Hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng

5. Cấu trúc nội dung của luận án

3.4.3 Hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một môi chất là nhiệt lượng cần phải cung cấp cho một đơn vị đo lường chất đó để nhiệt độ nó tăng lên một độ trong quá trình nào đó. Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất của môi chất, nhiệt độ và áp suất (có thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khi giá trị của nó không quá lớn).

(3.71) Trong luận văn này nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 được ước lượng bằng cách đưa dữ liệu thực nghiệm của hệ số dẫn nhiệt  và khối lượng riêng 𝜌 vào phần mềm mô phỏng CFD thực hiện quá trình mô phỏng nguồn nhiệt dạng đường như trong điều kiện thực tế. Sau đó thay đổi giá trị nhiệt dung riêng sao cho sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa thực nghiệm và mô phỏng đồng nhất với nhau.

 = = 2 1 t t Cdt q dt dq C

94

(a) (b)

Hình 3.24 Mô hình (a) khối epoxy và (b) chia lưới tính toán

Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán nhiệt 𝛼, hệ số dẫn nhiệt 𝜆, nhiệt dung riêng

𝑐𝑝 và khối lượng riêng 𝜌 được thể hiện bằng công thức:

𝛼 = 𝜆 𝑐𝑝𝜌

(3.72) Khối lượng riêng tại một vị trí trong vật được tính bằng khối lượng của một thể tích vô cùng nhỏ chia cho thể tích vô cùng nhỏ đó. Nếu vật đó có đặc tính đồng chất thì khối lượng riêng tại mọi vị trí là như nhau và bằng khối lượng riêng trung bình.

𝜌 = 𝐺

𝑉 (3.73)

Trong đó:

𝜌 : Khối lượng riêng trung bình, [kg/m3]

G : Khối lượng của vật, [kg] V : Thể tích của vật, [m3]

Khối lượng riêng là một đại lượng vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tuy nhiên trong thí nghiệm này thể tích của các mẫu epoxy thay đổi không đáng kể sau quá trình gia nhiệt như vậy khối lượng riêng được coi như là không đổi:

𝜌 = 1593𝑘𝑔 𝑚3

3.5 Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy 3.5.1 Nguyên vật liệu sử dụng trong thực nghiệm

Sử dụng 3 mẫu epoxy được đúc từ dây chuyền sản xuất MBA khô của nhà máy Sanaky khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội. Epoxy được phối trộn từ nhựa nền có mã sản phẩm 8055A và chất đóng rắn có mã sản phẩm 8055B của hãng Jiang Te – Trung Quốc. Tỉ lệ phối trộn của hai thành phần trên là 1:1.

Quy cách mẫu: Trụ tròn đường kính 63 mm, chiều dài 100 mm, có lỗ khoan xuyên tâm đường kính 2mm. Các mẫu được sấy ở 105℃ trong 24 giờ để làm bay hơi ẩm còn sót lại Hình 3.25.

95

(a) (b) (c)

Hình 3.25 Đo kích thước mẫu (a,b) và sấy mẫu trong tủ ổn nhiệt (c)

3.5.2 Cấu tạo thiết bị đo QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt

Bộ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt Quick Thermal Test 01 sau đây được viết tắt là QTT01. QTT01 là thiết bị được tác giả hợp tác cùng tiến sĩ Lê Kiều Hiệp, nghiên cứu chế tạo tại Trung tâm thí nghiệm quá trình Nhiệt Lạnh, Viện Khoa học và Công Nghệ Nhiệt Lạnh, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Bộ thiết bị gồm có: Que thăm nhiệt, Board mạch phần cứng, phần mềm kết nối phần cứng với máy vi tính.

Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt được nghiên cứu chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu cơ bản dưới đây:

- Thiết bị có khả năng đo được hệ số dẫn nhiệt của những loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp như các loại vật liệu cách điện, cách nhiệt, đất đá….

- Thời gian thí nghiệm nhanh, cho phép đo hệ số dẫn nhiệt tức thời biến thiên theo nhiệt độ.

- Thiết bị nhỏ gọn, thao tác sử dụng đơn giản có độ bền, độ ổn định cao. - Thiết bị được chế tạo theo tiêu chuẩn đo lường quốc tế.

- Thiết bị được hiệu chuẩn bằng mẫu chuẩn của hãng Thermal Test từ đó cho ra tin cậy.

Hình 3.26. Bộ thiết bị QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt

96

Que thăm nhiệt được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM D5334-00 Hình 3.27 của Mỹ hoạt động dựa trên nguyên lý của phương pháp đo không ổn định.

(a) (b)

Hình 3.27 (a)Cấu tạo kim đo hệ số dẫn nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM D 5334-00 [83] (b)

cấu tạo que thăm nhiệt

Que thăm nhiệt được chế tạo bao gồm một dây điện trở (dây nung) Nichrome được bọc cách điện, một cặp can nhiệt loại T được luồn thẳng và song song vào bên trong ống hợp kim inconel đường kính 1.8mm. Đầu cặp can nhiệt được gắn vào chính giữa chiều dài ống hợp kim. Sau đó điền đầy khoảng hở trong kim bằng epoxy để cách điện cũng như định vị các dây. Kim được gắn vào tay cầm cách điện chịu nhiệt bằng nhựa Teflon. Đầu que thăm được vát nhọn để dễ dàng cắm vào vật liệu cần đo. Sau khi chế tạo que thăm, cần phải đo kiểm tra việc chạm chập với vỏ hợp kim để tránh việc phát nhiệt cục bộ. Que thăm nhiệt được kết nối với board mạch phần cứng thông qua cổng PS2. Cáp tín hiệu kết nối giữa que thăm nhiệt với board mạch phần cứng có độ dài 30cm và được bọc bạc chống nhiễu do đó sai số trong quá trình truyền dữ liệu nằm trong phạm vi cho phép.

(a) (b)

97

Khi đo, que thăm được cắm ngập vào vật liệu cần đo Hình 3.29.

Can nhiệt T ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian t(τ) của que thăm. Dữ liệu biến thiên nhiệt độ theo thời gian τ và được board mạch phần cứng ghi nhận vào máy tính.

• Cặp nhiệt điện loại T (Đồng/Constantan) của hãng OMRON • Dãy đo nhiệt độ dao động trong khoảng: -270℃ đến 370 ℃

• Sai số của can nhiệt T: +/- 1℃ hoặc +/- 0,75%

Hình 3.29 Giản đồ của mẫu thử và thiết bị QTT 01 để đo hệ số dẫn nhiệt

Để đảm bảo quá trình dẫn nhiệt một chiều theo phương bán kính thì chiều dài so với đường kính que thăm l/d phải lớn hơn 50 lần (l/d>50) [50]. Que thăm của bộ thiết bị QTT01 có chiều dài l = 100mm, đường kính d = 1.8mm, l/d = 55,5.

Dây điện trở Nichrome được đặt trong que thăm có điện trở suất là 60 /m công suất nhiệt lớn nhất là 20W/m. Que thăm thể đo cho nhiều loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt từ 0,02 đến 3W/mK.

b. Board mạch phần cứng điều khiển que thăm đồng thời thu thập và xử lý số liệu

Board mạch thiết bị QTT01 điều khiển quá trình nung của que thăm và thu thập số liệu trong quá trình đo. Dữ liệu về dòng điện, điện áp, nhiệt độ que thăm và thời gian đo được hiển thị lên màn hình LCD của board mạch.

Cấu tạo bao gồm 6 thành phần chính: 1. Màn hình hiển thị LCD.

2. Mạch điều khiển Arduino Nano tích hợp vi điều khiển ATmega328P 3. Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ từ dạng Analog sang Digital (ADC)

Max31856

4. Bộ điều chỉnh và ổn định công suất dây điện trở nung. 5. Relay đóng cắt cấp nguồn cho dây điện trở nung. 6. Bộ nguồn rời cung cấp công suất 12V-3A.

98

Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý board mạch thiết bị đo QTT01

Mạch điều khiển Arduino Nano tích hợp vi điều khiển ATmega328P có nhiệm vụ thu thập và xử lý số liệu sau đó truyền số liệu về máy vi tính. Bo mạch điều khiển có 8 chân đầu vào/ra tương tự tích hợp bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 22 chân đầu vào/ra kỹ thuật số, 32 KB bộ nhớ flash, 2 KB bộ nhớ SRAM, có hỗ trợ giao tiếp SPI,…

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ từ dạng Analog sang Digital (ADC) mã hiệu: Max31856 – 19bit chuyển đổi tín hiệu điện áp của cặp nhiệt sang tín hiệu số thông qua giao tiếp SPI với vi điều khiển. Bộ ADC này có thể chuyển đổi với độ chính xác 0,0078125oC ±0,15%, có thể sử dụng cho hầu hết các loại can nhiệt trên thị trường.

Khối rơ le điều khiển đóng, ngắt cấp điện cho dây điện trở nung trong que thăm từ nguồn đầu ra của LM2596 thiết bị sử dụng một rơ le cuộn hút 12 VDC. Để triệt tiêu nhiễu từ rơ le cho vi điều khiển sử dụng opto quang để cách ly rơ le với vi điều khiển.

Board mạch có tốc độ lấy mẫu nhanh. Tốc độ lấy mẫu có thể lên đến 0,1s. Các tín hiệu điện áp của cặp nhiệt được khuếch đại và chuyển đổi về dạng tín hiệu số, tín hiệu số được truyền tải đến máy tính thông qua cáp truyền theo giao thức USB.

99

Hình 3.31 Hình ảnh board mạch của thiết bị QTT01

Để kết nối board mạch với máy tính tác giả thực hiện lập trình phần mềm QTT Software1.2 bằng ngôn ngữ lập trình C# - phần mềm lập trình Microsoft Visual Studio 2009. Phần mềm có thể ghi lại số liệu đo đạc tự động theo thời gian. Dữ liệu nhiệt độ được ghi lại dưới dạng file excel (*.csv) cho phép xử lý một cách đơn giản.

Hình 3.32 Hình ảnh giao diện phần mềm QTTsoftware1.2

Sau khi kết thúc quá trình đo dựa trên số liệu thu thập được, bằng thuật toán của phần mềm có thể tính toán ra hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đo và hiển thị lên ở hộp thoại Thermal conductivity trên giao diện phần mềm.

c. Nguyên lý hoạt động của thiết bị QTT01:

Khi bắt đầu đo, que thăm được kết nối với board mạch thiết bị và bộ thiết bị được kết nối với máy vi tính qua phần mềm QTT software1.2. 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. Quá trình gia nhiệt của que thăm được bắt đầu. Cùng với quá

trình gia nhiệt của que thăm, can nhiệt T liên tục đo nhiệt độ của que thăm, tín hiệu gửi về bộ chuyển đổi tín hiệu Max31865 – chuyển đổi tín hiệu dạng điện áp sang dạng tín hiệu số. Tín hiệu nhiệt độ đã qua chuyển đổi này được gửi về vi điều khiển ATmega328P. Vi điều khiển xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu lên màn hình LCD song song với đó vi điều khiển gửi toàn bộ tín hiệu về nhiệt độ, thời gian đo, điện áp lên máy tính thông qua giao tiếp USB. Kết thúc quá trình đo, toàn bộ dữ liệu trong quá trình đo được xử lý bằng thuật toán ngay trên phần mềm để tìm ra hệ số dẫn nhiệt.

100

d. Thiết bị khác

• Máy đo nhiệt độ hồng ngoại Fluke 62 Max có phạm vi đo từ -30℃ tới 500 ℃ độ chính xác 0,1℃

• Đối với phép đo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường, mẫu được gia nhiệt trong buồng ổn nhiệt GMP 500 Thermal Plus.

(a) (b)

Hình 3.33 Buồng ổn nhiệt (a) và máy đo nhiệt độ Fluke (b)

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