Nghiên cứu, chế tạo máy lạnh Mini cho tên lửa phòng không tầm thấp

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÁY LẠNH MINI CHO<br /> TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP<br /> Vũ Quốc Toản, Bùi Xuân Chiến, Phạm Vĩnh Thiện<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả quá trình nghiên cứu,<br /> chế tạo và thử nghiệm máy lạnh mini theo nguyên mẫu trong TLPKTT được Nhóm<br /> nghiên cứu của Viện Công nghệ/TCCNQP chế tạo. Kết quả thử nghiệm đo được<br /> lưu lượng ni tơ lỏng tạo ra từ máy lạnh mini tự chế tạo đạt và vượt chỉ tiêu kỹ thuật<br /> yêu cầu.<br /> Từ khóa: Hiệu ứng Joul-Thompson, Máy lạnh mini.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Tổ hợp TLPKTT vác vai được các nước trên thế giới bắt đầu nghiên cứu chế tạo<br /> từ năm 1960. Năm 1972 bắt đầu có nghiên cứu, cải tiến. Trên các tổ hợp TLPKTT<br /> có trang bị đầu tự dẫn sử dụng quang trở được làm lạnh sâu tới – 196oC. Bộ phận<br /> để làm lạnh quang trở ở đây là máy lạnh mini.<br /> Có nhiều kiểu loại máy lạnh mini khác nhau, chúng hoạt động dựa trên các hiệu<br /> ứng vật lý khác nhau. Máy lạnh mini trong TLPKTT hoạt động dựa theo hiệu ứng<br /> Joul-Thompson. Nguyên lý hoạt động của nó như sau: chất khí bị nén ở áp suất cao<br /> đi qua một ống dẫn tiết diện nhỏ, đi ra môi trường áp suất thấp, khí nở ra. Lúc này<br /> khoảng cách giữa các phân tử khí sẽ tăng lên làm thế năng của chất khí tăng. Nếu<br /> không có ngoại lực và nhiệt độ bên ngoài tác động vào quá trình này (hệ cô lập),<br /> tổng năng lượng của chất khí là không thay đổi. Theo định luật bảo toàn năng<br /> lượng, việc tăng thế năng dẫn đến sự giảm động năng, do đó nhiệt độ của khí giảm.<br /> Tất cả các chất khí (trừ khí H2, Ne và He) đều tuân theo định luật này.<br /> Máy lạnh mini có nguyên lý hoạt động theo hiệu ứng Joul-Thompson được<br /> Ranque phát minh đầu tiên vào năm 1933 [1], và Hilsch [2] năm 1947. Hệ thống<br /> ống tạo xoáy của Ranque và Hilsch gọi là Ranque- Hilsch Vortex Tube (RHVT).<br /> Đến năm 1955, Westley [3] thực nghiệm tối ưu hóa hình học của hệ thống xoáy<br /> RHVT. Tiếp theo vào năm 1960, Takahama xuất bản các tài liệu về hệ thống ống<br /> xoáy RHVT. Ông chỉ ra rằng ống xả của các vòi phun đạt 0,5 ~ 1 mm và cấu tạo<br /> hình học của hệ thống ống xoáy RHVT có mối quan hệ tới công suất làm lạnh.<br /> Năm 1961, Paruleker [4] thiết kế một ống xoáy ngắn hình nón. Ông thấy rằng<br /> kết cấu của bề mặt bên trong của ống có ảnh hưởng đến hiệu suất làm lạnh. Ông<br /> cho rằng thiết kế của buồng xoáy và các vòi phun đầu vào là rất quan trọng, ông<br /> nói các vòi phun đầu vào nên có một hình dạng xoắn ốc Archimedean và mặt cắt<br /> ngang của nó phải được khía rãnh. Ông phát hiện ra rằng các ống xoáy với một góc<br /> hình nón khoảng 2 - 3 độ có hiệu suất lớn hơn các ống xoáy hình trụ cỡ 20% ~<br /> 25% về hiệu suất làm lạnh. Vào năm 1968, Borisenko [5] cho thấy góc nón tối ưu<br /> cho ống xoáy hình nón là 3 độ.<br /> Năm 1996, Piralishvili và Polyaev [6] giới thiệu một loại mới của ống xoáy:<br /> Mạch đôi ống xoáy, với một ống hình nón để cải thiện hiệu suất (xem hình 1). Ở<br /> cửa nóng, trong trung tâm của các van điều khiển, có một lỗ cho phép phản hồi khí<br /> về ống xoáy. Khí phản hồi có cùng nhiệt độ như khí đầu vào nhưng với áp suất<br /> <br /> <br /> <br /> 332 V.Q.Toản, B.X. Chiến,…,“Nghiên cứu, chế tạo máy lạnh… phòng không tầm thấp.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> thấp. Với thiết kế này, công suất làm mát của hệ thống tăng và hiệu quả hoạt động<br /> của ống xoáy được cải thiện.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Máy lạnh ống xoáy hình nón.<br /> Hình 2 mô tả phương pháp làm lạnh quang trở bằng phương pháp sử dụng hiệu<br /> ứng Joule – Thomson. Khí với áp suất cao được đưa vào máy lạnh từ bình nén khí<br /> thông qua ống nối (5) đi qua lọc vào ống xoắy (1) được quấn trên lõi (2) sau khi ra<br /> khỏi lỗ hẹp (van của ống) khí sau khi giãn nở và nhiệt độ giảm, đế của quang trở<br /> được làm lạnh [7].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Máy lạnh mini làm lạnh đế quang trở sử dụng hiệu ứng Joule – Thomson.<br /> 1 - Ống xoáy; 2 - Lõi; 3 - Bình chứa; 4 - Đế quang trở; 5 – Ống nối<br /> <br /> Máy lạnh mini trong đầu tự dẫn TLPKTT hoạt động theo hiệu ứng Joule –<br /> Thomson. Thiết kế của máy lạnh mini trong TLPKTT thế hệ mới hiện nay đã kết<br /> hợp được những ưu việt của các phát minh trước đó. Với mẫu máy lạnh này đã<br /> được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu, chế tạo và sử dụng trong TLPKTT.<br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Khảo sát mẫu<br /> 2.1.1. Giải mã kết cấu của máy lạnh mini<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ cấu tạo máy lạnh mini.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 333<br />  Cơ h<br /> học<br /> ọc & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> Nhóm nghiên ccứu ứu tiến hhành<br /> ành khảo<br /> khảo sát các mẫu máy lạnh tr trên<br /> ên TLPKTT và chia<br /> máy llạnh<br /> ạnh mini th thành<br /> ành các bbộ ộ phận sau: 1 – Đế;Đế; 2 – Thân; 3 – Lõi;<br /> Lõi; 4 – Ống dây tọa<br /> xoáy<br /> xoáy;; 5 – Chóp;<br /> Chóp; 6 – Ống dây đầu ra ra;; 7 – Vít; 8-<br /> 8- Trục<br /> Trục cố định; 9 – Khối<br /> Khối lọc nit<br /> nitơ<br /> 2.1.2. Khảo<br /> Khảo sát vật liệu chế tạo các chi tiết<br /> Khảo sát thành<br /> Khảo thành phphầnần vật liệu các chi ti tiết<br /> ết bằng các thiết bị hiện đại đáng tin cậy<br /> và đo lường<br /> lường kích thưthướcớc các chi tiết của máy lạnh mini trong đđầu ầu tự dẫn ttrên<br /> rên<br /> TLPKTT.<br /> TLPKTT Kết ết quả khảo sát vật liệu nh nhưư sau:<br /> - Các ống dây: ống dây truyền, ống dây có gân, ống dây tr trơn,<br /> ơn, ống dây đđầu<br /> ầu ra<br /> ra,,<br /> vòi phun được<br /> được llàm<br /> àm ttừừ vật liệu Cu<br /> Cu-Ni.<br /> Ni.<br /> - Các chi titiết:<br /> ết: thân, đế, chóp của máy lạnh lạnh mini đđược<br /> ợc llàm<br /> àm từ<br /> từ vật liệu SUS<br /> 316.<br /> - Lõi qu<br /> quấn<br /> ấn dây llàmàm ttừ<br /> ừ vật liệu vật liệu nhựa<br /> nhựa ép АGG-44V..<br /> - Khối<br /> Khối lọc nit<br /> nitơ<br /> ơ đư<br /> được<br /> ợc llàm<br /> àm từ<br /> từ vật liệu hợp kim xốp S316L.<br /> 2.2. Thiết<br /> Thiết kế v<br /> vàà ch<br /> chếế tạo<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Cấu<br /> ấu tạo cụm đế máy lạnh mini<br /> mini. Hình 5. Chóp ccủa<br /> ủa máy lạnh mini<br /> mini.<br /> Từừ các số liệu kích th ớc đo đạc vvàà kh<br /> thước khảo<br /> ảo sát trên<br /> trên mmẫu,<br /> ẫu, tiến hhành<br /> ành d<br /> dựng<br /> ựng bản vẽ,<br /> xây ddựng<br /> ựng quy trtrình<br /> ình công ngh<br /> nghệệ và<br /> và ch<br /> chếế tạo các chi tiết. Hình 4 ccụmụm đế<br /> đế máy lạnh mini<br /> gồm:<br /> ồm: 1-- Đế;<br /> ế; 2-<br /> 2 Kh<br /> Khối ối lọc khí; 33- Cọc<br /> Cọc định vị vị..<br /> Lõi máy llạnh<br /> ạnh mini ((xemem hình 3) được<br /> được llàm<br /> àm từtừ vật liệu А<br /> АG--4V,<br /> 4V, được<br /> được chế tạo bằng<br /> cách ép nóng chchảy.<br /> ảy. Sau khi ép, lõi đưđượcợc llàm<br /> àm sạch<br /> sạch bavia, khoan lỗ Ø2 và Ø0,7 theo<br /> bản<br /> ản vẽ, sau đó đđược ợc lắp vvào<br /> ào cọc<br /> cọc định vị của cụm đế. Hệ 4 ống dây đđư ợc hàn<br /> ược hàn vvới<br /> ới<br /> cụm<br /> ụm đế vvàà quấn<br /> quấn trên<br /> trên lõi và nnối<br /> ối với ống đây đầu ra. To Toàn<br /> àn bbộ<br /> ộ hệ thống ống dây tạo<br /> xoáy và ccụm<br /> ụm đế đư được<br /> ợc lắp với thân, rồ rồii đư<br /> được<br /> ợc hàn<br /> hàn với<br /> với chóp (Hình 5)) và vòi phun<br /> hình thành máy llạnh<br /> ạnh mini ho hoàn<br /> àn chỉnh<br /> chỉnh (Xem hhình ình 7).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Thân máy llạnh<br /> ạnh mini<br /> mini. Hình 7. Máy llạnh<br /> ạnh mini đồng bộ<br /> bộ.<br /> <br /> <br /> <br /> 334 V.Q.To<br /> V.Q.Toản,<br /> ản, B.X. Chiến<br /> Chiến,,…,<br /> …,“Nghiên<br /> Nghiên ccứu,<br /> ứu, chế tạo máy lạnh<br /> lạnh…… phòng không ttầm thấp.””<br /> ầm thấp<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.3. Thử nghiệm<br /> 2.3.1. Quá trình thử nghiệm<br /> Thử nghiệm đo lưu lượng ni tơ lỏng do máy lạnh mini được thực hiện trên thiết<br /> bị A-3518.00.000 tại xí nghiệp 23/Z199/TCCNQP. Điều kiện môi trường thử<br /> nghiệm: Điều kiện khí hậu bình thường trong phòng đặt thiết bị thử nghiệm tại<br /> phân xưởng A4/Xí nghiệp 23. Nhiệt độ không khí từ +15oC đến + 35oC; Độ ẩm<br /> tương đối của không khí từ 45% đến 80%; Áp suất khí quyển: (8,4 ÷10,7).104 Pa<br /> [(630÷800) mmHg].<br /> Nội dung thử nghiệm dùng để xác định lượng ni tơ pha lỏng tạo ra bởi máy lạnh<br /> mini từ bình chứa V=350cm3, áp suất 35MPa ở 2 chế độ: Sau thời gian vận hành<br /> 6s, ở nhiệt độ T = (503)С cần đạt được lượng ni tơ lỏng ≥15ml. Sau thời gian<br /> vận hành từ 25-30s, ở nhiệt độ T = (205)С cần đạt được lượng ni tơ lỏng ≥18ml.<br /> Các máy lạnh mini trước khi thử nghiệm cần phải sấy ở nhiệt độ 50С, và thổi<br /> sạch khí, thời gian thổi 30 phút, áp suất thổi theo áp kế cần phải đạt nhỏ hơn hoặc<br /> bằng 1MPa. Khi cần thiết, áp suất cần thiết có thể được điều chỉnh bằng van trên<br /> thiết bị.<br /> 2.3.2. Kết quả thử nghiệm<br /> Từ các mẫu máy lạnh mini đã được lắp ráp đồng bộ, thử nghiệm tĩnh và thử<br /> nghiệm theo điều kiện kỹ thuật trên thiết bị A-3518.00.000 tại xí nghiệp 23, Z199.<br /> Kết quả nghiên cứu chế tạo, thử nghiệm ban đầu được 50% sản phẩm đạt yêu kỹ<br /> thuật. Kết quả đo lưu lượng ni tơ thu được của một số mẫu trên bảng 1.<br /> Bảng 1. Lưu lượng ni tơ lỏng đo được trên một số mẫu máy lạnh mini<br /> Lưu lượng, ml<br /> STT Ký hiệu mẫu Chế độ 30s Chế độ 6s Ghi chú<br /> Yêu cầu Kết quả Yêu cầu Kết quả<br /> 1 CH-VCN-16 0,23 0,19 Đạt<br /> 2 CH-VCN-07 ≥0,18 0,23 ≥0,15 0,21 Đạt<br /> 3 CH-VCN-29 0,23 0,23 Đạt<br /> <br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Với điều kiện hiện có tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ -<br /> Tổng cục Công nghiệp quốc phòng đã chế tạo thử nghiệm được một số mẫu máy<br /> lạnh mini cho TLPKTT và tiến hành thử nghiệm tĩnh và đo lưu lượng ni tơ lỏng do<br /> các mẫu tạo ra theo điều kiện kỹ thuật đã được xây dựng. Kết quả thử nghiệm đo<br /> được lưu lượng ni tơ lỏng tạo ra đạt và vượt chỉ tiêu TU so với sản phẩm tương tự<br /> do Nga chế tạo.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. J.E. Lay, “An experimental and analytical study of vortex-flow temperature<br /> separation by superposition of spiral and axial flow”, part II. Trans. ASME J.<br /> Heat Transfer, 81:213– 222, Aug. 1959.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 335<br />  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> [2]. H. Takahama and H. Yokosawa, “Energy separation in vortex tubes with a<br /> divergent chamber”, Trans. ASME, J. Heat Transfer, 103:196–203, May<br /> 1981.<br /> [3]. Y.D. Raiskii and L.E. Tunkel, “Influence of vortex-tube configuration and<br /> length on the process of energetic gas separation”, Journal of Engineering<br /> Physics and Thermophysics, 27(6):1578 – 1581, December 1974.<br /> [4]. P.K. Singh, R.G. Tathgir, D. Gangacharyulu, and G.S. Grewal, “An<br /> experimental performance evaluation of vortex tube”, Journal of Institution of<br /> Engineers (India), 84:149–153, Jan. 2004.<br /> [5]. M. Kurosaka, “Acoustic streaming in swirling flow and the Ranque-Hilsch<br /> (vortex-tube) effect”, J. Fluid Mech., 124:139–172, 1982.<br /> [6]. A. Gutsol, “The Ranque effect”, Physics-Uspeki, 40(6):639–658, 1997.<br /> [7]. Е. И. Антонов, В. Е. Ильин, Е. А. Коленко, Ю.В. Петровский, А. И.<br /> Смирнов. Устройства для охлаждения приемников излучения. Изд.<br /> «Машиностроение». Ленинград. 1969.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> THE STUDY, MANUFACTURE MINIATURE COOLER FOR MAN –<br /> PORTABLE AIR DEFENSE MISSILE<br /> <br /> This paper we presents the results of research, manufacturing, and test<br /> miniature coolers made in institute of technology of the department<br /> of national defense industry. Test results measured liquid nitrogen flow<br /> generated from miniature coolers reached and exceeded technical<br /> requirements.<br /> Keywords: Joule - Thompson effect, miniature cooler.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016<br /> <br /> <br /> <br /> Địa chỉ: Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng<br /> *Email bxc1@live.com;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 336 V.Q.Toản, B.X. Chiến,…,“Nghiên cứu, chế tạo máy lạnh… phòng không tầm thấp.”<br />