2.2.1. Các tham số vật liệu đèn LED
Các thông số vật liệu của các bộ phận của cả hệ thống LED đƣợc chọn khảo sát là nhƣ nhau, dƣới đây là các giá trị tƣơng ứng cho 1 đèn.
Bảng 2.1: Thông số vật liệu của các bộ phận [31].
Bộ phận
Vật liệu Thông số của vật liệu
Khối lƣợng riêng (kg/m3 ) Nhiệt dung (J/kg.K) Độ dẫn nhiệt (W/m.K) Hệ số bức xạ bề mặt Lens Silicone 1120 1400 0.2 0.8 Glass 1900 795 0.17 0.8 COB LED Phosphor Phosphor + silicone 1710 1350 0.25 0.91
Chip LED Sapphire (blue chips) 3950 910 25.1 0.8 Board H2OE (adhesive) 1900 795 3 0.041 Screen- printed silver (conductor) 10524 236 320 0.026 Alumina (substrate) 3970 910 25 0.8 TIM Keo thƣờng 1190 1400 0.2 0.35 Keo dẫn nhiệt 2300 660 1.0 0.35 Keo dẫn nhiệt tốt 1900 795 3.0 0.35 Heatsink Đồng 387.6 8933 195 0.052 Nhôm T6 2700 896 167 0.35 Nhôm T4 2700 896 154 0.35 Nhôm ADC 2700 960 100 0.255 Thép không gỉ 7817 461 14.4 0.8 Thép đúc 46 7830 460 0.52 Bạc 10500 462 162 0.0267 Ống dẫn Nhựa 1200 1050 0.23 0.9
2.2.2. Các tham số của không khí
Môi trƣờng không khí xung quanh đèn LED đƣợc mô phỏng với các giá trị ứng với mỗi điều kiện nhiệt độ nhƣ trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các tham số của môi trƣờng không khí [32,33].
Nhiệt độ (C) Khối lƣợng riêng (kg/m3) Nhiệt dung riêng (J/kgK) Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Hệ số khuếch tán (m2/s) Độ nhớt (kg/ms) 5 1.269 1006 0.02401 1.88e-5 1.75e-5 10 1.246 1006 0.02439 1.94e-5 1.78e-5 15 1.225 1007 0.02476 2.01e-5 1.8e-5 20 1.201 1007 0.02514 2.07e-5 1.83e-5 25 1.184 1007 0.02551 2.14e-5 1.85e-5 30 1.164 1007 0.02588 2.21e-5 1.87e-5 35 1.145 1007 0.02625 2.28e-5 1.9e-5 40 1.127 1007 0.02662 2.35e-5 1.92e-5 45 1.109 1007 0.02699 2.42e-5 1.94e-5 50 1.092 1007 0.02735 2.49e-5 1.96e-5 60 1.059 1007 0.02808 2.63e-5 2.01e-5 70 1.028 1007 0.02881 2.78e-5 2.05e-5 80 0.9994 1008 0.02953 2.93e-5 2.1e-5 90 0.9718 1008 0.03024 3.09e-5 2.14e-5 100 0.9458 1009 0.03095 3.24e-5 2.18e-5
2.2.3. Các tham số của nước
Môi trƣờng nƣớc thực tế đƣợc mô hình hóa thành khối nƣớc có kích thƣớc LWH = 800 mm 800 mm 1600 mm có điều kiện biên mở và các tham số động học đƣợc trình bày trong bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các tham số của môi trƣờng nƣớc [33,34].
Nhiệt độ (C) Nhiệt dung riêng (J/kgK) Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Hệ số dãn nở khối (1/K) Độ nhớt (kg/ms) 5 4200 0.5576 0.00001135 0.00152 10 4188 0.5674 0.00008743 0.001308 15 4184 0.5769 0.0001523 0.001139 20 4183 0.5861 0.000209 0.001003 25 4183 0.5948 0.0002594 0.000891 30 4183 0.603 0.0003051 0.000798 35 4183 0.6107 0.000347 0.00072 40 4182 0.6178 0.0003859 0.000653 45 4182 0.6244 0.0004225 0.000596 50 4181 0.6305 0.0004572 0.000547 55 4182 0.636 0.0004903 0.000504 60 4183 0.641 0.0005221 0.000467 65 4184 0.6455 0.0005528 0.000434 70 4187 0.6495 0.0005827 0.000404 75 4190 0.653 0.0006118 0.000378 80 4194 0.6562 0.0006402 0.000355 85 4199 0.6589 0.0006682 0.000334 90 4204 0.6613 0.0006958 0.000315 95 4210 0.6634 0.000723 0.000298 100 4216 0.6651 0.00075 0.000282
Các tham số không phụ thuộc vào nhiệt độ nhƣ: hệ số khuếch tán là 0.14610-6
(m2/s), khối lƣợng riêng là 1000 (kg/m3), nguyên tử khối là 18.015 (kg/kmol).
2.3. Nguồn nhiệt
Ở đây, nguồn nhiệt là công suất nhiệt tỏa ra từ chip COB LED, trong đó công suất nhiệt xác định thông qua công suất điện và công suất quang. Công suất điện đƣợc đo bằng hệ thiết bị đo thông số phối hợp LT-101A LED/LED driver tester và bộ nguồn chuẩn Everfine DPS 1010-V100 (Hình 2.8a). Công suất quang đƣợc đo bằng hệ cầu tích phân Gamma Scientific (Hình 2.8b) và đƣợc tính toán từ hiệu suất nguồn điện, giá trị cụ thể đƣợc trình bày trong bảng 2.4.
Bảng 2.4: Các tham số nguồn nhiệt.
Công suất điện (W)
Công suất quang (W)
Công suất nhiệt (W) COB
LED
Pđiện = U*I = 220*1.36 = 300W
Pquang= 120W P nhiệt = Pđiện – Pquang = 180W
2.4. Chia lƣới
Chia lƣới (meshing) là một bƣớc quan trọng trong phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn. Chất lƣợng của việc chia lƣới ảnh hƣởng trực tiếp đến thời gian tính toán cũng nhƣ độ chính xác của bài toán. Về cơ bản phƣơng pháp phần tử hữu hạn có nhiều loại phần tử với cấu tạo hình học khác nhau. Với bài toán truyền nhiệt, đối lƣu và bức xạ nhiệt sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Icepak ver15.0, các loại phần tử truyền nhiệt điển hình có cấu trúc hình học nhƣ lập phƣơng, tứ diện hay ngũ diện. Phần mềm thƣơng mại ANSYS Icepak ver15.0 đƣợc sử dụng trên máy tính của Trung tâm nghiên cứu và phát triển chiếu sáng, Công ty Cổ phần Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông. Ở đây, sử dụng chế độ multi-meshing và chi tiết chia lƣới của từng bộ phận đƣợc trình bày trong hình 2.9.
Hình 2.9: Chia lƣới multi cho hệ thống đèn:Chia lƣới cho heatsink (a); chia lƣới b)
2.5. Mô phỏng
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành mô phỏng đồng thời cả 3 hiện tƣợng: hiện tƣợng dẫn nhiệt trong vật rắn, hiện tƣợng đối lƣu của môi trƣờng nƣớc và không khí, hiện tƣợng bức xạ nhiệt trên các bề mặt (sử dụng mô hình ray-tracing) [35].
2.5.1. Đối với không khí và chất lỏng
Phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng:
(2.1)
Phƣơng trình bảo toàn động lƣợng:
(2.2)
Trong đó và tƣơng ứng là mật độ không khí ở nhiệt độ môi trƣờng và ở gần các bề mặt nhiệt. Mật độ không khí đƣợc tính nhƣ sau:
(2.3)
Trong đó M của khối lƣợng phân tử của không khí (28.966 kg/kmol) và
R là hằng số khí lý tƣởng.
Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng:
2.5.2. Đối với chất rắn
Phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng:
(2.5)
Bức xạ nhiệt:
(2.6)
2.6. Kiểm tra điều kiện hội tụ
Để xác định hệ đã hội tụ chƣa, nghĩa là nhiệt độ xuất ra đã phản ánh đúng trạng thái cân bằng của hệ chƣa thì cần xác định mức chênh lệch dòng chảy, mức chênh lệch năng lƣợng giữa các bƣớc đủ nhỏ sao cho nhiệt độ của từng bộ phận và của cả hệ gần nhƣ không thay đổi.
Trong mô phỏng này, tiêu chuẩn cân bằng là: chênh lệch dòng chảy nhỏ hơn 1e-3, chênh lệch năng lƣợng nhỏ hơn 1e-8.
Nhƣ chúng ta thấy trên hình 2.10, khi tăng số bƣớc mô phỏng thì chênh lệch vận tốc dòng chảy giảm dần và nhỏ hơn 1e-3, chênh lệch năng lƣợng giữa 2 bƣớc giảm dần và nhỏ hơn 1e-9, nhiệt Ts giảm dần và đạt giá trị không đổi. Khi đó, hệ hội tụ và đảm bảo đạt trạng thái cân bằng nhiệt.
Hình 2.10: Vận tốc v năng lƣợng phụ thuộc vào số bƣớc mô phỏng (a), nhiệt độ
2.7. Xuất dữ liệu
Sau khi tiến hành mô phỏng và kiểm tra các điều kiện hội tụ sẽ thu đƣợc kết quả mô phỏng nhiệt của hệ thống đèn LED. Hình 2.11 trình bày kết quả phân bố nhiệt của môi trƣờng xung quanh, phân bố nhiệt trên LED và phân bố vận tốc đƣợc mô phỏng với các điều kiện tối ƣu khi d = 10 mm, vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s và công suất P = 300 W. Trong chƣơng tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày kết quả khảo sát các tham số công nghệ ảnh hƣởng đến hệ thống đèn LED.
Hình 2.11: Kết quả mô phỏng nhiệt trƣờng hợp đƣờng kính d = 10 mm, vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s và công suất P = 300 W. Phân bố nhiệt của đèn LED v môi trƣờng xung quanh (a), phân bố nhiệt của đèn LED (b) v phân bố vận
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Hệ thống một đèn LED
3.1.1. Khảo sát sự phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy
Để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của đèn cần khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt độ trong LED vào các bộ phận của đèn LED. Đầu tiên, chúng tôi sẽ khảo sát sự phụ thuộc của hiệu quả tản nhiệt vào vận tốc dòng chảy trong ống khi giữ nguyên kích thƣớc của ống với đƣờng kính d=10 mm, giá trị công suất của đèn đƣợc chọn là 300W. Vấn đề cần quan tâm là vận tốc dòng chảy trong ống ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến nhiệt độ và chọn giá trị vận tốc nhƣ thế nào là phù hợp.
Hình 3.1: Phân bố nhiệt của đèn LED v môi trƣờng xung quanh tại d=10 mm công suất P = 300 W và vận tốc v = 0.4 m/s (a), v = 1.2 m/s (b).
Hình 3.1 trình bày phân bố nhiệt của cả đèn LED và môi trƣờng xung quanh, nhiệt độ phân bố đều xung quanh heatsink và hai bên ống dẫn nƣớc, nhiệt
độ tập trung cao tại lớp chip LED và TIM, phần phía trên của heatsink chịu ảnh hƣởng nhiệt của đối lƣu nên có nhiệt độ cao hơn bên dƣới. Giá trị Tmax đo đƣợc bên trong LED tại v = 0.4 m/s là 42.6 0C và tại v = 1.2 m/s là 32.3 0C.
Hình 3.2: Phân bố nhiệt của một đèn LED tại d=10 mm, công suất P=300 W với vận tốc dòng chảy: a) v =0.4 m/s; b) v =1.2 m/s.
Theo phân bố nhiệt trên hình 3.2 ta thấy nhiệt thoát ra ngoài theo con đƣờng chính là qua heatsink và Tmax phụ thuộc mạnh vào vận tốc dòng chảy trong ống. Rõ ràng khi vận tốc dòng chảy tăng lên thì lƣu lƣợng nƣớc gửi qua tiết diện ống cũng tăng nên lƣợng nhiệt truyền đi sẽ nhanh hơn làm cho Tmax trong LED giảm một cách đáng kể, cụ thể giá trị của Tmax là 90.6 0C (v = 0.4 m/s), 84.7 0C (v =1.2 m/s). Hình 3.3 là đồ thị khảo sát sự phụ thuộc của Tmax vào vận tốc, các giá trị vận tốc khảo sát từ 0.4 m/s đến 2.0 m/s, khi vận tốc nhỏ hơn 1.2 m/s thì giá trị Tmax
giảm nhanh từ 90.6 0C xuống còn 84.7 0C. Nhƣng khi vận tốc lớn hơn 1.2 m/s thì
Hình 3.3: Đồ thị Tmax phụ thuộc vào vận tốc tại d=10 mm.
Tiếp theo, chúng tôi khảo sát tƣơng tự đối với các vận tốc dòng chảy khi cố định các kích thƣớc ống khác nhau, Tmax trong các trƣờng hợp đƣợc giảm một cách đáng kể. Các giá trị khảo sát đƣợc đều cho kết quả T-max giảm nhanh khi vận tốc tăng từ 0.4 m/s lên đến 1.2 m/s, nhƣng sự thay đổi nhiệt độ chậm lại khi vận tốc tăng dần lên đến 2 m/s. Qua đó cho thấy nhiệt độ phụ thuộc mạnh vào vận tốc dòng chảy nhỏ hơn 1.2 m/s và khi vận tốc lớn hơn 1.2 m/s thì sự tản nhiệt trong LED ít phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy kết quả đƣợc trình bày trong hình 3.4 .
Hình 3.4: Đồ thị sự phụ thuộc của Tmaxvào vận tốc với các kích thƣớc ống khác nhau.
công suất của LED, hình 3.5 khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ vào vận tốc khi thay đổi công suất, đƣờng kính ống đƣợc giữ cố định là d =10 mm. Nhiệt độ vẫn giảm nhanh khi vận tốc nhỏ hơn 1.2 m/s và giảm chậm lại khi tăng dần vận tốc dòng chảy. Nhƣng khi công suất P = 400 W thì nhiệt độ giảm mạnh từ 114.7 0C (tại v =0.4 m/s) xuống còn 98.5 0C (tại v =2.0m/s), trong khi đó tại công suất P =200 W và P = 300 W thì nhiệt độ giảm ít hơn ( khoảng hơn 8
0
C), từ 69.9 0C xuống 61.8 0C (tại P =200 W) và từ 90.6 0C xuống còn 82.5 0C (tại P=300 W). Qua đó cho thấy khi công suất nguồn càng cao thì sự phụ thuộc của nhiệt độ theo vận tốc càng nhiều.
Hình 3.5: Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ vào vận tốc dòng chảy khi thay đổi công suất nguồn tại d= 10 mm.
3.1.2. Khảo sát sự phụ thuộc vào heatsink.
3.1.2.1.Kích thước
Trong mục này, tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt độ vào kích thƣớc của ống dẫn với công suất đèn LED là 300W. Hình dạng ống có thể là tam giác, vuông, tròn, lục giác nhƣng thực tế thì hình tròn là dễ chế tạo nhất nên chúng tôi chỉ khảo sát cho trƣờng hợp ống hình tròn. Vấn đề đặt ra là kích thƣớc, hay nói cách khác là đƣờng kính hình tròn nhƣ thế nào là phù hợp.
Hình 3.6: Phân bố nhiệt của đèn LED v môi trƣờng xung quanh tại v=1.2 m/s, công suất P=300 W, đƣờng kính ống dẫn d=5 mm (a) và d=10 mm (b).
Hình 3.6 cho thấy sự khác nhau trong phân bố nhiệt của LED và môi trƣờng xung quanh khi đƣờng kính ống dẫn thay đổi, nhiệt phân bố tỏa ra xung quanh heatsink và môi trƣờng, do chịu ảnh hƣởng của dòng chất lỏng nên phân bố nhiệt có xu hƣớng dịch về bên phải theo chiều của dòng chảy chất lỏng. Khi đƣờng kính ống dẫn d = 5 mm lƣợng nhiệt tiêu hao chậm nên nhiệt phân bố tập trung trên heatsink mạnh hơn so với trƣờng hợp khi d = 10 mm. Giá trị nhiệt độ khảo sát tại chip LED trong hai trƣờng hợp lần lƣợt là 49
0
Hình 3.7: Phân bố nhiệt của đèn LED tại v=1.2 m/s với các đƣờng kính khác nhau:
d=5 mm (a); d=10 mm (b).
Tiến hành khảo sát đối với các ống dẫn có đƣờng kính khác nhau thu đƣợc kết quả phân bố nhiệt trên Hình 3.7. Các kích thƣớc ống dẫn khảo sát lần lƣợt d=5 mm; và d=10 mm. Khi đƣờng kính ống càng lớn thì nhiệt tiêu hao nhanh nên sự phân bố nhiệt càng khác biệt rõ rệt. Cụ thể, nhiệt độ giảm một cách đáng kể từ 95.7 0C tại d=5 mm xuống còn 83.2 0C tại d=10 mm. Điều này có thể đƣợc giải thích là khi đƣờng kính tăng thì lƣu lƣợng dòng chảy trong ống cũng tăng lên, nên lƣợng nhiệt truyền qua tiết diện ống lớn, do đó nhiệt độ trong đèn cũng giảm dần. Hình 3.8 cho thấy nhiệt độ giảm mạnh khi tăng đƣờng kính từ 5 mm lên 10 mm, tuy nhiên từ 10 mm lên đến 15 mm thì sự giảm nhiệt độ bắt đầu chậm lại. Mặc dù khi tăng đƣờng kính thì lƣu lƣợng nƣớc trong ống cũng tăng nhƣng vận tốc dòng nƣớc không thay đổi nên
nhiệt độ giảm chậm. Hơn nữa, khi tăng đƣờng kính ống dẫn thì độ dày thành ống sẽ giảm và sự dẫn nhiệt trong nƣớc là kém hơn so với heatsink và ống dẫn nên làm cho lƣợng nhiệt bị giữ lại một phần trong ống làm cho nhiệt độ giảm chậm.
Hình 3.8: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính với vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s.
Tiếp theo, chúng tôi khảo sát tƣơng tự sự phụ thuộc của Tmax vào đƣờng kính ống dẫn với các giá trị vận tốc dòng chảy khác, kết quả sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đƣợc trình bày trong hình 3.9.
Hình 3.9: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính ống dẫn với các vận tốc dòng chảy khác nhau.
lên 15 mm. Sự thay đổi của Tmax đều có kết quả tƣơng tự đối với các giá trị vận tốc khác nhau.
Thay đổi các giá trị công suất của đèn và tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt độ vào kích thƣớc ống dẫn (hình 3.10), kết quả khảo sát chỉ ra rằng giá trị Tmax giảm mạnh khi đƣờng kính d < 10 mm, nhƣng sự giảm là không giống nhau, tại giá trị công suất thấp thì Tmax giảm ít hơn so với các giá trị công suất cao, cụ thể khi P = 200 W thì độ giảm nhiệt độ chỉ 4.9 0C (giảm từ 68.9 0C còn 64 0C), trong khi tại P = 300 W thì độ giảm là 11.0 0C (giảm từ 95.7 0C còn 84.7 0C) và tại P = 400 W thì độ giảm là 9.7 0C (giảm từ 112.7 0C còn 103 0C). Tuy nhiên, khi đƣờng kính d > 10 mm thì giá trị Tmax giảm chậm và cũng ít phụ thuộc vào công suất của đèn. Khi tăng đƣờng kính từ 10 mm lên đến 15 mm thì tại P = 200 W nhiệt độ giảm 2.10C, tại P = 300 W nhiệt độ giảm 1.9 0C vàtại P = 400 W độ giảm nhiệt độ là 1.4 0C.
Hình 3.10: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính ống dẫn với các công suất khác nhau.
3.1.2.2. Vật liệu
Để đánh giá ảnh hƣởng của vật liệu làm heatsink vào hiệu quả tản nhiệt chúng tôi cố định đƣờng kính ống d=10 mm và hệ số bức xạ bề mặt ε =0.8, cố