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 70^оК – 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 70^оК-транспортные емкости и газификаторы; регенераторы.

3. Оборудование, работающее при температурах ниже 70^оК 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 О₂ вероятность загорания  ниже, чем в случае газообразного О₂.

При контакте с жидком О₂ химически активные металлы – титан и его сплавы, Мд и его сплавы – при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться.

Условия применения металлов и сплавов в кислородном машиностроении

Материал	Давление О2, МПа
	Скорость потока ,м/с
	0	0,5	0,5
Стали углеродистые и легированные	0,64	0,64	0,64
Чугун	3,2	0,8	0,4
Нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т, 30Х13	16	4	2
Алюминиевые сплавы типа АМ,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:

_стали=7800 кг/м³;

_меди=8900 кг/м³;

_титана=4500 кг/м³;

_{алюминия}=2750 кг/м³;

_{воздуха} =1,29 кг/м³ при нормальных условиях

Удельная прочность – отношение прочности к плотности =  / 

В судостроении, в авиации , для изготовления транспорных емкостей для криожидкостей используют принцип необходимости минимизации массы – алюминий и его сплавы, титан и его сплавы имеют удельную прочность выше, чем сталь.

Б). Теплоемкость - С_р ( 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 - (Вт/м К )

 -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,  , как правило, падает, но для некоторых металлов  сначала растет, затем падает.

,Вт/м К

10⁴

10³

4

10² 3

2

10¹ 1

10⁰

10^-1

5 10 20 50 100 200 lg T,К

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 ,С_р ,  .

Г). Показатели термического расширения

Термическое расширение одно из наиболее важных свойств конструкционных материалов.

Два показателя термического расширения:

1). Объемный коэффициент термического расширения -_т

Для изотропных материалов _т=3_т

2).Линейный коэффициент термического расширения-_т (1/К)

_т-изменение длины на единицу изменения температуры, когда нагрузка на материал остается постоянной.

где , -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  _т.

С  Т ( от Т=300 К) _т резко падает ( 2-5 раз) и принимает очень низкие значения

При Т=300 К для основных металлов _т=(20-30) 10^-6 1/К.

При понижении температуры до азотных температур Т=77 К _т=(4-5)10^-6

Самый малый коэффициент _т 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

%

100

Cu Al

50

сталь

1960 1980 2000 годы

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.