Bitumen là một dạng vật liệu chống thấm cao cấp, cĩ nguồn gốc từ dầu thơ hoặc cĩ trong nhựa đường tự nhiên. Với màu tối, đen và độ nhớt cao, bitumen được tối ưu hĩa với các khống chất và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và các cơng trình giao thơng. Nhờ màu sắc khác biệt của vật liệu này mà ta cĩ thể áp dụng bitumen trong những lĩnh vực khác. Chẳng hạn với bitumen màu đen cĩ thể hấp thụ ánh sáng mặt trời với hiệu suất cao (khoảng 90%) [114] nên cĩ khả năng áp dụng trong các hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của bitumen khá thấp [115], do đĩ để giải quyết vấn đề và cải thiện hiệu suất của bitumen trong các nghiên cứu về khai thác chuyển hĩa năng lượng mặt trời thì cần kết hợp bitumen với các vật liệu khác để nâng cao hiệu quả đạt được. Theo nhiều nhĩm nghiên cứu, các tính chất vật lý và cơ học của bitumen được tăng cường bằng cách thêm các vật liệu khác như polymer, sợi cacbon ([116],[117]).
Kể từ khi Iijima cơng bố tài liệu tìm ra CNTs với thế giới vào năm 1991 ([118]– [122]), đã cĩ nhiều cơng trình khoa học sau đĩ cho thấy CNTs là vật liệu sở hữu nhiều tính chất độc đáo và ưu việt. Tính chất cơ học của chúng cĩ được bằng các phương pháp như kéo dài và uốn cong chúng. Chúng cĩ mơ đun Young đặc biệt cao, nĩ khoảng 1000 GPa và độ bền kéo được tính là 150-180 GPa [121]. Ngồi ra, diện tích bề mặt riêng khá lớn ở kích thước nano kết hợp với độ dẫn nhiệt cao, độ dẫn nhiệt cỡ 3000-6600 W / mK [123] làm cho CNTs trở thành vật liệu gia cường đầy hứa hẹn trong vật liệu tổ hợp hoặc vật liệu lai.
Chính vì vậy, việc gia cường CNTs trong bitumen được dự đốn khơng chỉ cải thiện tính chất cơ học của bitumen/CNTs composite mà cịn làm tăng tính dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời. Do ở nhiệt độ thường, bitumen ở trạng thái rắn, khi nhiệt độ cao hơn thì vật liệu mềm dần và hĩa lỏng, nên khi áp dụng vào hấp thụ năng lượng mặt trời vẫn cần khảo sát thêm sự ảnh hưởng các đặc tính cơ học của bitumen khi cĩ thêm CNTs. Vì vậy, trong phần này chúng tơi trình bày các kết quả đạt được trong chế tạo và khảo sát một số tính chất như độ kim lún, độ bền kéo, điểm hĩa mềm và đặc biệt là khả năng hấp thụ nhiệt năng lượng mặt trời của vật liệu tổ hợp bitumen/CNTs.
Vật liệu CNTs được chế tạo tại Viện Khoa học Vật liệu (IMS), Viện Khoa học Hàn Lâm Việt Nam (VAST) bằng phương pháp bay hơi hĩa học (Chemical vapor deposition - CVD). Vật liệu bitumen sử dụng trong nghiên cứu cĩ các tính chất cơ lý được liệt kê như Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Tính chất của bitumen
Đặc tính Giá trị
Độ kim lún (mm) 3,8
Điểm hĩa mềm (oC) 66,3
Độ bền kéo (cm) 3,0
Như trên Hình 4.31, vật liệu tổ hợp bitumen/CNTs được chế tạo theo 6 bước như sau:
- Bước 1: CNTs được biến tính trong hỗn hợp axit HNO3 và H2SO4 với tỉ lệ 1:3 trong 5h ở nhiệt độ 60oC.
- Bước 2: Hỗn hợp trên sẽ được lọc rửa để loại bỏ axit và làm khơ ở 80oC trong vịng 24h.
- Bước 3: Đun nĩng bitumen từ nhiệt độ phịng lên 200oC để vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng, dùng máy trộn với tốc độ 100 vịng/phút.
- Bước 4: Thêm từ từ vật liệu CNTs biến tính vào bitumen với hàm lượng định sẵn, giữ máy trộn ở tốc độ quay 100 vịng/phút.
- Bước 5: Để máy trộn ở tốc độ cao 2700 vịng/phút trong thời gian 30 phút để CNTs phân tán đồng đều trong nền bitumen.
- Bước 6: Cho vật liệu vào khuơn với cấu hình thuận tiện cho việc khảo sát các tính chất.
Các mẫu được tiến hành khảo sát các tính chất bao độ kim lún, điểm hĩa mềm, độ bền kéo, khả năng hấp thụ nhiệt. Các phép đo độ kim lún, điểm hĩa mềm và độ bền kéo được thực hiện tại Viện Khoa học Giao thơng Vận tải (ITST) theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7495-7497:2005.
Hình 4.31. Sơ đồ chế tạo hỗn hợp CNTs/bitumen
Hình 4.32. Hệ chế tạo vật liệu CNTs/bitumen
Lọc rửa, CNT-COOH 2 4 3 H SO /HNO CNTs cho vào Đun nĩng bitumen Trộn Bitumen - CNTs Nghiên cứu tính chất Bitumen
Hình 4.32 là sơ đồ thiết bị chế tạo hỗn hợp CNTs/bitumen gồm máy gia nhiệt, máy trộn, trục và cánh khuấy.
Kết quả đo như trên Hình 4.33 cho thấy độ kim lún của vật liệu giảm theo hàm lượng của CNTs, điều đĩ đồng nghĩa với việc khi tăng hàm lượng CNTs thì bitumen trở lên cứng hơn. Với hàm lượng 0%, 0,4%, 0,8% và 1,2% theo khối lượng CNTs, độ kim lún của vật liệu lần lượt là 3,8, 2,7, 2,2 và 1,2 mm.
Hình 4.33. Độ kim lún tại 25oC của các mẫu bitumen theo hàm lượng CNTs Như
vậy, trong các mẫu thì mẫu cĩ hàm lượng CNTs là 1,2% khối lượng cho kết quả tốt nhất, độ kim lún giảm hơn 3 lần. Điều này hồn tồn phù hợp với những kết quả nghiên cứu đã biết trên thế giới về độ cứng của vật liệu composite khi được gia cường thêm CNTs. Chẳng hạn như kết quả nghiên cứu của nhĩm Donaldson [122], Goiny [124], Shu [125], Latifi [126], và Yang [127] cho thấy các vật liệu composite khi được gia cường CNTs giúp nâng cao đáng kể các tính chất cơ lý của vật liệu. Việc gia cường CNTs với hàm lượng phù hợp trong nền bitumen giúp CNTs tương tác với nhau và với vật liệu nền để đạt trạng thái cĩ tính chất cơ lý tốt nhất. Bên cạnh đĩ, ta thấy với hàm lượng 0,4% và 0,8% khối lượng CNTs cũng tạo ra sự khác biệt khá lớn so với bitumen thơng thường, tuy nhiên do mật độ CNTs chưa đủ lớn nên kết quả độ kim lún khơng tốt bằng mẫu cĩ hàm lượng 1,2% CNTs.
Hình 4.34 là kết quả đo độ bền kéo của vật liệu CNTs/bitumen. Độ bền kéo tương ứng với các hàm lượng 0%, 0,4%, 0,8%, 1,2% khối lượng CNTs lần lượt là 3; 2,5; 1,5; 1,2 cm. Độ bền kéo là khả năng biến dạng của vật liệu dưới ứng suất kéo, và độ bền kéo và độ kim lún đều cĩ giá trị giảm đi khi tăng hàm lượng CNTs trong nền bitumen. Điều này cho thấy bitumen trở lên cứng hơn khi được gia cường thêm CNTs.
Hình 4.35. Điểm hĩa mềm của vật liệu theo nồng độ CNTs
Hình 4.36. Sự chuyển hĩa quang nhiệt của CNTs/bitumen.
Hình 4.35 là kết quả khảo sát điểm hĩa mềm của vật liệu bitumen theo hàm lượng gia cường CNTs. Điểm hĩa mềm tăng đồng nghĩa với việc tăng thêm khả năng chịu nhiệt của vật liệu, điều này cĩ ý nghĩa quan trọng trong những trường hợp yêu cầu vật liệu đáp ứng khả năng làm việc trong mơi trường cĩ nhiệt độ cao [128]. Điểm hĩa mềm của các mẫu bitumen lần lượt là 66,3; 66,5; 67 và 68,5 oC tương ứng với hàm lượng 0%; 0,4%; 08% và 1,2% về khối lượng của CNTs. Với hàm lượng 1,2% CNTs thì điểm hĩa mềm tăng 2,2 oC, điều này đã gĩp phần nâng cao khả năng chịu nhiệt của vật liệu tổ hợp.
Hình 4.36 là kết quả khảo sát khả năng sự chuyển hĩa quang nhiệt của vật liệu bitumen gia cường CNTs khi so với bitumen nguyên chất. Kết quả cho thấy khi cĩ thêm CNTs thì sự tăng nhiệt độ diễn ra nhanh hơn, đồng thời nhiệt độ bão hịa cũng lớn hơn so với bitumen nguyên chất. Sau 3000 giây, sự gia tăng nhiệt độ của mẫu CNTs/bitumen lớn hơn bitumen khoảng 4,5%. Điều này được giải thích là do CNTs cĩ độ dẫn nhiệt cao cùng với hệ số hấp thụ ánh sáng lớn nên CNTs sẽ giúp gia tăng đáng kể khả năng chuyển hĩa quang thành nhiệt của vật liệu tổ hợp.
Như vậy nhĩm nghiên cứu đã chế tạo thành cơng vật liệu bitumen gia cường CNTs bằng phương pháp khuấy trộn cơ học kết hợp với biến tính và gắn thêm nhĩm
chức COOH để nâng cao hiệu quả phân tán trong nền bitumen. Vật liệu tổ hợp CNTs/bitumen đã cĩ những cải thiện đáng kể về tính chất cơ lý tính so với bitumen nguyên chất. Với hàm lượng 1,2 % khối lượng CNTs, vật liệu CNTs/bitumen cĩ độ cứng tăng lên hơn 3 lần thể hiện qua giá trị độ kim lún và độ bền kéo, đồng thời điểm hĩa mềm tăng 2,2 oC so với bitumen nguyên chất. Khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn và độ tăng nhiệt độ của mẫu CNTs/bitumen với hàm lượng 0,8% khối lượng lớn hơn 4,5% so với bitumen nguyên chất. Qua những kết quả trên đây cĩ thể thấy tiềm năng áp dụng rất lớn của CNTs/bitumen trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đĩ cĩ lĩnh vực hấp thụ năng lượng mặt trời.
4.7. Thử nghiệm ứng dụng CNTs/bitumen hấp thụ năng lượng mặt trời
4.7.1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời
Một loại động cơ nhiệt phù hợp với nhiệm vụ chuyển hĩa nhiệt mặt trời thành cơ năng đĩ là động cơ Stirling. Động cơ Stirling là động cơ nhiệt cĩ thể biến đổi liên tục nhiệt năng thành cơ năng hoạt động theo chu kì Stirling, được sáng chế vào năm 1816 bởi Robert Stirling người Scotland, trước cả động cơ Diesel (1893), động cơ xăng (1860) và động cơ điện (1869) [129]. Nghiên cứu về cơng nghệ Stirling được bắt đầu từ năm 1816 tuy nhiên khi động cơ đốt trong ra đời, với ưu điểm về cơng suất riêng (cơng suất trên một đơn vị khối lượng hoặc đơn vị thể tích động cơ) lớn, các động cơ đốt trong dùng nhiên liệu hĩa thạch đã trở thành thiết bị chủ yếu và động cơ Stirling gần như bị lãng quên. Phải cho tới gần đây, khi nguồn nhiên liệu hĩa thạch bị cạn kiệt, con người cần tìm các nguồn năng lượng mới thay thế thì động cơ Stirling mới được chú ý trở lại. Đĩ là nhờ cĩ bộ phận thu nhiệt đơn giản nên động cơ Stirling phù hợp với mọi loại nguồn nhiệt, khơng chỉ nhiên liệu rắn, lỏng, khí truyền thống mà cịn cĩ thể thu nhiệt từ các hệ thống khác, ví dụ như nhiệt từ năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt hay nhiệt từ năng lượng mặt trời… Ngồi ra, nĩ cĩ những ưu điểm nổi bật như là hoạt động ổn định, chế độ hoạt động êm, ít tiếng ồn. Nĩ tạo ra ít rung động so với động cơ đốt trong do khơng cĩ các chu kì nổ xả. Do khơng cần các van đĩng mở và khơng cĩ khí thốt ra nên động cơ Stirling bảo trì dễ dàng và ít hư hỏng hơn so với động cơ đốt trong. Thêm nữa, nĩ cĩ thể hoạt động với sự chênh lệch nhiệt độ rất ít giữa nguồn nĩng và nguồn lạnh. Ở thời điểm hiện tại, nghiên cứu về
động cơ Stirling đĩng gĩp rất lớn cho việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Đặc biệt, hệ thống chuyển đổi năng lượng từ nhiệt mặt trời sử dụng loại động cơ này nằm trong số những nghiên cứu thú vị và hứa hẹn nhất hiện nay [130].
Hình 4.37. Phân loại động cơ Stirling theo đặc điểm cấu tạo: alpha (a); beta
(b); gamma (c) [129]
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, người ta phân loại thành động cơ Stirling dạng alpha, beta và gamma như Hình 4.37. Một số nghiên cứu cho thấy cấu hình gamma cĩ hiệu suất cao nhất [131] nên trong phần tiếp theo của luận án sẽ chủ yếu trình bày về động cơ Stirling câú hình gamma. Động cơ Striling kiểu gamma cĩ pittong phụ và pittong lực được đặt tại hai xy lanh riêng biệt, chức năng của pittong phụ là truyền chất cơng tác từ buồng nĩng của xy lanh sang buồng lạnh của xy lanh. Chức năng của pittong lực là chuyển hĩa sự dãn nở của chất cơng tác tại áp suất cao thành chuyển động của trục khuỷu và bánh đà.
Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling
Chu kì Stirling gồm hai q trình đẳng nhiệt và hai q trình đẳng tích xen kẽ. Chu kì Stirling lý tưởng cĩ những ưu điểm sau: Thứ nhất, hiệu suất nhiệt của chu kì Stirling với bộ phận hồn nhiệt lý tưởng bằng với chu kỳ Carnot [132]. Trong suốt quá trình, bộ phận hồn nhiệt là một bộ lưu trữ năng lượng tạm thời, hấp thụ và giải phĩng nhiệt nhanh cho chất cơng tác trong động cơ. Do đĩ lượng nhiệt lấy từ nguồn nhiệt bên ngồi giảm đi, điều này giúp cải thiện hiệu suất nhiệt. Thứ hai, thay hai quá trình đoạn nhiệt trong chu trình Carnot bằng hai q trình đẳng tích ta sẽ thu được chu trình Stirling như trên Hình 4.38 (hai chu trình cĩ cùng giới hạn về áp suất, thể tích và nhiệt độ), do đĩ ta cĩ diện tích chu trình Stirling trong đồ thị pV sẽ lớn hơn
diện tích chu trình Carnot. Kết quả là tổng cơng động cơ thực hiện trong chu trình Stirling sẽ lớn hơn trong chu trình Carnot (phần gạch chéo trong Hình 4.38). Các quá trình làm việc của động cơ Stirling được thể hiện như trên Hình 4.39.
Hình 4.38. Chu trình Carnot và Stiling biểu diễn trong đồ thị pV
- Xét quá trình nén đẳng nhiệt 1-2: Pit-tơng phụ ở vị trí biên trên sau khi đẩy chất cơng tác từ buồng nĩng sang buồng lạnh của xy lanh. Pittong lực được đẩy từ biên dưới lên biên bên trên bằng động năng quay của bánh đà và làm nén chất cơng tác, nhiệt được truyền từ chất cơng tác ra bên ngồi. Sau đĩ pittong lực ở tại vị trí biên trên, và chất cơng tác ở trong buồng lạnh biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 ở nhiệt độ khơng đổi. Cơng chất cơng tác nhận được là phần diện tích bên dưới q trình 1-2.
- Trong q trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3: Trong khi pittong lực vẫn ở vị trí biên trên, pit-tong phụ chuyển động từ điểm biên trên tới điểm biên dưới và làm chất cơng tác từ buồng lạnh sang buồng nĩng, trong quá trình đĩ áp suất của chất cơng tác tăng lên và nhiệt lưu trữ từ bộ phận hồn nhiệt truyền cho chất cơng tác. Do đĩ áp suất và nhiệt độ của chất cơng tác sẽ tăng lên trong khi thể tích giữ khơng đổi, ứng với trạng thái 2 lên trạng thái 3.
- Tiếp theo là quá trình giãn nở và sinh cơng, ứng với quá trình đẳng nhiệt 3- 4: nhiệt được truyền cho chất cơng tác ở nhiệt độ cao bởi nguồn nhiệt bên ngồi. Khi pittong phụ đẩy hết chất cơng tác vào buồng nĩng, làm áp suất chất cơng tác tăng lên giá trị cực đại. Chất cơng tác trong buồng nĩng giãn nở tới áp suất p4, trong
khi nhiệt độ được giữ khơng đổi ở buồng nĩng. Khi áp suất tăng lên sẽ đẩy pittong lực từ vị trí
biên trên xuống vị trí biên dưới, đồng thời tạo lực đẩy làm quay bánh đà, tức là tạo ra cơ năng. Một phần cơ năng này sẽ được tái sử dụng trong chu trình. Cơng mà chất cơng tác tạo ra bằng diện tích nằm dưới q trình 3-4.
Hình 4.39. Các q trình làm việc của động cơ Stirling
- Quá trình làm mát đẳng tích 4-1: nhiệt từ chất cơng tác sẽ được truyền cho bộ phận hồn nhiệt. Sau khi pittong lực tới vị trí biên dưới và truyền cơ năng cho bánh đà, pititong phụ chuyển động từ biên dưới lên biên trên và đẩy chất cơng tác từ
buồng nĩng sang buồng lạnh, làm cho nhiệt độ và áp suất của chất cơng tác giảm xuống trong khi thể tích được giữ khơng đổi. Sau đĩ chất cơng tác lại chuyển từ trạng
thái 1 sang 2 nhờ bánh đà quay và lực hút từ phần chân khơng tạo bởi sự tụt áp suất làm pittong 1 trở về vị trí biên trên trên, cứ như vậy tạo thành chu trình Stirling của động cơ.
Hình 4.40. Giản đồ pha của cặp pittong phụ -pittong lực trong động cơ
Stirling cấu hình gamma
Pittong phụ và pittong lực khơng thể lên xuống đồng thời nên chuyển động của chúng phải cĩ sự lệch pha, độ lệch pha của hai chuyển động là 900. Hình 4.40 là giản đồ pha của cặp pittong phụ – pittong lực của động cơ Stirling với cấu hình