Материал: Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов

УДК 66.02: 66-973: 66-987

РАСЧЕТ СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

А.А. Гребенников

ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Кафедра физики и химии

Вработе выполнен конструктивный расчет сосуда высокого давления, работающего со средой жидкого или газообразного водорода при температуре до 15 К и давлении до 300 атм. Выбор конструкционного материала (КМ) для его изготовления обусловлен условиями эксплуатации: так как сосуд должен выдерживать давление 300 атм. при 15 К, то КМ должен обладать повышенной пластичностью при низких температурах (НТ). В большинстве случаев для изготовления сосудов и аппаратов, работающих при НТ, используют сталь 12Х18Н10Т. Однако, как отмечают авторы [1], для сосудов и аппаратов, работающих при высоких давлениях и НТ предпочтительнее использовать железо-никелевый сплав ХН40МДТЮ. В этой связи для изготовления сосуда был выбран сплав ХН40МДТЮ.

Конструктивный расчет сосуда выполнен на основе методик прочностных расчетов, разработанных институтами НИИХиммаш и приведенных в [2].

Вкачестве исходных данных для расчета были выбраны размеры внутренней полости сосуда – ее диаметр и высота должны составлять по 100 мм. Форма обечайки выбрана стандартная – цилиндрическая. Днища выбрано круглое, такая форма позволяет избежать концентрации давления, создаваемого средой, в местах соединения днища и обечайки и равномерно распределить его по всему объему днища.

Сцелью улучшения герметичности фланцевого соединения в сосуде предусмотрена обтюрация. В качестве прокладки используется проволока из свинца диаметром 2 мм.

Плоская фланцевая крышка соединяется с сосудом восемью шпильками М10×1. Толщина крышки составила 35 мм. Такая толщина обусловлена наличием в ней 5 технологических отверстий диаметром 16 мм (3

шт.), 12 мм, 6 мм.

Полученные по результатам расчета параметры сосуда приведены на рисунке.

Схема сосуда высокого давления

Литература

1.Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – Л.: «Машиностроение», 1970. – 752 с.

2.Исследование физико-механических свойств конструкционных материалов в газовых средах, содержащих изотопы водорода / Ю.А. Хабаров, А.В. Базунов, И.Е. Бойцов и др. // Journal of the Moscow Physical Society. – 1999. – N3. – V. 9. – P. 237-243.

31

УДК 621.59:621.643

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В СТАЦИОНАРНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

А.В. Сергеев, аспирант, О.В. Калядин

Кафедра физики твердого тела

Особенности хранения криогенных продуктов в резервуарах связаны с изменением их параметров вследствие теплопритока из окружающей среды, приводящего к испарению и потере продуктов, если паровое пространство сосудов сообщается с атмосферой, или к увеличению внутренней энергии и, следовательно, давления и температуры при хранении в закрытых сосудах. Последний способ является весьма перспективным способом хранения, поскольку исключает натекание во внутренние полости резервуара воздуха, загрязнение и потери продукта. Однако в этом случае необходимо иметь возможность оценки скорости роста температуры и давления в закрытом сосуде.

В связи с наличием значительного количества параметров, влияющих на процесс, теоретическое рассмотрение реального процесса представляет значительные трудности. Поэтому при разработке представленной модели был введен ряд допущений, вполне правомерных в рассматриваемой физической ситуации: температура стенок емкости и жидкости в ней одинакова во всех точках; жидкость и пар находятся в состоянии термодинамического равновесия; параметры пара в газовом объеме емкости подчиняются зависимостям справедливым для идеального газа; удельный объем жидкости пренебрежимо мал по сравнению с удельным объемом пара; процесс течения газа по дренажному трубопроводу ввиду его малой длины считается изотермическим. Принятые допущения позволили получить систему уравнений, описывающую процесс длительного хранения криогенной жидкости.

В основу расчетной системы были положены: закон состояния идеального газа, уравнения энергетического и материального баланса емкости, уравнение КлайперонаКлаузиуса, уравнение массообмена на границе жидкость-пар, уравнение изотермического течения дренируемого газа через трубопровод газосброса. Замыкая ее интеполяционными зависимостями , , , законом открытия дренажного клапана и решая численно можно рассчитать параметры жидкости и пара в емкости при длительном хранении в каждый момент времени и определить массовые потери криопродукта.

На рисунке для примера показана расчетная кривая, отражающая изменение массы жидкого водорода в резервуаре объемом 22 м3, при абсолютном давлении хранения от 0,13 до 0,15 МПа и температуре порядка 21,3 К. Начальная масса жидкости составляла 880 кг, за сутки она уменьшилась на 44,2 кг. Полученные результаты хорошо согласуется с экспериментальными данными по потерям жидкого водорода (48,7 кг).

32

УДК 538.945

НЕОБРАТИМЫЕ ПОТЕРИ В СЛУЧАЕ СИЛЬНОГО И СЛАБОГО СКИН-ЭФФЕКТА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

С.М. Уколова, магистрант гр. НТм-151, А.В. Сергеев, аспирант, И.М. Голев, О.В. Калядин

Кафедра физики твердого тела

Для исследований были использованы образцы сверхпроводящей иттриевой кера-

мики состава Y-Ba-Cu-O, полученные по MTG (Melt-Texture-Growth) технологии.

Измерялись зависимости напряжения третьей гармоники U3(T) сигнала отклика в диапазоне температур 82÷100 К при воздействии переменного магнитного поля с частотой

102÷104 Гц и амплитудой 10-4÷10-2 Тл. Известно, что диссипация энергии Q*

и амплитуда третьей гармоники функционально связаны [1]. Из температурной зависимости удельного электросопротивления ρ(Т) и напряжения амплитуды третьей гармоники U3(T) видно, что при температурах ниже сверхпроводящего перехода (ρ=0), наблюдается максимум на кривой U3(T), свидетельствующий о наличии потерь. Тепловая мощность потерь Q*, приходящихся на единичную высоту h0 =1 м цилиндра, равна среднему по времени потоку энергии электромаг-

нитного поля через боковую поверхность Sб :

(1)

где Еφ – напряженность электрического поля, Hz – магнитного поле, направленное вдоль главной оси симметрии цилиндра, R – радиус образца, J0(ζR) – функция Бесселя первого рода нулевого порядка, J1(ζR) – функция Бесселя первого рода первого порядка, δ – толщина скин-слоя.

При воздействии на сверхпроводник переменного магнитного поля с циклической частотой ω возникает скин-слой, толщиной δ. Различают два случая – случай слабого скин-эффекта (R<<δ) и случай сильного скин-эффекта (R>>δ). В первом случае, тепловая мощность, рассеиваемая в образце за период T =2π/ω пропорциональна квадрату частоты ω и составляет:

(2)

В случае сильного скин-эффекта рассеиваемая мощность растет с частотой пропорциональна и равна:

(3)

Приведенные выше формулы описывают величину необратимых джоулевых потерь, возникающих при охлаждении сверхпроводника ниже температуры сверхпроводящего перехода.

Литература 1. Голев И.М. Нелинейный свойства гранул и межгранулярной среды высокотемператур-

ных сверхпроводников системы Bi-Sr-Ca-Cu-O./ И.М. Голев, А.В. Сергеев, В.Г. Кадменский, О.В. Калядин // Вестник Воронежского государственного технического университе-

та. 2015. – Т.11. – № 5. – С. 129-135.

33

УДК 621.315.57:537.312.62

СИСТЕМА СВЕРХПРОВОДНИК – НОРМАЛЬНЫЙ МЕТАЛЛ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

И. М. Шушлебин

Кафедра физики твердого тела

Внутреннее трение – обобщающее название всех возможных механизмов диссипации упругой энергии (при отсутствии внешнего трения) [1]. Традиционно исследования внутреннего трения Q 1направлены на изучение совершающего колебания материала. В этом случае принято говорить о его внутреннем трении.

Определенный интерес представляет исследование иного плана, когда совершающий колебания объект (с известными характеристиками внутреннего трения в зависимости от внешних параметров) является своего рода зондом. Речь идет о составных системах, в которых физические процессы в неподвижной части оказывают индукционное влияние на механическое движение подвижной, что часто встречается в технике.

Рассмотрим результаты экспериментов в магнитном поле, когда медная пластина совершает колебания вблизи (порядка 10 микрон) сверхпроводящего ниобиевого цилиндра. Влияние сверхпроводника на затухание колебаний медной пластины показано на рисунке: 1 – нормальное состояние Nb цилиндра, Т = 15 К, 2 – СП состояние, Т = 6.5 К, частота колебаний медной пластины 900 Гц.

Малое влияние поля на затухание колебаний медной пластины в нормальном состоянии ниобиевого цилиндра (кривая 1) согласуется с данными контрольного эксперимента, когда подвижная и неподвижная части выполнены из меди. Перевод ниобия в сверхпроводящее состояние (кривая 2) повлек появление существенного вклада в затухание колебаний. Вертикальным пунктиром на рисунке показано значение поля B*c1, при котором по данным измерения намагничивания ниобия наблюдается начало проникновения вихрей Абрикосова в объем СП 2. Представляемое кривой 2 избыточное затухание

определяется полевой зависимостью градиента индукции. Действительно, согласно представлениям о проникновении вихрей в объем сверхпроводника в условиях существования поверхностного барьера [2] они зарождаются у поверхности, где и удерживаются до достижения величины поля перегрева. При этом формируется значительный градиент индукции, по достижению поля перегрева вихри входят в объем и градиент уменьшается. Можно также отметить, что при в области полей Be < B*c1 имеет место финитное движение вихрей в приповерхностном слое, а с ростом поля вихри преодолевают барьер, распределяются по объему сверхпроводника и взаимодействуют с центрами пиннинга. Это позволят считать B*c1 полем перегрева (начала проникновения в объем), но в таком случае, в окрестности B*c1 должен существовать градиент индукции и у поверхности сверхпроводника.

Литература

1.Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.

2.Brito A.S., Zerweck G. de Lima O.F. High critical flux density gradients near the surface of superconducting niobium//J. of Low Temp. Phys. – 1979. - 36, 1/2. – p. 33 – 46.

34

УДК 678.027

ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОНОГО МАТЕРИАЛА ТИПА СИАЛ-2-1

Н.В. Животенко, студент гр. КП-121

Кафедра физики твердого тела

Быстрое развитие аэрокосмической промышленности во всем мире, начиная с 1950-х годов, создало потребность в новых материалах для появившихся высокотехнологичных изделий, так как многие требования, предъявляемые к традиционным материалам (металлическим сплавам), не могли быть достигнуты. Требовались легкие, устойчивые к высоким температурам материалы, которые обладали бы при этом высокими механическими характеристиками и могли быть использованы в космическом пространстве. Это привело к созданию металлополимерных композиционных материалов и, в частности, слоистых алюмостеклопластиков (СИАЛ). Поэтому весьма актуальными являются исследования прочностных свойств СИАЛ, чему и посвящена настоящая работа.

Композит типа СИАЛ-2-1 был получен методом автоклавного формования и представляет собой пятислойную композицию, в которой тонкие (0,3 мм) неплакированные листы Al-Li сплава марки 1441 в закаленном и искусственно состаренном состоянии Т11 чередуются с клеевым препрегом стеклопластика марки КМКС-2.120.T60.

Испытания на растяжение проводились в соответствии со стандартом ASTM D3039 на десяти образцах композита, которые имели форму пластин с размерами 10х250х1,5 мм Пять образцов с номерами от 1 до 5 содержали 70 % стеклянных волокон в направлении 0° и 30 % стеклянных волокон в направлении 90°. Другие пять образцовсномерами от 6 до 10 содержали 30 % стеклянных волокон в направлении 0° и 70 % стеклянных волокон в направлении 90°.

Диаграммы напряжение-деформация при растяжении СИАЛ-2-1 вдоль направления 0° и вдоль направления 90° имеют вид, характерный для малопластичных материалов. Об этом свидетельствуют величины относительного удлинения при разрушении, которые составляли 5-6 %. Значение модуля упругости при растяжении вдоль направления 0° – 64,9 ГПа, а вдоль направления 90° – 61,8 ГПа. Характер разрушения образцов СИАЛ-2-1 при растяжении является хрупко-пластическим, такое разрушение СИАЛ-2-1 происходит в отсутствие заметных деформаций, чему есть несколько причин. Во-первых, в отличие от традиционных алюминиевых сплавов, сплавы системы Al-Li, содержащие больше 2 % массовых единиц Li (сплав 1441T11), при холодной деформации (растяжение) имеют низкую пластичность, поэтому в процессе эксперимента заметного роста пластических деформаций не наблюдается. Во-вторых, применяемый клей ВК-36 имеет достаточную адгезионную прочность, позволяющую материалу сопротивляться расслоению и перераспределять внутренние напряжения между слоями стеклопластика до момента разрушения. При достижении предела текучести 270 МПа в образцах 1-5 и 250 МПа в образцах 6-10 листы сплава 1441 начинают пластически деформироваться, способствуя снижению адгезионной прочности и расслоению СИАЛ-2-1. Слои стеклопластика продолжают воспринимать напряжения. Достигая предела прочности 700 МПа в образцах 1-5 и 500 МПа в образцах 6-10, стеклопластик начинает лопаться, и внешнее напряжение начинает перераспределяться между оставшимися волокнами и алюминиевыми листами. Происходит разрушение материала. Направление развития трещины почти строго перпендикулярно направлению приложения нагрузки. Малый разброс экспериментальных данных от образца к образцу говорит о стабильности прочностных свойств испытуемого СИАЛ-2-1.

Эксперимент показал, что СИАЛ-2-1 обладают более высокими прочностными свойствами по сравнению с прочностными свойствами обычных металлических сплавов (например, у дуралюминов предел прочности при растяжении принимает значения до 450 МПа), что делает СИАЛы привлекательными для использования вместо металлических сплавов, особенно когда критична прочность и экономия веса изделия.

35