СФЕРОПЛАСТИК КАК ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Авторы:
1.
Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова
Тип:
Статья
Страницы:
с 21
по 26
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2014
Одобрено:
25.05.2014
Опубликовано:
25.05.2014
Классификаторы:
УДК 629.5.022
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
обитаемые подводные средства, сферопластик, коэффициент теплопроводности, охлаждение, повреждаемость, длительное нагружение, гидростатическое давление
Аннотация (русский):
Рассмотрен вопрос о теплоизоляции корпуса обитаемых подводных технических средств теплоизолирующими блоками на основе материала плавучести - сферопластика с дополнительными порами. В качестве расчетного примера использован водолазный колокол с глубиной погружения до 500 м. Установлен диапазон значений толщины теплоизолирующих блоков из условия беспрепятственного погружения и пребывания колокола на уровне нейтральной плавучести. Решение температурной задачи по охлаждению внутреннего объема подводного объекта осуществлялось с применением граничных условий четвертого рода для системы двух сферических тел (шар в шаре). В ходе вычислений определена оптимальная толщина теплоизоляционной обшивки, составившая 10-12 см, с учетом условия снижения температуры внутри колокола при аварии до критической T кр = +10 °C. Осуществлен прогноз повреждаемости и изменения теплофизических характеристик сферопластика при длительном воздействии гидростатического давления, установлен срок эффективной работы блоков - 30 лет.
Рассмотрен вопрос о теплоизоляции корпуса обитаемых подводных технических средств теплоизолирующими блоками на основе материала плавучести - сферопластика с дополнительными порами. В качестве расчетного примера использован водолазный колокол с глубиной погружения до 500 м. Установлен диапазон значений толщины теплоизолирующих блоков из условия беспрепятственного погружения и пребывания колокола на уровне нейтральной плавучести. Решение температурной задачи по охлаждению внутреннего объема подводного объекта осуществлялось с применением граничных условий четвертого рода для системы двух сферических тел (шар в шаре). В ходе вычислений определена оптимальная толщина теплоизоляционной обшивки, составившая 10-12 см, с учетом условия снижения температуры внутри колокола при аварии до критической T кр = +10 °C. Осуществлен прогноз повреждаемости и изменения теплофизических характеристик сферопластика при длительном воздействии гидростатического давления, установлен срок эффективной работы блоков - 30 лет.
Ключевые слова:
обитаемые подводные средства, сферопластик, коэффициент теплопроводности, охлаждение, повреждаемость, длительное нагружение, гидростатическое давление
обитаемые подводные средства, сферопластик, коэффициент теплопроводности, охлаждение, повреждаемость, длительное нагружение, гидростатическое давление
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. Соколов В. В. Подводное обследование транспортных сооружений / В. В. Соколов, П. П. Никитин. М.: Транспорт, 1986. 176 с.
2. Баранов И. Л. О подъеме атомной подводной лодки «Курск» / И. Л. Баранов // Судостроение. 2002. № 2. С. 59-66.
3. Океанологические исследования и подводно-технические работы на месте гибели атомной подводной лодки «Комсомолец» / под ред. М. Е. Виноградова, А. М. Сагалевича, С. В. Хетагурова. М.: Наука, 1996. 362 с.
4. Нессирио Б. А. Межотраслевые правила по охране труда при проведении водолазных работ. Ч. И. Медицинское обеспечение водолазов / Б. А. Нессирио, В. А. Вишняков, Л. Г. Медведев, К. В. Логунов, А. Н. Ветош, А. Л. Шишков. СПб., 2001. 202 с.
5. Ушков С. С. Конструкционные материалы для глубоководных аппаратов / С. С. Ушков, Г. И. Николаев, В. И. Михайлов // Судостроение. 2004. № 5. С. 111-114.
6. Грушман Р. П. Справочник судового изолировщика / Р. П. Грушман. Л.: Судостроение, 1984. 224 с.
7. Лыков А. Л. Теория теплопроводности / А. Л. Лыков. М.: Высш. шк., 1967. 600 с.
8. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.
9. Бурдун Е. Т. Оценка влияния повреждаемости сферопластика на изменение его теплопроводности / Е. Т. Бурдун, Т. А. Юреско // Сб. науч. тр. Нац. ун-та кораблестроения. Николаев. 2007. № 6. С. 102-110.
10. Бурдун Е. Т. Моделирование повреждаемости и изменения теплопроводности блоков плавучести на основе синтактика в условиях эксплуатации / Е. Т. Бурдун, Т. А. Юреско, В. Ю. Кочанов // Сб. науч. тр. Нац. ун-та кораблестроения. Николаев. 2008. № 3 (420). С. 46-51.
