книги / Прогнозирование теплового состояния изделий при эксплуатации в условиях воздействия солнечного излучения

6.5. Расчет теплового состояния изделия И5

Изделие И5 представляет собой полый цилиндрический полимерный элемент, покрытый по наружной и внутренней поверхности теплозащитным материалом (резиной) и размещенный среди двух цилиндрических обечаек. Изделие вместе с цилиндрическими обечайками находится в контейнере. Схема размещения конструкционных элементов изделия показана на рис. 6.10. Вся конструкция представляет собой многослойный цилиндр. Геометрические размеры и теплофизические характеристики материалов изделия приведены в табл. 6.7.

Таблица 6 . 7 Геометрические и теплофизические характеристики материала

Требуется определить распределение температур по своду изделия для 1–3 июля при эксплуатации в естественных климатических условиях при воздействии температуры воздуха и солнечного излучения.

Для численного решения задачи методом конечных элементов выбрано поперечное сечение изделия. Расчетная схема дискретизации представлена на рис. 6.11, при этом параметры дискретизации аналогичны схеме на рис. 6.4, элементы 289–648 относятся к полимерным.

121

122

Рис. 6.10. Схема изделия И5: 1 – контейнер; 2, 5, 9 – воздушный зазор; 3 – корпус; 4 – ТЗП (пластмасса); 6, 8 – ТЗП (резина);

7 – полимерный элемент; 10 – ТЗП (пластмасса); 11 – корпус

Рис. 6.11. Схема дискретизации поперечного сечения изделия И5 (NY = 555; NE = 1008; SH = 17)

В качестве представительного пункта также выбран г. Асуан (северная Африка). Расчеты проводились для контейнера песочного цвета с коэффициентами ε = 0,45 и βc = 0,45. Шаг счета

также принимался равным ∆τсч = 0,1 ч.

Результаты расчетов теплового состояния изделия представлены в табл. 6.8.

123

Таблица 6 . 8

Распределение температуры в изделии И5 по своду и времени (г. Асуан, 1–4 июля, контейнер песочного цвета)

Окончание табл. 6 . 8

По данным табл. 6.8 на рис. 6.12 и 6.13 представлены зависимости температуры от времени.

Лимитирующими срок эксплуатационной пригодности изделия И5 могут быть как процессы, протекающие в продукте, так

ипроцессы массообмена в зоне «продукт–покрытие». Для решения задачи обоснования допустимых сроков эксплуатации указанного изделия более подробно рассмотрены эквивалентные температуры эксплуатации самых теплонапряженных участков полимерного элемента, зоны «полимерный элемент – ТЗП» и «ТЗП». Рассчитанные исходные данные по годовому распределению температур

ипродолжительности их действия для определения соответствующих эквивалентных температур эксплуатации изделия приведены в табл. 6.9. На основании данных табл. 6.9 в табл. 6.10 представлены зависимости значений эквивалентной температуры от величины температурного коэффициента Е, лимитирующего процесс эксплуатации. Для всех трех зон получены достаточно близкие значения эквивалентной температуры.

Сравнение данных, представленных на рис. 6.9 и 6.14, показывает, что в прочих равных условиях благодаря более мощной теплозащите теплонапряженность зоны контакта «полимерный элемент–теплозащитное покрытие» для изделия И5 существенно ниже, чем для изделия А5.

125

126

127

Таблица 6 . 9

Годовое распределение температур и продолжительность их воздействия в т. 473 (поверхностный слой полимерного элемента), т. 474 (зона контакта «полимерный элемент– теплозащитное покрытие») и т. 475 (наружная поверхность теплозащитного покрытия), г. Асуан, изделие И5

128

Таблица 6 . 1 0

ЗависимостьзначенийэквивалентнойтемпературыТэкв отвеличинытемпературногокоэффициентаЕ, лимитирующего

процессдлязон: поверхностныйслойполимерногоэлемента(т. 473), контакт«полимерныйэлемент–ТЗП» (т. 474), наружная поверхностьТЗП(т. 475), изделиеИ5, г. Асуан

На рис. 6.14 зависимость Тэкв от температурного коэффициента Е для зоны контакта «полимерный элемент–ТЗП» (т. 474) показана графически.

Рис. 6.14. Зависимость Тэкв от температурного коэффициента Е для зоны контакта «полимерный элемент–ТЗП», изделие И5, контейнер песочного цвета

129

6.6.Обсуждение результатов расчета

Сприменением программы TеSunRad для двух изделий различных геометрических размеров и с различными теплофизическими характеристиками и компоновкой составляющих конструкционных элементов рассчитаны температуры, возникающие

вэлементах изделий в процессе их непрерывной эксплуатации

виюле в условиях повышенных температур окружающего воздуха и воздействия прямой солнечной радиации; рассчитаны зависимости для определения эквивалентных температур эксплуатации элементов и узлов изделий.

Анализ результатов расчетов показывает, что реализованная

впрограмме расчетная схема качественно правильно отражает влияние формирующих индивидуальное тепловое состояние изделия факторов: геометрических размеров, параметров теплообмена с окружающей средой, теплофизических характеристик конструкционных элементов, схемы компоновки изделия.

Что касается количественной оценки результатов расчетов, то следует полагать, что величина возможной расчетной ошибки определяется в основном тремя факторами:

–качеством расчетной схемы, реализующей решение системы уравнений нестационарной теплопроводности, моделирующей тепловое состояние изделия;

–точностью определения исходных характеристик элементов изделия;

–надежностью и обоснованностью назначения граничных условий решения задачи.

Первый фактор достаточно подробно рассмотрен в главах 4 и 5 настоящей работы, где определены условия устойчивости расчетной схемы и показано, что даже при относительно больших шагах по времени пространственной координаты расхождение между результатами расчетов тестовых задач по программе TeSunRad и апробированными методами не превышает 2 %.

Теплофизические характеристики входящих в состав изделий материалов определены принятыми в отрасли аттестованными методами либо взяты из справочной литературы и, как

130