Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam" nhằm xác định được các thông số làm việc của MĐN mặt đường như: nhiệt độ cần đốt nóng, thời gian đốt nóng, khoảng cách đốt nóng và các thông số kết cấu nhằm đảm bảo chất lượng mặt đường sửa chữa và tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất. Xây dựng cơ sở khoa học cho việc vận hành có hiệu quả và thiết kế, chế tạo máy đốt nóng thay thế thiết bị nhập ngoại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA CỠ NHỎ KHI SỬA CHỮA ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội –2024
Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Bính 2. TS. Nguyễn Hữu Chí Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại trường Đại học Giao thông Vận tải (số 3 Cầu Giấy, Hà Nội) vào hồi ........ giờ ........ ngày ........ tháng ........ năm ........ Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia-Hà Nội
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Công tác duy tu, sửa chữa, bảo trì, đường bộ là hết sức quan trọng trong việc khai thác các tuyến đường và đảm bảo ATGT. Theo tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) 07.2013 của tổng cục Đường Bộ về công tác duy tu bảo dưỡng, bảo trì, sửa chữa mặt đường bê tông nhựa (BTN) thì công việc sửa chữa thường xuyên mặt đường chiếm một tỷ trọng lớn bao gồm các công việc như: Vá ổ gà, sửa chữa các vết nứt, vết lún…Sửa chữa mặt đường bằng phương pháp đốt nóng tại chỗ có nhiều ưu điểm nên rất phù hợp với công tác bảo trì và sửa chữa nhỏ mặt đường. Trong phương pháp sửa chữa nóng mặt đường việc vận hành máy đốt nóng (MĐN) cần truyền nhiệt cho mặt đường BTN đến nhiệt độ cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng lớp BTN tái chế. Do đó, cần nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng MĐN mặt đường cỡ nhỏ trong điều kiện khai thác thực tế tại Việt Nam, làm cơ sở cho việc vận hành máy có hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu, thời gian thi công đồng thời đảm bảo được chất lượng mặt đường sau khi sửa chữa. Vì vậy luận án “Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam” có tính cấp thiết và tính thực tiễn cao. 2. Mục tiêu của luận án - Xác định được các thông số làm việc của MĐN mặt đường như: nhiệt độ cần đốt nóng, thời gian đốt nóng, khoảng cách đốt nóng và các thông số kết cấu nhằm đảm bảo chất lượng mặt đường sửa chữa và tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất. Xây dựng cơ sở khoa học cho việc vận hành có hiệu quả và thiết kế, chế tạo máy đốt nóng thay thế thiết bị nhập ngoại. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu MĐN mặt đường cỡ nhỏ có kích thước tấm gia nhiệt ≤ 1 m2, di chuyển đẩy tay do công nhân thực hiện, đốt nóng bằng nguyên lý bức xạ hồng ngoại sử dụng nhiên liệu khí gas, phục vụ công tác sửa chữa nhỏ mặt đường BTN. b) Phạm vi nghiên cứu - Máy sử dụng để sửa chữa các vết nứt, hư hỏng có kích thước ≤ 0,5 m2 trên mặt đường BTN. Phạm vi đối tượng đốt nóng là mặt đường BTN loại nhựa đường 60/70 độ hạt C12,5 bị hư hỏng nhỏ còn khả năng tái chế nóng. 4. Nội dung nghiên cứu
2 - Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án - Nghiên cứu cơ sở khoa học của quá trình truyền nhiệt và đặc trưng ngọn lửa trong khoang cháy - Xác định các thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường thông qua nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết cháy - Nghiên cứu thực nghiệm và xác định thông số làm việc hợp lý bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa mục tiêu 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học Xác định được nhiệt độ đốt nóng cần thiết khi sửa chữa mặt đường là điều kiện cho việc nghiên cứu bài toán truyền nhiệt không ổn định từ máy xuống mặt đường bằng phương pháp PTHH và lý thuyết cháy của ngọn lửa trong khoang cháy, từ đó xác định được khoảng giá trị thông số làm việc của máy là cơ sở khoa học cho việc chế tạo máy đốt nóng. Thực nghiệm tại hiện trường và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu bề mặt chỉ tiêu để xây dựng các phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu và khảo sát đồng thời đa mục tiêu là cơ sở khoa học cho việc xác định thông số làm việc của máy thỏa mãn yêu cầu của hàm mục tiêu. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu hướng dẫn vận hành máy đốt nóng khi thi công sửa chữa nhỏ mặt đường đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo máy đốt nóng tại Việt Nam. 6. Điểm mới của luận án a) Nghiên cứu lý thuyết - Sử dụng phương pháp PTHH để giải bài toán truyền nhiệt cho thiết bị máy đốt nóng mặt đường với các điều kiện biên của môi trường và đối tượng thi công. Nghiên cứu lý thuyết cháy để xác định thông số kết cấu khoang cháy của máy đốt nóng. b) Nghiên cứu thực nghiệm - Xây dựng ma trận thực nghiệm, áp dụng mô hình bài toán quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu cho máy đốt nóng mặt đường để xác định các thông số làm việc hợp lý của máy. c) Kết quả ứng dụng - Xác định được bộ thông số làm việc hợp lý cho máy đót nóng mặt
3 đường là cơ sở khoa học cho quá trình vận hành, thiết kế và chế tạo máy đốt nóng mặt đường ở Việt Nam. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu về máy đốt nóng chế tạo tại Việt Nam 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của máy đốt nóng - Máy có ký hiệu là MĐN.01, MĐN.01 là sản phẩm của đề tài NCKH cấp trường trọng điểm do NCS thực hiện trong quá trình làm luận án. Máy MĐN.01 đã được thiết kế, chế tạo và hoàn thiện các thông số kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu. Máy MĐN.01 chính là đối tượng nghiên cứu của luận án. - Máy có kết cấu nhỏ gọn tấm gia nhiệt có diện tích ≤ 1 m2, bình nhiên liệu dùng khí gas, máy có lắp 4 bánh xe bằng kim loại, di chuyển do công nhân đẩy đi khi thi công. Để đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình thi công NCS đưa ra phương án thiết kế máy bao gồm 2 khối gia nhiệt ghép với nhau, gồm các bộ phận cơ bản: tấm gia nhiệt, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống di chuyển hệ thống điều khiển. Cấu tạo máy MĐN.01 được mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1. Hình ảnh máy đốt nóng mặt đường MĐN.01 1. Bánh xe di chuyển, 2. Buồng đốt, 3. Đầu phun nhiên liệu, 4. Phớt chắn, 5. Giá đỡ bình gas, 6. Bình gas, 7. Tủ điều khiển, 8. Van điện từ,9. Tay đẩy 1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước có liên quan đến luận án. 1.2.1. Các công trình nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong bê tông nhựa Đã có nhiều nhà khoa học ở các nước Trung Quốc, Nga, các nước Châu Âu và Việt Nam nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong vật liệu BTN đã được trình bày trong các tài liệu: [23], [32], [40], [45], [47], [51], [62], [65],
4 … Các tác giả sử dụng lý thuyết phương trình truyền nhiệt Fourier, sử dụng phương pháp PTHH để mô phỏng quá trình truyền nhiệt, mô tả quy luật phân bố nhiệt độ theo chiều sâu mặt đường từ đó tìm được nhiệt độ mặt đường tại các độ sâu khác nhau. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu chưa đề cập đến quá trình truyền nhiệt không ổn định từ MĐN xuống mặt đường. 1.2.2 Các công trình nghiên cứu các thông số đặc trưng ngọn của lửa khí gas trong khoang cháy Các nhà khoa học ở các nước Trung Quốc, Nga, Mỹ, và các nước Châu Âu nghiên cứu về các thông số đặc trưng của ngọn lửa trong khoang cháy đã được trình bày trong các tài liệu: [35], [36], [41]…Các nghiên cứu này đã xác các thông số nhiệt đặc trưng của ngọn lửa khí gas trong điều kiện tự nhiên trên cơ sở lý thuyết cháy. Tuy nhiên, các tài liệu này chưa đề cập đến ngọn lửa trong khoang cháy của MĐN. 1.2.3. Các công trình nghiên cứu về xác định thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường Các công trình nghiên cứu liên quan đến việc xác định thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường được nhiều nhà khoa học ở các nước Trung Quốc, Nga, các nước Châu Âu và Việt Nam thực hiện được trình bày trong các tài liệu: [8], [37], [38], [42], [46], [50], [53], [54]. Các nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình truyền nhiệt lý thuyết hoặc thực nghiệm từ đó các tác giả xác định giá trị thông số nhiệt độ làm việc của máy phù hợp với điều kiện thi công. Các tài liệu này chưa đề cập đến quá trình thực nghiệm ảnh hưởng của đa yếu tố đến quá trình truyền nhiệt của máy để xác định các thông số làm việc. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1. Nghiên cứu tổng quan các công trình đã công bố, NCS nhận thấy rằng một số vấn đề còn tồn tại cần phát triển và nghiên cứu làm rõ như sau: - Một số tác giả của nước ngoài và trong nước đã nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong các lớp BTN bằng phương pháp giải tích thông dụng, công thức kinh nghiệm hoặc sử dụng phương pháp PTHH. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đề cập chi tiết đến ảnh hưởng đồng thời của của các điều kiện biên như: điều kiện môi trường (nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm và gió), điều kiện mặt đường BTN. - Việc xác định các thông số đặc trưng của ngọn lửa khí gas cũng đã được một số tác giả nghiên cứu. Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đề cập đến
5 việc xác định thông số của ngọn lửa trong môi trường cháy giới hạn để xác định các thông số kết cấu của khoang cháy có bề mặt bức xạ là tấm gốm nhiệt. - Các công trình nghiên cứu về xác định thông số của máy đốt nóng cũng được một số tác giả thực hiện. Tuy nhiên, các nghiên cứu một là tập trung vào lý thuyết đơn thuần, hoặc chủ yếu là đo đạc thực nghiệm nhiệt độ mặt đường thông qua các đầu đo nhiệt độ. Các công trình nghiên cứu cũng chưa đề cập đến việc xác định các thông số vận hành của máy đốt nóng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để hoàn thiện kết quả tính toán bằng lý thuyết. 2. Luận án xác định được mục tiêu, nội dung nghiên cứu, đó là: nghiên cứu quá trình truyền nhiệt không ổn định từ máy đốt nóng xuống mặt đường bằng phương pháp PTHH xét đến ảnh hưởng đồng thời của các điều kiện biên; nghiên cứu đặc trưng của ngọn lửa trong khoang cháy. Từ đó xác định sơ bộ được khoảng giá trị các thông số làm việc của máy như: khoảng cách truyền nhiệt; nhiệt độ đốt nóng của máy; thời gian đốt nóng và thông số kết cấu của khoang cháy. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết, NCS chế tạo máy đốt nóng và thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu. Từ đó, xác định được thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng là cơ sở khoa học cho việc chế tạo và hoàn thiện máy ngay trong quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm máy. Nội dung chi tiết sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ ĐẶC TRƯNG NGỌN LỬA TRONG KHOANG CHÁY 2.1. Mô hình bài toán truyền nhiệt 2.1.1 Nhiệt lượng truyền xuống mặt đường Dòng nhiệt tác động vào lớp BTN mặt đường là q bao gồm: q = qbx + qđl ( W/m2) (2.1) với qbx là dòng nhiệt bức xạ, W/m ; qđl là dòng nhiệt đối lưu trong không gian 2 hẹp. Lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ giữa hai bề mặt 1 và 2 được xác định theo định luật Stefan Boltzomann [25]: 4 4 Q = Ft.FG.σ0.(𝑇1 -𝑇2 ) (2.2) Ft là yếu tố xét đến bản chất của hai bề mặt, FG là yếu tố kể đến định hướng hình học của hai bề mặt bức xạ. Với 2 bề mặt truyền nhiệt bức xạ là tấm gốm nhiệt; và mặt đường ở giữa là môi trường không khí.
6 - Ta có mật độ dòng nhiệt bức xạ: 5,67∗10−8 ∗(T4 −T4 ) m 2 qbx = = 4,93.10-8. (Tm4 ÷ 354) , W/m2 (2.3) 1,15 với Tm là nhiệt độ của tấm gia nhiệt trên máy. Phương trình (2.3) là phương trình mô tả giá trị của nhiệt lượng bức xạ của tấm gia nhiệt theo nhiệt độ. - Tính nhiệt lượng truyền qua hai mặt vật thể, [26]: 𝜆 𝑡đ qđl = (T 𝑚 − T0 ) (2.4) 𝑎 Với q là nhiệt lượng giữa 2 bề mặt (W/m2); λtd là hệ số dẫn nhiệt tương đương, λtd = λ.εtđ, tđ - hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, tđ - hệ số hiệu chỉnh Tính toán các thông số thay vào (2.4) ta được: 0,208 0,208 64.3 qđl = . (𝑇 𝑚 − 308) = . 𝑇 𝑚+ (W/m2) 𝑎 𝑎 𝑎 - Ta có tổng nhiệt lượng hữu ích truyền đến mặt đường: 0,208 64.3 q = 4,93.10-8. T4m + . Tm + + 443.65 (2.5) 𝑎 𝑎 2.1.2. Truyền nhiệt trong các lớp bê tông nhựa Mô hình truyền nhiệt trong các lớp BTN là quá trình truyền nhiệt không ổn định qua các lớp BTN mặt đường. Tấm gia nhiệt đặt cách mặt đường khoảng cách a cm, truyền nhiệt xuống mặt đường (hình 2.6). Khảo sát nhiệt độ mặt đường trong phạm vi A (m2), chiều sâu truyền nhiệt xét cho lớp BTN mịn dày 5 cm. Taám ñoát noùng böùc xaï A1 A2 a cm Moâi tröôøng khoâng khí A3 . . . 1 2 3 5 cm Lôùp BTN mòn 4 5 6 7 Hình 2.1. Rời rạc hóa tổng thể môi trường truyền nhiệt 8 Luận án đã lựa chọn phần tử truyền nhiệt là phần tử thanh với 2 điểm 9 7 cm Lôùp BTN thoâ 10 nút, với chiều dày của lớp BTN bề mặt là 5 cm để thuận lợi cho việc giải bài 11 toán tác giả chọn mỗi phần tử ứng với độ dài 1 cm. Nhiệt độ tại các nút và véc 12 tơ phụ tải có thể viết tại thời điểp13 hoặc p+1, tức là có thể lấy sai khác nhau m một bước thời gian Δτ. Giải phương trình đặc trưng để xác định thông số nhiệt độ ở thời điểm p+1:
7 {𝑇} 𝑝+1 = {[𝐶] + ∆𝜏. [𝐾]}−1 ∗ ([𝐶]. {𝑇} 𝑝 + ∆𝜏. {𝑓} 𝑝+1 ) (2.6) Phương trình (2.6) là phương trình ma trận truyền nhiệt của bài toán, xác định các giá trị ma trận hệ số. - Ma trận nhiệt dung: 13783,3 6891,7 0 0 0 0 13783,3 27566,7 6891,7 0 0 0 0 6891,7 27566,7 6891,7 0 0 [𝐶] = ∗ 𝐴 0 0 6891,7 27566,7 6891,7 0 0 0 0 6891,7 27566,7 6891,7 [ 0 0 0 0 6891,7 3783,3] - Ma trận độ cứng: 10400 −10400 0 0 0 0 −10400 20800 −10400 0 0 0 [𝐾] = 0 −10400 20800 −10400 0 0 ∗ 𝐴 0 0 −10400 20800 −10400 0 0 0 0 −10400 20800 −10400 [ 0 0 0 0 −10400 10400 ] - Tính ma trận phụ tải nhiệt ta có phương trình: ∗ 𝑝 13783,3 6891,7 0 0 0 0 𝑇1 6891,7 27566,7 6891,7 0 0 0 𝑇2 0 6891,7 27566,7 6891,7 0 0 𝑇 ∗ 𝐴∗ 3 + 0 0 6891,7 27566,7 6891,7 0 𝑇4 0 0 0 6891,7 27566,7 7325 𝑇5 [ 0 0 0 0 6891,7 28433,3] { 𝑇6 } ( ⬚
8 3,5 𝑝+1 Thông qua việc giải phương trình ma trận 7 (2.7) ta xác định được các bộ nghiệm (T1, T2, T3, T4, + 30 7 2.7 7 T5) với điều kiện về nhiệt độ phù hợp, đây là cơ sở 7 {3,5} cho việc xác định các thông số kỹ thuật của máy ở ) chương 3. 2.4. Mô hình tính toán ngọn lửa trong khoang cháy 2.4.2. Tính toán chiều dài ngọn lửa khí cháy Chiều dài ngọn lửa khuếch tán hỗn lưu thuần túy được xác định căn cứ vào phân bố nồng độ của nhiên liệu và oxy trong dòng phun như sau, [43]: 𝐿 𝑓 + 𝑎 1 + 2. 𝑆𝑐 𝑡 ̃ 0 𝑢 𝜌𝑜 = .( ). 𝑑 32. 𝑍̃ 𝑠𝑡 𝑣0 𝜌∞ . 𝐶 Trong đó: Lf là chiều dài ngọn lửa, cm; a là chiều dài ống phun, cm; d là đường kính ống phun, cm; ̃ 𝑧 giá trị trung bình của vận tốc khí cháy, cm/s; ̃ 𝑠𝑡 tọa độ 𝑢 𝑍 điểm cuối của ngọn lửa, cm; 𝜌 𝑜 tỷ trọng của hỗn hợp khí cháy tại mặt ống phun, kg/cm3; 𝜌∞ là tỷ trọng của khí cháy tại nơi xa nhất của khoang cháy, kg/cm 3. Với u0/ν0 = 70 và Sct = 0,72; Giá trị hằng số C = (ρ0 ρst)1/2/ρ∞ 𝐿 𝑓 +𝑎 5,3 𝜌𝑜 5,3 𝜌𝑜 Khi đó ta có: = √𝜌 suy ra: 𝐿 𝑓 = ( √𝜌 )∗ 𝑑− 𝑎 𝑑 𝑍 𝑠𝑡 ∞ 𝑍 𝑠𝑡 ∞ Từ đó ta có: Lf = 0,235* Q2/5 – 1,02. d với d là đường kính ống phun khí, cm; Q là nhiệt lượng của ngọn lửa, kW Vận tốc dòng khí tại của ống phun xác định theo [52]: 𝑄𝑜 u0 = 𝜌0.𝜋𝑑2 , theo [52], chiều dài ngọn ngọn lửa được xác định theo áp suất khí ⁄4 cháy như sau: Lf = α* P-2/3, với α hệ số ảnh hưởng của áp suất khí cháy; P áp xuất khí cháy, kg/cm2. Nhiệt độ và vận tốc ngọn lửa khí cháy được xác định: 19,6∗Q2/3 T-T∞ = ứng với cấu trục ngọn lửa r/H ≤ 0,18 (2.8) H5/3 Q 5,38∗( r )5/3 T-T∞ = ứng với cấu trục ngọn lửa r/H > 0,18 (2.9) H Q 1/3 u= 0,96*( ) ứng cấu trúc ngọn lửa r/H ≤ 0,15 (2.10) H 1 1 0,195∗𝑄3 ∗𝐻 2 u= ứng với cấu trục ngọn lửa r/H > 0,15 (2.11) 𝑟 5/6 Trong đó: T nhiệt độ tại trung tâm ngọn lửa, 0C; T∞ là nhiệt độ tại vị trí xa nhất vùng không gian cháy, 0C; Q nhiệt lượng cung cấp từ ngọn lửa, kW;
9 H khoảng cách va đập của ngọn lửa, cm; r bán kính khuếch tán của ngọn lửa, cm; u vận tốc của ngọn lửa, cm. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề cụ thể sau: 1. Truyền nhiệt bức xạ và đối lưu từ tấm gia nhiệt xuống mặt đường theo định luật Stefan Boltzomann và định luật Newton - Richman được xác định theo phương trình (2.5). 2. Truyền nhiệt giữa các lớp BTN, sử dụng phương pháp PTHH để viết phương trình truyền nhiệt với các nội dung:1. Rời rạc hóa miền không gian truyền nhiệt và thời gian truyền nhiệt, xây dựng được phương trình truyền nhiệt dạng ma trận (T1 ÷ T5); 2. Sử dụng chương trình giải thuật toán ma trận để giải các bộ nghiệm, từ đó xây dựng được quan hệ giữa nhiệt độ tấm gia nhiệt và nhiệt độ ở các lớp mặt đường ứng với các khoảng thời gian đốt nóng tại các thời điểm P= 1÷15. 3. Khảo sát sự phụ thuộc giữa nhiệt độ của lớp BTN và nhiệt độ tấm gia nhiệt Tm. Từ đó có thể xác định được vùng nhiệt độ phù hợp với quá trình đốt nóng BTN ứng với giá trị Tm, phù hợp, đây là cơ sở cho việc xác định các thông số kỹ thuật của máy ở chương 3. 4. Thông qua nghiên cứu lý thuyết cháy của ngọn lửa xác định được các phương trình mô tả sự phụ thuộc của chiều dài ngọn lửa theo áp suất cháy P, lưu lượng dòng khí 𝑚̇ 𝐹 và nhiệt độ của ngọn lửa khí cháy bằng các phương trình (2.43), (2.44), (2.45), (2.46) đây là cơ sở cho việc xác định các thông số kết cấu của khoáng cháy để ngọn lửa đốt tấm gốm đạt nhiệt độ T m, 0C. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG THÔNG QUA NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT VÀ LÝ THUYẾT CHÁY 3.1. Xác định kích thước tấm gia nhiệt Cơ sở để xác định kích thước tấm gia nhiệt được xác định thông qua đối tượng đốt nóng đó là diện tích hư hỏng của mặt đường. Kính thước tấm gia nhiệt phải đảm bảo có thể bao trùm tối đa các vết nứt hư hỏng phổ biến nhất. Đồng thời có tính linh động có thể lắp ghép khi sửa chữa các hư hỏng có kích thước lớn. Các kích thước hư hỏng được khảo sát như sau:
10 Bảng 3.1 Các kích thước hư hỏng của mặt đường TT Hư hỏng Kích thước Tấm gia nhiệt 1 Vùng nứt đa giác 0,5 ÷ 1 m 2 0,6÷ 1,2 m2 2 Vết nứt dọc 0,75 ÷ 1,25 m 1÷2m 3 Vết nứt ngang 0,45 ÷ 1 m 0,6÷ 1,2 m Từ giá trị kích thước trong bảng 3.1 xác định tấm gia nhiệt có kích thước: L x B = 1 x 0,6 (mét) là phù hợp. 3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ của tấm gia nhiệt và thời gian truyền nhiệt Với yêu cầu về nhiệt độ các lớp BTN cần được đốt nóng xác định từ chương 1, mục (1.3) là 104 oC ÷ 177 oC đạt được với độ sâu truyền nhiệt cần thiết là 5 cm Khảo sát quá trình truyền nhiệt (2.6) với bước thời gian gia nhiệt Δτ = 30 s, chạy kết quả nhiệt lượng và nhiệt độ tấm đốt nóng theo thời gian gia nhiệt bằng chương trình. Ta có, giá trị của q được thể hiện trên đồ thị hình 3.1 như sau: Hình 3.1. Đồ thị mô tả giá trị dòng nhiệt bức xạ Nhiệt độ lớp BTN đốt nóng cần đạt được 104 oC ÷ 177 oC. Nên khoảng giá trị nhiệt lượng được xét trong đồ thị 3.1 trong vùng nhiệt độ T1 ≤ 177 oC và T5 ≥ 104 oC. - Xác định khoảng nhiệt của lớp BTN bề mặt T1, oC Từ bảng giá trị nhiệt độ tại các thời điểm và các nút ứng với các độ sâu khác nhau, thay giá trị nhiệt lượng q ta tính được giá trị nhiệt độ ứng với các thời điểm truyền nhiệt khác nhau. nhiệt độ T 1 được mô tả theo hình 3.2.
11 Hình 3.2. Nhiệt độ bề mặt và dòng nhiệt bức xạ theo thời gian gia nhiệt Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.2 ta thấy bắt đầu từ thời gian gia nhiệt P=3 (t = 3*30 = 90 s) với dòng nhiệt bức xạ tại bề mặt 4738 W/m2; đến thời điểm P14 (t = 12*30 = 420 s) = 7 phút, lúc này nhiệt độ bề mặt của mặt đường từ 104,3 oC đến 175,2 oC đây là khoảng nhiệt độ thỏa mãn khoảng nhiệt độ cho phép của quá trình đốt nóng BTN. - Xác định khoảng nhiệt của lớp BTN dưới cùng T 5, oC Nhiệt độ mặt đường BTN, oC Hình 3.3. Nhiệt độ lớp BTN dưới cùng và dòng nhiệt bức xạ theo thời gian Nhận xét: Từ đồ thị hình 3.3 ta thấy bắt đầu từ thời gian gia nhiệt P=9 (t = 9*30 = 4,5 phút) nhiệt lượng 39176 W/m2 đến thời điểm P15 (t = 15*30 = 7,5) phút, nhiệt lượng 51827 W/m2 Thời điểm này nhiệt độ bề mặt của mặt đường từ 106,8 oC đến 113,6 oC đây là khoảng nhiệt độ thỏa mãn khoảng nhiệt
12 độ cho phép của quá trình đốt nóng BTN. Từ hình 3.3 và 3.4 ta xác định được thời gian đốt nóng là 4,5÷7 phút tương ứng với nhiệt lượng của tấm gia nhiệt là 39176 ÷ 50904 (W/m2) tại nhiệt độ Tm = 600 ÷800 oC. 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt lượng và khoảng cách truyền nhiệt của máy 0,208 64.3 Theo (2.12) ta có: q = 4,93.10-8. T4m + . Tm + + 443.65 (W/m2) 𝑎 𝑎 Thay giá trị về mật độ dòng nhiệt ứng với thời gian đốt nóng là 4,5÷7 phút bảng giá trị mật độ dòng nhiệt theo nhiệt độ tấm đốt và khoảng cách: Bảng 3.2. Giá trị mật độ dòng nhiệt theo nhiệt độ tấm đốt và khoảng cách TT t, (s) T1 oC Giá trị mật độ dòng nhiệt theo Tm, a 0,208 64.3 39176≤4,93.10-8. T4m + . Tm + + 443.65 1 270÷420 165,5 𝑎 𝑎 ≤50904 (*) Như vậy giá trị Tm và a phải thỏa mãn điều kiện (*). Nhiệt độ gia nhiệt của máy thay đổi từ Tm = 600÷800 oC tương đương 873 ÷1073 K. Xây dựng đồ thị để khảo sát giá trị khoảng cách a, để thỏa mãn giá trị dòng nhiệt từ bảng 3.2. Đồ thị hình 3.4 mô tả mối quan hệ giữa khoảng cách truyền nhiệt a, cm; Nhiệt độ đốt nóng của máy Tm, oC; và mật độ dòng nhiệt q, W/m2. a) Mật độ dòng nhiệt b) Nhiệt độ của máy đốt nóng mặt đường Hình 3.4. Dòng nhiệt của MĐN theo khoảng cách truyền nhiệt và nhiệt độ Dựa trên số liệu tính theo phương trình dòng nhiệt (bảng 3.2), với khoảng giá trị nhiệt độ Tm = 600 ÷800 oC yêu cầu nhiệt lượng của tấm gia nhiệt là 39176 ÷ 50904 (W/m2) tại. Xét giá trị a = 2 cm = 0,02 m, ứng với T m min = 600 oC, thời gian đốt nóng 5 phút thì nhiệt lượng cung cấp q = 58562, W/m 2 ≥ 50904, W/m2, a = 5 cm = 0,05 m ứng với Tm max = 800 oC nhiệt lượng cung cấp
13 32856, W/m2 ≤ 39176, W/m2. Do vậy, cần khảo sát khoảng giá trị khoảng cách truyền nhiệt a là 2÷5 cm. Giá trị nhiệt lượng của tấm gia nhiệt được xác định qua mối quan hệ giữa khoảng cách truyền nhiệt và nhiệt độ của MĐN. Ta thấy giá trị truyền nhiệt được khảo sát phụ thuộc vào khoảng cách truyền nhiệt ứng với nhiệt độ của tấm gia nhiệt từ 600÷800 oC thì khoảng cách a = 4÷4,5 cm sẽ đạt được giá trị nhiệt lượng theo yêu cầu từ 42449÷47830 W/m2, Lượng nhiệt sinh ra thực tế của máy: qtt = qlt.; với hiệu suất  = 77,5%, nên qtt =54773 ÷ 61716 (W/m2). Giá trị của nhiệt độ theo chiều sâu mặt đường được mô tả trong hình 3.5 Hình 3.5. Đồ thị phân bố nhiệt độ theo chiều sâu ứng với các nhiệt độ ban đầu của thiết bị Tm = 800 oC; Tm= 700 oC; Tm= 650 oC; Tm= 600 oC Nhận xét: Từ giá trị trên đồ thì hình 3.5 ta thấy rằng: Khi gia nhiệt tấm gia nhiệt đạt nhiệt độ Tm = 600 oC và Tm = 650 oC khoảng nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu 12 mm đến 50 mm có nhiệt độ dưới 100 0C. Gia nhiệt với nhiệt độ tấm gia nhiệt Tm = 800 oC khi đó trên lớp bề mặt sẽ có hiện tượng quá nhiệt >177 0C. Với khi gia nhiệt ban đầu của tấm gia nhiệt Tm = 700 oC, thời gian đốt nóng 7 phút, khoảng cách truyền nhiệt a = 4÷4,5 cm thì khoảng nhiệt của các lớp BTN theo chiều sâu đạt giá trị: T1 = 177 oC , T5 = 104 oC. 3.4. Mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa - Mô hình hình truyền nhiệt được xác định thông qua phần mềm Ansys Kết quả sự phân bố các vùng nhiệt độ của mô hình mặt đường được thể hiện trên hình 3.6.
14 Hình 3.6. Kết quả mô phỏng nhiệt độ mặt đường Kết quả nhiệt độ trong lớp BTN mịn (dày 5 cm): lớp bề mặt có nhiệt lớn nhất: T1 = 175.30 o C; lớp dưới (sâu 5 cm) có nhiệt độ T5 =105.96 o C. Như vậy, kết quả mô phỏng bằng phần mềm cho thấy nhiệt độ tấm gia nhiệt Tm = 700 0C là phù hợp, điều này cũng thỏa mãn với kết quả khảo sát bằng mô hình toán lý thuyết truyền nhiệt. 3.5. Xác định các thông số kết cấu khoang cháy của máy đốt nóng Để xác định chính xác các thông số nhiệt của ngọn lửa và đánh giá độ tin cậy của việc tính toán lý thuyết các thông số của ngọn lửa, luận án đã mô phỏng thông số của ngọn lửa bằng phần mềm mô tả trên hình 3.7. Hình 3.7. Tốc độ dòng khí cháy và nhiệt độ của ngọn lửa. Ứng với nhiệt độ ttt = 1006 oC ÷ 1058 oC tại vận tốc khí cháy, υ = 7,8 ÷8 m/s, chiều dài tự do của ngọn lửa là Lf0 = 300 ÷ 320 mm. Giá trị áp suất khí cháy và nhiệt độ ngọn lửa được thể hiện trên hình 3.8.
15 Hình 3.8. Mô phỏng áp suất và nhiệt độ ngọn lửa qua tấm gốm nhiệt Với Lf = 0,23. Q2/5 – 1,02. d (m), với Q là nhiệt lượng tỏa ra của ngọn lửa kW; d là đường kính đầu phun, m; với Q = 161,259 kW, từ đó xác định d = (0,23.161,2592/5 – 0,053)/1,02= 0,03 m = 30 (mm). Chiều dài ngọn lửa Lf = 53 mm ứng với áp suất đầu phun P0 = 50 ÷ 55 N/m2, áp suất dòng khí tại đầu phun nhiên liệu: Pnl = ΔPG + P0, với P0 là áp suất khí cần thiết để tạo ra chiều dài ngọn lửa theo yêu cầu ta có Pnl = 114 ÷ 120 (N/m2). KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Nội dung chương 3 của luận án đã giải quyết được các vấn đề sau: 1. Xác định được tấm gia nhiệt có kích thước B x L = 0,6 x 1 mét. Căn cứ vào điều kiện yêu cầu nhiệt độ cần đạt được của mặt đường để xác định quy luật phân bố nhiệt độ phù hợp. Xác định nhiệt độ bề mặt lớp BTN đạt được T1 = 104,3 oC đến 175,2 oC trong thời gian đốt nóng từ t = 1,5-7 phút, nhiệt độ ở lớp dưới BTN đạt được T5 = 105,4 oC đến 170,7 oC với thời gian đốt nóng từ t = 6 ÷ 7,5 phút. Từ đó xác định được thời gian đốt nóng là 7 phút tương ứng với nhiệt lượng của tấm gia nhiệt là 61716 (W/m2) tại nhiệt độ Tm = 700 oC. 2. Đánh giá được sự ảnh hưởng của nhiệt lượng tấm gia nhiệt và khoảng cách truyền nhiệt đến sự hình thành nhiệt của các lớp BTN mặt đường. Giá trị truyền nhiệt được khảo sát phụ thuộc vào khoảng cách truyền nhiệt, với nhiệt độ của tấm gia nhiệt từ 700 oC thì khoảng cách truyền nhiệt a = 4÷4,5 cm đạt được giá trị nhiệt lượng sinh ra thực tế của máy là q tt = 54773÷61716 (W/m2). 3. Xác định được chiều dày của tấm gốm δg = 12 mm, chiều cao khoang cháy hc = 40 mm, đường kính ống phun khí nhiên liệu d = 30 mm, ứng với vận tốc dòng khí trong lỗ gốm là wg = 0,183 m/s.
16 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG. 4.1. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật của máy Trong quá trình tính toán lý thuyết khoảng giá trị các thông số chịu ảnh hưởng của các điều kiện biên đã được giả thiết nên cần tiến hành thực nghiệm để đánh giá độ chính xác và tin cậy của các giá trị tính toán. Mặt khác, một số thông số liên quan đến hiệu quả sử dụng máy như: Mức tiêu hao nhiên phải được xác định bằng thực nghiệm. - Quy trình thực nghiệm được tiến hành theo sơ đồ 4.1 Hình 4.1. Quy trình thực nghiệm máy đốt nóng mặt đường 1. Thực nghiệm gia nhiệt liên tục Khi gia nhiệt liên tục 350 giây (≈6 phút) thực hiện 3 lần đều cho kết quả: lớp BTN trên cùng sẽ có nhiệt độ cao hơn 230 oC và nhận thấy lớp BTN bắt đầu bắt cháy (khói đen đã tỏa ra dưới máy gia nhiệt và có mùi khét khi BTN
17 cháy) trong khi đó nhiệt độ lớp BTN phía dưới mới đạt ≈40oC. 2. Gia nhiệt gián đoạn Gia nhiệt gián đoạn, nghĩa là thực hiện xen kẽ vừa gia nhiệt và tạm dừng gia nhiệt (gián đoạn), [48] để nhiệt độ có thời gian truyền trong các lớp BTN. Khi đó quá trình truyền nhiệt trong các lớp BTN vẫn diễn ra liên tục, tuân theo lý thuyết truyền nhiệt không ổn định từ máy đốt nóng xuống mặt đường. Quá trình thực nghiệm lặp lại 3 lần, kết quả nhiệt độ được đo đạc bằng phần trên máy tính giá trị nhiệt độ được thể hiện trên hình 4.2 Hình 4.2. Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 600 oC Khi tạm dừng gia nhiệt lớp bề mặt quá trình truyền nhiệt giữa các lớp BTN phía dưới vẫn diễn ra (nhiệt độ T2, T3, T4, T5 vẫn tăng lên), trong khi đó khống chế được nhiệt độ T1 không tăng lên quá nhiệt độ cho phép là 177 oC. Vì vậy quá trình thực nghiệm của luận án áp dụng chế độ gia nhiệt gián đoạn, có thể đáp ứng được yêu cầu về trường nhiệt độ của các lớp BTN mặt đường. Tiếp tục thực nghiệm với sự thay đổi của thông số nhiệt độ tấm đốt Tm oC, Khoảng cách truyền nhiệt a (cm), tốc độ gió của môi trường v (m/s). Kết quả thực nghiệm cho thấy khoảng biến thiên nhiệt độ tấm gia nhiệt có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt độ mặt đường và mức tiêu thụ nhiên liệu. 4.2. Xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bằng quy hoạch thực nghiệm 4.2.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu Qua thực nghiệm đơn yếu tố và áp dụng lý thuyết quy hoạch đa mục
18 tiêu [3], ta thấy các biến mã hóa X1, X2, X3 (cho T, v, a) đồng thời ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật quá trình sấy. Để giải quyết nội dung trên ta thực hiện giải bài toán “hộp đen”. Bài toán được biểu diễn trên hình 4.3 MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG Hình 4.3. Sơ đồ mô hình bài toán hộp đen *) Các thông số đầu vào: Z1- Nhiệt độ tấm gia nhiệt Tm (oC), biến mã hóa X1; Z2- Vận tốc gió môi trường v (m/s), biến mã hóa X2; Z3- Khoảng cách truyền nhiệt a (mm), biến mã hóa X3 *) Các hàm mục tiêu: Y1- Nhiệt độ bề mặt BTN,T1 (oC); Y2- Nhiệt độ lớp đáy, T5 (oC); Y3- Thời gian đốt nóng (giây); Y4- Mức tiêu thụ nhiên liệu (kg/h). - Xây dựng ma trận thí nghiệm trực giao tâm xoay Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 để xây dựng bảng ma trận thí nghiệm nhằm xác định giá trị tối ưu của các thông số công nghệ trong quá trình đốt nóng mặt đường. Ta có số thí nghiệm cần tiến hành: N =2k + 2k + n0 = 23+2.3+3 = 17 thí nghiệm; Các biến X1, X2, X3 được mã hóa từ các biến thực Z1, Z2, Z3: Kết quả thực nghiệm được mô tả qua phần mềm Minitab 21 có giá trị mã hóa và giá trị hàm mục tiêu (kết quả thực nghiệm) được mô tả trong bảng 4.1 như sau: Bảng 4.1. Ma trận thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ở dạng mã hóa Số thí Giá trị biến thực Giá trị biến mã hóa Giá trị hàm mục tiêu nghiệm, N Z1 Z2 Z3 X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 Y4 1 600 2 30 -1 -1 -1 166.9 102.2 715 2.97 2 800 6 30 1 1 -1 173.3 106.9 658 3.51 2k 3 800 2 50 1 -1 1 165.8 102.0 725 3.07 4 600 6 50 -1 1 1 170.8 104.4 645 3.59 5 700 4 40 0 0 0 166.2 102.1 765 3.13