Kriogeno ispitivanje

Posebno za skladištenje tečnog vodonika, sledeći aspekti igraju glavnu ulogu sa stanovišta ispitivanja materijala:

• Istraživanje statičkog, dinamičkog i mehaničkog ponašanja materijala uzrokovanog lomom u kriogenom opsegu i određivanje karakterističnih vrednosti potrebnih za projektovanje i verifikaciju odgovarajućih materijalnih struktura. Pošto je vodonik u određenim količinama eksplozivan u kontaktu sa kiseonikom i lom materijala može imati fatalne posledice, ponašanje pri zamoru ili mehaničko ponašanje pri lomu je posebno od značajnog interesa.
• Za H2 infrastrukturu, kompozitni materijal – za razliku od metala – često nije u direktnom kontaktu sa vodoničnim medijumom. Iz tog razloga, prilikom ispitivanja kompozita, rashladni medijum helijum, koji je daleko lakši za rukovanje, takođe se može koristiti za postizanje temperature ispitivanja od 20 K.
• U slučaju kompozitnih materijala, veoma različiti koeficijenti termičkog širenja vlakana i matrice u plastikama ojačanim vlaknima dovode do zamrznutih napona u materijalu tokom procesa proizvodnje. Mnogo veće temperaturne varijacije u primenama vodonične tehnologije dovode do jakih termomehaničkih naprezanja. Važno je precizno razumeti ovo ponašanje na stvarnim temperaturama, jer jake fluktuacije pritiska i temperature (npr. tokom punjenja gorivom) mogu izazvati mikropukotine u kompozitnom materijalu, što može negativno uticati na njegova mehanička svojstva i propustljivost.

U zavisnosti od radne temperature i primene, temperaturne komore i uranjajući kriostati se koriste za ispitivanje u kriogenom opsegu. Na osnovu tipa ili verzije ove kriogene opreme za ispitivanje, možete dostići temperature ispitivanja u kriogenom opsegu između 77 K i 130 K.

Pošto je cena helijuma znatno viša od cene azota, morate odmeriti troškove i koristi da biste odredili koji temperaturni opseg i koji rashladni medijum treba izabrati. Stvarne temperature se određuju aplikacijom.

Standardi za kriogena ispitivanja kompozita

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Ispitivanje zatezanjem
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Ispitivanje sabijanjem
• ISO 14129, ASTM D3518: Ispitivanje smicanja u ravni (IPS)
• ISO 14230, ASTM D2344: Interlaminarna čvrstoća na smicanje , ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Ispitivanje savijanjem
• EN 1465, ASTM D3164: Određivanje zatezne čvrstoće na smicanje lepljenih sklopova
• ASTM D7905: Interlaminarna žilavost loma, režim II
• ISO 13003, ASTM D3479: Ponašanje pri zamoru pod cikličnim opterećenjem zatezanjem
• ISO 13003 Aneks A: Ispitivanje zamora savijanjem

Standardi za kriogena ispitivanja metala

• ISO 6892-3: kriogeno ispitivanje zatezanja
• ASTM E1450: Standardna metoda ispitivanja za ispitivanje zatezanja strukturnih legura u tečnom helijumu

Postoje tri opcije za posebno efikasno skladištenje vodonika, što rezultira zahtevima za različite tipove posuda ili rezervoara, koji su odlučujući za izbor parametara ispitivanja.

• U tečnom stanju do 4 bara, u opsegu utečnjavanja vodonika na temperaturi od 20 K
• U opsegu pritiska od 250 ...700 bara na sobnoj temperaturi
• U opsegu pritiska od 500 ...1000 bara između 33 i 73 K

Tečni vodonik, posebno, predstavlja alternativu transportu vodonika u velikim količinama. Pored metala, kompoziti se često koriste u primenama tečnog vodonika. U poređenju sa metalima, oni nude značajnu prednost: malu težinu. Ovaj aspekt igra posebno važnu ulogu u vazduhoplovstvu ili automobilskoj industriji, kako bi se razvili veoma lagani rezervoari za vodonik. Zbog toga je primena tečnog vodonika na kriogenim temperaturama od posebnog interesa u vazduhoplovnom sektoru, na primer, zbog efikasnije gustine skladištenja. S druge strane, u automobilskom sektoru, industrija se sve više oslanja na kontejnere za skladištenje gasovitog vodonika pod visokim pritiskom.

Ispitivanje za određivanje karakterističnih vrednosti za projektovanje i ispitivanje kompozitnih/metalnih struktura na postrojenjima za utečnjavanje ili rezervoarima tečnog vodonika pod kriogenim uslovima su stoga neophodni za ispunjavanje bezbednosnih zahteva u najvećoj mogućoj meri i za razumevanje termomehaničkog naprezanja koje nastaje usled promena temperature u primenama tečnog vodonika. Ovo se dešava, na primer, tokom punjenja gorivom, zbog različitih koeficijenata termičkog širenja vlakana i matrice u kompozitnim materijalima.

ZwickRoell nudi tri kriogena ispitivača za mašine za statičko i dinamičko ispitivanje. Primenjuje se sledeći princip: Što je temperatura niža, to je mehanički napor složeniji.

Da bi se troškovi rashladne tečnosti održali na razumnom nivou i gradijent temperature preko metalnih prolaza održao što je moguće nižim, preporučujemo da se osigura da mase koje se hlade, kao što su čeljusti i prolazi, imaju što manju zapreminu materijala. Pored toga, maksimalno opterećenje pri ispitivanju treba da bude što je moguće niže. To je zato što, suprotno ispitivanju na sobnoj temperaturi, velikodušno odabrane dimenzije ne samo da dovode do visokih troškova, već utiču i na maksimalno dostižnu kriogenu temperaturu, kontrolu temperature i na kraju na pouzdanost i reproduktivnost rezultata ispitivanja.

Pravilo „samo koliko je potrebno“ je od posebnog značaja u ovom slučaju i mora se razmotriti počevši od faze planiranja projekta sistema. Kriogeni sistemi za ispitivanje u ponudi proizvoda kompanije ZwickRoell imaju maksimalno opterećenje od 100 kN.

Prilikom projektovanja kriogenog sistema za ispitivanje, sledeće tačke moraju biti posebno razmotrene:

• Odgovarajući izbor materijala za čeljusti
• Najmanja moguća zapremina u području niskih temperatura kako bi bila potrebna što manja količina rashladne tečnosti.
• Gubitak temperature izazvan šipkama umetnutim u rezervoar za hlađenje držite što je moguće nižim.
• Sprečite nakupljanje leda pomoću posebnih grejnih čaura.
• Zaštitite mašinu za ispitivanje od nakupljanja kondenzacije.
• Obezbedite poravnanje i mogućnost poravnanja opterećenja.
• Obezbedite mogućnost kalibracije sistema.
• Pravilan izbor ekstenziometra.
• Kompenzujte sile šantovanja upotrebom zaptivača.
• Kompenzujte termičko širenje.