Nghiên cứu mô phỏng và thực hiện cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy

Nghiên cứu mô phỏng và thực hiện cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy Nghiên cứu mô phỏng và thực hiện cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy Nghiên cứu mô phỏng và thực hiện cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy

TĨM TẮT NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CẢI TIẾN HỆ THỐNG LÀM MÁT BẰNG DUNG DỊCH CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG XE MÁY Trong nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng hợp chất kẽm oxit có kích thước nano phân tán vào dung dịch làm mát truyền thống Ethylene glycol (thường gọi chất lỏng nano kẽm oxit) để làm tăng hiệu suất truyền nhiệt Nghiên cứu thực với nồng độ thể tích kẽm oxit khác phân tán dung môi Ethylene glycol (0.05% ÷0.25% ZnO) Các đặc tính vật lý chất lỏng nano kẽm oxit như: độ dẫn nhiệt, độ nhớt, khối lượng riêng nhiệt dung riêng khảo sát khoảng nhiệt độ từ 10oC÷ 80oC để so sánh với dung dịch làm mát truyền thống Q trình phân tích cho thấy rằng, nhiệt độ tăng: độ dẫn nhiệt dung dịch tăng Trong đó: độ nhớt, khối lượng riêng nhiệt dung riêng dung dịch lại giảm Do đó, dung dịch làm mát Ethylene glycol có chứa kẽm oxit cho hiệu suất tản nhiệt tốt nhiệt độ cao Kết thực nghiệm mô cho thấy hiệu truyền nhiệt đạt từ việc sử dụng dung dịch làm mát nano kẽm oxit cao dung dịch truyền thống khoảng 9% Các kết đề tài phù hợp với sở lý thuyết nêu luận văn Đồng thời kết nghiên cứu thể tính khả thi ứng dụng vào thực tế để thay cho dung dịch nước làm mát v ABSTRACT SIMULATION RESEARCH AND EXPERIMENT OF LIQUID COOLING SYSTEM IMPROVEMENT FOR MOTORCYCLE’S COMBUSTION ENGINE This research refers to the use of nanoscale zinc oxide dispersed into the cooling base fluid - Ethylene glycol (commonly known as nanoscale zinc oxide liquid) to boost the heat transfer efficiency The research was conducted with different zinc oxide volume concentration dispersed in the base fluid - Ethylene glycol (0.05% ÷0.25% ZnO) The physical features of the nanoscale zinc oxide liquid such as thermal conductivity, viscosity, density and specific heat capacity were examined within the temperate zone of 10oC÷ 80oC in order to compare with the conventional cooling liquid The analysis process has shown that, upon the temperature rise, the thermal conductivity and specific heat capacity of the liquid also rise During which, the viscosity and density of the liquid fall Thus, the cooling liquid Ethylene glycol contains zinc oxide for better heat transfer efficiency upon high temperature The result of the experiment and simulation also shows the heat transfer efficiency obtained from using nanoscale zinc oxide liquid 9% higher than the base fluid The findings of the topic conforming to the theoretical basis mentioned in this thesis The research result simultaneously exhibits the possibility upon real-life application replacing the current cooling liquid vi MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii CẢM TẠ iv TÓM TẮT v ABSTRACT vii MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU xii DANH MỤC CÁC HÌNH xiii DANH MỤC CÁC BẢNG xv DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ xvii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài .1 1.2 Tổng quan kết nghiên cứu nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đề tài .10 1.4 Đối tượng nghiên cứu 10 1.5 Nhiệm vụ đề tài .11 1.6 Giới hạn đề tài 11 1.7 Phương pháp nghiên cứu .11 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Hệ thống làm mát động xe gắn máy 12 vii 2.1.1 Nhiệm vụ hệ thống làm mát 12 2.1.2 Yêu cầu hệ thống làm mát 12 2.1.3 Phân loại hệ thống làm mát xe gắn máy 13 2.3 Tính chất hóa lý oxit kẽm (ZnO) 17 2.4 Tính chất hóa lý Ethylene glycol 18 2.5 Tính tốn tính chất lưu chất nano ZnO/ethylene glycol/nước 20 2.5.1 Khối lượng riêng lưu chất 20 2.5.2 Tốc độ truyền nhiệt .20 2.5.3 Hệ số Reynolds .20 2.5.4 Độ nhớt lưu chất .21 2.5.5 Độ dẫn nhiệt lưu chất .21 2.5.6 Hệ số truyền nhiệt 21 2.5.7 Hệ số Nusselt (Nu) 22 2.5.8 Hệ số Prandtl (Pr) 22 Chương MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA BỘ TẢN NHIỆT 24 3.1 Chuẩn bị mơi chất thí nghiệm 24 3.1.1 Chuẩn bị hóa chất thí nghiệm 24 3.1.2 Chuẩn bị dụng cụ tạo môi chất giải nhiệt 24 3.1.3 Q trình tạo mơi chất giải nhiệt 24 3.2 Khảo sát thực nghiệm đặc tính dung dịch nước làm mát có chứa oxit kẽm nano 28 3.2.1 Độ nhớt động lực học môi chất 28 3.2.2 Khối lượng riêng môi chất 31 viii 3.2.3 Độ dẫn nhiệt môi chất 35 3.2.4 Nhiệt dung riêng môi chất 37 3.2.5 Nhiệt độ sôi môi chất 40 3.2.6 Tính tốn tốc độ truyền nhiệt môi chất 42 3.3 Mơ đặc tính truyền nhiệt môi chất tản nhiệt phần mềm ComSol Multiphysics 43 3.3.1 Thiết lập mơ hình mơ 43 3.3.2 Kết mô 46 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 4.1 Thử nghiệm băng thử 53 4.1.1 Chuẩn bị thiết bị phòng thử nghiệm 53 4.1.2 Thử nghiệm băng thử 56 4.2 Thiết lập mơ hình thử nghiệm 56 4.3 Kết thực nghiệm .58 4.3.1 Kết thực nghiệm tốc độ cầm chừng 58 4.3.2 Kết thực nghiệm tốc độ 20 km/h 61 4.3.3 Kết thực nghiệm tốc độ 40 km/h 64 4.3.4 Kết thực nghiệm tốc độ 60 km/h 67 4.3.5 Kết thực nghiệm tốc độ 80 km/h 70 4.4 Giá trị thực nghiệm chế độ đo công suất .73 4.5 So sánh giá trị nhiệt độ mô số thực nghiệm đầu két tản nhiệt tốc độ 75 4.5.1 Kết so sánh tốc độ 20 km/h 76 4.5.2 Kết so sánh tốc độ 40 km/h 77 ix 4.5.3 Kết so sánh tốc độ 60 km/h 79 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 5.1 Kết luận 81 5.2 Kiến nghị .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 87 PHỤ LỤC 103 x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ac Diện tích mặt cắt, m2 Dh Đường kính quy ước, m F Hệ số ma sát Fanning h Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, w/m2K k Hệ số truyền nhiệt tổng, w/m.K L Chiều dài kênh mini, m m Lưu lượng khối lượng, kg/s NTU Chỉ số truyền nhiệt đơn vị p Áp suất, Pa P Đường kính ướt, m Q Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W q Mật độ dòng nhiệt, W/m Re Chỉ số Reynolds T Nhiệt độ, K µ Độ nhớt động lực học, Ns/m2 ρ Khối lượng riêng, kg/m3 λ Hệ số dẫn nhiệt, W/mK ω Vận tốc, m/s η Hiệu suất EG Ethylene glycol xi ΔT Nhiệt độ chênh lệch, K Δp Tổn thất áp suất, Pa Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp A Khơng khí i Đầu vào o Đầu u Vận tốc theo phương x v Vận tốc theo phương y w Vận tốc theo phương z Qlm Nhiệt lượng động truyền nước (J/s) α1 Hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống (W/m2.độ) δ Chiều dày thành ống, m α2 Hệ số tản nhiệt từ thành kênh vào khơng khí, (W/m2.độ) F1 Diện tích bề mặt tiếp xúc với nước nóng, m2 F2 Diện tích bề mặt tiếp xúc với khơng khí, m2 Tδ Nhiệt độ trung bình bề mặt thành ống tδ2 Nhiệt độ trung bình bề mặt ngồi thành ống tn Nhiệt độ trung bình nước làm mát tản nhiệt tkk Nhiệt độ trung bình khơng khí qua tản nhiệt xii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống giải nhiệt gió 13 Hình 2.2: Hệ thống làm mát dung dịch 14 Hình 2.3: Cấu tạo két nước 15 Hình 2.4: Nắp két nước 16 Hình 2.5: Bơm nước kiểu ly tâm 16 Hình 2.6: Van nhiệt 17 Hình 2.7: Hợp chất kẽm oxit (ZnO) 17 Hình 2.8: Ethylene glycol .18 Hình 3.1: Hỗn hợp dung dịch Ethylene Glycol-nước tỷ lệ 1:1 25 Hình 3.2: Định lượng bột kẽm oxit nano cho mẫu môi chất thử nghiệm 26 Hình 3.3: Khuấy từ gia nhiệt dung dịch 26 Hình 3.4: Khuấy siêu âm dung dịch 27 Hình 3.5: Kiểm tra pH trì độ ổn định dung dịch 27 Hình 3.6: Máy đo độ nhớt KU3 Brookfield Ametek .28 Hình 3.7: Máy đo tỷ trọng KEM-DA 130N Kyoto 32 Hình 3.8: Máy đo độ dẫn nhiệt GHFM-02-Thermtest .35 Hình 3.9: Máy phân tích nhiệt lượng Labsys Evo TG-DTA 1600 38 Hình 3.10: Mơ hình 3D két tản nhiệt .44 Hình 3.11: Bản vẽ két tản nhiệt động VF3 SYM 44 Hình 3.12: Mơ hình 3D kênh dẫn lưu chất két tản nhiệt 45 Hình 3.13: Kênh dẫn lưu chất môi trường mô truyền nhiệt 45 Hình 3.14: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất với môi chất Ethylene glycol 46 Hình 3.15: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất chứa 0.05% ZnO 47 Hình 3.16: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất chứa 0.1% ZnO 48 Hình 3.17: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất chứa 0.15% ZnO 49 Hình 3.18: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất chứa 0.2% ZnO 50 xiii Hình 3.19: Phân bố nhiệt độ kênh dẫn lưu chất chứa 0.25% ZnO 51 Hình 4.1: Phịng thử nghiệm Dynomometer 53 Hình 4.2: Xe VF3 185cc dùng thử nghiệm 54 Hình 4.3: Băng thử cơng suất tiêu hao nhiêu liệu .54 Hình 4.4: Hệ thống đầu dị cảm biến 54 Hình 4.5: Tủ điều khiển băng thử động 55 Hình 4.6: Máy tính ghi lại liệu nhiệt độ 55 Hình 4.7: Sơ đồ ngun lý mơ hình thử nghiệm .56 Hình 4.8: Mơ hình thử nghiệm thực tế .57 xiv Hình PL1.22: Thiết lập thơng số xuất liệu nhiệt độ Ngồi phần mềm Comsol 5.3a cịn thiết lập nhiều thơng số có sẵn để ta truy xuất nghiên cứu Ta vào thư viện kết tính tốn Comsol để xuất kết cần thiết hình PL1.23 Hình PL1.23: Kết sau mô Comsol 102 PHỤ LỤC Bảng số liệu thực nghiệm đo công suất động sử dụng dung dịch nước làm mát có chứa oxit kẽm nano nồng độ khác Bảng PL2.1: Giá trị đo công suất dùng môi chất giải nhiệt chứa 0.1% kẽm oxit nano Model Date Weather DY No Engine No Tire Press A VF3 20/05/2019 Condition Sunny Atm Press CH60KW Temp Dry Bulb Wet Bulb #07 2.2 kg/cm RH Condition Speed Rev (RPM.) (km/Hr) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2245 3005 3748 4491 5233 5974 6705 7437 8150 8866 A 752 26 22 67 mmHg ℃ ℃ % B Dept mmHg Appliant Tester ℃ A ℃ PS Factor % B DAT 0.9989 MẪU A0.1 (0.1% ZnO/ Ethylene Glycol/ Water) Output FC Temperature(℃) PLUG OIL Temp.in Temp.out PS PSxK (sec/5g) 3.20 114.0 80.0 71.0 35.0 4.92 131.0 82.5 77.5 37.0 6.55 137.0 84.0 81.0 48.0 8.20 140.0 86.0 84.0 60.0 9.62 147.0 88.0 85.0 65.0 11.36 150.4 90.4 87.0 67.0 12.83 153.0 92.6 90.0 69.0 14.63 157.3 94.0 92.0 71.0 15.91 160.0 100.0 94.0 75.0 16.33 163.0 105.0 96.0 76.5 103 Exhaust Pollution CO(%) HC(ppm) A/F CO2(%) Bảng PL2.2: Giá trị đo công suất dùng môi chất giải nhiệt chứa 0.15% kẽm oxit nano Model Date Weather DY No Engine No Tire Press A VF3 21/05/2019 Condition Sunny Atm Press CH60KW Temp Dry Bulb Wet Bulb #07 2.2 kg/cm2 RH Condition Speed Rev (RPM.) (km/Hr) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2270 3001 3745 4492 5234 5973 6707 7435 8149 8864 A 754 25 21 67 mmHg ℃ ℃ % B Dept mmHg Appliant Tester ℃ A ℃ PS Factor % B DAT 1.0125 MẪU A0.15 (0.15% ZnO/ Ethylene Glycol/ Water) Output FC Temperature(℃) PS PSxK (sec/5g) PLUG OIL Temp.in Temp.out 3.30 112.0 80.0 73.0 33.0 4.53 129.0 81.0 84.0 39.0 6.87 135.0 83.0 86.0 45.0 8.52 138.0 85.0 88.0 58.0 9.57 144.0 86.0 89.0 63.0 11.43 148.0 89.0 91.6 66.0 12.90 150.5 91.0 92.0 68.0 14.74 155.0 95.0 95.0 70.0 15.89 158.0 99.0 98.0 73.0 16.41 160.0 103.5 101.0 75.0 104 Exhaust Pollution CO(%) HC(ppm) A/F CO2(%) Bảng PL2.3: Giá trị đo công suất dùng môi chất giải nhiệt chứa 0.2% kẽm oxit nano Model Date Weather DY No Engine No Tire Press A VF3 21/05/2019 Condition Sunny Atm Press CH60KW Temp Dry Bulb Wet Bulb #07 2.2 kg/cm RH Condition Speed Rev (RPM.) (km/Hr) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2296 3004 3746 4493 5230 5971 6702 7434 8151 8864 A 752 26 22 65 mmHg ℃ ℃ % B Dept mmHg Appliant Tester ℃ A ℃ PS Factor % B DAT 1.0005 MẪU A0.2 (0.2% ZnO/ Ethylene Glycol/ Water) Output FC Temperature(℃) PS PSxK (sec/5g) PLUG OIL Temp.in Temp.out 3.53 110.0 80.0 74.0 32.0 5.20 125.0 81.0 86.0 36.0 7.34 130.0 82.0 88.0 41.0 8.42 136.0 84.0 90.0 52.0 9.74 140.0 85.0 91.0 58.0 11.62 143.0 88.0 93.0 64.0 13.17 147.6 90.0 95.0 67.0 14.83 153.0 94.0 97.5 69.0 16.13 155.0 98.0 100.5 72.0 16.62 157.0 102.0 98.0 73.0 105 Exhaust Pollution CO(%) HC(ppm) A/F CO2(%) Bảng PL2.4: Giá trị đo công suất dùng môi chất giải nhiệt chứa 0.25% kẽm oxit nano Model Date Weather DY No Engine No Tire Press A VF3 22/05/2019 Condition Sunny Atm Press CH60KW Temp Dry Bulb Wet Bulb #07 2.2 kg/cm RH Condition Speed Rev (km/Hr) (RPM.) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2276 3001 3747 4495 5237 5979 6706 7439 8162 8872 A 754 mmHg 26 22 66 ℃ ℃ % B Dept mmHg Appliant Tester ℃ A ℃ PS Factor % B DAT 1.0015 MẪU A0.25 (0.25% ZnO/ Ethylene Glycol/ Water) Output FC Temperature(℃) PS PSxK (sec/5g) PLUG OIL Temp.in Temp.out 3.57 117.0 80.0 72.0 38.0 5.46 133.0 82.0 79.0 51.0 7.13 140.0 83.5 84.7 58.0 8.63 142.0 85.0 86.0 64.0 9.86 150.0 87.4 88.0 68.0 11.85 151.0 90.0 90.5 71.0 12.95 158.0 92.0 93.0 74.0 14.92 161.4 96.0 94.0 76.0 15.94 165.0 103.0 96.0 77.0 16.78 168.0 104.6 97.0 78.0 106 Exhaust Pollution CO(%) HC(ppm) A/F CO2(%) Bảng PL2.5: Giá trị đo công suất dùng môi chất giải nhiệt truyền thống Model Date Weather DY No Engine No Tire Press A VF3 22/05/2019 Condition Sunny Atm Press CH60KW Temp Dry Bulb Wet Bulb #07 2.2 kg/cm RH Condition Speed Rev (RPM.) (km/Hr) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2237 3005 3748 4495 5236 5974 6707 7439 8156 8869 A 752 26 22 66 mmHg ℃ ℃ % B Dept mmHg Appliant Tester ℃ A ℃ PS Factor % B DAT 1.0091 MẪU B (Ethylene Glycol/ Water) Output FC Temperature(℃) PLUG OIL Temp.in Temp.out PS PSxK (sec/5g) 3.46 120.0 80.0 64.5 44.0 4.89 134.0 85.4 76.0 56.0 6.23 143.0 87.0 83.0 65.0 8.01 148.0 88.5 85.0 70.0 9.58 152.0 92.0 86.0 73.0 11.20 156.0 95.3 89.0 75.0 12.78 162.3 97.0 91.5 77.5 14.35 165.7 100.0 93.0 79.4 15.77 169.0 105.0 95.0 81.0 16.07 172.5 108.3 99.6 85.0 107 Exhaust Pollution CO(%) HC(ppm) A/F CO2(%) 108 109 110 111 112 113 114 115 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Hồng Cơng Đạt Đơn vị: Học viên Cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Điện thoại: 0973-827-367 Email: hoangcongdatspkt@gmail.com 116 ... loại hệ thống làm mát xe gắn máy Hiện nay, nhà sản xuất xe gắn máy thường lựa chọn hai giải pháp sau:  Hệ thống làm mát gió  Hệ thống làm mát dung dịch Hệ thống làm mát gió Hệ thống làm mát. .. nhiệt hệ thống làm mát dung dịch Do vậy, việc nghiên cứu cải tiến hệ thống làm mát dung dịch cho động xe máy cần thiết 1.3 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu, đánh giá thực trạng hệ thống. .. thực chọn đề tài: “ Nghiên cứu mô thực nghiệm cải tiến hệ thống làm mát dung dịch cho động đốt xe máy? ?? nhằm mục đích tăng hiệu suất truyền nhiệt, giúp động hoạt động ổn định, tăng công suất làm