автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение эффективности систем криогенного обеспечения удаленных объектов на основе анализа тепловых процессов в теплоизоляции методом конечных элементов

САШСГ-ПЕРБУРГСКИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ! ИНСТИТУТ

холодильной промышленности

На правах рукописи

УДК 621.59: 681.536.53 : 62-758.-36 (043.3)

ЧУЯНОВ АНДРЕИ ГЕННАДЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КРИОГЕННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.04.03 - Машины п аппарата холодильной п криогенной техшт и систем кондиционирования

АВТОРЕОЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена на кафедре "Криогенная техника" Санкт-Петербургского технологического института' холодильной промышленности и на кафедре "Криогенная техника" Омского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Новотольнов В.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Н.Н.Бухарин кандидат технических наук, - доцент Н.В.Долгоруков

Ведущая организация - -НИИ комплексных испытаний оптикоэлектронных приборов,и систем ВЩ ГОИ им.'Е.И.Вавилова

// 07 f

,/.Защита диссертации состоится "i/í " 1994 г.

в ^ ' часов на заседании специализировашюго Совота № I в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности ( шифр К С63.02.01 ).

Ваши отзывы в двух экземлярах, заверенные печатью учреждения, просьба высылать по"адресу: I9I002, г.Спнкт-Пзторбург, ул.Ломоносова, д.9, Специлизировашшй Совет I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан » с^^ & ^ 1994 г.

Учопый секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук, профессор Л.А.Акулов

общая характеристика работы

Актуальность теш. С каждым годом расширяется круг важнейших научно-технических Задач, решение которых возможно лишь при использовании достижений криогенной техники. Открытие в 1986 году группы высокотемпературных сверхпроводников, шещих критическую температуру, превышающую температуру кипения азота качественно повысило практическое значение этого уровпя температур для охлаждения микроустройств на их базе и привело к активизации работ по созданию и совершенствованию их систем криогенного обеспечения (СКО.).

Воспроизведение при исследовании подобных устройств многочисленных внешних воздействующих факторов приводит к появлении новых уникальных систем криостатирования. Существующие системы на базо криостатов не отвечают требованиям удобства эксплуатации и имеют недостаточную тепловую защищенность, .которая изменяется в ■ зависимости от условий эксперимента. Их теплоизоляция имеет, как правило, сложное конструктивное решение, реализация-которого связана с немалыми материальными затратами.

Качество теплоизоляции становится фактором, определяющим работоспособность подобных систем, осуществлякщих термостатировапие удаленных от генератора холода объектов. Наиболее эффективный метод его оценки - математическое моделирование.

Существующие методы теоретического исследования теплоизоляции криогенных систем позволяют рассматривать конструкции простейших форм: цилипдр, сфера и плоский слой. Оценка качества других конструктивных решений при их помощи приводит к ошибкам, влияющим па эффективную работу систем! в целом.

Цель работы. Состоит в разработке метода теоретического исследования теплообмена в низкотемпературной изоляции систем криогенного обеспечения, позволяющего рассматривать изолированные конструкции произвольной геометрической конфигурации, в разработке пакета программ, реализующих математическую модель, а также - в разработке конструкции системы криогенного обеспечения объектов с малыми собственными тепловыделениями.

Методы исследования. Математическая модель исследования тепловых процессов основана на использовании метода копочных элементов для задач теория поля па плоскости. Экспериментальное исследо-звание процессов в низкотемпературной изоляции проводится в соответ

ствии с методом вспомогательной стенки.

Научная новизна. Разработана методика теоретического анализа установившегося и неустановившегося теплообмена в теплоизоляции криогенных систем, которая имеет сложную геометрическую форму.

Предложена математическая модель теплообмена в условиях сво-бодномолекулярного режима высоковакуумной изоляции,'конструктивное решение которой также может иметь сложную геометрическую форму.

Практическая ценность. Способы теоретически) исследования теплоизоляции позволяют рассматривать конструкции сложной геметри-ческой конфигурации, что подтверждено экспериментально. .

Разработанная конструкция криостата отличается удобством в эксплуатации, имеет хорошую тепловую защищеннность. Конструкция ого защищена авторским свидетельством на изобретение. Разработка осуществлялась для института полупроводников СО РАН.

Апробация работы. Вопроси, рассмотренные в диссертациоппой работе докладывались на конференции "Энергетика, электромеханика и промышленная электроника" (1990 г., г.Омск), па Всесоюзной научно-технической конференции "Уолод - народному хозяйству" (1991 г., г.Санкт-Петербург). »

Публикации. По материалам диссертации опубликована печатная работа. По результатам исследования лабораторного криостата получено авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и приложений. Работа изложена па 112 машинописного,текста, содержит 27 рисунков, I таблицу и приложение. Библиография включает 103 наименования.

, < СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена ее цель, дано описание ее структуры.

Первый раздел носит обзорный и постановочный характер. Здесь рассматриваются различные варианты систем криогенного обеспечения, проводится критический анализ применимости каждой для криостати-ровшшя микрообъоктов, удаленных от генератора холода. Структура основных видов потерь эксергии в системах такова, что потери, свя-_зашше с теплопритоком из окружающей среда к трубопроводам, связывающим объект криостатировагош с генератором холода, имеют более

высокий теш роста в сравнении с другими при увеличетсш их длтш.

Более шгоднпе характеристшси имеют СКО, работающпо по циклу с периодическим характером пополнения запасов хладагента, такие, например, как 1сриостатп. Делается вивод о тщательной конструктивной прорзботтго и теоретическом исследовании теплоизоляции шгакотеМ' пературннх частей систем!. Далее дается списание теплоизоляционных материалов, приводятся их тепло^изич'еские характеристики, возчоя-ше области ¡я применения и условия работа.

Теоретическая часть ислледовапия теплоизоляции криогеимх слотом в силу специфических условия робот» таких, как вакуум, значительная разница в значениях грагагшж температур, неоднородность пркмопяогах материалов, лвляотся наиболоо сложной.

На основашш работ М.Г.Каганера, Силимонова С.С., Газилшьз U.M., Хрусталева Б.Л. и групп) i учета физико-технического института низких тешоротур Академии паук Украину и других авторов, делается внвод о сущоствовзтпга двух подходов при ропота задач тепло-обмена в изоляции криогешгах систем - гомоготтсм и дискретном. В первом из них слой тепловой изоляцтти считается однородной средой, имогтузЯ нриведегаше топдо^иззггаисю скоЯствв. (топлсегасость, коэффициент теплопроводности! т.д.). В случае исследования изоляции при этом прибегают к понося закона Фурье с- использованием в катос-тге козФГиционтп теплопроводности офГ»зктивного коз'Киционта теплопроводности изоляции знапскко которого зпттсит от тсикартгури и склздквпется из трех составляло: - теплопроводности по твердому толу, проводимости остаточтп/- газов и лучистой проводимостью:.

= V V V (1)

При дискретном подходе слой изоляции в необходимой стсгогп ¿.отагтаируотся, позволяя окрэдодчгь глояковлиятого г.'охтшгмоп пор-носа тепла на ее свойства. Одяско, "-тот подход представляет изо.'.«-шш в виде систзктг с "идеальной геометрической структурой, что на практик© осуществить востмя стсгпо. Кгсиз того, излнлплл детализация приводит к неоправданному услс:'"юпп:о и всер-астрни» объема г.ч-мислительких работ.

Вклад отдолыаг: сотайлянгдас в опоток тепла изменяется в зависимости от типа изоляции и кс;пфетнь'>: рабочих условий. При теоретическом исследовании изоляции взаимодействие и взаимовлияние этих мзхонизг.тов тешюобмопп довольно слсгпо, поэтому воз-

мокны два подхода к рассмотрению теплообмена в изоляции: строгий и упрощенный (аддитивный).

Существующие решения задач теплообмена в изоляции п охлаждения протяженного объекта, полученные при помощи этих подходов ориентированы на тела канонической формы (плоский, цилиндрический, сферический слой). Из приведенных решений отмечается решение, полученное методом конечных элементов (МКЭ). Здесь ко дается критический анализ достоинств и недостатков этого метода, делается вывод о возможности его пркмзнепия для исследования теплообмена изолированных конструкций слогзюй геометрической Форш.

Далее в работе анализируются опубликованные в литературе результаты по экспериментальному исследованию изоляции.

Анализ работ по системам криогенного обеспечения и низкотемпературной изоляцш: показал, что нообходиш дальнойпшо исследования в этих областях. Особешго это относится к изоляции микросистем, исследование которой с приближенном канонических форм может привести к грубым ошибкам.

. Исходя из проведенного анализа, в диссертации были поставлены следующие задачи:

1.Создание математической модели по исследованию тепловых процессов в го:зкотемпоратурной теплоизоляции СКО, позволяющей исследовать системы различной геометрической формы с возможностью реализации как дискретного, так и гомогенного подхода.

2. Разработка экспериментального стонда для исследования тепловых процессов в многослойной зкранно-вакуушой изоляции. ■

3. Оценка адекватности математической модели реальным ре-зультятям, полученным п результате эксперимента.

4. Разработка пакета программ, реализующих' математическую модели теплообмена в изоляции криогенных систом.

5. Разработка-системы криогенного обеспечения для термоста-тяроваппя объектов с малыми собственными тепловыделениями, удален-1шх от гонератора холода.

Во втором разделе рассмотрены реиения задач стационарпой теплопроводности п об охлавденки слоя изоляции, а также задача о за-холагашании протяженного трубопровода.

" В качестве метода математического моделирования используется метод конечных элементов.

Конкретной физической задаче соответствует свой функциопал х.

для которого существует минимизирующая функция, удовлетворяющая ис-. ходишь дифференциальным уравнениям и краевим условиям. Чаще всего в задачах теории поля (теплопроводности) неизвестными являются значения температур и минимизация проводится по этим величинам.

В основу математической модели задач теории поля положено урввнешга с грапичнши условия?,® на поверхности S I, 2 и 3 рода:

д 8т д ат' ат

— С А. — ] + — ( А. — ) + Q = ср — , (2)

дх ^дх ву ™ву at

где х, у - текупзю координата; Х,_,г - коэффициента теплопро-

J у

водпости); т - текущая температура; Q - внутренний источпгас или сток' тепла; сир- теплоемкость и плотность материала изоляция.

Решение поставленной физической задачи получается путем минимизации фупкциопала, свлзонного с уравнением (2), для кагдой t04iai временного интервала с учетом краевых условий:

1 г <ЭТ -.2 , ОТ л2 , ОТ

lav +

i r r ui- , с: , иг г их > Т

+ J qTdS + J - J T2- 2тат + T^jtlS- (3)

Процедура минимизации функционала (3) "приводит' к уравнению в форт.то метода конечных элементов относительно поизвестпнх узловых значений тоипоратурц в матричной формо:

о

Г [L] + - [0] )т* --- [С]{7 ) - Ш*. (4)

1 At J At 0

где [L], [С] - глобальные матрицы теплопроводности и тешгаогпсости соответстпото; {?}, {Т} - вектора тепловой погрузки и искомой функции, соответственно.

Таким образом, репешго поставленной задачи постациопоргой теплопроводности получается путем росопля рекуррентной последовательности стационарных задач на .каждом врем-зппом' слое.

Поставленная задача для ВЕКуукпо-псропковой, пористой, ва-куушо-мпогослойпой и кокОгагяровазлоЯ изоляции колзт Суть решено при помощи уравнений (4) при условии замш коэф^щиентсв и К^ па эффективный коэффициент теплопроводности, значение которого мо-

жат быть определено .экспериментально, либо вычислено аналитически.

В основе решения задач об охлаждении (нагревании) протяженных объектов лежит модель Шумана - Анцелиуса, дополненная уравнениями неразрывности и движения. Величина теплопритока из окрукаю-щай среди чос, входящая в уравнение•энергия газа, определяется при решении задачи теплопроводности (4) в стационарной постановке.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических иссло-доваш1й, представленный в первом разделе послужил обоснованием для выбора принимаемых ограничений и допущений.

Поскольку основу математической модели составляет уравнение топлопропроводаости, применение в качестве коэффициента проводимости коэффициента но долхпо нарушать физического смысла этого понятия. Это относится, в первую очередь, к коэффициенту Поэтому область применения модели ограничена значением Кп<1 (где Кп -критерий Кнудсена).

Как правило, толщина теплоизолированных конструкций в несколько раз меньше слоя изоляции, поэтому теплопроводность в направлении, перпендикулярном стенкам изолируемых-объектов, считают бесконечно большой. Это означает равенство температур по обеим сторонам стенок. Предполагается зависимость теплофпзических пара-мэтров изоляции и изолируемых конструкций от температуры.

Толщина конечных элементов предполагается единичной.

Далее рассматривается теплообмен излучением.

Триангуляция рассматриваемых областей конеч1ШШ элементами дает возможность аппроксимировать поверхности Н малыми участками коночных размеров, в пределах которых температура постоянна или изменяется незначительно, что дает возможность рассматривать теплообмен излучением, когда температура одной или нескольких тепло-обмвь.защихся поверхностей является функцией коордипат.

Предполагается, что поверхности, участвующие в лучистом теплообмене являются даффузно-сорыми. В соответствии с этим на направленные спектральные степень черноты и поглощательная способность не зависят от угла падения и длины волны, но зависят от температуры поверхности, при этом полусфорическая интегральная поглощательная способность и степень черноты равны между собой и зависят только от температуры. Принимается постоянство падающего и отраженного излучения в пределах какдой площадки с постоянной температурой, а тпкео условие, при котором протяженность объекта исследования в

направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, превышает его поперечные размеры, допускается, что прокладки в экранно-вакуумной изоляции на лучистый теплообмен не влияют'.

В результате решения уравнения теплового баланса для к-той поверхости, которое выглядит следующим образом:

\ = ч1с = < "о.к " > <5)

где 1с, - плотность потока падающего и эффективного излучения к-той поверхности; п., - плотность потока результирущего .излучения; ?1с - площадь поверхности к;

используя свойство взаимности угловых каоМлциентов излуче-01П1Я и выражая поток результирующего излучения через оффектганнЛ поток, получается уравнение лутастого теплообмена:

V

Z

Г3

«1 T? -i f о0т$ (в)

p3 j-1

где ипдексн k принимают значения I, 2...Ii, соответствующие как-верхности, составляйте Или в матричном виде:

дой поверхности, составляло!! систему; <3,,^ - символ Кронекора.

[EKQMM (7)

Для решения системы уравнений (10) необходимо определение угловых коэффициентов излучения. Далее в работе списываются метода определения угловых коэффициентов излучеппя в замштутой системе тол: метод Хоттоля п метод статистической имитации.

Математические модели по исследованию теплового режима изоляции, дополношшо уравнешгем (10), выглядят следующим образом: а) Задача стационарной теплопроводности

Г I ь.].{ Т ) + (?)» О',

i [ Е ] { Q } - { П }.

б) Задача нестационарной теплопроводности

2 -ч . 2

(3)

f[L] + - [ОЛСТ}* = - ГСНТП} - {?)*,

1 At J At 0 (9)

[ E ] { q ) = ( R ). .

в) Задача об охлаздешш изолированного протяженного объекта к дт ■. ш д2т

,т) — = оП^ - V + Чоо

ЭР р (Р, тг)[»/(г)]2

- = - С —-Е--(Ю)

0(1) = рг(р, Тг)1г«(а), [I] (ПМН'О,

[ Е ] { а ) « { и >.

Суммирование в уравнении энергии протяженного объекта в (10) выполняется по всем компонентам его составляющим. При многослойной изоляции необходимо использование коэффициента теплопроводности , а при решении уравнения теплопроводности !ЛО - Я.^. Таким образом, система уравнений (10) представляет собой условно трехмерное приближение для решения задачи об охлаздешш протяженного объекта.

В рамках модоли (8)-(9) наиболее проста реализация гомогенного подхода, что объясняется использованием эффективного коэффициента теплопроводности Я.8ф. Реализация дискретной модели более трудоемка, так как решение в случае многослойной изояцпп производится для какдого меяэкранного промежутка.

Тротай раздал работа посы:дэп экспериментальной проверке а док' ватности предложенной математической модели теплообмена в изоляции криогенных систем реальным процессам.

Задачу экспериментального раздела работы мокно сформулировать как определение эффективного коэффициента теплопроводности изоляции криогенной системы, имеющей произвольную геометрическую форму, а также величины теплового потока 0 чороз изоляцию.

В качестве метода экспериментального исследования в работе использовался метод вспомогательной стопки. Исходя из этого был разработан экспериментальный стенд.

Относительная погрешность в . определении теплопроводности вспомогательной стенки в ходе экспериментов находилась в интерва-

лэ + (2+5) %. Погрепность в определении величины теплового потока .через изоляцию по превышала 25 %.

Конструктивное решешю систеш позволяло проводить исследования по нескольким вариантам: а) изоляция занимает часть зазора между контрольной поверхностью-и экраном, а в пространство между штаг па нзругагом радиусе изоляции располагаются одна пли дао парнфарийные трубки; б) многослойная изоляция наносится на контрольную поверхность и занимает все пространство'до наружного экрана (Rjf3 = 1Цф): вариант аналогичен варианту а) за исключенном того, что отсутствуют периферийные трубки (R^ / КЭ1ф)-

D ходе экспериментов изменялась плотность укладтси изоляционного пакота п и температура наружного металлического экрана.

Для всех париантов характерен рост величины топлового потока при возрастании плотности уютадкн п, что объясняется, по-видимому, ростом доли кондуктипиой составляющей. С другой стороны, при минимальной в экспериментах температуре экрана ТПКр= 100 К значения теплового потока во dcox вариантах ( а),,6), в)) близки мевду собой. Это объясняется, по-видимому, тем, что температура экрана близка по значению тешэратуре периферийных трубок и холодной стенки. С ростом т0Кр и плотности уклада! различия становятся более заметншш. Так при п = 62 Т/см тепловой поток Q составил: вариант а) - с одной трубкой - 0,23 Вт (Т8Кр = 100 К) и 0,88 Вт (ТЭ1ф= 130 К), с двумя трубками - 0,22 Вт (Тэ = 100 К) и 0,76 Вт (Тш = 180 К); вариант б) - 0,25 Вт при токр = 100 К и 1,26 Вт при т = 180 1С; вариант в) 0,27 Вт (ТЗГф= 100 К) и 1.27 Вт (Тэкр = 180 10.

При сравнении вариантов очевидно, что конструктивное ре-еопио, когда в слое изоляции располагаются периферийные трубют, позволяет существенно уменьшить величину тешгопрятока Q. Это объясняется тем, что'трубки частично воспринимают тепловой поток чероз изоляцию, а также уменьшением температурного градиента в слое изоляции. При наличии двух трубок величина Q получается меньше.

Два других варианта такжо близки между собой по значению теплового потока. Однако, вариант б), когда RjI3 - Rg обеспечивает меньшее значение Q, нежели вариант в) при R^ ^ R3Kp. Это объясняется тем, что при заполнении изоляцией всего пространства мевду контрольной поверхностью и наружным экраном, происходит несколько более сильное ослабление лучистой и молекулярной состав-

лявщих теплового потока.

Полученные экспериментально и расчет>шм путем зависимости имеют качественно одинаковый характер, а расхождения в значении теплового потока сотавляют (3+5) % - для вариантов С),в) и (4+8) % для варианта а), что мошо объяснить тем, что эффективный коэффициент теплопроводности изоляции, предэлявшийся по полученной экспериментальной величию теплового потока при расчетах призт-мался постоянной (некоторой средней) величиной по всему температурному полю изоляции, на основании чего мозшо сделать вывод об адекватности разработанной математической модели, описыващой те-1шлше процессы в изоляции.

В четвертом разделе для решения сформулированных ранее задач бил разработан пакет программ, написанных па языко Сортран-4, ориентированный на ЕС ЭВМ, позволяющий получить решение для шести вариантов изолировашшх конструкций. Кагдай блок оформлен в отдельную подпрограмму-процедуру. Из основных блоков можно выделить следующие: I) триаотуляция (разбиение) двумерной области па конечные треугольные сишлэкс элементы; 2) вычислешю угловых коэф£зщи~ онтов излучения; 3) решение уравнений теплообмена.

Результатом решения задач теплопроводности является опредо-лешга величин температурных градиентов и по ним - значений теплового потока на изолированной поверхности по закону Фурье. Градиент и связанная с ним величина теплового потока я получаются постоянными внутри элемента. Установлено, что применение теории сопряженной аппроксимации позволяет получить рлсхокдошго в значениях температуры граничных узлов в продолах I г, а Саа сопряжения 9 % и болое..

Для нестационарной задачи теплопроводности кроме определения перед началом счета упоминавшихся во личин необходимо заданно значения временного шага М. В соответствии с рекомендациями по его определению, опубликованными п литорптуро, значение для экран-по-вакуумной изоляции (СБР, ГЛТИ) составляет 0,2 сок. Численные экспоржентн показал!, что возмогши увеличение.^ до зпачин;;я I сек. При этом в промежуточных интерналах времени возникают осцилляции, но влияющие на конечные результата расчетов.

Сравнение решения МПЗ для слояаюй топлоигодлрэЕошю!!'кон-струкцип с решением, получошшм известными метода;.:;!, дзет расхождение в результатах (10*25Качественно получешыо. завис;:-, мости теплового потока от различных факторов для ко;.яоз;5Ций с

ЭВТИ и СВР имеют схожий характер.

Задача охлаждения протяженного трубопровода выделена в отдельный программный блок. Решение производится так, что в каждом сечении трубопровода, на которые он разбивается с шагом Лг, решается задача стационарной теплопроводности методом конечных элементов. Здесь формулируются также характерные для нее краевые условия.

Следующий параграф четвертого раздела посвящен разработке криостата для исследований объектов с малыми собственными тепловыделения™ в диапазоне температур от 4,5 до 300 К. .

Целью разработки является создание удобного в эксплуатации и экономичного криостата. Это достигается том,.что теплообменник с испытуемым образцом расположен над сосудом с запасом хладагента в отдельно вакуумируемой испытательной камере, а выходная трубка теплообменника имеет надежный тепловой контакт с основанием теплоза-сргаюго экрана испытательной камеры и с газом, находящимся в гер-.матичной емкости, размещенной коаксиально между корпусом и наружной стенкой сосуда для хранения хладагента, снабженной экраном. Газ, аккумулируя холод, претерперая фазовые превращения, позволяет экономить запасы хладагента.

При помощи описанной математической модели был произведен тепловой расчет 1сриостата для выявления рациональных размеров теплозащитного экрана при заданных габаритных разг.тарах изделия.

В заключительном параграфе раздела предлагается модель ма-тёмапг-юского исследования молекулярного теплообмена в изоляции, основанная на аналогии лучистых и молекулярных потоков тепла, имеющая вид:

б,.

1-а,

1-3

ь-

7+1

Т 1 / гни / т

к

Е (3:

3=1

к;)

Рк.1>

(14)

где у - показатель адиабаты; и = 8314,41 Дж/кмоль - универсальная газовая постоя!шая; м - молярная масса; ае к- коэффициент аккомодации энерпш; Р - давление в вакумном пространстве, измеренное при температуре манометра тт; ах к- тангенциальная составляющая импульса; д результирующий поток энергии; Рк1- угловой коэффициент.

Или в более компактной матричной форме:

. [ Ъ 1 < °м } = С Им >• <15)

Таким образом, совместное использование систем уравнений (II)-(13) и (15) позволит расширить круг решаемых задач на область Кп >> I для вакуумной изоляции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

I. Рассмотрены различные принципиальные схемы систем криогенного обеспечения. Установлено, что они в различной степени пригодны для криостатирования удаленных объектов, имеющих малые собственные тепловыделения. Проведенный анализ структуры потерь эк-сергии в различных СКО удаленных объектов показал, что наиболее благоприятные характеристики имеет ОТО с периодическим характером пополнения запасов хладагента, основным элементом в которой может быть заливной криостат. Признано необходимым совершенствование как систем в целом, так и их отдельных элементов.

Из анализа литературных источников сделан вывод о том, что существующие метода математического моделирования низкотемпературной изоляции ориентированы на узкий круг тел канонической формы (цилиндр, сфера, плоский слой), установлена необходимость в разработке метода теоретического исследования изоляции систем криогенного обеспечения для конструкций, имеющих произвольное геометрическое строение.

» 2. Разработана математическая модель установившегося и неустановившегося теплообмена в слое низкотемпературной изоляции, основанная на использовании МКЭ, позволяющая рассматривать изолированные конструкции произвольной геометрической формы с учетом реальных граничных условий и свойств материалов. Полученное решение основано на уравнении теплопроводности и уравнении лучистого -теплообмена в замкнутой системе тел. Известная модель охлаждения гтотяненного объекта объединена с моделью теплообмена в изоляции криогенных, благодаря чему возмогао решение этой задачи в условно трехмерном приближении.

3. Проведено экспериментальное исследование различных конструкций, содержащих периферийные трубки и без них с использо-' зованием многослойной экранно-вакуумной изоляции. Проверка соответствия математической модели реальному процессу показала, что

расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет от 4 до 8 %, что объясняется тем, что определяемый в эксперименте эффективный коэффициент теплопроводности изоляции, принимался постоянной по всему полю изоляции величиной.

4.' Разработан пакет программ,-peaлизующий решение математической модели для шести конструктивных вариантов теплоизоляции трубопроводов, включающий в себя непосредственно блок для решения задач теории поля МО, блок для решения задач лучистого теплообмена в замкнутой системе тел с вычислением угловых коэффициентов излучения с учетом затененности обменивающихся поверхностей, а тают блок для решешм задачи об охлаждении протяженного объекта.

Показано, что при решении подобных задач наиболее целесообразно использование граничных условий третьего рода. С целью повышения точности вычислегшй признано необходимым использование теории сопряженной аппроксимации. Сравнение реиений, полученных при помощи последней и без нее, дает расхождение в результатах порядко 9%. Проведенные численные эксперименты позволили установить, что для материалов, применяемых в многослойной экранпо-вакуумной изоляции значение временного шага при решении нестационарной задачи теплопроводности, определенного в соответствии с рекомендация?.« в литературе, не превышает 0,2 сек и может быть увеличено до I сек без .существенного влияния на конечные результаты расчетов.

■Полученные расчетные МКЗ результаты для сложных конструкций с композициями СБР 50-10, СВР 50-12, ЭВТИ 100-12, ЭВТИ 10030 качоственпо согласуются с данными ряда авторов.

5. По результатам проведенного в работе анализа разработан заливной криостат для лабораторных исследований объектов с малыми собственными тепловыделениями в интервале температур от 4,5 К до 300 К, принципиальное решение конструкции которого защищено авторским свидетельством. Проведенные тепловые расчеты крибстата позволили определить диаметр теплозащитного экрана - (150 + 155) мм. Расчетные потери хладагента составили величину (62+65) см3/ч. Действительное значение этой величины колебалось в интервале от 81 до 94 с^/ч для разных экземпляров криостата, что объясняется невозможностью учета при расчете технологических факторов сборки конструкции. Использование аккумулирования холода отходящих паров хладагента с последующим их использованием позволило улучшить характеристики криостата. Раздельное теплоизолирование объекта крио-

статирования и емкости с криоагентом делает эксплуатацию криостата удобной при многократной замене объекта исследования в процессе экспериментов.

6. Предложена математическая модель молекулярного теплообмена, основанная на подобии молекулярных и лучистых штоков энергии. Использование этой модели в совокупности с разработанной на основе МКЭ и алгебре лучистых потоков может расширить круг решаемых задач на область свободномолекулярного режима высоковакуумной изоляции.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Чуянов А.Г., Браиловский В.И., Бреусов А.К..Математическое моделирование процесса захолаживания криогенных- трубопроводов // Тезисы докладов. Вторая городская конференция аспирантов и соискателей. Энергетика, электромеханика и промышленная электроника. - Омск: 1990. - С. 3.

2. Чуянов А.Г., Браиловский В.И., Бреусов А.К. Метод решения задачи о захолакивании протяженных криогенных трубопроводов // Тепломассоперенос в системах холодильной техники. - Ленинград: 1990.- С. 18-22.

3. Чуянов А.Г., Бреусов А.К. Математическое моделирование теплообмена в изоляции криогенных систем // Тезисы докладов. Всесоюзная научно-техническая конференция. Холод - народному хозяйству.- Ленинград: 1991,- С. 153.

4. A.c. 1747825 СССР МНИ4 F'25 D 3/10. Криостат / А.К.Бреусов, Г.И.Гунько, Ю.П.Мелехин, А.Г.Чуянов // Открытия. Изобретения. 1992. * 26.

Подписано к печати 21.04.94. Формат 60x84 1/16. Бум. газетная. Печать офоетная. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 247. ■

Малое предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургского технологическо го института холодильной промышленности. 191002, Санкт-Петербург ул.Ломоносова,9