Nghiên cứu thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV

i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Phạm Sơn Tùng Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết k

CÁC CHI TIẾT VÀ VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN UAV

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Giảng viên hướng dẫn: TS Đinh Tấn Hưng

HÀ NỘI, 06/2020

Chữ ký của GVHD

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Phạm Sơn Tùng

Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để

kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV

- Rà soát, chỉnh sửa lại các lỗi bố cục, trình bày, ngữ pháp;

- Hiệu chỉnh tài liệu tham khảo và các trích dẫn;

- Làm rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu mô phỏng của đề tài về nhiệt độ;

- Bổ sung nội dung về hiệu suất, kiểm soát sai số trong mô phỏng và thực nghiệm;

Giáo viên hướng dẫn

Ngày tháng năm 2020

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ii

Kính gửi: Viện Cơ khí động lực

PHIẾU ĐĂNG KÝ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI

1 Họ và tên người hướng dẫn chính: Đinh Tấn Hưng Học vị Tiến Sĩ

2 Cơ quan: Viện Cơ khí Động lực

3 Họ và tên người hướng dẫn phụ (nếu có): Học vị……… Học hàm………

4 Cơ quan :

5 Email : dinhtanhung@gmail.com DĐ : (+84) 379997777

6 Nội dung :

Đề tài 1: Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng không

a Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV

b Mục tiêu chính của đề tài:

Hoàn thành thiết bị buồng lạnh chuyên dụng hiệu quả với khả năng điều chỉnh tốc độ giảm nhiệt theo thời gian phù hợp đáp ứng các yêu cầu cụ thể

c Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

- Nghiên cứu, phân tích, xây dựng nguyên lý, sơ đồ thiết kế, mô phỏng, chế tạo

và thử nghiệm buồng lạnh có sự kiểm soát tương đối về tốc độ làm lạnh

- Nghiên cứu, mô phỏng quá trình hạ nhiệt trên thành buồng lạnh trên cơ sở sự lan tỏa của chất lỏng làm lạnh

- Thử nghiệm, cải tiến, chế tạo buồng lạnh hoàn thiện và các thiết bị đo đạc, điều tiết tốc độ làm lạnh tương ứng

- Thực nghiệm, so sánh và đánh giá kết quả

Đề tài 2: Chuyên ngành:

a Tên đề tài:

b Mục tiêu chính của đề tài (các kết quả chính cần đạt được):

c Nội dung của đề tài, các vấn đề cần được giải quyết:

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Người hướng dẫn

iii

Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn giảng viên TS Đinh Tấn Hưng, các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ Đặc biệt cảm ơn một số bạn sinh viên tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện công trình Ngoài ra, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã động viên, khích lệ tôi suốt thời gian qua

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BUỒNG LẠNH CHUYÊN DỤNG ĐỂ KIỂM TRA CÁC CHI TIẾT VÀ VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRÊN UAV

Tóm tắt: Các mẫu UAV đang được tập trung nghiên cứu phát triển, các tham số

trần bay, tầm bay… đang dần được cải thiện Tuy nhiên, hiện nay các thiết bị, vật liệu dùng trong chế tạo UAV mới chỉ được thử nghiệm ở điều kiện thường, trong khi UAV hoạt động thực tế tại môi trường có nhiệt độ thấp và có sự thay đổi theo tốc độ lấy độ cao của các mẫu UAV Luận văn này tập trung nghiên cứu, phân tích, xây dựng nguyên lý, triển khai sơ đồ thiết kế, mô phỏng và chế tạo buồng lạnh có

sự kiểm soát tương đối về tốc độ làm lạnh trên cơ sở sự lan tỏa của chất lỏng làm lạnh

Từ khóa: UAV, Buồng lạnh, Nito lỏng, Nhiệt độ

RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE OF THE SPECIALIZED COLD BOX FOR THE DETAILS AND MATERIAL TESTING IN UAV Abstract: The UAV models that are being researched and developed, parameters

of flying ceiling, range are gradually being improved However, currently, the equipment and materials used in UAV manufacturing have only been tested under normal conditions, while the UAV operates in the environment with low temperatures and have changes according to the speed of gaining altitude of UAV models This dissertation focuses on research, analysis, building principles, deployment of design diagrams, cold box simulation and fabrication that have relatively controlled cooling rates based on the spread of cooling liquids

Keywords: UAV, Cold box, Liquid nitrogen, Temperature

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC KÝ HIỆU x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BUỒNG LẠNH 2

1.1 Hệ thống trang thiết bị kiểm nghiệm trên thế giới 2

1.1.1 Sơ lược về hệ thống thiết bị kiểm định và thử nghiệm 2

1.1.2 Một số thiết bị kiểm định và thử nghiệm đang được sử dụng 3

1.1.3 Một số thiết bị cung ứng tại thị trường Việt Nam 5

1.2 Buồng lạnh trong thực tế và yếu tố nhiệt độ 8

1.2.1 Một số sản phẩm buồng lạnh trên thế giới 8

1.2.2 Yếu tố nhiệt độ và nội dung nghiên cứu của luận văn 11

1.3 Cơ sở lí thuyết 14

1.3.1 Dẫn nhiệt 14

1.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 16

1.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 17

1.4 Phân tích những kết quả đã đạt được 17

1.4.1 Lựa chọn chất lỏng làm lạnh 17

1.4.2 Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên 19

1.4.3 Cải tiến cơ cấu phụ trợ van tiết lưu 20

1.4.4 Một số hướng tìm hiểu đã thực hiện 20

1.5 Định hướng mục tiêu 21

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BUỒNG LẠNH DẠNG HÌNH TRỤ 23

2.1 Sơ đồ nguyên lí 23

2.2 Thiết kế 24

v

2.2.1 Thiết kế buồng chính 25

2.2.2 Bố cục các cơ cấu phụ trợ 27

2.3 Mô phỏng 29

2.3.1 Một số tiêu chí đánh giá chất lượng lưới 29

2.3.2 Mô hình 1 ống làm lạnh 31

2.3.3 Mô hình 4 ống làm lạnh 35

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU 39

3.1 Lựa chọn vật liệu 39

3.1.1 Lựa chọn vật liệu phù hợp cho các chi tiết chính 39

3.1.2 Lựa chọn vật liệu định hình kết cấu 42

3.1.3 Tìm hiểu và lựa chọn một số vật tư phụ phục vụ gia công cách nhiệt 43

3.2 Chế tạo sản phẩm buồng lạnh 46

3.2.1 Các thành phần chính 46

3.2.1 Các cơ cấu phụ trợ 48

3.2.2 Hoàn thiện sản phẩm buồng lạnh 53

3.3 Thực nghiệm 54

3.4 Tổng hợp kết quả, so sánh đối chiếu 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thiết bị đo lực đẩy UAV [1] 2

Hình 1.2 Máy đo nhiệt độ và nhiệt Barfield TT1000A [3] 4

Hình 1.3 Thiết bị đo kiểm hệ thống chỉ thị nhiên liệu bay PSD90-1C AC/DC [5] 5

Hình 1.4 Thiết bị đo kiểm hệ thống Nav/Comm IFR 4000 [5] 6

Hình 1.5 Thiết bị đo kiểm hệ thống đo độ cao ALT-8015 [5] 7

Hình 1.6 Thiết bị đo kiểm cầm tay IFR 6000, IFR 6015 [5] 8

Hình 1.7 Kho lạnh mini bảo quản thực phẩm [6] 8

Hình 1.8 Tủ bảo quản chế phẩm y tế [7] 8

Hình 1.9 Mẫu tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8] 10

Hình 1.10 Độ cao hoạt động của một số loại máy bay [9] 11

Hình 1.11 Hình ảnh UAV bay tại độ cao 8200m [12] 13

Hình 1.12 Hiệu chỉnh và bay flycam tại độ cao hơn 3000m 13

Hình 1.13 Tham chiếu thực tế về giới hạn nhiệt độ tại Việt Nam 14

Hình 1.14 Nito lỏng [14] 17

Hình 1.15 Sản phẩm buồng lạnh phiên bản đầu [15] 19

Hình 1.16 Kết cấu buồng lạnh ban đầu [15] 19

Hình 1.17 Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng nito lỏng [16] 20

Hình 1.18 Thiết kế các gờ cản ở hai thành thùng phía tiếp xúc với nito [17] 20

Hình 1.19 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình hộp chữ nhật [18] 21

Hình 1.20 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình trụ [18] 21

Hình 1.21 Cơ cấu và cơ chế tiết lưu của van bi [19] 22

Hình 2.1 Sơ đồ khối tiến trình thực hiện 23

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí buồng lạnh 24

Hình 2.3 Hình ảnh thiết kế trong phần mềm 24

Hình 2.4 Bản vẽ chế tạo thành buồng, lớp cách nhiệt và kích thước 25

Hình 2.5 Thiết kế thành buồng 25

Hình 2.6 Thiết kế lớp cách nhiệt 25

Hình 2.7 Thiết kế ống làm lạnh 26

Hình 2.8 Bản vẽ chế tạo nắp trên dưới và kích thước 26

Hình 2.9 Thiết kế nắp trên 26

Hình 2.10 Thiết kế nắp dưới và cửa 27

Hình 2.11 Mô hình các thành phần của buồng chính 27

Hình 2.12 Đường đi của nito qua hệ thống van và ống dẫn 28

vii

Hình 2.13 Lưới không khí mô hình 1 ống và chất lượng 31

Hình 2.14 Lưới nito mô hình 1 ống và chất lượng 31

Hình 2.15 Lưới đồng mô hình 1 ống và chất lượng 32

Hình 2.16 Chất lượng lưới không khí mô hình 1 ống 32

Hình 2.17 Chất lượng lưới nito mô hình 1 ống 32

Hình 2.18 Chất lượng lưới đồng mô hình 1 ống 32

Hình 2.19 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 1 ống làm lạnh 33

Hình 2.20 Kết quả mô phỏng mô hình 1 ống 34

Hình 2.21 Lưới mô hình 4 ống và chất lượng 35

Hình 2.22 Chất lượng lưới toàn thể mô hình 4 ống 35

Hình 2.23 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 4 ống làm lạnh (mặt cắt ngang) 36

Hình 2.24 Quá trình giảm nhiệt độ mô hình 4 ống làm lạnh (mặt cắt dọc) 36

Hình 2.25 Đồ thị giảm nhiệt độ tại trung tâm buồng trường hợp van mở 1/1 36

Hình 2.26 Giảm tiết diện đường nito chảy vào 37

Hình 2.27 Kết quả mô phỏng mô hình 4 ống với các mức lưu lượng 38

Hình 3.1 Ống đồng 40

Hình 3.2 Co nối ống đồng 40

Hình 3.3 Ống mica trong suốt các kích cỡ [22] 41

Hình 3.4 Màn nhựa PVC bảo quản thực phẩm [23] 41

Hình 3.5 Van bi inox [24] 42

Hình 3.6 Xốp tráng bạc [25] 42

Hình 3.7 Keo dán gỗ xốp 45

Hình 3.8 Băng dính bạc 45

Hình 3.9 Băng tan 45

Hình 3.10 Cắt laze tấm cách nhiệt 46

Hình 3.11 Thành buồng và cửa 46

Hình 3.12 Nắp trên và dưới 47

Hình 3.13 Uốn tạo hình các lớp vật liệu 47

Hình 3.14 Cắt các ống đồng theo thông số thiết kế 47

Hình 3.15 Cơ cấu cửa đưa vật mẫu vào buồng 48

Hình 3.16 Hoàn thiện kín khít trong và ngoài buồng lạnh 48

Hình 3.17 Van tiết lưu và hệ thống ống chia 49

Hình 3.18 Gắn kết và gia cố cách nhiệt hệ thống ống chia nito 49

Hình 3.19 Kiểm tra nhiệt độ nito lỏng 50

viii

Hình 3.20 Kiểm tra khả năng làm việc của bình chứa nito 50

Hình 3.21 Khoan lỗ và lắp van cho bình chứa nito 51

Hình 3.22 Bình chứa nito trước và sau khi thi công cách nhiệt 51

Hình 3.23 Bọc cách nhiệt cho hệ thống xả nito 51

Hình 3.24 Hoàn thiện hệ thống xả nito 52

Hình 3.25 Chân ghế sắt phù hợp đề xuất [26] và giá đỡ nguyên bản 52

Hình 3.26 Bóng đèn halogen 1000W và giàn đèn 52

Hình 3.27 Thử nghiệm khả năng đo của cảm biến nhiệt độ với nito lỏng 53

Hình 3.28 Hoàn thiện sản phẩm buồng lạnh 53

Hình 3.29 Chuẩn bị cho thực nghiệm 54

Hình 3.30 Vị trí đặt cảm biến và màn hình hiển thị 54

Hình 3.31 Đổ nito và quan sát thử nghiệm 55

Hình 3.32 Lưu ý và gia cố những điểm gây thất thoát nhiệt 55

Hình 3.33 Hình ảnh thử nghiệm một số trường hợp tới hạn 56

Hình 3.34 Kết quả thực nghiệm với các mức lưu lượng 56

Hình 3.35 Đồ thị so sánh mô phỏng – thực nghiệm (trường hợp van mở 1/1) 57

Hình 3.36 Đồ thị so sánh mô phỏng – thực nghiệm (trường hợp van mở 1/8) 58

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số thông tin về các hãng sản xuất thiết bị thử nghiệm 3

Bảng 1.2 Giới hạn đo của Barfield TT11000A và sai số [4] 5

Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật của tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8] 10

Bảng 1.4 Tham chiếu thực tế mối liên hệ giữa độ cao và nhiệt độ [12] 12

Bảng 1.5 Thông số nito lỏng [14] 18

Bảng 1.6 So sánh ưu nhược điểm nguồn lạnh sử dụng nito và máy nén 18

Bảng 2.1 Kích thước ống đồng tiêu chuẩn [20] 28

Bảng 2.2 Thang tiêu chuẩn Orthogonal [21] 30

Bảng 2.3 Thang tiêu chuẩn Skewness [21] 30

Bảng 2.4 Tổng hợp số phần tử các khối mô hình 1 ống và tiêu chí Determinant 33

Bảng 2.5 Kết quả nhiệt độ thay đổi theo thời gian mô hình 1 ống 34

Bảng 3.1 So sánh cách nhiệt nóng và lạnh 43

Bảng 3.2 Vật tư cách nhiệt lạnh 44

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả 57

x

DANH MỤC KÝ HIỆU

UAV Máy bay không người lái Unmanned Aerial Vehicle

VOR Hệ thống radio dẫn đường tầm gần VHF Omni-Directional Range

ELT Máy phát tín hiệu khẩn cấp Emergency Locator Transmitter DME Thiết bị đo lường khoảng cách Distance Measuring Equipment TCAS Hệ thống tránh va chạm Traffic Collision Avoidance System

AC Dòng điện xoay chiều Alternating Current

MIL-STD Tiêu chuẩn quân đội Military Standard

AM Một kĩ thuật điều chế biên độ sóng Amplitude Modulation

COSPAS Hệ thống không gian mạng cứu nạn Cosmicheskaya Sistema Poiska

Avariynyh Sudov SARSAT Hệ thống tìm kiếm cứu nạn Search And Rescue Satellite-Aided

Tracking SSB Dải đơn biên (trong sóng) Single Side Band

ARINC Một nhà cung cấp truyền thông Aeronautical Radio Incorpotare

AN Hệ thống tiêu chuẩn không hải quân Air Force-Navy Standard

FMCW Một dạng radar có cảm biến liên tục Frequency-Modulated Continuous

Wave UUT Đối tượng được thử nghiệm Unit Under Test

ADS-B Giám sát và theo dõi tự động Automatic dependent surveillance–

broadcast UAT Liên kết truy cập dữ liệu chung Universal Access Transceiver

TIS-B Dịch vụ thông tin giao thông Traffic information

service-broadcast FIS Hệ thống cung cấp thông tin trong

buồng lái (cho phi công) Flight Instrument System

1

LỜI MỞ ĐẦU

Từ lâu việc đảm bảo an toàn trong ngành hàng không đã là yếu tố tiên quyết, xác định tính khả thi của hoạt động khai thác Đằng sau mỗi chuyến bay hàng không dân dụng là công sức của vô vàn kĩ sư, ngay từ những tính toán thiết kế chế tạo máy bay bước đầu, cho tới công cuộc bảo dưỡng vận hành sau này Song song với quá trình đó

là hàng nghìn công đoạn kiểm tra từng chi tiết, để đảm bảo tính toàn vẹn và ổn định của

cả hệ thống Trong thời đại hiện nay, ở hướng tiếp cận nghiên cứu cũng như thực nghiệm, những chiếc máy bay không người lái (UAV) là đối tượng ngày càng được chú trọng hơn do ứng dụng thiết thực trong đời sống Các lĩnh vực áp dụng được trải dài từ quân sự, y tế cho tới môi trường, nông nghiệp,… Do đó, nghiên cứu về máy bay không người lái và những vấn đề xoay quanh luôn là nội dung mới mẻ và có nhiều giá trị trong thực tế

Một trong những khía cạnh của việc nghiên cứu này chính là những kiểm nghiệm

về độ bền, khả năng làm việc trong những điều kiện đa dạng, với mục tiêu đảm bảo cho mỗi linh kiện hay vật liệu từ nhỏ tới lớn đều hoạt động hiệu quả xuyên suốt quá trình yêu cầu Đây cũng là giao điểm quan trọng trong công cuộc nghiên cứu UAV, hay nói rộng ra là bất cứ thiết bị nào mà cần một hiệu suất an toàn, hoạt động trơn tru giữa những yếu tố khách quan thay đổi đột ngột

Trong những thông số thay đổi trong quá trình hoạt động thì nhiệt độ là một vấn

đề nên được đặt lên hàng đầu vì những tác động nghiêm trọng của chúng tới linh kiện, thiết bị, cũng như sự biến chuyển rõ rệt về môi trường xung quanh khi đạt tới một số giới hạn nhất định

Luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích những kết quả đã có về ưu điểm, nhược điểm, xây dựng phương án và từng bước hoàn thành mô hình buồng lạnh với hiệu quả phân bố nhiệt đều, có cơ chế thay đổi tốc độ hạ nhiệt nhằm giải quyết bài toán kiểm nghiệm về nhiệt độ này

2

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH MÔ HÌNH BUỒNG LẠNH

1.1 Hệ thống trang thiết bị kiểm nghiệm trên thế giới

1.1.1 Sơ lược về hệ thống thiết bị kiểm định và thử nghiệm

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng nói chung, việc đưa một chiếc máy bay từ thiết kế, chế tạo, tới vận hành, khai thác là cả một hành trình dài với nhiều thành công

và cả thất bại Suốt cả quá trình này luôn cần tới sự giám sát chặt chẽ của đội ngũ kĩ sư trải dài trên tất cả các mảng cấu thành thiết bị bay Và không thể không kể đến hệ thống trang thiết bị hỗ trợ tân tiến nhất phục vụ cho công việc ấy

Một lĩnh vực nói riêng khác, máy bay không người lái (UAV-viết tắt của cụm từ

“Unmanned Aerial Vehicle”) là thành tựu lớn của khoa học-công nghệ ngày nay Những

ưu điểm của UAV khiến nó không ngừng được cải tiến, cách tân Như đối với vấn đề năng lượng, các mẫu UAV mới được nghiên cứu sử dụng pin năng lượng mặt trời Ứng dụng của UAV trải dài trên nhiều lĩnh vực Và việc nghiên cứu thử nghiệm các thiết bị UAV tại các cấp bậc từ trung tâm nghiên cứu cho tới trường đại học vẫn tiến hành đều đặn Tuy nhiên, trong tương lai, với sự phát triển của thiết bị, cũng như mục tiêu đặt ra ngày càng cao hơn, việc xử lí các thách thức mới là công việc quan trọng cần

ưu tiên Một trong những vấn đề có thể thấy rõ ràng nhất là khi các UAV hoạt động tại

độ cao lớn hoặc trong vùng thời tiết có nhiệt độ thấp, các tác động từ môi trường tới hệ thống, kết cấu, thiết bị là một câu hỏi lớn Các kết cấu có thể bị phá hủy, các chi tiết và thiết bị điện có thể bị đóng băng dẫn tới ngừng hoạt động

Thực tế rằng, các nghiên cứu về thiết bị thử nghiệm quá trình giảm nhiệt độ thường không được công khai và nếu có thì các phòng nghiên cứu cũng chủ định giữ lại để phát triển riêng Chính vì vậy, việc tìm hiều về hệ thống thiết bị kiểm định và thử nghiệm trong hàng không trước mắt cung cấp những kiến thức nhất định Trên những cơ sở đã

có và vẫn đang được sử dụng, chúng ta hiểu được bản chất tại sao hệ thống cần phải đạt điều kiện như vậy, và từ đó đề ra những phương hướng nghiên cứu, thiết kế chế tạo phục

vụ phù hợp nhất với những những đặc tính yêu cầu riêng Ví dụ, những thành phần có thể thử nghiệm với quá trình giảm nhiệt độ là: chi tiết vật liệu, trang thiết bị điện tử, cơ cấu cơ khí, pin năng lượng,… và chúng đều có những thông số hoạt động riêng biệt Hình ảnh một thiết bị đo lực đẩy UAV được chế tạo phục vụ thử nghiệm đo lực đẩy UAV Thực nghiệm ở đây tiến hành với nhiều mẫu UAV và lấy kết quả so sánh là

tỉ số giữa khối lượng UAV và lực đẩy tương ứng cung cấp được

Hình 1.1 Thiết bị đo lực đẩy UAV [1]

3

1.1.2 Một số thiết bị kiểm định và thử nghiệm đang được sử dụng

Trên thế giới vẫn có một số tên tuổi lớn trong ngành trang thiết bị hàng không chuyên cung cấp những sản phẩm chất lượng tốt nhất để đảm bảo việc kiểm thử là chính xác an toàn cho cả hệ thống Những trang thiết bị này được chia thành nhiều nhóm tùy vào tiêu chí cũng như khía cạnh kiểm định Dưới đây là một cách phân loại theo tiêu chí cùng tính chất kiểm định

Phân loại một số nhóm sản phẩm: [2]

- Pitot Static / Air Data Test Sets (Bộ kiểm tra dữ liệu tĩnh / không khí của Pitot)

- Pitot Static Adapters (Bộ điều hợp tĩnh Pitot)

- NAV/COM/VOR/ELT Simulators/Testers (Bộ kiểm định mô phỏng NAV/COM/VOR/ELT)

- Transponder /DME TCAS Test Sets (Bộ kiểm tra Transponder / DME TCAS)

- Communication Service Monitors/Radio Testers (Bộ kiểm tra hệ thống radio và truyền thông)

- Portable Data Loaders (Bộ tải dữ liệu)

- Fuel Quantity Testers (Bộ kiểm tra số lượng nhiên liệu)

- Temperature & Thermal Switch Testers (Máy đo nhiệt độ và nhiệt)

- Pressure Testers / Gauges (Máy đo áp suất / đồng hồ đo)

- Engine Test sets (Bộ kiểm tra động cơ)

Ngoài ra còn một số nhánh thiết bị kiểm tra nhỏ khác như:

- Stormscope Analyzers (Hệ thống dò sét)

- Cable, Antenna Testers (Kiểm tra dây cáp và ăngten)

- Tilt & Turn Tables (Bàn nghiêng và xoay)

- Tensiometers/ Tools (Máy đo độ căng / Dụng cụ)

- Flight Management Computer (Máy tính quản lí chuyến bay)

Trong quá trình tìm hiểu, thật sự có rất nhiều công ty và tập đoàn lớn liên quan tới lĩnh vực này từ rất lâu đời Một số cái tên có thể kể đến như bảng được liệt kê dưới đây,

đi vào cụ thể là một chút thông tin về sản phẩm của hãng Barfield có liên quan tới yếu

Georgetown, ON L7G 5G8, Canada

1978 https://www.atl

antisavionics.com

Barfield, Inc là một công ty bảo trì máy bay với mục tiêu tập trung vào sửa chữa

và hỗ trợ khắc phục sự cố Các dịch vụ của hãng bao gồm sửa chữa và đại tu thành phần, thiết bị kiểm tra hỗ trợ mặt đất và các chương trình dịch vụ hàng không Sản phẩm ví dụ: Barfield TT1000A Digital Turbine Temperature Test Set - Part Number: 101-00901

Hình 1.2 Máy đo nhiệt độ và nhiệt Barfield TT1000A [3]

5

Barfield TT1000A là máy kiểm tra hệ thống nhiệt độ tuabin máy bay chạy bằng pin, hoàn toàn khép kín, có khả năng đo điện trở dẫn của hệ thống, cách điện và thực hiện chỉ thị với phạm vi lên tới 1000°C TT1000A được thiết kế để dễ dàng vận hành nhất, tích hợp màn hình kỹ thuật số tự động giúp loại bỏ lỗi thực tế của con người và giảm thời gian thử nghiệm xuống mức tối thiểu

Một số đặc điểm của thiết bị này:

- Cỡ chữ hiển thị 0,35” (9mm) lớn và rõ ràng, màn hình tinh thể lỏng 3,5 chữ số với các chú giải được lập trình sẵn

- Tự động bù nhiệt độ môi trường tại điểm kết nối thử nghiệm hoặc chỉ ra nhiệt độ điểm giao nhau lạnh

- Phạm vi: từ 0 đến 1000ºC được chứng nhận, mở rộng -60 đến 1160ºC

- Đo và hiển thị các giá trị của cặp nhiệt điện CH / AL theo nhiệt độ độ C (ºC)

- Đo nhiệt điện trở và chì đến 0,01 ohm và đo cách điện lên đến hai (2) megohms

- Độ chính xác: Sai số điển hình ở môi trường xung quanh (25ºC) nhỏ hơn ± 1ºC

- Mô phỏng cặp nhiệt điện CH / AL có hoặc không có điện trở dẫn của hệ thống Bảng sau là giới hạn đo và sai số của thiết bị này được trích từ hướng dẫn sử dụng

đi kèm đăng tải trên trang thông tin sản phẩm của hãng Có thể thấy giới hạn dưới của thiết bị cho phép xuống tới được những nhiệt độ âm sâu, nhưng ngay từ giai đoạn -20oC thì sai số đã khá lớn, lên đến mức gần 2oC

Bảng 1.2 Giới hạn đo của Barfield TT11000A và sai số [4]

Giới hạn

đo (oC)

-25 tới -

21 (mở rộng)

-20 tới 0

1000

1001 tới

1025

1026 tới

1050 (mở rộng)

1051 tới

1100 (mở rộng) Sai số (oC) <2 <1 <0,6 <1 <0,6 <1 <2 <5

1.1.3 Một số thiết bị cung ứng tại thị trường Việt Nam

1.1.3.1 Thiết bị đo kiểm hệ thống chỉ thị nhiên liệu bay PSD90-1C AC/DC

Hình 1.3 Thiết bị đo kiểm hệ thống chỉ thị nhiên liệu bay PSD90-1C AC/DC [5]

6

Thiết bị kiểm tra dung tích AC/DC PSD90-1C sẽ thử nghiệm bất kỳ hệ thống cung cấp nhiên liệu bay nào bao gồm cả AC và DC PSD90-1C có các tính năng cho phép người dùng khắc phục sự cố và xác định các vấn đề về hệ thống nhiên liệu Với thiết kế chắc chắn, cơ động thiết bị này có thể được sử dụng ở mọi nơi mọi lúc khi có yêu cầu khắc phục sự cố Có thể hoạt động với nguồn điện bên ngoài, PSD90-1C thích hợp cho việc bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống nhiên liệu bay tại trung tâm bảo dưỡng hoặc trực tiếp tại sân bay

Một số đặc điểm của thiết bị:

- Dễ vận hành / hiệu chuẩn

- Hiệu chuẩn định kỳ

- Cơ động, gọn nhẹ

- Sử dụng pin hoặc nguồn điện ngoài với khả năng hiện thị dung lượng pin

- Tự động kiểm tra khi khởi động

1.1.3.2 Thiết bị đo kiểm hệ thống Nav/Comm IFR 4000

Hình 1.4 Thiết bị đo kiểm hệ thống Nav/Comm IFR 4000 [5]

IFR 4000 là thiết bị nhỏ gọn, cơ động được thiết kế để kiểm tra các hệ thống thông tin vô tuyến trên máy bay VLSM, VOR, Marker Beacon và VHF / UHF

IFR 4000, với kích thước gọn nhẹ (dưới 3,6kg), dung lượng pin lớn (8 giờ) và thiết

kế công thái học, cung cấp cho người dùng một thiết bị kiểm tra rất cơ động Chức năng điều khiển menu và khả năng kiểm tra có hướng dẫn từng bước làm cho thiết bị này cực

kỳ dễ sử dụng Kết hợp những lợi ích này với giá thành phù hợp, người sử dụng có thể thu được những kết quả kiểm tra có ý nghĩa trong công việc đo kiểm hệ thống

Một số đặc điểm của thiết bị:

- Đo chính xác máy phát VHF / UHF, tần số, công suất đầu ra, điều chế (AM và

FM và độ nhạy của máy thu)

- Tạo ARINC 596 cuộc gọi thoại chọn lọc

- Đo chính xác ăng-ten VHF / UHF và nguồn cấp dữ liệu SWR (Tỉ lệ sóng đứng)

1.1.3.3 Thiết bị đo kiểm hệ thống đo độ cao ALT-8015

Hình 1.5 Thiết bị đo kiểm hệ thống đo độ cao ALT-8015 [5]

Thiết bị kiểm tra hệ thống đo độ cao trên máy bay của Aeroflex ALT-8015 cung cấp khả năng mô phỏng độ cao bằng sóng RF, nhanh chóng kiểm tra cài đặt hoặc kết nối trực tiếp với thiết bị được kiểm tra để khắc phục sự cố Một màn hình cảm ứng màu lớn hiển thị các phép đo, tham số và cho phép cấu hình chi tiết để thiết lập mô phỏng các điều kiện không khí thực tế

Giao diện người dùng dựa trên Windows ™, cung cấp các cửa sổ khác nhau để kiểm soát quá trình kiểm tra và hiển thị các phép đo tham số bao gồm: công suất TX, tần số TX (trung tâm), tốc độ quét, độ rộng xung TX (hệ thống xung)

Một số tính năng của thiết bị:

- Kiểm tra thiết bị đo độ cao bằng xung vô tuyến của quân đội: AN / APN-171 (V),

AN / APN-194 (V) và AN / APN-209 (V), bao gồm các biến thể LPI

- Kiểm tra thiết bị đo độ cao bằng xung vô tuyến FMCW bao gồm các loại CDF

- Tích hợp bộ theo dõi thiết bị đo độ cao LPI có khả năng điều chỉnh công suất

- Kết nối trực tiếp với cổng thu/phát của UUT hoặc thông qua các bộ ghép ăng ten

- Phương pháp đo lường loopback cho phép xác định các lỗi TX, RX, ăng ten hoặc lỗi nguồn cấp dữ liệu

8

1.1.3.4 Thiết bị đo kiểm cầm tay IFR 6000, IFR 6015

Hình 1.6 Thiết bị đo kiểm cầm tay IFR 6000, IFR 6015 [5]

IFR 6000 là một thiết bị nhỏ gọn, cơ động được thiết kế để kiểm tra các bộ phát đáp chế độ A / C / S, 1090 MHz ADS-B, 978 MHz UAT, TCAS I, II và DME Giao diện IFR 6000 rất dễ sử dụng, mọi thông số cần thiết được hiển thị ngay trên màn hình IFR 6000 là thiết bị kiểm tra duy nhất, kiểm tra tất cả các bộ phát đáp (transponder) thế

hệ kế tiếp, bao gồm kiểm tra ADS-B, FIS-B và TIS-B Hầu hết các bài kiểm tra có thể được hoàn thành mà không hiển thị trên màn hình người dùng chính Điều này đơn giản hóa nhiệm vụ thử nghiệm của kỹ thuật viên

1.2 Buồng lạnh trong thực tế và yếu tố nhiệt độ

1.2.1 Một số sản phẩm buồng lạnh trên thế giới

Thiết bị buồng lạnh trên thị trường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực Dễ thấy nhất là trong việc bảo quản thực phẩm, chế phẩm y tế,… Tuy nhiên thực tế, những thiết

bị này đều được thiết kế theo các yêu cầu riêng để phù hợp với từng lĩnh vực đặc thù nó phục vụ Một số hình ảnh về thiết bị buồng lạnh trên thị trường:

Hình 1.7 Kho lạnh mini bảo quản thực phẩm [6]

Hình 1.8 Tủ bảo quản chế phẩm y tế [7]

9

Một mẫu ví dụ về thiết bị buồng lạnh trên thị trường kèm hình ảnh sản phẩm:

Tủ lạnh âm sâu -40oC loại đứng HAIER (-40oC Upright Deep Freezers)

Model DW-40L262, Nhà sản xuất Haier

Đặc trưng nổi bật của Tủ lạnh âm sâu -40oC loại đứng:

- Thiết bị đã đạt nhiều tiêu chuẩn y tế, được thiết kế để bảo quản mẫu Plasmas, các nguyên liệu sinh học, vaccine, thuốc thử,… cần nhiệt độ âm sâu trong khoảng -

10oC đến -40oC

- Được sử dụng tại viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm, ngân hàng máu, bệnh viện, các trung tâm phòng chống và kiểm soát bệnh, trung tâm y tế dự phòng,…

- Hiệu quả làm lạnh nhanh, cho phép hạ nhiệt độ xuống -40oC sau 1,5 giờ sử dụng

- Thiết bị kiểu đứng, rất thuận tiện trong quá trình sử dụng, hình thức hiện đại

- Có acqui dự phòng trong thiết bị, cho phép cảnh báo bằng âm thành và hình anh đến 72 giờ sau khi mất điện, với thiết bị có bộ ghi dữ liệu nhiệt độ 7 ngày, thiết

bị ghi nhiệt độ này vẫn hoạt động sau khi sự cố mất điện xảy ra

Hệ thống làm lạnh:

- Sử dụng máy nén khí cho quá trình làm lạnh hiệu Danfoss và quạt của Đức cho hiệu quả làm làm mát cao

- Tác nhân làm lạnh free CFC, thân thiệt với môi trường

- Hệ thống cách nhiệt hiệu quả cao đảm bảo hiệu năng cao của thiết bị làm lạnh

- Hệ thống lạnh kiểu bốc hơi cho phép làm lạnh nhanh các khay giá để bên trong Điều khiển nhiệt độ:

- Điều khiển vi xử lý với màn hình hiển thị số

- Khoảng điều chỉnh nhiệt độ từ -10oC đến -40oC

- Điều chỉnh được khoảng nhiệt độ buồng lạnh và có hệ thống cảnh báo bảo vệ khi nhiệt độ ngoài khoảng cho phép (quá cao hoặc quá thấp)

- Có chức năng lưu trữ nhiệt độ đã đặt khi xảy ra hiện tượng mất điện, các thông

số hệ thống vẫn giữ nguyên

Kiểm soát an toàn:

- Cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh, cảnh báo từ xa (cài đặt thêm)

- Các yếu tố được cảnh báo: Nhiệt độ buồng lạnh ngoài khoảng nhiệt độ cho phép (quá cao hoặc quá thấp), lỗi các đầu đo

- Có khả năng tự bảo vệ khi khởi động (khởi động trễ)

Thiết kế khoa học:

- Màn hình hiển thị số LED, dễ dàng quan sát

- Bảng mạnh bù điện áp, dùng cho khoảng điện áp sử dụng rộng từ 198V đến 252V

- Thiết kế chân bằng bánh xe, dễ dàng di chuyển

- Có khóa an toàn, tránh sự truy cập trái phép

- Cho phép kết nối với thiết bị lưu trữ nhiệt độ 7 ngày

10

Hình 1.9 Mẫu tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8]

Bảng thông số kỹ thuật của Tủ lạnh âm sâu -40oC loại đứng mã DW-40L262:

Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật của tủ lạnh âm sâu mã DW-40L262 [8]

Khoảng nhiệt độ -10oC tới -40oC Nhiệt độ hoạt động 10oC tới 32oC Điện áp sử dụng 220-240V/50Hz Điều khiển nhiệt độ Điều khiển vi xử lí

Kích thước trong (mm) 910 x 835 x 1950 Kích thước ngoài (mm) 1060 x 945 x2127

độ -40oC và thuận tiện để giữ nguyên nhiệt độ đó trong mục đích bảo quản Vậy nếu như bài toán đặt ra là cần giảm nhiệt với tốc độ nhanh hơn và cũng không cần thiết duy trì ở môi trường đó trong thời gian dài thì cần thực hiện xây dựng một thiết bị chuyên

dụng riêng biệt đáp ứng yêu cầu đó

11

1.2.2 Yếu tố nhiệt độ và nội dung nghiên cứu của luận văn

Trong một số yếu tố biến thiên, nhiệt độ luôn đóng một vai trò quan trọng và có tác động to lớn tới độ ổn định cũng như hiệu suất hoạt động của linh kiện trang thiết bị trên UAV Việc “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo buồng lạnh chuyên dụng để kiểm tra các chi tiết và vật liệu được sử dụng trên UAV” nhằm mục đích hoàn thiện thiết bị có khả năng giả lập lại điều kiện giảm nhiệt độ ở môi trường khi vật thể bay tăng độ cao Với những ứng dụng trải rộng trên nhiều lĩnh vực của UAV, công trình này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu và phát triển máy bay không người lái

Nhưng chính xác thì cần đưa ra một vài con số cụ thể để trả lời hai câu hỏi sau:

- Nhiệt độ cần hạ xuống là bao nhiêu?

- Thời gian để hạ xuống nhiệt độ ấy là bao lâu?

Đối với câu hỏi đầu tiên, thực tế máy bay thương mại thì thường hoạt động ở độ cao trên 10000m để tránh các tác động của môi trường cũng như va chạm với vật thể lạ, ngoài ra phi công còn có thể kịp xử lí tình huống nếu sự cố xảy ra

- Độ cao kỷ lục một máy bay phản lực đạt được là 37.648 m, do Alexandr Fedotov lập năm 1997 trên một chiếc MiG-25M Độ cao kỷ lục của một chiếc máy bay giấy là 27.307 m (được thả từ bóng helium) [10]

- Còn UAV thì tùy vào mục đích sử dụng và thiết kế trong tầm bay nhất định, thường là xung quanh 1000-3000m, mở rộng tới 5000m Ngoài ra điều này còn phụ thuộc vào giới hạn độ cao bay ở từng quốc gia và khu vực

Hình 1.10 Độ cao hoạt động của một số loại máy bay [9]

12

Theo lí thuyết, nhiệt độ của khí quyển Trái Đất biến đổi theo độ cao so với mực nước biển Ở đây chỉ xét tới tầng đối lưu, là từ bề mặt Trái Đất tới độ cao 16 km, riêng hai vùng cực là 7–10 km Phụ thuộc vào vĩ độ và các yếu tố thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao, mỗi 100 m nhiệt độ giảm 0,6°C [10]

Mùa đông năm 2018, một phi công người Nga đã điều khiển cho chiếc máy bay

mô hình lên tới độ cao hơn 10km Quy định về UAV tại Nga không có giới hạn về độ cao tối đa, điều này khác với nhiều nước khác Tuy nhận lại nhiều chỉ trích về an toàn hàng không do những khả năng rủi ro va chạm với may bay thương mại, đây vẫn có thể được xem là một kỉ lục đối với UAV Chuyến bay đã kéo dài 25 phút và độ cao tối đa đạt được là 10200m, với vận tốc lên độ cao trung bình khoảng 10m/s [11]

Dựa theo thông số ghi lại từ thực nghiệm đó, bảng sau được lập ra như một tham chiếu thực tế về mối liên hệ giữa độ cao và nhiệt độ Lưu ý rằng nhiệt độ tại điểm cất cánh đã rất lạnh, 0oC từ lúc bắt đầu, và sau khi chuyến bay kết thúc thì ở khoảng -10oC

Bảng 1.4 Tham chiếu thực tế mối liên hệ giữa độ cao và nhiệt độ [12]

STT Thời gian (phút, giây) Độ cao (m) Nhiệt độ (oC)

13

Hình 1.11 Hình ảnh UAV bay tại độ cao 8200m [12]

Một số hình ảnh được ghi lại cũng cho thấy khó khăn khi điều khiển thiết bị bay tại điều kiện môi trường như vậy Bản thân người thực hiện luận văn cũng đã có cơ hội được đi cùng đoàn làm phim triển khai cảnh quay flycam tại tượng Phật A Di Đà trên đỉnh Fanxipan, nơi có độ cao hơn 3000m và nhiệt độ dao động khoảng dưới 10oC Dù đây là chiếc Matrice M600 giá thành lên tới cả trăm triệu đồng, thực sự vẫn có rất nhiều vấn đề xảy ra khi nhiệt độ xuống quá thấp, chưa kể tới điều kiện môi trường ở tầng cao thay đổi nhanh chóng và bất ngờ Một số công đoạn phát sinh có thể kể đến như là phải thay hệ thống cánh quạt thiết kế riêng cho độ cao bay trên 2500m, rồi tới bảo quản ủ ấm pin cũng như trang thiết bị để chúng vận hành hiệu quả nhất (nếu không sẽ có cảnh báo nguy hiểm không cho phép bay)

Hình 1.12 Hiệu chỉnh và bay flycam tại độ cao hơn 3000m

14

Còn trong một chuyến bay Hà Nội - Hồ Chí Minh gần đây (Tháng 7/2020, nhiệt

độ ở mặt đất 29oC), người thực hiện cũng đã theo dõi thông số nhiệt độ biến thiên theo

độ cao và có ghi lại một số kết quả như hình dưới đây Trong tham chiếu thực tế này, nhiệt độ giảm chậm tới -20oC ở khoảng độ cao 8000m và tiến nhanh xuống -50oC ở hơn 12000m, cũng là độ cao bay ổn định suốt chuyến hành trình

Hình 1.13 Tham chiếu thực tế về giới hạn nhiệt độ tại Việt Nam

Trên những cơ sở đó, nội dung nghiên cứu của luận văn hay đối tượng chính buồng lạnh cần đạt được mức độ giảm nhiệt xuống cỡ từ -20oC tới -50oC trong thời gian khoảng

10 phút Đặc biệt nên có cơ chế điều tiết tốc độ giảm nhiệt để đáp ứng được nhiều bài toán thử nghiệm trong những môi trường khác nhau

Khi đã xác định được đối tượng chính của đề tài, việc triển khai các bước sẽ theo một lộ trình rõ ràng và bám sát vào khung sườn cụ thể của kế hoạch thực hiện Nội dung tiếp tục của luận văn sau đây trình bày những cơ sở lí thuyết chính, phân tích những kết quả đã đạt được, định hướng chi tiết về sản phẩm buồng lạnh dự định thiết kế chế tạo

1.3 Cơ sở lí thuyết

Nguyên lý làm việc của buồng lạnh là quá trình trao đổi nhiệt giữa nito lỏng và không khí bên trong, do đó ta cần nghiên cứu quá trình này để hoàn thiện cơ sở tính toán Dựa vào các quy luật trao đổi nhiệt, ta có thể xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt và sự phân bố nhiệt trong buồng lạnh

Có thể chia quá trình truyền nhiệt thành các dạng trao đổi nhiệt cơ bản như sau:

- Dẫn nhiệt;

- Trao đổi nhiệt bằng đối lưu;

- Trao đổi nhiệt bằng bức xạ

1.3.1 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật hay giữa các vật có nhiệt

độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau [13] Để có quá trình dẫn nhiệt xảy ra thì các vật phải có độ chênh lệch nhiệt độ và phải trực tiếp tiếp xúc với nhau

Trong buồng lạnh, quá trình dẫn nhiệt sẽ xảy ra khi dòng nito lỏng tiếp xúc trực tiếp với thành ống đồng Khi đó, nito lỏng sẽ đóng vai trò là chất thu nhiệt, lớp đồng đóng vai trò là chất tỏa nhiệt Giữa lớp đồng và không khí trong buồng thì lớp đồng sẽ lại là chất thu nhiệt và không khí là chất tỏa nhiệt

15

Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong vật rắn, chất lỏng, chất khí Nhưng trong vật rắn chỉ xảy ra quá trình dẫn nhiệt thuần túy, còn trong chất lỏng và chất khí có thể xảy ra cả quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu hay bức xạ

Dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian, kí hiệu là Q (W)

Mật độ dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian Mật độ dòng nhiệt kí hiệu

là q (W/𝑚2) Trong đó mặt đẳng nhiệt là bề mặt mà chứa tất cả các điểm có cùng giá trị nhiệt độ tại một thời điểm

Phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng 1 lớp:

Hệ số dẫn nhiệt λ là lượng nhiệt tính bằng J truyền đi trong 1s từ lưu thể nóng đến

lưu thể nguội qua 1 đơn vị chiều dài của tường ống và khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là 1 độ đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể, đơn vị (𝑊/𝑚.𝑜𝐾) Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất các chất: 𝜆𝑟ắ𝑛 > 𝜆𝑙ỏ𝑛𝑔 > 𝜆𝑘ℎí Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào nhiệt Thông thường sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào nhiệt độ

có thể lấy theo quan hệ sau:

𝜆 = 𝜆0(1 + 𝑏𝑡) PT 1.2 [13]

Trong đó:

- 𝜆0 là hệ số dẫn nhiệt ở 0𝑜𝐶;

- 𝑏 được xác định bằng thực nghiệm, b có thể âm hoặc dương

Hệ số dẫn nhiệt của kim loại nguyên chất giảm khi nhiệt độ tăng Đối với các chất các chất cách nhiệt , thông thường hệ số dẫn nhiệt sẽ tăng khi nhiệt độ tăng Hầu hết chất lỏng có hệ số dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng Hệ số dẫn nhiệt của chất khí tăng khi nhiệt độ tăng Đối với một số vật liệu xây dựng, hệ số dẫn nhiệt còn phụ thuộc vào

độ xốp và độ ẩm Các chất có hệ số dẫn nhiệt 𝜆 ≤ 0.2 (𝑊/𝑚.𝑜𝐾) có thể làm các chất cách nhiệt Đây là một yếu tố quan trọng để lựa chọn vật liệu cho buồng lạnh cũng như phần cách nhiệt cho buồng lạnh Một vật liệu có hệ số 𝜆 càng nhỏ cách nhiệt càng tốt Nhiệt lượng truyền qua phương thức dẫn nhiệt từ bề mặt nóng sang bề mặt lạnh của một vật liệu được tính theo công thức Fourier:

𝑄 = 𝜆 𝐴 (𝑇ℎ𝑜𝑡 − 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑).𝑡

𝑑 PT 1.3 [13]

- 𝑡 là thời gian dẫn nhiệt

- d là khoảng cách giữa hai bề mặt

1.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ vào sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí giữa những vùng có nhiệt độ khác nhau Vì trong khối chất lỏng hay chất khí luôn tồn tại những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, do đó trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo hiện tượng dẫn nhiệt trong chất lỏng hay chất khí Trong thực tế, ta hay gặp quá trình trao đổi chất giữa bề mặt vật rắn với chất lỏng hoặc chất khí chuyển động [13]

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu:

- Nguyên nhân gây ra chuyển động;

- Chế độ chuyển động;

- Tính chất vật lý của chất lỏng/chất khí;

- Hình dạng, kính thước bề mặt trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt đối lưu là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Để xác định được lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lỏng hay chất khí người ta dùng công thức Newton Công thức Newton có hai dạng:

17

1.3.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện bằng sóng điện từ Mọi vật đều có nhiệt độ khác không độ tuyệt đối, do kết quả của quá trình dao động điện

từ của các phân tử và nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng Quá trình phát sinh và truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt Các tia nhiệt truyền

đi trong không gian khi đập vào các vật khác chúng bị hấp thụ một phần hay toàn bộ để lại biến thành năng lượng nhiệt Như vậy quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ liên quan đến hai lần chuyển biến năng lượng: nhiệt năng (nội năng) biến thành năng lượng bức

xạ và năng lượng bức xạ lại biến thành nhiệt năng [13]

Một vật không chỉ có khả năng phát đi năng lượng bức xạ mà còn có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, trị số năng lượng bức xạ bằng trị số năng lượng hấp thụ, ta nói các vật ở trạng thái cân bằng

Khác với hai dạng trên, cường độ trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào

độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của các vật Đối với môi trường trong buồng lạnh, sẽ không xét tới hiện tượng trao đổi nhiệt bức xạ này

1.4 Phân tích những kết quả đã đạt được

Với tính thiết thực cũng như những tiềm năng phát triển đặc thù, buồng lạnh là một đề tài được chú trọng và đã có một số thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và dưới nước, nơi người thực hiện luận văn tiến hành công tác Trong quá trình xây dựng luận văn, theo đó cũng đã có những sự trao đổi họp bàn thảo luận cùng đội nhóm về các vấn đề xung quanh dự án buồng lạnh này Tiến hành phân tích những

ưu nhược điểm của các kết quả ẩy nhằm mục đích tìm hướng tiếp cận mới, khắc phục được những thiếu sót còn tồn tại Từ đó hoàn thiện sản phẩm theo tiêu chí hiệu quả, an toàn, tiết kiệm

1.4.1 Lựa chọn chất lỏng làm lạnh

Chất lỏng làm lạnh được lựa chọn là nito lỏng vì một số đặc tính phù hợp, cũng như giá thành rẻ và dễ dàng sử dụng Nitơ lỏng là nito trong trạng thái lỏng ở nhiệt độ rất thấp Nó được sản xuất công nghiệp bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng Nitơ lỏng là một chất lỏng trong suốt không màu Tại nhiệt độ 20°C, tỉ lệ giãn nở của nito lỏng là 1:694 Bảng thông số đặc điểm của Nito lỏng:

Hình 1.14 Nito lỏng [14]

Bảng 1.6 So sánh ưu nhược điểm nguồn lạnh sử dụng nito và máy nén

- Phù hợp với mục tiêu duy trì nhiệt độ âm lâu dài Nhược

điểm

- Còn khó khăn trong cơ cấu

tự động hóa

- Cần lựa chọn vật liệu có tính chịu nhiệt âm sâu tốt

- Thời gian hạ nhiệt lâu

- Tốn kém về chi phí

19

1.4.2 Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên

Sản phẩm buồng lạnh những phiên bản đầu tiên được thực hiện bởi Nguyễn Việt Nghĩa, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K58 Bắt nguồn từ phiên bản đầu thô sơ, sau quá trình điều chỉnh thiết kế và chế tạo, buồng lạnh thử nghiệm đã hoàn thành và cũng

đã có thể vận hành được một số thực nghiệm nhất định

Hình 1.15 Sản phẩm buồng lạnh phiên bản đầu [15]

Buồng lạnh được bao ngoài bởi lớp cách nhiệt là thùng xốp Đặc điểm sản phẩm:

- Bao ngoài là hộp xốp giữ nhiệt, kích thước cả buồng: 65cm×47cm×35cm

- Dung tích trống giữa 2 lớp khoảng 7l

Buồng lạnh phiên bản này còn tồn tại một số nhược điểm:

- Kết cấu còn nhiều điểm chưa hợp lý

- Sự thoát nhiệt ra môi trường còn khá lớn

- Nhiệt độ phân bố trong buồng lạnh chưa đồng đều

- Bình chứa Nito lỏng chưa thật sự có tính bảo quản tốt

- Chưa thể xác định chính xác được lưu lượng qua van

Hình 1.16 Kết cấu buồng lạnh ban đầu [15]

20

1.4.3 Cải tiến cơ cấu phụ trợ van tiết lưu

Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh là cải tiến của Ngô Xuân Chính, sinh viên lớp Kĩ thuật Hàng không K56 Van bước đầu đã có sự điều chỉnh lưu lượng nhằm kiểm soát được độ giảm nhiệt độ trong buồng lạnh

Tuy nhiên, vẫn còn một số khó khăn xoay quanh vấn đề thất thoát nhiệt ra môi trường cũng như tính hợp lí của cơ cấu để tránh lãng phí và tăng hiệu quả làm lạnh trong quá trình thực nghiệm

Hình 1.17 Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng nito lỏng [16]

1.4.4 Một số hướng tìm hiểu đã thực hiện

Trong thời gian làm việc tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Không gian và Dưới nước, người thực hiện luận văn cũng đã cùng một số bạn sinh viên từng bước thảo luận, đưa ra ý tưởng cũng như xây dựng một sản phẩm buồng lạnh hoàn thiện hơn Một số hướng nghiên cứu cũng đã có những phát kiến nhất định

Ví dụ như việc thiết kế thêm các gờ cản từ hai thành thùng phía tiếp xúc với nito

để làm giảm tốc độ chảy dòng, giúp phân bố đều chất lỏng làm lạnh và tăng hiệu suất quy trình giảm nhiệt Các gờ cản này cũng như những gân cứng, giúp tăng độ cứng chắc cho toàn kết cấu buồng lạnh [18]

Hình 1.18 Thiết kế các gờ cản ở hai thành thùng phía tiếp xúc với nito [17]

Đặc biệt có thể kể đến ở đây là việc so sánh giữa các thiết kế hình hộp chữ nhật, hình lập phương, hình trụ của buồng lạnh Thông qua quá trình mô phỏng cũng như dựa vào các kết quả đạt được, dạng hình trụ của buồng lạnh được cho là tối ưu hơn cả, cụ thể là hiệu quả hơn khoảng 50% dựa trên lượng nito lỏng và thời gian để hạ tới nhiệt độ yêu cầu [19]

21

Hình 1.19 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình hộp chữ nhật [18]

Hình 1.20 Hình ảnh phân bố nhiệt buồng lạnh dạng hình trụ [18]

Nhưng xét về tính ưu việt, việc đặt mẫu thử ở tâm và làm lạnh từ rìa ngoài vào trong dường như chưa phải là phương án thật sự tốt Việc thi công cách nhiệt đã rất khó khăn thì trong trường hợp này càng gặp vấn đề hơn khi nguồn lạnh lại là từ rìa bên ngoài

Vì vậy cơ chế làm lạnh mới đã được xem xét và sẽ trình bày ở mục tiếp theo

1.5 Định hướng mục tiêu

Sau khi phân tích một số ưu nhược điểm bên trên, cũng như trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm một số thiết kế, tìm kiếm vật liệu phù hợp, sản phẩm buồng lạnh phiên bản mới được dự định triển khai với một số ý chính sau đây:

22

- Buồng lạnh sẽ có dạng hình trụ (thay vì hình hộp chữ nhật như trước đây)

- Cơ chế giảm nhiệt sẽ là ống chứa chất lỏng làm lạnh đi xuyên qua bên trong buồng (thay vì là bao phủ ở phía bên ngoài như trước đây)

- Điều tiết lưu lượng qua độ đóng mở của van tiết lưu (thay vì là cơ chế thô sơ như trước đây)

- Bổ sung các hệ thống phụ trợ với thiết kế điều chỉnh thuận tiện nhất, sao cho phù hợp với từng bài toán thử nghiệm riêng biệt (thay vì là gắn kết cố định hoặc không

có như trước đây)

Ví dụ về hình ảnh van tiết lưu được sử dụng, là dạng van bi với cơ chế đóng mở thuận tiện, dễ dàng thay đổi mức lượng nito một cách tương đối để điều chỉnh tốc độ hạ nhiệt trong buồng

Hình 1.21 Cơ cấu và cơ chế tiết lưu của van bi [19]

Như đã đề cập ở phần trước, buồng lạnh sẽ được đặt mục tiêu là có thể giảm nhiệt

độ về -20oC tới -50oC sau một khoảng thời gian khoảng 10 phút Phần tiếp theo sẽ triển khai sơ đồ nguyên lí, thiết kế buồng lạnh, mô phỏng quá trình giảm nhiệt này

23

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG BUỒNG LẠNH DẠNG

HÌNH TRỤ

Hình 2.1 Sơ đồ khối tiến trình thực hiện

Trước khi bắt tay vào từng công đoạn cụ thể, phía trên là hình ảnh sơ đồ khối tiến trình thực hiện của công trình này Dựa trên những điều kiện định hướng, để thiết kế được chuẩn xác nhất thì công đoạn khảo sát thị trường để chọn vật liệu cũng rất đáng lưu tâm Khi đã xác định được các kích thước quy chuẩn và hoàn thiện sơ bộ thiết kế thì ta có thể đặt các điều kiện để giải bài toán mô phỏng Ở đây để tiếp cận một cách đơn giản và hiệu quả nhất, mô phỏng được chia thành hai giai đoạn Thực hiện bài toán nhỏ sẽ giúp kiểm nghiệm lại những giá trị quy chuẩn ban đầu, cũng như hiểu rõ hơn thiết lập, từ đó triển khai bài toán lớn Sau khi có các kết quả, nếu cần thì ta có thể hiệu chỉnh lại thiết kế một chút trước khi thực hiện công đoạn chế tạo và thực nghiệm

2.1 Sơ đồ nguyên lí

Hệ thống buồng lạnh ngoài khu vực trung tâm nơi tiến hành quá trình giảm nhiệt

độ, sẽ cần có đường vào cho nito lỏng và đường thoát ra Ngoài ra không thể thiếu chính

là cửa đặt các mẫu thử cũng như dây tín hiệu và cảm biến

Bên ngoài buồng lạnh là lớp cách nhiệt dày, nhưng cần cắt bỏ hai mảng trên tấm này Vì với những thực nghiệm chọn đối tượng mẫu thử là tấm pin mặt trời, cần có một nguồn sáng đặt bên cạnh Và cần bố trí để có thể quan sát được hiện tượng bên trong buồng Các mảng cắt ra này vẫn có thể sử dụng lắp vào lại khi không cần sử dụng đèn chiếu để tránh thất thoát nhiệt và tăng hiệu quả của buồng

Phía trên là van tiết lưu điều tiết lưu lượng nito chảy vào từ nguồn lạnh Phía dưới

là cửa đưa vật mẫu cũng như đi dây cảm biến, và van đóng mở xả nito thoát ra

Một số chi tiết cần gia công với máy cắt laze được vẽ bằng phần mềm AutoCAD, còn cả hệ thống được vẽ mô hình 3D trong Ansys để tiện cho công cuộc mô phỏng ở bước tiếp theo

Hình 2.3 Hình ảnh thiết kế trong phần mềm