SYNTACTIC FOAMS AS HEAT INSULATION OF HABITABLE UNDERWATER VEHICLES
Authors:
1.
Admiral Makarov National University of Shipbuilding
Type:
Article
Pages:
from 21
to 26
Status:
Published
Received:
20.05.2014
Accepted:
25.05.2014
Published:
25.05.2014
Subject area:
UDK 629.5.022
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
habitable underwater vehicles, syntactic foams, thermal conductivity coefficient, cooling, damageability, long loading, hydrostatic pressure
Abstract (English):
The heat insulation of a hull of underwater habitable vehicles using heat insulation blocks based on the materials with buoyancy effect - syntactic foams with additional pores is considered. The diving bell with diving depth up to 500 m has been taken as an example. The thickness of insulating blocks is fixed taking into account the conditions of smooth immersion of the bell and its neutral buoyancy. The solution of the temperature problem on cooling the internal volume of the underwater object has been carried out using the boundary conditions of the fourth kind of the system of two spherical bodies (sphere in the sphere). During the calculations the optimum thickness of heat insulating sheathing is determined; it equals 10-12 cm, taking into account the conditions of reduction of the temperature inside the bell to the critical temperature T cr = +10 °C during the accident. Prediction of damage and changes of thermal characteristics of syntactic foams is made while being under hydrostatic pressure; the period of effective work is rated, it is 30 years.
The heat insulation of a hull of underwater habitable vehicles using heat insulation blocks based on the materials with buoyancy effect - syntactic foams with additional pores is considered. The diving bell with diving depth up to 500 m has been taken as an example. The thickness of insulating blocks is fixed taking into account the conditions of smooth immersion of the bell and its neutral buoyancy. The solution of the temperature problem on cooling the internal volume of the underwater object has been carried out using the boundary conditions of the fourth kind of the system of two spherical bodies (sphere in the sphere). During the calculations the optimum thickness of heat insulating sheathing is determined; it equals 10-12 cm, taking into account the conditions of reduction of the temperature inside the bell to the critical temperature T cr = +10 °C during the accident. Prediction of damage and changes of thermal characteristics of syntactic foams is made while being under hydrostatic pressure; the period of effective work is rated, it is 30 years.
Keywords:
habitable underwater vehicles, syntactic foams, thermal conductivity coefficient, cooling, damageability, long loading, hydrostatic pressure
habitable underwater vehicles, syntactic foams, thermal conductivity coefficient, cooling, damageability, long loading, hydrostatic pressure
Введение В настоящее время, несмотря на автоматизацию и совершенствование конструкций управляемых подводных аппаратов, использование труда водолаза на больших глубинах, в частности при проведении аварийно-спасательных работ и обслуживании морских нефтегазодобывающих платформ, остается актуальным [1-3]. Одним из условий, необходимых для обитания человека на борту подводного средства, является комфортная температура внутреннего пространства, при которой температура поверхности тела человека составляет 26-30 °С. Водолазный колокол (ВК) и обитаемый подводный аппарат обеспечивают транспортировку водолаза на глубину к объекту работ и обратно, их внутренний обогрев осуществляется за счет электроэнергии от аккумуляторных батарей или от судна-носителя (в случае ВК). Одной из проблем, возникающих в непредвиденных аварийных ситуациях на подводных средствах, являются нарушения электроснабжения. Низкие значения температуры морского дна, которые находятся в диапазоне 0÷4 °С, способствуют постепенному снижению температуры внутреннего пространства до температуры воды за бортом. Длительное пребывание человека в холодной среде вызывает переохлаждение организма. Если обогрев подводного средства не возобновить в течение 10 часов, человек может погибнуть от гипотермии [4]. Известно, что данная проблема неоднократно имела место при проведении подводных работ в Северном море, а также в водах у Гавайских островов и стимулировала поиск и развитие новых методов и способов аварийной тепловой защиты. Цель работы - решить задачу тепловой защиты подводных обитаемых объектов на примере глубоководного ВК и снизить потери тепла через стенки конструкции в случае аварии. Постановка проблемы Одним из способов сохранения тепла внутри обитаемых подводных средств является обшивка наружной поверхности корпуса теплоизолирующими блоками. В качестве теплоизоляционной обшивки, длительно работающей на больших глубинах и в режиме погружение - всплытие, могут быть использованы блоки из сферопластика с дополнительной пористостью (СДП), традиционно применяемые в качестве элементов плавучести [5, 6]. Теплоизолирующие блоки на основе СДП - композит на основе эпоксидной смолы, наполненной стеклянными микросферами, в которую дополнительно введены газовые поры с целью снижения плотности и улучшения теплоизоляционных свойств материала. Характеристики блоков на основе СДП приведены в табл. 1. Таблица 1 Свойства СДП Характеристика Показатель Плотность СДП ρ, кг/м3 450-500 Разрушающее гидростатическое давление σ, МПа 35-40 Модуль упругости Е, МПа 1750 Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙К) 0,085 Коэффициент температуропроводности а∙107, м2/с 1,42 Для эффективной работы теплоизолирующих блоков в составе глубоководной конструкции необходимо решить задачу теплопроводности при соответствующих граничных условиях эксплуатации ВК, которая сводится к определению необходимой толщины обшивки с учетом теплофизических и плавучих свойств СДП. Специфика погружений ВК предполагает беспрепятственное погружение на глубину и пребывание на уровне нейтральной плавучести. За счет низкой плотности теплоизолирующие блоки из СДП обладают достаточно высокой выталкивающей силой, что придает глубоководным объектам хорошие плавучие свойства. Следовательно, для беспрепятственного погружения ВК необходимо выполнение условия , (1) где Ртех.ср - сила тяжести подводного технического средства, Н; Рв - выталкивающая сила, Н; Рпл - сила плавучести, создаваемая теплоизолирующими блоками из СДП, Н. где mтех.ср = 3000 кг - масса колокола с оборудованием на воздухе; g = 9,81 м2/с - ускорение свободного падения. где V тех. ср = 4/3 π R3 (R = 1,2 м - наружный радиус ВК без теплоизолирующей обшивки); ρв = = 1025 кг/м3 - плотность морской воды; где ρСДП = 450-500 кг/м3 - плотность теплоизолирующих блоков из СДП; Sпов = 4πR2 - площадь наружной поверхности ВК; δ - толщина теплоизолирующих блоков из СДП. Расчеты по определению толщины теплоизолирующего блока δ показали, что условие (1) выполняется при δ ≤ 0,15 м. Отметим, что поскольку коэффициент теплопроводности металлического корпуса намного превышает теплопроводность СДП (λст = 35 Вт/(м∙К) >> λсдп = 0,085 Вт/(м∙К)), металлический корпус является проводником и на процесс теплопередачи существенно не влияет. Вследствие этого охлаждение происходит по закону теплопроводности между внутренним пространством колокола и теплоизолирующей стенкой блока, которые находятся в совершенном тепловом контакте. Ввиду того, что температура наружной поверхности теплоизоляции корпуса ВК соответствует температуре омываемой воды и на протяжении всего процесса охлаждения остается постоянной, решение тепловой задачи для наружной обшивки корпуса, скругленной обтекаемой формой (рис. 1), может быть сведено к граничным условиям четвертого рода для сферы, помещенной в жидкую среду [7]. Распределение значений температуры в любой момент времени в такой системе сводится к граничным условиям [7]: (τ > 0; 0 < r < R1), (τ > 0; R1 < r < R2), T1(r; 0) = T0 T2(r; 0) = 0, T1(R1; τ) = T2(R1; τ), , T2(R2; τ) = 0; T1(0; τ) ≠ ∞. Рис. 1. Температурное поле системы двух тел, помещенных в жидкую среду Решение задачи теплопроводности для заданных граничных условий определяется выражением [7]: , (2) где (3) где КR = R1/ R2; R2 = R1 + δ - наружный радиус ВК с учетом толщины теплоизолирующего блока δ; - критерий, характеризующий тепловую активность внутреннего пространства ВК по отношению к наружным теплоизолирующим блокам; ; а1 = 21,4∙10-6 м/с2, а = 1,42∙10-7 м2/с - коэффициент температуропроводности воздуха [8] и CДП соответственно; - критерий, характеризующий относительную теплопроводность системы; λ1 = 0,0259 Вт/(м∙К), λ2 = 0,085 Вт/(м∙К) - коэффициент теплопроводности воздуха при T0 = 20 °C [8] и CДП соответственно; µn - корень характеристического уравнения; - критерий Фурье; τ - время, с. Сходимость ряда для относительной температуры (2) внутри ВК существенно зависит от времени остывания τ и определяется значением критерия Фурье [8], который достигается через время τ > 4 часов. Таким образом, на начальных стадиях процесса теплообмена, в решении (2) нельзя ограничиться одним членом ряда. При выполнении расчетов для достижения необходимой точности использовалось до n = 12 членов ряда. По полученным результатам построены кривые изменения температуры от времени охлаждения внутри необогреваемого ВК для различных значений толщины теплоизолирующей обшивки (рис. 2). Установлено время достижения критической температуры Ткр в центральной части ВК. Рис. 2. Зависимость изменения температуры от времени внутри необогреваемого ВК при различных значениях толщины теплоизолирующих блоков δ: 1 - δ = 5 см; 2 - δ = 7 см; 3 - δ = 10 см; 4 - δ = 12 см; 5 - δ = 15 см Оптимальная толщина теплоизолирующего блока δ должна выбираться из условия снижения температуры внутри ВК при аварии до Ткр= +10 °C (безопасной для человека) не менее чем через 10-12 часов. Таким образом, толщина теплоизолирующего блока принята δ =12 см. Одним из основных параметров, определяющих эффективность работы теплоизолирующих блоков, а также позволяющих прогнозировать срок их эксплуатации и изменения теплофизических свойств, является водопоглощение (повреждаемость). Процесс повреждаемости в блоках из СДП сопровождается постепенным разрушением воздушных макро- и микропор материала под воздействием гидростатического давления и проникновения воды в разрушившиеся полости. Математические модели повреждаемости и изменения теплоизоляционных свойств СДП, теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные в [9, 10] при нагружении материала длительным гидростатическим давлением, позволяют оценить эффективность работы теплоизолирующих блоков в течение 15-30 лет их непрерывной эксплуатации на различных глубинах. Согласно данным моделям были рассчитаны теплофизические характеристики СДП (табл. 2) после 30 лет эксплуатации на глубине 500 м. Результаты прогнозирования (табл. 2) показали, что длительное гидростатическое нагружение блоков приводит к увеличению плотности и повышению коэффициента теплопроводности СДП. Для того чтобы оценить эффективность работы изоляции с данными характеристиками СДП, был проведен расчет по формуле (2) и, соответственно, (3). Аналогично, как и для неповрежденного блока СДП с толщиной δ ≤ 15 см, было установлено время достижения критической температуры Ткр внутри необогреваемого ВК (табл. 3). Таблица 2 Свойства СДП после 30 лет эксплуатации на глубине 500 м Характеристика Показатель Плотность СДП ρ, кг/м3 560 Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙К) 0,105 Коэффициент температуропроводности а∙107, м2/с 1,34 Таблица 3 Время достижения Ткр внутри ВК при обшивке корпуса неповрежденными блоками и длительно эксплуатируемыми на глубинах Толщина изоляции δ, см Время достижения Ткр, ч Неповрежденный блок СДП Блок СДП, эксплуатируемый длительное время на глубинах до 500 м 5 3,5 3,0 7 4,5 3,8 10 7,3 6,9 12 10,0 9,8 15 18,5 16,5 Как видно из табл. 3, время достижения Ткр отличается незначительно для значений толщины δ = 10÷12 см неповрежденного блока и эксплуатируемого длительное время на глубинах до 500 м. С увеличением толщины блока время соответственно возрастает, однако нарушается условие свободного погружения за счет увеличения сил плавучести. Выводы 1. Теплоизолирующие блоки на основе СДП позволяют стабильно сохранять температуру внутри необогреваемого подводного средства в аварийных условиях в течение 10 часов при толщине обшивки 10-12 см и более. Оптимальную толщину блока следует выбирать с учетом массогабаритных характеристик подводных средств и выполнения условий нейтральной плавучести. 2. При длительной эксплуатации блоков на основе СДП на глубинах менее 500 м процесс повреждаемости материала присутствует, однако на теплозащитные функции обшивки влияет незначительно. 3. Блоки плавучести на основе СДП эффективно выполняют функции теплоизоляции обитаемых подводных средств на глубинах 500 м в течение 30 лет.
1. Sokolov V. V. Podvodnoe obsledovanie transportnyh sooruzheniy / V. V. Sokolov, P. P. Nikitin. M.: Transport, 1986. 176 s.
2. Baranov I. L. O pod'eme atomnoy podvodnoy lodki «Kursk» / I. L. Baranov // Sudostroenie. 2002. № 2. S. 59-66.
3. Okeanologicheskie issledovaniya i podvodno-tehnicheskie raboty na meste gibeli atomnoy podvodnoy lodki «Komsomolec» / pod red. M. E. Vinogradova, A. M. Sagalevicha, S. V. Hetagurova. M.: Nauka, 1996. 362 s.
4. Nessirio B. A. Mezhotraslevye pravila po ohrane truda pri provedenii vodolaznyh rabot. Ch. I. Medicinskoe obespechenie vodolazov / B. A. Nessirio, V. A. Vishnyakov, L. G. Medvedev, K. V. Logunov, A. N. Vetosh, A. L. Shishkov. SPb., 2001. 202 s.
5. Ushkov S. S. Konstrukcionnye materialy dlya glubokovodnyh apparatov / S. S. Ushkov, G. I. Nikolaev, V. I. Mihaylov // Sudostroenie. 2004. № 5. S. 111-114.
6. Grushman R. P. Spravochnik sudovogo izolirovschika / R. P. Grushman. L.: Sudostroenie, 1984. 224 s.
7. Lykov A. L. Teoriya teploprovodnosti / A. L. Lykov. M.: Vyssh. shk., 1967. 600 s.
8. Teplo- i massoobmen. Teplotehnicheskiy eksperiment: spravochnik / pod red. V. A. Grigor'eva, V. M. Zorina. M.: Energoizdat, 1982. 512 s.
9. Burdun E. T. Ocenka vliyaniya povrezhdaemosti sferoplastika na izmenenie ego teploprovodnosti / E. T. Burdun, T. A. Yuresko // Sb. nauch. tr. Nac. un-ta korablestroeniya. Nikolaev. 2007. № 6. S. 102-110.
10. Burdun E. T. Modelirovanie povrezhdaemosti i izmeneniya teploprovodnosti blokov plavuchesti na osnove sintaktika v usloviyah ekspluatacii / E. T. Burdun, T. A. Yuresko, V. Yu. Kochanov // Sb. nauch. tr. Nac. un-ta korablestroeniya. Nikolaev. 2008. № 3 (420). S. 46-51.
