Стаціонарне температурне поле в оболонках з одностороннім багатошаровим покриттям

Abstract

Запропоновано розрахункову модель для визначення стаціонарного розподілу температури в оболонці довільної форми з одностороннім багатошаровим покриттям. Отримано розв’язок задачі теплопровідності для оболонки з покриттям і закон зміни температури по товщині. Для оболонок обертання відповідну задачу розв’язано у безрозмірних величинах. Розглянуто оболонку з одностороннім багатошаровим покриттям, поверхні якої омиваються зовнішніми середовищами з різними температурами. Матеріали оболонки та покриттів мають різні теплофізичні характеристики. На контактних поверхнях оболонки і першого шару покриття та між шарами виконуються умови ідеального теплового контакту. На зовнішніх поверхнях системи оболонка- покриття відбувається теплообмін із середовищами за законом Ньютона. Як приклад, досліджено стаціонарне температурне поле в циліндричній оболонці з одностороннім чотиришаровим покриттям.

In the chemical industry and power engineering steel elements made as thin shells of revolution are widely used. Such constructions while in service may be exposed to power and heat loads, and the influence of different aggressive environments. For protection against high-temperature corrosion and thermal protection multi-layer coatings are applied. The difference between the coefficients of linear expansion of shell and coats creates a complex picture of the stress state, when the temperature changes. Thus, to obtain data on the performance of these structures with coatings it is important to examine the distribution of temperature field through the thickness. An arbitrary shell with unilateral multilayer coating, the surface of which is washed by the external environment with different temperatures is being examined. Materials of shell and coatings have different thermo-physical characteristics. On the contact surfaces of the shell and first layer and between layers the conditions of ideal thermal contact are being accepted. On the external surfaces of the shell and the coating there is a heat exchange with the external environment according to Newton's law. Mathematical model for the solution of stationary heat conduction problem for the shell with unilateral multilayer coating was obtained. This analytical solution is relatively simple and convenient for practical use. For the shells of revolution corresponding problem is solved in dimensionless terms. As an example, the stationary temperature field in a cylindrical shell with a unilateral four-layer coating, was investigated. Efficiency and sufficient accuracy of the results of this study were established by comparison with solutions of the same problem obtained by finite element method. Calculations allow to estimate the value of the maximum possible temperature of the shell and the coating with external thermal influences. It was found that the main parameters of influence on the contact temperature is the thermophysical characteristics of the coating. By the selection of them it is possible to achieve or intensify the of heat transfer through the coating or to increase the insulation ability.