Криогенных температурах

свойств при использовании жидкостного испаряющегося внутри проницаемой стенки охладителя: существенное повышение эффективности последнего за счет теплоты парообразования; малый удельный объем жидкостного охладителя; возможность достижения низких, в том числе криогенных температур. Такие свойства определяют и новые области применения этой системы.

Интенсификация теплообмена особенно необходима в криогенных системах, где только так можно свести к минимуму площадь наружных поверхностей тепло-обменной аппаратуры. Некоторые из разработанных ранее теплообменных устройств с пористым заполнителем внутри каналов или в межтрубном пространстве созданы специально для криогенных температур. Например, в теплообменнике (см. рис. 1.10, а) во избежание снижения его эффективности за счет продольной теплопроводности пористый материал выполнен не сплошным, а в виде последовательно расположенных отдельных вставок. Кроме того, с этой же целью в гелиевых проточных криостатах предложено использовать сетчатые металлические вставки с ярко выраженной анизотропией теплопроводности, у которых продольная теплопроводность значительно меньше поперечной.

Кроме обычных теплообменников, существуют различные устройства, работающие при криогенных температурах. В них для интенсификации теплообмена применяются пористые материалы. Известны конструкции сверхпроводящих линий электропередачи, в которых проницаемая матрица используется для охлаждения сверхпроводящих проводников.

Система пористого охлаждения приобретает ряд качественно новых свойств при использовании жидкостного охладителя, испаряющегося внутри проницаемой структуры: существенное повышение эффективности охладителя за счет теплоты парообразования; высокая интенсивность теплообмена при испарении внутри пористого материала; малый удельный объем жидкостного охладителя; возможность достижения низких, в том числе криогенных, температур.

Актуальность обеспечения высокой эксплуатационной надежности технологического оборудования обуславливается как специфическими особенностями, так и современными тенденциями их развития. К числу отличительных черт нефтеперерабатывающих и нефтегазохимических производств следует отнести широкое применение в технологических процессах повышенных и криогенных температур; высоких давлений и вакуума; коррозионных, огне- и взрывоопасных сред; токсичных веществ; сложные режимы нагружения технологического оборудования, включающие различные виды и сочетания механических тепловых и коррозионных нагрузок. Для большинства видов оборудования, используемого в технологических процессах, указанные факторы действуют одновременно и приводят к труднопрогнозируемым результатам. В особо неблагоприятных ситуациях это может привести к значительному экономическому ущербу, нарушению нор-

Одной из важнейших задач в комплексе проблем, связанных с развитием нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей России, является обеспечение высокой эксплуатационной надежности технологического оборудования. Важность этой задачи обусловлена как специфическими особенностями указанных отраслей, так и современными тенденциями их развития. К числу факторов, выделяющих нефтепереработку и нефтехимию из сферы промышленного производства, следует отнести широкое применение в технологических процессах повышенных и криогенных температур; высоких давлений и вакуума; коррозионных, огне- и взрывоопасных сред; сильнодействующих ядовитых веществ; сложные режимы нагружения технологического оборудования, включающие различные виды и сочетания силовых, тепловых и коррозионных нагрузок [1, 2]. Для большинства видов оборудования эти факторы действуют одновременно, приводя к проявлению системного эффекта эмерджентности. Стохастическая природа внешних воздействий и внутренних процессов, протекающих в конструкционных материалах, делает результаты такого проявления трудно прогнозируемыми. При неблагоприятном стечении обстоятельств это может привести к большому экономическому ущербу, нарушению нормальной экологической обстановки на значительных территориях, а в особо тяжелых случаях- к человеческим жертвам.

Шарикоподшипники, изготовленные из наполненного хаотично оринтированными графитированными волокнами полиимида, надежно работают при давлении до 28,5 МПа и имеют износостойкость при 50 и 315 °С соответственно в 7 и 1,5 раза большую, чем в случае ориентации графитовых волокон вдоль направления скольжения. Для работы в области криогенных температур применяют полиимиды, наполненные бронзой. Фирма "Баден" (США) разработала самосмазывающиеся шарикоподшипники, работоспособные в интервале температур -50-+260 °С при частоте вращения до 300 с~'. Сепаратор этих подшипников изготовляют из пористых полиимидных материалов SP-8 и SP-811. Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограничивает их использование в вакуумной технике, а также хрупкость, предъявляющая особые требования к технологии обработки деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую стоимость. Поэтому их применяют в основном для изготовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях.

Ниже приведены результаты исследований малоцикловой усталости в области криогенных температур некоторых наиболее перспективных титановых сплавов по данным В. А. Стрижало. В широком диапазоне температур кривые малоцикловой прочности и кривые предельных пластических деформаций подобны кривым при 20°С и имеют участки с одинаковым характером разрушения. На рис. 64, 65 приведены кривые

Как видно из табл. 17, у всех исследованных сплавов наблюдается существенное повышение статической и циклической прочности при понижении температуры испытания. Пластичность сплавов, особенно предельная, с понижением температуры снижается. Темп снижения предельной пластичности наиболее существен при температуре ниже -196°С. По характеру деформирования область криогенных температур можно условно разделить на две: 1-196)>20°С и ниже - 196°С.

Физические методы исследования, включая тепловую микроскопию, помогают раскрыть реальный смысл указанных структурных параметров и уточнить кинетические уравнения, определяющие их изменение. Наряду с микроструктурным изучением процессов пластической деформации и разрушения конструкционных металлических и других материалов в условиях высокотемпературного нагрева или охлаждения до криогенных температур тепловая микроскопия вносит большой вклад в разработку физи-

Физические методы исследования, включая тепловую микроскопию, помогают раскрыть реальный смысл указанных структурных параметров и уточнить кинетические уравнения, описывающие их изменение. Кроме того, тепловая микроскопия наряду с микроструктурным изучением процессов пластической деформации и разрушения конструкционных металлических и других материалов в условиях высокотемпературного нагрева или охлаждения до криогенных температур вносит большой вклад в разработку физических основ термической и других видов упрочняющей обработки металлов и сплавов. Вполне понятно, что для осуществления таких изысканий экспериментатор должен обладать достаточным арсеналом методов и средств непосредственного изучения строения и свойств металлических материалов в условиях высокотемпературного нагрева или глубокого охлаждения.

Старение при 480—520 °С повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость. Механические свойства после старения: ав == 1900-=-2100 МПа; стп 2 = 1800^-2000 МПа; б = 8-4-12 %; гз = = 40-4-60 %; а„ = 0,4-4-0,6 МДж/м2 и HRC 52. Сталь Н18К9М5Т имеет высокий предел упругости (сг1М)()2 --= 1500 МПа); из нее изготавливают пружины. При низких температурах прочностные свойства, как это обычно наблюдается в стали, возрастают, но при сохранении повышенной пластичности и вязкости. При —196 °С ав = = 2400 МПа, 6 = 9% и а„ — 3,0 МДж/м2. Это позволяет использовать их для работы при криогенных температурах.

Кроме обычных теплообменников, существуют различные устройства, работающие при криогенных температурах. В них для интенсификации теплообмена применяются пористые материалы. Известны конструкции сверхпроводящих линий электропередачи, в которых проницаемая матрица используется для охлаждения сверхпроводящих проводников.

Особенно значительная величина Х/ХТ может быть достигнута при криогенных температурах 5. ..40 К, когда теплопроводность особо чистых меди и алюминия увеличивается почти на порядок и достигает величины X ^ 4000 Вт/ (м • К) .

Металлы этой подгруппы очень хорошо проводят тепло и электричество. Тепло-, температуре- и электропроводность их при понижении температуры непрерывно увеличиваются, но при криогенных температурах К аномально уменьшается вследствие наличия примесей даже в незначительных количествах. С увеличением их концентрации ухудшение проводимости наступает при меньшем охлаждении. Высокочистые серебро, золото и медь после значительной холодной деформации разупроч-няются при незначительном нагревании, а при длительном хранении — даже при комнатной температуре.

Алюминий чистотой от 99,3 до 99,999 % обладает высокой пластичностью и при криогенных температурах вплоть до —272 °С; с повышением чистоты пластичность алюминия улучшается, прочность уменьша-

Таким образом, повышение предела текучести вольфрама при криогенных температурах вызывается наличием примесей, что и обусловливает хладноломкость вольфрама.

Большое влияние на пластичность и теплопроводность оказывают примеси. При снижении температуры растворимость примесей в металлах, как правило, уменьшается, поэтому роль примесей возрастает и оказывают влияние даже очень малые их концентрации. Это справедливо не только по отношению к механическим, но и к другим свойствам металлов. При криогенных температурах очистка от примесей особенно резко улучшает проводимость металлов. ' • • •

При криогенных температурах даже наличие"0,005 % (ат.) марганца понижало теплопроводность серебра в 10 раз.

Зависимость теплопроводности монокристаллов олова с осью образца вдоль направления [111] при криогенных температурах от его чистоты приведена ниже:

Вместе с тем и «типичные нехладноломкие» металлы могут при наличии даже небольшого количества примесей разрушаться по границам зерен при криогенных температурах. При этих температурах ничтожное содержание примесей, с трудом поддающееся количественному определению, резко влияет на теплопроводность и электропроводность металлов (на несколько порядков). Поэтому можно с полным основанием полагать, что' аналогичное влияние оказывают малые количества примесей и на пластичность, приводя к хладноломкости.

Высокая очистка выявила природную пластичность при криогенных температурах железа, молибдена, кадмия, тантала, ниобия, титана. ' • Критическое напряжение сдвига у загрязненных металлов 'существенно возрастает с понижением температуры; у высокочистых металлов этого не наблюдается. .-.-..•.•