu lượng nước thay đổi từ 1,64 g/s đến 4,1 g/s Hình 4.1 minh họa mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ đầu vào và đầu ra khi lưu lượng tăng lên Kết quả thí nghiệm cho thấy độ chênh nhiệt độ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khối lượng của lưu chất; khi lưu lượng khối lượng tăng, độ chênh nhiệt độ giảm Đặc biệt, khi lưu lượng khối lượng của nước từ 1,64 g/s đến 2,46 g/s, độ chênh nhiệt độ thu được từ kênh Mini cao hơn giá trị thu được từ két nước của nhà sản xuất 1,5°C.

Hình 4.1: So sánh độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của kênh Mini và két nước ở vận tốc gió 0,8 m/s

Khi lưu lượng nước tăng từ 1,64 g/s đến 2,46 g/s, độ chênh nhiệt độ giảm, dẫn đến lượng nhiệt truyền từ nước nóng sang không khí trong kênh Mini cao hơn so với nhà sản xuất, với độ chênh lượng nhiệt lớn nhất là 10 W Hình 4.2 cũng chỉ ra rằng khi lưu lượng nước tăng, nhiệt lượng cũng tăng theo.

Hình 4.2: So sánh lượng nhiệt của két nước và kênh Mini ở vận tốc gió 0,8 m/s

Lưu lượng khối lượng nước ( g/s )

Lưu lượng khối lượng của nước, g/s

4.1.1.2 Vận tốc gió 1,2 m/s Ở cùng điều kiện thiết lập như trên, nhưng trong trường hợp này vận tốc gió được thiết lập ở giá trị 1,2 m/s, như được thể hiện trong hình 4.3 Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy rằng độ chênh nhiệt độ như một hàm số của lưu lượng khối lượng lưu chất; khi lưu lượng khối lượng tăng thì độ chênh nhiệt độ giảm Ở cùng lưu lượng khối lượng 1,64 g/s độ chênh nhiệt độ của kênh Mini là 9,3 0 C và của két nước là 8,5 0 C So với vận tốc gió 0,8 m/s thì độ chênh nhiệt độ trong trường hợp này cao hơn (kênh Mini tăng 1,9 0 C và két nước tăng 2,3 0 C ) Kết quả cũng cho thấy rằng lưu lượng khối lượng của nước từ 1,64 g/s đến 3,28 g/s, độ chênh nhiệt độ thu được từ kênh Mini cao hơn giá trị thu được từ két nước của nhà sản xuất 1,9 0 C đến 0,4 0 C

Khi so sánh độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra (ΔT) của kênh Mini và két nước ở vận tốc gió 1,2 m/s, nhận thấy rằng khi lưu lượng khối lượng nước tăng từ 1,64 g/s đến 3,28 g/s, độ chênh nhiệt độ giảm Điều này cho thấy rằng lượng nhiệt truyền từ nước nóng sang không khí của kênh Mini cao hơn so với két nước của nhà.

Lưu lượng khối lượng nước, ( g/s )

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở lưu lượng khối lượng nước 1,64 g/s, kênh Mini có nhiệt lượng truyền cao hơn két nước 5W Khi lưu lượng khối lượng tăng lên 3,28 g/s, độ chênh nhiệt lượng của kênh Mini và két nước đều đạt 75,42 W Đặc biệt, khi vận tốc gió là 0,8 m/s, độ chênh nhiệt lượng tăng lên, với kênh Mini tăng 20,57 W và két nước tăng 15,08 W.

Hình 4.4: So sánh lượng nhiệt truyền ra môi trường của kênh Mini và két nước ở vận tốc gió 1,2 m/s

Nghiên cứu này chỉ ra rằng mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ đầu vào và đầu ra bị ảnh hưởng bởi lưu lượng và vận tốc gió, với vận tốc gió tăng lên 2,2 m/s Kết quả thí nghiệm cho thấy độ chênh nhiệt độ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khối lượng; khi lưu lượng khối lượng tăng, độ chênh nhiệt độ giảm Ở lưu lượng khối 1,64 g/s, độ chênh nhiệt độ của kênh Mini là 11,2 °C, tăng 1,9 °C so với vận tốc gió 1,2 m/s, trong khi kênh Mini cho két nước là 10,8 °C, tăng 2,3 °C Độ chênh nhiệt độ cực đại giữa hai trường hợp thực nghiệm là 0,6 °C Đặc biệt, khi vận tốc gió đạt 2,2 m/s, độ chênh nhiệt độ của kênh Mini luôn cao hơn so với két nước.

Hình 4.5: So sánh độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của kênh Mini và két nước ở vận tốc gió 2,2 m/s

Trong điều kiện thí nghiệm tương tự, khi lưu lượng nước tăng từ 1,64 g/s đến 4,1 g/s, kênh Mini cho thấy khả năng truyền nhiệt từ nước nóng sang không khí vượt trội hơn so với két nước của nhà sản xuất, như thể hiện trong hình 4.6 Đặc biệt, tại lưu lượng 2,46 g/s, độ chênh nhiệt lượng lớn nhất giữa kênh Mini và két nước đạt 6.

W Trong nghiên cứu này, ở cùng lưu lượng khối lượng nước là 3,28 g/s và vận tốc gió 2,2 m/s, nhiệt lượng truyền qua bộ trao đổi nhiệt kênh Mini là 87,77 W, tăng 12,35 W so với vận tốc gió 1,2 m/s; trong khi đó, nhiệt lượng truyền qua két nước là 83,65 W, tăng 8,23 W

Lưu lượng khối lượng nước, ( g/s )

Hình 4.6: So sánh nhiệt lượng tỏa ra của kênh Mini và két nước ở 2,2 m/s

Trong thí nghiệm, vận tốc gió được thiết lập ở mức 3 m/s, với lưu lượng khối lượng nước tương ứng như hình 4.7 Kết quả cho thấy độ chênh nhiệt độ có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khối lượng, tức là khi lưu lượng khối lượng tăng thì độ chênh nhiệt độ giảm Cụ thể, với lưu lượng khối lượng 4,1 g/s, độ chênh nhiệt độ từ kênh Mini cao hơn 0,6 °C so với giá trị của két nước nhà sản xuất Ở lưu lượng khối lượng 1,64 g/s, độ chênh nhiệt độ của kênh Mini đạt 13,9 °C, tăng 2,7 °C so với vận tốc gió 2,2 m/s, trong khi đó, kênh Mini cho két nước cũng ghi nhận độ chênh nhiệt độ 13,9 °C, tăng 3,1 °C.

Lưu lượng khối lượng, g/s Két nước

Hình 4.7: So sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của kênh Mini và két nước

Trong điều kiện khảo sát tương tự, độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của két nước và kênh Mini giảm rõ rệt khi lưu lượng khối lượng tăng Khi lưu lượng khối lượng nước tăng từ 1,64 g/s lên 4,1 g/s, lượng nhiệt truyền từ nước nóng sang không khí qua kênh Mini cao hơn so với két nước của nhà sản xuất, với độ chênh nhiệt lớn nhất là 10,28 W Ở lưu lượng 3,28 g/s và vận tốc gió 3 m/s, nhiệt lượng của kênh Mini đạt 96 W, trong khi két nước là 97,3 W So với vận tốc gió 2,2 m/s, độ chênh nhiệt lượng trong trường hợp này cao hơn, với kênh Mini tăng 8,2 W và két nước tăng 13,72 W.

Lưu lượng khối lượng nước, ( g/s )

Hình 4.8: So sánh lượng nhiệt tỏa ra của kênh Mini và két nước

4.1.1.5 Vận tốc gió 3,5 m/s Ở cùng điều kiện thiết lập như trên, vận tốc gió ở 3,5 m/s hình 4.9 thể hiện mối quan hệ độ chênh nhiệt độ và lưu lượng khối lượng của nước Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng độ chênh nhiệt độ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khối lượng của lưu chất; khi lưu lượng khối lượng tăng thì độ chênh nhiệt độ giảm Kết quả này phù hợp với các quy luật như trong hình 4.1 - 4.8 Nó cũng cho thấy rằng khi lưu lượng khối lượng của nước tăng từ 1,64 g/s đến 2,46 g/s, độ chênh nhiệt độ thu được từ kênh Mini cao hơn giá trị thu được từ két nước của nhà sản xuất 0,4 0 C Ở cùng lưu lượng khối 1,64 g/s độ chênh nhiệt độ của kênh Mini là 14,7 0 C, tăng 0,8 0 C so với vận tốc gió 3 m/s; tương tự như kênh Mini cho két nước là 14 0 C, tăng 0,1 0 C Độ chênh nhiệt độ ở cùng lưu lượng khối lượng nước 1,64 g/s giữa hai kết quả thực nghiệm 0,7 0 C

Lưu lượng khối lượng, g/s Két nước

Hình 4.9: So sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của kênh Mini và két nước ở 3,5 m/s

Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở tốc độ gió 3,5 m/s, khi lưu lượng nước tăng, độ chênh nhiệt độ đầu vào và đầu ra giảm Hơn nữa, tại cùng điều kiện lưu lượng nước từ 1,64 g/s đến 4,1 g/s, nhiệt lượng truyền qua kênh Mini lớn hơn nhiệt lượng của két nước Cụ thể, với lưu lượng khối lượng 3,28 g/s và vận tốc gió 3,5 m/s, nhiệt lượng của kênh Mini đạt 107 W, trong khi của két nước là 105,9 W So với vận tốc gió 3 m/s, độ chênh nhiệt lượng trong trường hợp này cao hơn, với kênh Mini tăng 11 W và két nước tăng 8,53 W.

Lưu lượng khối lượng nước, ( g/s)

Hình 4.10: So sánh tốc độ truyền nhiệt của kênh Mini và két nước ở 3,5 m/s

Kết quả thực nghiệm từ hình 4.1 đến 4.10 cho thấy rằng lượng nhiệt truyền qua kênh Mini vượt trội hơn so với két nước, đặc biệt là ở vận tốc gió cao Sự khác biệt này được giải thích bởi khả năng truyền nhiệt tốt hơn của bộ tản nhiệt kênh Mini, nhờ vào thiết kế cánh tản nhiệt liền khối và đường kính kênh nhỏ, phù hợp với khái niệm dòng chảy kênh Mini.

4.1.2 Vận tốc gió thay đổi

4.1.2.1 Lưu lượng khối lượng của nước ở 1,64 g/s

Trong thí nghiệm, lưu lượng khối lượng nước được duy trì ổn định ở mức 1,64 g/s, trong khi vận tốc gió biến đổi từ 0,8 m/s đến 3 m/s Dòng nước được tuần hoàn trong một hệ thống kín theo sơ đồ hình 3.1.

Lưu lượng khối lượng nước, g/s

Hình 4.11: So sánh độ chênh nhiệt độ của két nước và kênh Mini ở 1,64 g/s

Trong trường hợp này, nhiệt độ đầu vào của nước ở điều kiện ban đầu là

Hình 4.11 cho thấy mối liên hệ giữa độ chênh nhiệt độ đầu vào và đầu ra với sự gia tăng vận tốc gió Kết quả thí nghiệm cho thấy độ chênh nhiệt độ tỷ lệ thuận với vận tốc gió, khi vận tốc gió thay đổi từ 1 m/s đến hơn 3 m/s, độ chênh nhiệt độ từ kênh Mini cao hơn 0,5 °C so với giá trị của két nước nhà sản xuất Điều này chỉ ra rằng ở vận tốc gió thấp, hệ số tỏa nhiệt đối lưu của két nước cao hơn, trong khi ở vận tốc gió cao, hệ số đối lưu của bộ trao đổi nhiệt kênh Mini lại vượt trội hơn.

Kết quả thực nghiệm với lưu chất làm việc là hỗn hợp nước – ethylen

Trong trường hợp này, lưu lượng khối lượng của nước và dung dịch hỗn hợp nước - ethylen (dung dịch ethylenglycol 11 %) là 3,28 g/s, tốc độ gió thay đổi từ

Vận tốc gió từ 0,8 m/s đến 3 m/s và nhiệt độ đầu vào từ 55°C đến 60°C được sử dụng cho két nước, như thể hiện trong hình 4.19 Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng độ chênh nhiệt độ giữa nước và hỗn hợp nước - ethylen tỷ lệ thuận với vận tốc gió qua bộ trao đổi nhiệt của két nước Ngoài ra, độ chênh nhiệt độ của nước lớn hơn độ chênh của hỗn hợp nước - ethylen là 1,2°C.

Hình 4.19: So sánh sự độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của nước và hỗn hợp nước – ethylen cho két nước

4.3.2 Bộ trao đổi nhiệt kênh Mini

Trong điều kiện thí nghiệm, lưu lượng khối lượng của nước và dung dịch hỗn hợp nước - ethylen là 3,28 g/s, với vận tốc gió thay đổi từ 0,8 m/s đến 3 m/s và nhiệt độ đầu vào từ 55°C đến 60°C cho bộ trao đổi nhiệt kênh Mini Kết quả cho thấy vận tốc gió từ 0,8 m/s đến 3,5 m/s có ảnh hưởng đến độ chênh nhiệt độ giữa nước và hỗn hợp nước - ethylen, với độ chênh nhiệt độ tỉ lệ thuận với vận tốc gió; khi vận tốc gió tăng, độ chênh nhiệt độ cũng tăng Ngoài ra, độ chênh nhiệt độ của nước luôn lớn hơn độ chênh nhiệt độ của hỗn hợp nước.

Nước - ethylen (két nước)Nước (két nước)

Hình 4.20: So sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của nước và hỗn hợp nước – ethylen cho bộ tản nhiệt Kênh Mini

Nhiệt lượng truyền qua bộ trao đổi nhiệt khi sử dụng nước tinh khiết cao hơn so với hỗn hợp nước – ethylen, như thể hiện trong hình 4.19 và 4.20 Kết quả này phù hợp với nghiên cứu đã công bố trong [3], cho thấy trong cùng điều kiện thí nghiệm, nước truyền nhiệt hiệu quả hơn hỗn hợp nước – ethylen Dù vậy, dung dịch ethylen vẫn được khuyến nghị sử dụng nhờ vào khả năng chống ăn mòn và không gây tắc nghẽn đường ống.

4.3.3 Két nước và kênh Mini với lưu chất làm việc là hỗn hợp nước -ethylen

Lưu lượng khối lượng dung dịch hỗn hợp nước - ethylen (11%) là 3,28 g/s, với tốc độ gió dao động từ 0,8 m/s đến 3 m/s và nhiệt độ đầu vào từ 55°C đến 60°C, như minh họa trong hình 4.21 Kết quả thí nghiệm cho thấy độ chênh nhiệt độ tăng theo vận tốc gió; khi vận tốc gió tăng, độ chênh nhiệt độ cũng tăng Các kết quả này nhất quán với những nghiên cứu trước đó sử dụng nước làm môi chất Thêm vào đó, vận tốc gió thay đổi từ 1,5 m/s.

Nước từ kênh Mini có tốc độ m/s lên đến 3 m/s, và độ chênh nhiệt độ thu được từ kênh này cao hơn 0,5 độ C so với giá trị từ két nước của nhà sản xuất.

Hình 4.21: So sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra T của kênh Mini và két nước dùng hỗn hợp nước -ethylen

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Việc nâng cao hiệu quả giải nhiệt của két nước xe tay ga không chỉ tăng cường hiệu suất động cơ mà còn giúp động cơ hoạt động ổn định, êm ái và tiết kiệm nhiên liệu Do đó, cải tiến hiệu quả truyền nhiệt của két nước là điều cần thiết.

Nghiên cứu này đã tổng quan các kết quả liên quan đến bộ trao đổi nhiệt két nước và kênh Mini, đồng thời thiết kế và chế tạo thành công bộ trao đổi nhiệt kênh Mini sử dụng công nghệ UV light để dán giữa tấm nhôm và tấm PMMA Đây là lần đầu tiên công nghệ này được áp dụng thành công tại khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Bộ tản nhiệt này có kích thước chỉ bằng 64% so với bộ trao đổi nhiệt két nước trên xe tay ga.

Một nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện để so sánh hiệu suất truyền nhiệt giữa bộ trao đổi nhiệt kênh Mini và két nước trên xe tay ga Thí nghiệm được tiến hành trong các điều kiện khác nhau, bao gồm lưu lượng khối lượng nước, vận tốc gió, và lưu lượng khối lượng hỗn hợp nước – ethylen Kết quả cho thấy bộ trao đổi nhiệt kênh Mini có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn hoặc bằng so với két nước của nhà sản xuất, đặc biệt khi vận tốc gió nằm trong khoảng 1,2 m/s đến 3,5 m/s và lưu lượng lưu chất thay đổi từ 2,46 g/s đến 4,1 g/s.

Nghiên cứu cho thấy hiệu quả truyền nhiệt của nước qua bộ trao đổi nhiệt vượt trội hơn so với hỗn hợp nước – ethylen, điều này đồng nhất với các kết quả từ các nghiên cứu trước đây.

Các kết quả thực nghiệm tại Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã thu hút sự chú ý nhờ vào việc sử dụng các thiết bị đo lường và cảm biến có độ chính xác cao, phục vụ cho các thí nghiệm truyền nhiệt Mini/Micro.

Kiến nghị

Nghiên cứu cho thấy bộ trao đổi nhiệt kênh Mini có khả năng thay thế hiệu quả bộ trao đổi nhiệt két nước trên xe tay ga hiện nay Sản phẩm này không chỉ có giá thành rẻ hơn mà còn được sản xuất tại chỗ, mang lại lợi ích kinh tế cho người tiêu dùng.

Công nghệ gia công mẫu thí nghiệm hiện tại còn hạn chế, dẫn đến một lượng nước không theo kênh mà truyền qua các kênh, cùng với việc mẫu thí nghiệm chỉ cho lưu chất đi qua 3 pass, khiến thời gian lưu chất trong bộ tản nhiệt không đủ lâu Kết quả là hiệu quả truyền nhiệt chưa đạt yêu cầu Tuy nhiên, những vấn đề này có thể được khắc phục Nếu có điều kiện, người nghiên cứu sẽ tiếp tục áp dụng công nghệ gia công chính xác hơn để cải thiện bề mặt không bị công vênh và tăng vách ngăn, tạo ra nhiều dòng lưu thông trong bộ trao đổi nhiệt kênh Mini.