Например, Бобцов

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ ЕГО ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 621.373.526

Е. В. ЛАПОВОК, С. И. ХАНКОВ
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУР ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ ЕГО ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Приведено аналитическое описание нестационарных температур изотермического объекта выпуклой формы при его нагреве собственным источником тепловыделений в среде с постоянной температурой и обоснована невозможность аналитического описания процесса охлаждения.

Ключевые слова: лучистый теплообмен, нагрев, охлаждение, безразмерные параметры, аналитическое описание.

Введение. Известно, что процесс лучистого теплообмена является существенно нели-

нейным и только при установлении стационарного теплового режима может характеризо-

ваться определенным значением коэффициента лучистого теплообмена [1—3]. Для неста-

ционарного теплового режима возможность линеаризации уравнений лучистого теплообмена

ограничена зависимостью коэффициента теплообмена от температуры. Актуальность полу-

чения аналитического решения с оценкой его погрешности определяется потребностями

практики. Особо можно выделить проблемы исследований основных закономерностей фор-

мирования тепловых режимов космических объектов [4] и базируемых на космических аппа-

ратах приборов [5, 6]. Для этих объектов теплообмен с внешней средой осуществляется ис-

ключительно излучением.

Цель исследований, описываемых в настоящей статье, — получение аналитических

формул для расчетов нестационарных температур изотермических объектов и установление

границ применимости формул, выявление условий различия или равенства темпов и скоростей

нагрева и охлаждения, а также разработка методик оценки общей длительности переходных

тепловых режимов объектов, находящихся в условиях теплообмена только излучением.

Математическая модель лучистого теплообмена. Рассмотрим объект из материала с

высокой теплопроводностью, нагреваемый однородным источником тепловыделений посто-

янной мощности в окружающей среде с постоянной температурой. Уравнение нестационар-

ного теплообмена объекта при отсутствии иных, кроме лучистых, механизмов теплообмена

(конвекции и кондукции) имеет вид

( )сγV

dT dτ

+ εσS

T 4 −Tс4р

=P,

(1)

где с — удельная теплоемкость материала объекта, Дж/кг⋅К; γ — его плотность, кг/м3; V —

объем объекта, м3; S — площадь поверхности объекта, м2; ε — приведенная степень черноты;

σ — постоянная Стефана — Больцмана, Вт/м2⋅К4; Т — температура объекта, К; Тср — темпе-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3

Аналитическое описание нестационарных температур изотермического объекта

57

ратура окружающей среды, К; τ — время процесса нагрева или охлаждения; Р — мощность

источников тепла (объемных или поверхностных), Вт.

Приведем уравнение (1) к безразмерному виду, считая, что среда абсолютно черная (как

космическое пространство):

dθ dt

+

θ4

=1+

θ0

;

(2)

T θ = Tср

;

θ0

=

P qS

;

q = εσTс4р ;

t = M τ;

M

=

q cγLTср

;

L

=

V S

,

где θ — относительная температура объекта; t — безразмерное время; q — имеет размерность удельного поверхностного потока, Вт/м2; М — имеет размерность темпа, с–1, [1]; L —
характерный размер объекта, м.
Максимальная температура Tm объекта, соответствующая стационарному значению при включенных источниках тепла, определяется из уравнения (2) как

Тm = θmTср , θm = 4 1+ θ0 .

(3)

Представим уравнение (2) в виде

dU dt

+ ΩU

=

θ0 ;

(4)

U

=

θ −1 =

T − Tср Tср

,

( )Ω

=

θ4 −1 θ −1

=



+ 1)(θ2

+ 1)

=

(U

+

2)

U 2 + 2U + 2

.

В случае малых перегревов, когда Т – Тср