水下保溫裝置設計

戴一飛，宋廣全，譚萬將

（無錫德林防務裝備股份有限公司，江蘇無錫）

0 引言

深海環(huán)境下研究微生物繁殖、擴散和補充機制，首要條件是獲得大量具有原位特性的生物幼體樣本。保持微生物的活性，必須保持微生物所處環(huán)境的溫度和壓力一致。在實際應用中，由于生物取樣器內部壓力環(huán)境可以做到和取樣處壓力環(huán)境一致，但是由于海水的溫度會隨著水深變化，2 000 m內水的溫差即可達25～30℃，樣本處于和原所處環(huán)境溫差較大的水中，可能會導致樣本的死亡，而無法保證生物的研究特性。針對取樣器只能短暫保溫的不足，設計了一種用于水下1 800 m，內容積為0.5 m3，可進行0～10℃精確控溫，且長時間停留水下的保溫裝置。

1 保溫裝置性能、結構與工作原理

根據設計技術條件，球型受力均勻，承壓大，用料少，現(xiàn)有深潛器都是球型艙。此次設計也采用球形艙設計。考慮到海水使用環(huán)境以及要承受較大壓強，現(xiàn)選擇TC4鈦合金，此材料符合使用環(huán)境要求[1]。TC4使用溫度范圍：-100℃ ～550℃；密度為4.5 g/cm3。

結構如圖1所示：裝置分為內外兩個殼體，內殼體整體和外殼體的上半部分焊接在一起，與外殼體下部分使用螺栓連接采用無石棉墊片，外部包裹不銹鋼作為密封件，起到外殼體水密封的作用[2]。采用無石棉芳綸墊片密封；外殼內壁用橡塑絕熱保溫板作保溫層。采用半導體制冷片作為環(huán)境控制設備，集中安裝在內外殼體之間，受用軸流風機作為空氣流動的驅動力，避免冷空氣集中，導致內殼體內部受熱不均勻，無法準確檢測和控制。

圖1 整體結構示意圖

半導體制冷片的冷端為內外球殼中間的空氣降溫，進而用內外球殼中間的冷空氣作為冷媒，恒定內球殼中的水的溫度。制冷片的熱端固定在外球殼的內壁，使用球殼外壁的水作為冷媒，保溫裝置隨著船體向前移動，相對移動的水流經過散熱片帶走熱量。

2 結構強度分析

2.1 內殼體強度計算

根據0.5 m3的設計要求，計算出內殼內直徑為1 000 mm；內殼體是內壓容器，裝置需要深入水下1 800 m深度，可以計算得出殼體受到的壓力為18 MPa，根據GB150-2011《壓力容器》外部載荷×安全系數(shù)a，a取1.1，即Pc=20 MPa。TC4材料查表得知抗拉強度Rm≥895 MPa；規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2≥830 MPa，故選擇許用應力為298.3 MPa.焊接系數(shù)取1[3]。

厚度計算公式如下：

式中，δ：球殼計厚度，mm；Pc：計算壓力，MPa；Di：球殼內徑，mm；［σ］t：材料許用應力，MPa；Φ：焊縫系數(shù)。

球殼厚度計算：δ≈17.05 mm，考慮到板材的負偏差和腐蝕裕量，取厚度為20 mm。

復驗板厚：

設計溫度下計算應力

結果為：255 MPa，＜ 298.3 MPa.

最大允許工作壓力

式中，δθ：球殼計算厚度，mm；［Pw］t：最大允許工作壓力，MPa。

結果為：23.396 MPa，＞20 MPa。故厚度為20 mm合格。

2.2 外殼體強度計算

根據設備搭載空間尺寸為邊長不大于1.8 m的立方體空間，以及控制重量的要求，選擇殼體外徑為1 500 mm，可以滿足內部裝置的空間布局。假定外殼體厚度為26 mm，代入軟件分析。外殼體受壓形式為外壓，外壓容器失效不同于內壓容器的強度破壞，而是失穩(wěn)破壞。當內外壓差達到臨界值時，容器就會因喪失穩(wěn)定性突然失去其幾何形狀而出現(xiàn)皺曲，這一現(xiàn)象就稱為失穩(wěn)。外壓失穩(wěn)可以在應力水平大大低于材料屈服強度的情況下出現(xiàn)。為了防止失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，必須對殼體厚度進行強度復合，本文采用有限元方法，使用ASNY軟件分析，表1為材料特性[4]。在僅考慮壓力的情況下，殼體結構沿XY平面和XY平面是對稱的，下面的分析采用1/4模型，減小計算量。

表1 材料特性

在施加外壓18 MPa的情況下其結果如圖2所示。

圖2 外壓球體應力圖

應力線性化結果如圖3所示。

圖3 沿壁厚方向的應力線性化的一條路徑

厚度26 mm，線性化結果中一次薄膜應力MEMB RANE為293.4 MPa，小于許用應力298.3 MPa，合格。考慮到板材的負偏差和腐蝕裕量，取厚度為28 mm。

2.3 復核整體結構的強度

內容器內表面、外殼外表面及接管與外界相連通的表面均施加20 MPa壓力。對稱面施加對稱約束，接管端面軸向約束。如圖4、圖5所示。

圖4 整體應力云圖

圖5 整體位移趨勢云圖（變形擴大30倍）

由應力云圖可知，滿足強度要求，最高應力點在內容器夾層支撐處。這是由于內容器受內壓膨脹，而外殼受外壓收縮；外殼受壓面積大，且外殼及夾層支撐板厚度較內容器壁厚大，剛度強，所以最大應力出現(xiàn)在內容器上。若想進一步降低最大應力，可適當降低夾層支撐板厚度，以降低其剛度，通過變形釋放部分應力[5-7]。

復核計算得出內殼體厚度20 mm，外殼體厚度28 mm，滿足要求。

3 熱輻射和傳導計算

為了能達到制冷控溫的效果，需要對熱輻射以及傳導進行計算，進而選擇合適的半導體制冷片和風機。

3.1 外部環(huán)境熱輻射計算

外部環(huán)境水的溫度將熱量通過外部殼體、絕熱材料傳遞至內部空氣。

即計算最大熱導量=外球殼熱導量+保溫棉熱導量+內外球殼空氣熱導量。其中空氣因熱阻較低，導熱量不列入計算。

假設存放的時間能完全將外球殼、保溫棉以及內、外殼體中的空氣從10℃加熱至30℃.為避免熱輻射導致內部溫度上升，制冷片的功率等于熱輻射功率。根據傅立葉導熱定律，在穩(wěn)定導熱時，導熱速率不隨時間變化，傳熱面積和導熱系數(shù)也是常量，則傳熱速率方程如下：

其中，Q熱：輻射熱量，W；λ：導熱系數(shù)，W/m·K；A：傳熱面積，m2；Δt：溫差，K；b：介質厚度，m；Q1：克服熱輻射的制冷量，W。

因處于球體內外，可看做多層平面壁結構。多層平面壁結構公式可推導如下：

其中：R=b/（λ·A）；R：熱阻，K/W。

已知TC4導熱系數(shù)7.955 W/m·k，外殼體厚度0.028 m；隔熱棉導熱系列0.034 W/m·k，根據廠家樣本選擇0.010 m，三維軟件算出球面?zhèn)鳠崦娣e為7.1 m2；溫差為 20 ℃。

將數(shù)據代入公式，計算Q為0.712 kW。

3.2 內殼體熱量計算

裝置內殼體、殼體內部的水以及內外殼體中的空氣在2h內從10℃降到0℃所需的冷量計算（空氣因質量太小，不列入計算）

其中，W=C·m·Δt，Q2=W/t。Q2：制冷片降溫功率，W；W：釋放熱量，J；c：比熱容，J/（kg·℃）；質量，kg；Δt：溫差，℃；t：時間，s。

水比熱容 4 200 J/kg·℃；TC4比熱容 612J/kg·℃，由三維軟件可測量得出水的質量為500 kg，內殼體質量為 300 kg；溫差為 10 ℃；時間為 2 h（3 600 s）。

根據代入公式，計算可知：W=22.848×103kJ；Q2=3.17 kW。

查找廠家樣本，選用制冷片型號ATE1-241-10AS，制冷功率為124.8 W，根據計算得知需要制冷片數(shù)量為34片作為制冷源。

以上可計算得出總輻射熱量為Q=0.712 kW+3.17 kW=3.882 kW。

3.3 風機發(fā)熱量計算

熱轉換方程如下：

式中，H：熱轉換量；Cp：空氣比熱；W：流動空氣重量；Δt：溫差。

代入空氣密度和比熱后，可得到簡化散熱方程式如下：

式中，Q：風量，m3/min；P：散熱量，W；Δt：溫差，℃。

已知總輻射熱量為3.882 kW，溫差為10℃，計算得出Q=21 m3/min。

查找廠家樣本ADDA風機AS14024HB2519B00，電壓24 V，電流1.5 A，風量316.9 CFM（約9 m3/min），因風機發(fā)熱功率不恒定，此處將風機當成全功率發(fā)熱組件計算，計算得出需要4臺風機散熱。

總制冷量公式如下：

式中，Q電氣：風機發(fā)熱功率，W。

Q總=3.882 kW+0.144 kW=4.026 kW

4 結論

（1）本文根據GB150-2011計算了內壓球體并通過有限分析的方法計算出外壓球體，并用有限元的方法復核了整個殼體的強度，得知由于內容器受內壓膨脹，而外殼受外壓收縮；外殼受壓面積大，且外殼及夾層支撐板厚度較內容器壁厚大，剛度強，所以最大應力出現(xiàn)在內殼體上。根據結果將優(yōu)化內外殼體的連接板厚度或者連接板的數(shù)量。

（2）根據熱量計算可知實現(xiàn)此設備的保溫所需功率相對不是很大，但對外殼體的保溫是裝置制造的重要工藝，在后續(xù)工作中應加強對保溫的工藝研究和測試。