5. Cấu trúc nội dung của luận án
3.5.3 Quy trình thí nghiệm và kết quả
Trước khi bắt đầu thí nghiệm thiết bị được kiểm tra sai số với mẫu chuẩn có ID: 27004-885 Nylon của hãng Thermtest được nhà sản xuất công bố có hệ số dẫn nhiệt
= 0,34 W/mK ở nhiệt độ thí nghiệm 23,7 °C.
(a) (b)
Hình 3.34 Mẫu chuẩn Nylon 27004-885 (a) và giá trị hệ số dẫn nhiệt của mẫu chuẩn được
cung cấp bởi nhà sản xuất (b)
Trong quá trình kiểm tra sai số, thiết bị QTT01 thực hiện đo với 3 phép đo hệ số dẫn nhiệt của mẫu chuẩn ở điều kiện nhiệt độ 24°C, cho kết quả như sau:
101
Bảng 3.12 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của mẫu chuẩn bằng thiết bị QTT01
Lần Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) Sai số (%) 1 0,334 1,76 2 0,338 0,59 3 0,33 2,94 TB 0,334 ± 0,004 1,76 ± 1,18
Hệ số dẫn nhiệt trung bình của 3 phép đo là Tb = 0,334 ± 0,004 W/mK có sai số 1,76 ± 1,18%. Đối với sai số này của thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt là chấp nhận được, đạt yêu cầu kỹ thuật đo lường.
Bắt đầu thí nghiệm: kết nối que thăm với hộp thiết bị, cắm nguồn cho thiết bị, kết nối thiết bị với máy tính đã bật sẵn phần mềm QTT software sau đó gạt công tắc để khởi động thiết bị.
Đối với nhiệt độ đo yêu cầu cao hơn nhiệt độ môi trường, mẫu được gia nhiệt trong buồng ổn nhiệt được cài đặt sẵn nhiệt độ. Nhiệt độ mẫu tăng dần với tốc độ 1- 2 oC/min. Sau khi đạt đến nhiệt độ thí nghiệm, chờ thời gian ổn định để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.
Sau khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt, que thăm nhiệt được cắm ngập vào lỗ khoan xuyên tâm các mẫu và khoảng trống được lấp đầy bằng keo dẫn nhiệt có hệ số dẫn nhiệt là 15 W/mK để tăng khả năng dẫn nhiệt từ thiết bị đo đến mẫu epoxy như
Hình 3.29.
Điều chỉnh biến trở và quan sát trên màn hình LCD của board mạch để đặt điện áp nung thích hợp. Nhấn nút Run trên phần mềm (hoặc nút mầu xanh trên mặt thiết bị). Dữ liệu từ can nhiệt T được gửi đến board mạch có kết nối với máy vi tính.
Sau khoảng thời gian đo đã được cài đặt thường trong khoảng từ 3 đến 7 phút thiết bị sẽ tự động dừng quá trình đo hoặc có thể ngắt quá trình đo khi kích vào nút Stop trên màn hình. Thời gian đo phụ thuộc vào điều kiện thực tế.
Tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi về dạng tín hiệu số. Tín hiệu số được truyền tải về máy tính qua giao tiếp USB. Sự gia tăng nhiệt độ do sinh nhiệt không đổi trên một đơn vị chiều dài trong que thăm được ghi lại ở tần số bốn lần đọc mỗi giây.
Dữ liệu ban đầu thu được sau quá trình đo được xử lý bằng thuật toán của phần mềm QTTsoftware 1.2 để tính ra giá trị hệ số dẫn nhiệt của mẫu đo theo công thức (3.67) - (3.69). Nhấn vào nút Calculate trên phần mềm để tìm ra giá trị của hệ số dẫn nhiệt, ghi chép lại số liệu vừa tính toán sau đó xuất dữ liệu bằng cách nhấn nút Export Data để lưu trữ lại dữ liệu vừa đo.
Sau khi hoàn thành xong 1 lần đo đạc, rút que thăm ra khỏi mẫu cần đo, sau đó nhấn nút Clear Data để xóa dữ liệu vừa đo. Quá trình đo chỉ được phép lặp lại sau một thời gian đủ dài để đảm bảo cho việc thiết lập lại trạng thái cân bằng nhiệt trong vật liệu và que thăm.
102
Chú ý trong quá trình đo không làm xê dịch vị trí của que thăm. Quá trình đo chỉ được phép lặp lại sau một thời gian đủ dài để đảm bảo cho việc thiết lập lại trạng thái cân bằng nhiệt trong vật liệu và que thăm.
Kết quả hệ số dẫn nhiệt
Ba mẫu của lô mẫu được lấy cho thí nghiệm này: các mẫu được ghi nhãn là số 1, 2 và 3. Mười phép đo độ dẫn nhiệt đã được thực hiện tại mỗi điểm nhiệt độ từ 25℃
đến 142℃. Dữ liệu thể hiện biến thiên nhiệt độ theo thời gian của phép đo ở nhiệt độ trung bình 25℃ được thể hiện ở đồ thị hình Hình 3.35.
Hình 3.35 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian thu được từ phép đo ở 25℃
Dữ liệu đo đạc này được sử dụng khoảng 30 phép đo nhiệt độ ở giai đoạn 2/3 cuối quá trình gia nhiệt để xử lý số liệu. Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đưa về dạng mối quan hệ giữa nhiệt độ và logarit thời gian t=f(ln(𝜏)) và thu được hệ số góc C1 như Hình 3.36
103
Từ hệ số góc C1 = 1.4498 thu được sau khi tuyến tính áp dụng công thức (3.69 thu được hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình 25,3 ℃: = 0,593 W/mK. Tất cả quá trình đo và xử lý số liệu trên đều được thiết bị QTT01 xử lý tự động cho ra kết quả hệ số dẫn nhiệt.
Thực hiện tương tự đối với các kết quả đo ở các điểm nhiệt độ từ 25℃ đến 142℃
ta thu đươc ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số dẫn nhiệt được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 3.37.
Hình 3.37 Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ
Ta có thể quan sát thấy xu hướng hệ số dẫn nhiệt tăng từ 25℃ đến 50℃ (là nhiệt độ Tg – nhiệt độ chuyển trạng thái) và xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng. Giá trị hệ số dẫn nhiệt trung bình ở nhiệt độ môi trường là 0,59 W/mK.
Từ hình dạng của đường cong, thực hiện khai triển Taylor biểu diễn gần đúng quan hệ λ = f(t) dưới dạng đa thức và có kết quả như sau:
𝜆(𝑡) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68. 10−5𝑡2 (3.74)
Bảng 3.13 cho thấy sự so sánh kết quả hệ số dẫn nhiệt giữa dữ liệu thực nghiệm
104
Bảng 3.13 Hệ số dẫn nhiệt từ thực nghiệm và tính toán theo công thức (3.74)
Kết quả thực nghiệm Sai số của khai triển Taylor Nhiệt độ [oC] λ đo [W/mK] λ tính [W/mK] Sai số [%] 25 0,594 0,602 1,347 50 0,637 0,621 2,512 75 0,619 0,620 0,162 105 0,580 0,590 1,724 142 0,518 0,514 0,772
Đồng thời xu thế thay đổi độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ đo được từ thiết bị tác giả sử dụng được tương đồng với vật liệu tương tự trong [84]
Kết quả hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 được ước lượng bằng cách đưa dữ liệu thực nghiệm của hệ số dẫn nhiệt thu được từ phần 3.5.3.1 và khối lượng riêng 𝜌 vào phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu CFD.
Từ kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng ta thu được các đường cong thể hiện sự thay đổi nhiệt độ t theo thời gian 𝜏 trong quá trình thực hiện phép đo hệ số dẫn nhiệt theo phương pháp nguồn đường [56],[80] tại các nhiệt độ khác nhau.
Hình 3.38 Đường cong mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian ứng với các nhiệt
dung riêng khác nhau tại nhiệt độ thí nghiệm ban đầu 25 ℃
Từ Hình 3.38 có thể thấy rằng tại giá trị 𝑐𝑝= 220 J/kgK thì đường cong thực nghiệm và đường cong mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ t theo thời gian 𝜏 đồng nhất
105
nhau nhất. Áp dụng tương tự đối với các trường hợp nhiệt độ còn lại ta thu được nhiệt dung riêng của epoxy thay đổi theo nhiệt độ.
Hình 3.39 Sự thay đổi nhiệt dung riêng của epoxy theo nhiệt độ
Hình 3.39 biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán nhiệt. Tương
tự như hệ số dẫn nhiệt từ hình dạng của đường cong có thể thực hiện khai triển Taylor biểu diễn gần đúng quan hệ𝐶𝑝= f(t) dưới dạng đa thức như sau:
𝐶𝑝(𝑡) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡2 (3.75)
So sánh hệ số nhiệt dung riêng ước lượng bằng mô phỏng và tính toán theo công thức (3.75) được thể hiện trong Bảng 3.14.
Bảng 3.14 Nhiệt dung riêng ước lượng bằng mô phỏng và tính toán theo công thức (3.75)
Kết quả thực nghiệm Sai số của khai triển Taylor Nhiệt độ [oC] Cp ước lượng [J/kgK] Cp tính [J/kgK] Sai số [%] 25 220 221 0,56 50 410 400 2,47 75 600 620 3,24 105 930 913 1,72 142 1380 1381 0,07
Nhiệt dung riêng của epoxy tăng khi tăng nhiệt độ phù hợp với kết quả nhiệt dung riêng trên vật liệu tương tự [85].
Kết quả nhiệt dung riêng ở trên áp dụng vào công thức (3.72) ta thu được hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy
106
Hình 3.40 Sự thay đổi của hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy theo nhiệt độ
Từ Hình 3.40 cho thấy hệ số khuếch tán nhiệt giảm khi tăng nhiệt độ và giảm nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 25oC đến 75oC, giảm đến 42,3%. Mối quan hệ a = f(t) được biểu diễn gần đúng dưới dạng đa thức như sau:
𝛼(𝑡) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05. 10−5𝑡2 (3.76) Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng được các đường đặc tính về tính chất nhiệt của vật liệu epoxy theo nhiệt độ và các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng, phân tích trường phân bố nhiệt trong MBA khô.