CC BY
96
УДК 629.5.022
Т. А. Юреско
СФЕРОПЛАСТИК КАК ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
T. A. Yuresko
SYNTACTIC FOAMS AS HEAT INSULATION OF HABITABLE UNDERWATER VEHICLES
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 Ткр = +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.
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 Tcr = +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.
Key words: 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 (СДІI), 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 р, кг/м3 450-500
Разрушающее гидростатическое давление а, МПа 35-40
Модуль упругости Е, МПа 1750
Коэффициент теплопроводности X, 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
Ртех. ср > Рв + Рпл, (1)
где Ртех.ср - сила тяжести подводного технического средства, Н; Рв - выталкивающая сила, Н; Рпл - сила плавучести, создаваемая теплоизолирующими блоками из СДП, Н.
Р = ш • я
тех. ср тех.ср о 5
где штех.ср = 3000 кг - масса колокола с оборудованием на воздухе; я = 9,81 м2/с - ускорение свободного падения.
Р = V • р • я,
в тех. ср гв о’
где Ктех. ср = 4/3 п R3 ^ = 1,2 м - наружный радиус ВК без теплоизолирующей обшивки); рв = = 1025 кг/м3 - плотность морской воды;
Рпл _ (рв РСДП ) ^пов ■ ^,
где рСДП = 450-500 кг/м3 - плотность теплоизолирующих блоков из СДП; ^пов = 4лR2 - площадь наружной поверхности ВК; 5 - толщина теплоизолирующих блоков из СДП.
Расчеты по определению толщины теплоизолирующего блока 5 показали, что условие (1) выполняется при 5 < 0,15 м.
Отметим, что поскольку коэффициент теплопроводности металлического корпуса намного превышает теплопроводность СДП (^ст = 35 Вт/(м-К) >> ^сдп = 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]:
д[гТ1 (г; т)] ^ д2 [г?1(г; т)]
5т 1 5т2
д[гТ2(г; т)] д2 [гТ,(г; т)]
(т > 0; 0 < г < R1),
= а2 1 'У''1 (т > 0; Rl < г < R2),
дт дт
Т1(г; 0) = Т0 Т2(г; 0) = 0,
ОД; т) = Вд; т), К
дТ1 (Rl; дT2(Rl;т)
дг дг
T2(R2; т) = 0; ^(0; т) ф ®.
Рис. 1. Температурное поле системы двух тел, помещенных в жидкую среду
Решение задачи теплопроводности для заданных граничных условий определяется выражением [7]:
Т(х; т) 2• R2 ^ 1 . г . ^ То /0ч
0 ==-------------2sm-smця>/Ка (Кк-1)е гс\ (2)
Т0 Г п=1 ?Ф(Цп) R
где
?(р(ц„) = K. • sin2 ц„ (Kr -1) + 4Ka (KR -1) ц„ sin2 ц„ +
1 -Jk~• к 2 2 I— (3)
+ hr' ‘ sin2 ц„ sin2 тк; (Kr -1) ц„,
VK • цй
где KR = R1/ R2; R2 = R1 + 5 - наружный радиус ВК с учетом толщины теплоизолирующего блока 5; Ks = xjX2ЛК - критерий, характеризующий тепловую активность внутреннего пространства ВК по отношению к наружным теплоизолирующим блокам; Ka = ах/а2 ; а1 = 21,4* 10-6 м/с2, а = 1,42*10-7 м2/с - коэффициент температуропроводности воздуха [8] и СДП соответственно; KX=X j/X2 - критерий, характеризующий относительную теплопроводность системы; Х1 = 0,0259 Вт/(мК), Х2 = 0,085 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводности воздуха при Т0 = 20 °С
[8] и СДП соответственно; цп - корень характеристического уравнения; F0 = ах •т/Rl2 - крите-
рий Фурье; т - время, с.
Сходимость ряда для относительной температуры (2) внутри ВК существенно зависит от времени остывания т и определяется значением критерия Фурье [8], который достигается через время т > 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.
Т, °С
Рис. 2. Зависимость изменения температуры от времени внутри необогреваемого ВК при различных значениях толщины теплоизолирующих блоков 5: 1 - 5 = 5 см; 2 - 5 = 7 см;
3 - 5 = 10 см; 4 - 5 = 12 см; 5 - 5 = 15 см
Оптимальная толщина теплоизолирующего блока 5 должна выбираться из условия снижения температуры внутри ВК при аварии до Ткр= +10 °С (безопасной для человека) не менее чем через 10-12 часов. Таким образом, толщина теплоизолирующего блока принята 5 =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 5 < 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 р, кг/м3 560
Коэффициент теплопроводности X, 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 6, 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 5 = 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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.
REFERENCES
1. Sokolov V. V., Nikitin P. P. Podvodnoe obsledovanie transportnykh sooruzhenii [Underwater examination of transport vehicles]. Moscow, Transport Publ., 1986. 176 p.
2. Baranov I. L. O pod"eme atomnoi podvodnoi lodki «Kursk» [On lifting of the atomic submarine "Kursk"]. Sudostroenie, 2002, no. 2, pp. 59-66.
3. Okeanologicheskie issledovaniia i podvodno-tekhnicheskie raboty na meste gibeli atomnoi podvodnoi lodki «Komsomolets» [Oceanologic studies and underwater technical works in the place of crushing of atomic submarine "Komsomolets'']. Pod redaktsiei M. E. Vinogradova, A. M. Sagalevicha, S. V. Khetagurova. Moscow, Nauka Publ., 1996. 362 p.
4. Nessirio B. A., Vishniakov V. A., Medvedev L. G., Logunov K. V., Vetosh A. N., Shishkov A. L. Mezhotraslevye pravila po okhrane truda pri provedenii vodolaznykh rabot. Ch. I. Meditsinskoe obe-spechenie vodolazov [Interindustrial regulations on labour safety while diving operations. Medical supply for divers]. Saint Petersburg, 2001. 202 p.
5. Ushkov S. S., Nikolaev G. I., Mikhailov V. I. Konstruktsionnye materialy dlia glubokovodnykh appara-tov [Constructional materials for deep water vehicles]. Sudostroenie, 2004, no. 5, pp. 111-114.
6. Grushman R. P. Spravochnik sudovogo izolirovshchika [Reference of the marine insulator]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1984. 224 p.
7. Lykov A. L. Teoriia teploprovodnosti [Theory of heat conductivity]. Moscow, Vysshaia shkola Publ., 1967. 600 p.
8. Teplo- i massoobmen. Teplotekhnicheskii eksperiment. Spravochnik [Heat and mass transfer. Thermal engineering experiment. Reference]. Pod redaktsiei V. A. Grigor'eva, V. M. Zorina. Moscow, Energoizdat, 1982. 512 p.
9. Burdun E. T., Iuresko T. A. Otsenka vliianiia povrezhdaemosti sferoplastika na izmenenie ego te-ploprovodnosti [Assessment of the effect of damageability of syntactic foams on changes of its heat conductivity]. Sbornik nauchnykh trudov Natsional'nogo universiteta korablestroeniia. Nikolaev, 2007, no. 6, pp. 102-110.
10. Burdun E. T., Iuresko T. A., Kochanov V. Iu. Modelirovanie povrezhdaemosti i izmeneniia teploprovodnosti blokov plavuchesti na osnove sintaktika v usloviiakh ekspluatatsii [Modeling of damageability and changes in heat conductivity of the buoyance blocks based on the syntactic in operational conditions]. Sbornik nauchnykh trudov Natsional’nogo universiteta korablestroeniia. Nikolaev, 2008, no. 3 (420), pp. 46-51.
Статья поступила в редакцию 14.04.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Юреско Татьяна Анатольевна - Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Николаев, Украина; ассистент кафедры «Проектирование и производство изделий из композиционных материалов»; tyuresko@gmail.com.
Yuresko Tatyana Anatolievna - Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Nikolaev, Ukraine; Assistant of the Department "Design and Production of the Composite Material Units"; tyuresko@gmail.com.
