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

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