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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỊ SEN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
CẤU TRÚC MỚI CHO MÁI XE Ô TÔ NHẮM MỤC ĐÍCH
NÂNG CAO HIỆU QUẢ NGĂN CHẶN DÒNG NHIỆT
KHÔNG MONG MUỐN VÀO KHÔNG GIAN CABIN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 7 1 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỊ SEN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẤU TRÚC MỚI CHO
MÁI XE Ô TÔ NHẮM MỤC ĐÍCH NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGĂN CHẶN DÒNG NHIỆT KHÔNG MONG MUỐN VÀO
KHÔNG GIAN CABIN


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

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

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2. Đại học
Hệ đào tạo: chính quy

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

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

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

01/10/2009

Trường Cao đẳng nghề Việt Nam -

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

iii


ABSTRACT

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

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

v


M ỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

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

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

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
PCM : Phase Change Material
ADAM: Advantech ADAM
PDE: Partial Differential Equations
CAD: Computer Aided Design

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: PCM - Ứng dụng trong y tế ..................................................................... 2
Hình 1.2: PCM - Ứng dụng sưởi ấm .......................................................................... 2
Hình 1.3: PCM - Ứng dụng làm mát .......................................................................... 3
Hình 1.4: PCM - Ứng dụng làm mát trong áo ............................................................ 3
Hình 2.1: Chu trình làm việc của PCM .................................................................... 11
Hình 2.2: Sơ đồ phân loại PCM ............................................................................... 12
Hình 2.3: Hình ảnh sáp Parafin C22H46 .................................................................... 17
Hình 2.4: Đóng gói PCM trong Polymer ................................................................. 18
Hình 2.5: Đóng gói PCM trong vỏ bọc bằng thép ................................................... 18

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

x


DANH SÁCH CÁC BẢNG
HÌNH

TRANG

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


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


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

Hình 1.2: PCM - ứng dụng sưởi ấm

2


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

Hình 1.4: PCM - ứng dụng làm mát trong áo

3





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

Lớp cách nhiệt

-

Lớp vật liệu biến đổi pha (PCM)

-

Lớp vải len

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

6


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

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

-

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



-

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

-

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

7


1.5 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1 Cách tiếp cận
Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích, mô
phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả và đưa ra dự đoán.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu
1.5.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật vật liệu biến đổi
pha để đảm bảo tính đa dạng và vận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới
nhất trong thời gian gần đây sao cho phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài.
1.5.2.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết quả và thất bại trong quá trình thực nghiệm, từ đó lựa chọn
được kết cấu phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.
Áp dụng quy trình thí nghiệm trên các thiết kế khác nhau của lớp vật liệu.
1.5.2.3 Phương pháp phân tích so sánh


09/2014

2

Vật liệu biến đổi pha và ứng dụng

10/2014 – 12/2014

trong kết cấu mới của mái xe ô tô
3

Phương pháp và thiết bị thí nghiệm

1/2015 – 03/2015

4

Mô phỏng và thí nghiệm kết cấu mới

04/2015 – 07/2015

5

Kết luận và hướng phát triển

08/2015

Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện luận văn


PCM làm việc theo một chu trình khép kín: ở trạng thái rắn PCM hấp thụ nhiệt
khi nhiệt độ tăng lên, rồi tan chảy dần dần và lưu trữ nhiệt trong khỏang thời gian
nhất định cho dù nhiệt độ tiếp tục tăng hơn nữa. Khi nhiệt độ môi trường xung quanh
10


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

rắn

lỏng

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