戴一飛，宋廣全，譚萬(wàn)將

（無(wú)錫德林防務(wù)裝備股份有限公司，江蘇無(wú)錫）

0 引言

深海環(huán)境下研究微生物繁殖、擴(kuò)散和補(bǔ)充機(jī)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(shí)際應(yīng)用中，由于生物取樣器內(nèi)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(huì)隨著水深變化，2 000 m內(nèi)水的溫差即可達(dá)25～30℃，樣本處于和原所處環(huán)境溫差較大的水中，可能會(huì)導(dǎo)致樣本的死亡，而無(wú)法保證生物的研究特性。針對(duì)取樣器只能短暫保溫的不足，設(shè)計(jì)了一種用于水下1 800 m，內(nèi)容積為0.5 m3，可進(jìn)行0～10℃精確控溫，且長(zhǎng)時(shí)間停留水下的保溫裝置。

1 保溫裝置性能、結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)計(jì)也采用球形艙設(shè)計(jì)?？紤]到海水使用環(huán)境以及要承受較大壓強(qiáng)，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(jié)構(gòu)如圖1所示：裝置分為內(nèi)外兩個(gè)殼體，內(nèi)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(wú)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(wú)石棉芳綸墊片密封；外殼內(nèi)壁用橡塑絕熱保溫板作保溫層。采用半導(dǎo)體制冷片作為環(huán)境控制設(shè)備，集中安裝在內(nèi)外殼體之間，受用軸流風(fēng)機(jī)作為空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，避免冷空氣集中，導(dǎo)致內(nèi)殼體內(nèi)部受熱不均勻，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)和控制。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體制冷片的冷端為內(nèi)外球殼中間的空氣降溫，進(jìn)而用內(nèi)外球殼中間的冷空氣作為冷媒，恒定內(nèi)球殼中的水的溫度。制冷片的熱端固定在外球殼的內(nèi)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(dòng)，相對(duì)移動(dòng)的水流經(jīng)過(guò)散熱片帶走熱量。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 內(nèi)殼體強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)0.5 m3的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出內(nèi)殼內(nèi)直徑為1 000 mm；內(nèi)殼體是內(nèi)壓容器，裝置需要深入水下1 800 m深度，可以計(jì)算得出殼體受到的壓力為18 MPa，根據(jù)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(qiáng)度Rm≥895 MPa；規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2≥830 MPa，故選擇許用應(yīng)力為298.3 MPa.焊接系數(shù)取1[3]。

厚度計(jì)算公式如下：

式中，δ：球殼計(jì)厚度，mm；Pc：計(jì)算壓力，MPa；Di：球殼內(nèi)徑，mm；［σ］t：材料許用應(yīng)力，MPa；Φ：焊縫系數(shù)。

球殼厚度計(jì)算：δ≈17.05 mm，考慮到板材的負(fù)偏差和腐蝕裕量，取厚度為20 mm。

復(fù)驗(yàn)板厚：

設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力

結(jié)果為：255 MPa，＜ 298.3 MPa.

最大允許工作壓力

式中，δθ：球殼計(jì)算厚度，mm；［Pw］t：最大允許工作壓力，MPa。

結(jié)果為：23.396 MPa，＞20 MPa。故厚度為20 mm合格。

2.2 外殼體強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)設(shè)備搭載空間尺寸為邊長(zhǎng)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(nèi)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(nèi)壓容器的強(qiáng)度破壞，而是失穩(wěn)破壞。當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到臨界值時(shí)，容器就會(huì)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(yīng)力水平大大低于材料屈服強(qiáng)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(duì)殼體厚度進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)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(jié)構(gòu)沿XY平面和XY平面是對(duì)稱的，下面的分析采用1/4模型，減小計(jì)算量。

表1 材料特性

在施加外壓18 MPa的情況下其結(jié)果如圖2所示。

圖2 外壓球體應(yīng)力圖

應(yīng)力線性化結(jié)果如圖3所示。

圖3 沿壁厚方向的應(yīng)力線性化的一條路徑

厚度26 mm，線性化結(jié)果中一次薄膜應(yīng)力MEMB RANE為293.4 MPa，小于許用應(yīng)力298.3 MPa，合格?？紤]到板材的負(fù)偏差和腐蝕裕量，取厚度為28 mm。

2.3 復(fù)核整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

內(nèi)容器內(nèi)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(duì)稱面施加對(duì)稱約束，接管端面軸向約束。如圖4、圖5所示。

圖4 整體應(yīng)力云圖

圖5 整體位移趨勢(shì)云圖（變形擴(kuò)大30倍）

由應(yīng)力云圖可知，滿足強(qiáng)度要求，最高應(yīng)力點(diǎn)在內(nèi)容器夾層支撐處。這是由于內(nèi)容器受內(nèi)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(nèi)容器壁厚大，剛度強(qiáng)，所以最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)容器上。若想進(jìn)一步降低最大應(yīng)力，可適當(dāng)降低夾層支撐板厚度，以降低其剛度，通過(guò)變形釋放部分應(yīng)力[5-7]。

復(fù)核計(jì)算得出內(nèi)殼體厚度20 mm，外殼體厚度28 mm，滿足要求。

3 熱輻射和傳導(dǎo)計(jì)算

為了能達(dá)到制冷控溫的效果，需要對(duì)熱輻射以及傳導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而選擇合適的半導(dǎo)體制冷片和風(fēng)機(jī)。

3.1 外部環(huán)境熱輻射計(jì)算

外部環(huán)境水的溫度將熱量通過(guò)外部殼體、絕熱材料傳遞至內(nèi)部空氣。

即計(jì)算最大熱導(dǎo)量=外球殼熱導(dǎo)量+保溫棉熱導(dǎo)量+內(nèi)外球殼空氣熱導(dǎo)量。其中空氣因熱阻較低，導(dǎo)熱量不列入計(jì)算。

假設(shè)存放的時(shí)間能完全將外球殼、保溫棉以及內(nèi)、外殼體中的空氣從10℃加熱至30℃.為避免熱輻射導(dǎo)致內(nèi)部溫度上升，制冷片的功率等于熱輻射功率。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，在穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，導(dǎo)熱速率不隨時(shí)間變化，傳熱面積和導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；A：傳熱面積，m2；Δt：溫差，K；b：介質(zhì)厚度，m；Q1：克服熱輻射的制冷量，W。

因處于球體內(nèi)外，可看做多層平面壁結(jié)構(gòu)。多層平面壁結(jié)構(gòu)公式可推導(dǎo)如下：

其中：R=b/（λ·A）；R：熱阻，K/W。

已知TC4導(dǎo)熱系數(shù)7.955 W/m·k，外殼體厚度0.028 m；隔熱棉導(dǎo)熱系列0.034 W/m·k，根據(jù)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(jù)代入公式，計(jì)算Q為0.712 kW。

3.2 內(nèi)殼體熱量計(jì)算

裝置內(nèi)殼體、殼體內(nèi)部的水以及內(nèi)外殼體中的空氣在2h內(nèi)從10℃降到0℃所需的冷量計(jì)算（空氣因質(zhì)量太小，不列入計(jì)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(zhì)量，kg；Δt：溫差，℃；t：時(shí)間，s。

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

根據(jù)代入公式，計(jì)算可知：W=22.848×103kJ；Q2=3.17 kW。

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

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

3.3 風(fēng)機(jī)發(fā)熱量計(jì)算

熱轉(zhuǎn)換方程如下：

式中，H：熱轉(zhuǎn)換量；Cp：空氣比熱；W：流動(dòng)空氣重量；Δt：溫差。

代入空氣密度和比熱后，可得到簡(jiǎn)化散熱方程式如下：

式中，Q：風(fēng)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(jì)算得出Q=21 m3/min。

查找廠家樣本ADDA風(fēng)機(jī)AS14024HB2519B00，電壓24 V，電流1.5 A，風(fēng)量316.9 CFM（約9 m3/min），因風(fēng)機(jī)發(fā)熱功率不恒定，此處將風(fēng)機(jī)當(dāng)成全功率發(fā)熱組件計(jì)算，計(jì)算得出需要4臺(tái)風(fēng)機(jī)散熱。

總制冷量公式如下：

式中，Q電氣：風(fēng)機(jī)發(fā)熱功率，W。

Q總=3.882 kW+0.144 kW=4.026 kW

4 結(jié)論

（1）本文根據(jù)GB150-2011計(jì)算了內(nèi)壓球體并通過(guò)有限分析的方法計(jì)算出外壓球體，并用有限元的方法復(fù)核了整個(gè)殼體的強(qiáng)度，得知由于內(nèi)容器受內(nèi)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(nèi)容器壁厚大，剛度強(qiáng)，所以最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)殼體上。根據(jù)結(jié)果將優(yōu)化內(nèi)外殼體的連接板厚度或者連接板的數(shù)量。

（2）根據(jù)熱量計(jì)算可知實(shí)現(xiàn)此設(shè)備的保溫所需功率相對(duì)不是很大，但對(duì)外殼體的保溫是裝置制造的重要工藝，在后續(xù)工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)保溫的工藝研究和測(cè)試。