Лекция 2 Материалы холодильной и криогенной техники

Холодильная и криогенная техника включает в себя оборудование для: 1. Получения; 2. Хранения; 3. Транспортирования; 4. Газификации. Криогенная техника предъявляет ряд специфических требований к материалам и требует учета особенностей, характерных для низкотемпературной области работы оборудования. В изделиях криогенной техники в зависимости от температурно-силовых условий можно выделить 3 типа конструкций: 1. Работающих при статическом нагружении и температурах выше 70оК - практически вся холодильная техника (стационарные емкости для хранения О2, N2, Ar,CH4; ректификационные колонны ВРУ; теплообменники; статически нагруженные трубопроводы; вакуумные камеры с азотными экранами). 2. Работающие при цикличном нагружении и температурах выше 70оК-транспортные емкости и газификаторы; регенераторы. 3. Оборудование, работающее при температурах ниже 70оК и требующее специальных условий эксплуатации- оборудование для гелиевых и водородных ожижителей; сосуды для жидкого водорода и гелия; оборудование для сверхпроводящих устройств.

Температурные уровни работы оборудования

1. Теплообменники (Т"300К®повышение 400-500К; рекуперативные 300К®понижение 77К-4 К-0К) 2. Регенераторы (теплообменники) -огромный перепад температур по высоте аппарата /КМ "Филипс"/; большое число выключений -до 2 млн.циклов за период эксплуатации 3. Адсорберы -сордция примесей из газа на твердом носителе (цеонит, силикагель) температура регенерации до 600К 4. Детандеры (поршневые и турбо-)-верхний предел 300К, нижний предел 10-15К; размер пары "поршень-цилиндр" h=70 мм,d=50-60 мм, зазор 10-20- мкм 5. Магистральные трубопроводы для жидких криопродуктов- металл подвергаются наиболее частому нагреву и охлаждению

Свойства материалов при низких температурах

1. Химическое воздействие рабочей среды Важнейшее условие возможности использования материала- совместимость с рабочей средой А) возможность коррозии: Кислород может контактировать с металлом в жидком и газообразном состоянии, причем при контакте с жидком O₂ вероятность загорания ? ниже, чем в случае газообразного O₂. При контакте с жидком O₂ химически активные металлы - титан и его сплавы, Мd и его сплавы - при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться. Условия применения металлов и сплавов в кислородном машиностроении

Материал	Давление O2, МПа
	Скорость потока ,м/с
	0	<0,5	>0,5
Стали углеродистые илегированные	0,64	0,64	0,64
Чугун	3,2	0,8	0,4
Нержавеющие стали типа12Х18Н10Т, 30Х13	16	4	2
Алюминиевые сплавы типаАМ,Амц,АД1	3,2	0,64	0,4
Медь, никель и сплавы на их основе	42	42	42

Б) Влияние водорода Н2: растворяется во многих металлах, вызывает охрупчивание сталей с ОЦ и К решетками и сплавов на основе титана. В) Взаимодействие фреонов с маслами поршневых компрессоров. 2. Физические свойства А) Плотность:

 r_стали=7800 кг/м3;

 r_меди=8900 кг/м3;

 r_титана=4500 кг/м3;

 r_{алюминия}=2750 кг/м3;

 r_{воздуха} =1,29 кг/м3 при нормальных условиях

Удельная прочность - отношение прочности к плотности = s / r В судостроении, в авиации , для изготовления транспортных емкостей для криожидкостей используют принцип необходимости минимизации массы - алюминий и его сплавы, титан и его сплавы имеют удельную прочность выше, чем сталь. Б) Теплоемкость - Ср ( Дж/г К ) Для всех металлов теплоемкость с понижением температуры падает на 1-2 порядка

Температура, К	Теплоемкость, Ср, Дж/г К
	12Х18Н10Т	Медь М1	Ал.сплав АМц	Тит.сплав ВТ1
300	0,47	0,380	0,879	0,52
100	0,262	0,260	0,490	0,295
20	0,0113	0,0075	0,0119	0,00712
10	-	0,0012	0,005	0,003

В) Теплопроводность - l (Вт/м К ) l - коэффициент теплопроводности - такое количество теплоты, которое передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки толщиной в единицу при разности температур между поверхностями стенки в 1 градус. Теплопроводность всех металлов сильно зависит от его чистоты, чем чище металл, тем выше его теплопроводность. С понижением температуры, l , как правило, падает, но для некоторых металлов l сначала растет, затем падает.

1 - нержавеющая сталь 18-8 2 - латунь 3 - холоднотянутый алюминий 4 - отожженная медь высокой чистоты Существенную роль при эксплуатации криогенного оборудования играет количество теплоты, которое необходимо отвести от объекта охлаждения ( т.е. при захолаживании объекта). Это особенно важно в том случае, когда велико число циклов нагрева и охлаждения. Q возрастает, С_р падает, l возрастает Г) Показатели термического расширения Термическое расширение одно из наиболее важных свойств конструкционных материалов. Два показателя термического расширения: 1) Объемный коэффициент термического расширения -ß_т

Для изотропных материалов ß_т=3a_т 2) Линейный коэффициент термического расширения-aт (1/К) -изменение длины на единицу изменения температуры, когда нагрузка на материал остается постоянной.

где l_т=l₀*(1+а_т+Т), l₀- длина образца при 0^оС, - длина образца при Т^оС. Изменение коэффициента теплового расширения с увеличением температуры можно объяснить на основе рассмотрения межмолекулярных сил взаимодействия в материале. С повышением температуры увеличивается энергия молекул и увеличивается пространство, занимаемое каждым атомом относительно соседних. Скорость увеличения этого среднего пространства повышается с повышением температуры ­ повышается a_т. С падает Т ( от Т=300 К) a_т резко падает ( 2-5 раз) и принимает очень низкие значения При Т=300 К для основных металлов a_т=(20-30) 10-6 1/К. При понижении температуры до азотных температур Т=77 К aт=(4-5)10-6 Самый малый коэффициент aт у инвара в широком диапазоне температур ( инвар- сплав железа с 30-50% никеля). Для компенсации длины трубопровода при охлаждении используют линзовые компенсаторы и сильфоны. 3. Технологические свойства: Литейность, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Количественная оценка этих свойств отсутствует. Все многообразие криогенного оборудования представляет собой сварные конструкции. Характеристики свариваемости делятся на 4 группы: 1.хорошая свариваемость- можно варить при комнатной температуре, нет ограничений по сварке; 2.удовлетворительная свариваемость - требуется нагрев свыше комнатной температуры;

3.ограниченная свариваемость - нагрев до 600 К; 4.неудовлетворительная свариваемость - необходим отжиг перед сваркой. 4. Экономические требования. Потребление металлических конструкционных материалов в криогенной технике

5. Механические свойства: пределы прочности, текучести, усталости С понижением температуры у стали, как правило, прочностные характеристики повышаются , снижаются показатели пластичности ( относительные удлинение и сужение) и ударная вязкость повышается хладноломкость. Хладноломкость - свойство некоторых металлов и сплавов переходить при понижении температуры к хрупкому разрушению без заметной пластической деформации. Материалы в ХКТ должны обладать хладноломкостью. Для углеродистых сталей

Для сталей аустенитного класса

Разрушение металла зависит от внутренних и внешних факторов. Внутренние факторы: · тип кристаллической решетки; · химический состав сплава; · металлургические условия получения металла; (влияет на зерно) · вид термообработки. (влияет на зерно) Хладноломкие материалы: 1.Металлы с кристаллической решеткой типа ОЦК ( объемноцентрированного куба) - стали на основе a-железа, вольфрам, хром, молибден ; 2.Некоторые металлы с ГП решеткой ( гексалокальной плотноупокованной)-цинк, кадмий Cd, Мn. Не склонны к хладноломкости: 1.Металлы с решеткой ГЦК ( гранецентрированного куба) -аустенитные стали на основе g-железа, медь, алюминий, никель . 2.Титан, хотя имеет ГП решетку. Размер зерна Измельчение зерна до 10-20 мкм существенно понижает критическую температуру охрупчивания (хрупкости). Для ферритных и ферритно-перлитных сталей для уменьшения размера зерна вводят карбидообразующие элементы - Cr, V, Ti, Tn (тантал). В аустенитной стали для стабилизации аустепита вводят повышенное содержание Ni и Mn. Термообработка сталей существенно понижает граничную температуру надежной работы (Т, до которой оборудование работает надежно). Углеродистые и легированные стали подвергают двойной термообработке: закалке и отпуску. Для легированных сталей температура нагрева под закалку выше, а охлаждение ведут обычно в масле.

Материал	Без термообработки	После улучшения
Сталь углеродистая качественная	-30^оС	-60^оС
Сталь 03Х13АГ19	-130^оС	-200^оС
Алюминиевый сплав АМr1	-253^оС	-269^оС
Титановый сплав ВТ1	-196^оЧС	-253^оС

Г- азот, А -алюминий. Внешние факторы 1. температура 2. тип концентратора напряжений 3. условия и скорость нагружения 4. характер окружающей среды 5. форма и размеры детали По хладостойкости конструкционные металлы и сплавы можно разделить на 5 групп: 1. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств при температуре климатического холода до 220К (-50оС). Это так называемые изделия " северного исполнения"- качественные углеродистые и низколегированные стали ферритно-перлитного и мартенситного классов с ОЦК решеткой (70-75%). 2. Удовлетворительные характеристики всех механических свойств до 170К Стали , сохраняющие вязкость и пластичность после термического улучшения, например, малоуглеродистые ферритные стали ( С до ,2%, легированные добавки - Ni, Cr, V, Mo). 3. Удовлетворительные характеристики всех мех. свойств до 77К . · Стали типа ОН9А · Большинство сплавов на основе Al, Cu, Ti , не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению · Высоколегированные стали марок 10Х14Г14Н4Т,07Х13Н4АГ20,03Х13АГ19 4. Температура ниже 77К - космическая техника, потребление Н2,Не,О2, экспериментальная физика: · Высоколегированные нержавеющие стали-12Х18Н10Т,ОХ25Н20,ОХ15Н25МТ2 · Некоторые бронзы · Никелевые ,алюминиевые сплавы, легированный магний · Некоторые сплавы титана на основе a-фазы 5. Конструкционные материалы специального назначения, работающие в широком диапазоне температур при нагреве и охлаждении до криотемператур с сохранением необходимых механических, электрических свойств-ОЗХ20М16АГ6 - 4К-870К; сплав 36НХ - 4К-500К.