Prove criogeniche
Le prove criogeniche (temperature inferiori a <120 K) sono particolarmente significative nel settore in rapida crescita della tecnologia dell'idrogeno. Hanno come obiettivo quello di identificare le caratteristiche del materiale e ottenere informazioni sul suo comportamento alle temperature estremamente basse in cui viene utilizzato. Per il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno liquido, questa temperatura di esercizio è di 20 K.
Oltre alle proprietà statiche pure sotto carichi di trazione, compressione o taglio a bassa temperatura, è interessante anche il comportamento a fatica o a frattura meccanica, poiché l'idrogeno a contatto con l'ossigeno è esplosivo anche in piccole quantità e un cedimento del materiale potrebbe portare a conseguenze fatali.
Per i metodi di prova che includono prove di trazione criogenica, prove di fatica o prove d'impatto, ZwickRoell offre le seguenti opzioni:
Raffreddamento con camere climatiche Raffreddamento con criostati a immersione Raffreddamento con criostati a flusso continuo Prove d’impatto criogenica Sistemi criogenici correlati
Obiettivo della prova criogenica
Per lo stoccaggio dell'idrogeno liquido, in particolare, gli aspetti che seguono svolgono un ruolo importante dal punto di vista delle prove materiali:
- L'indagine del comportamento statico, dinamico e meccanico a frattura dei materiali nell'intervallo criogenico e la determinazione dei valori caratteristici necessari per la progettazione e la verifica delle strutture dei materiali corrispondenti. Poiché in determinate quantità l'idrogeno è esplosivo a contatto con l'ossigeno e il cedimento del materiale potrebbe avere conseguenze fatali, il comportamento a fatica o il comportamento meccanico a frattura in particolare sono di particolare interesse.
- Nelle infrastrutture H2, il materiale composito - a differenza dei metalli - entra raramente in contatto diretto con il mezzo idrogeno. Per questo motivo, quando si testano i compositi, per raggiungere la temperatura di prova di 20 K si può utilizzare anche l’elio come mezzo di raffreddamento, in quanto molto meno complesso da gestire.
- Nel caso dei materiali compositi, i coefficienti di espansione termica molto diversi delle fibre e della matrice nelle plastiche rinforzate con fibre portano a tensioni da congelamento nel materiale durante il processo di produzione. Le variazioni di temperatura molto più elevate nelle applicazioni della tecnologia dell'idrogeno comportano forti sollecitazioni termomeccaniche. È importante avere una conoscenza precisa di questo comportamento a temperature reali, poiché le forti fluttuazioni di pressione e temperatura (ad esempio durante il rifornimento) possono causare microfratture nel materiale composito, influendo negativamente sulle proprietà meccaniche e sulla permeabilità.
Per eseguire test nell'intervallo criogenico, si utilizzano camere climatiche, criostati a flusso continuo o criostati a immersione, a seconda della temperatura operativa e dell'applicazione. In base al tipo o alla versione di questi strumenti, è possibile raggiungere temperature di prova nell'intervallo criogenico comprese tra 20 K e 130 K.
Poiché il costo dell'elio è notevolmente superiore a quello dell'azoto, è necessario soppesare i costi e i benefici per determinare quale intervallo di temperatura e quale mezzo di raffreddamento scegliere. Le temperature effettive sono determinate dall'applicazione.
Normative per metodi di prova criogenici
Normative per test criogenici sui compositi
- ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Prove di trazione
- ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Prove di compressione
- ISO 14129, ASTM D3518 Prove di taglio in piano (IPS)
- ISO 14230, ASTM D2344 Interlaminar shear strength , ILSS
- ISO 14125, ASTM D7264 Prove di flessione
- EN 1465, ASTM D3164: Determinazione della resistenza al taglio a sovrapposizione di assemblaggi a substrati incollati
- ASTM D7905: Tenacità alla frattura interlaminare Modo II
- ISO 13003, ASTM D3479 Comportamento a fatica sotto carico ciclico di trazione
- ISO 13003 Allegato A: Prove di fatica a flessione
Normative per test criogenici sui metalli
- ISO 6892-3: prove di trazione criogeniche
- ASTM E1450: Metodo per prove standard per test di trazione su leghe strutturali in elio liquido
Stoccaggio dell’idrogeno
Esistono tre opzioni per uno stoccaggio particolarmente efficace dell'idrogeno, che comportano la necessità di diversi tipi di serbatoi o recipienti e sono quindi determinanti per la scelta dei parametri di prova.
- Allo stato liquido fino a 4 bar, nell'intervallo di liquefazione dell'idrogeno a una temperatura di 20 K
- In un intervallo di pressione di 250 ...700 bar a temperatura ambiente
- In un intervallo di pressione di 500 ...1000 bar tra 33 e 73 K
L'idrogeno liquido, in particolare, costituisce un'alternativa per il trasporto di idrogeno in grandi quantità. Oltre ai metalli, nelle applicazioni con idrogeno liquido vengono spesso utilizzati anche i materiali compositi i quali offrono un vantaggio significativo: la leggerezza. Questo fattore ha un significato particolarmente importante nelle applicazioni aerospaziali o automobilistiche, per sviluppare serbatoi di idrogeno molto leggeri. Nel settore automobilistico, invece, l'industria si affida sempre più ai serbatoi per lo stoccaggio dell'idrogeno gassoso ad alte pressioni.
I test per la determinazione dei valori caratteristici richiesti per la progettazione e il collaudo delle strutture in composito/metallo su impianti di idrogeno o nei serbatoi di idrogeno liquido in condizioni criogeniche sono quindi essenziali per soddisfare i requisiti di sicurezza nella massima misura possibile e per comprendere le sollecitazioni termomeccaniche che derivano dalle variazioni di temperatura nelle applicazioni con idrogeno liquido. Ciò accade, ad esempio, durante il rifornimento, a causa dei diversi coefficienti di espansione termica delle fibre e della matrice nei materiali compositi.
Raffreddamento con camera climatica
Le camere climatiche sono ideali per test ad alte temperature e a basse temperature fino a circa -170 °C. In questo caso, la bassa temperatura dipende dal volume raffreddato nella camera e dal volume delle barre di prova che scorrono all’interno della camera dall’alto e dal basso.
Raffreddamento con un criostato a immersione di azoto
Con i criostati a immersione di azoto, il campione di materiale viene immerso in un bagno di azoto. La temperatura di prova dei criostati a immersione è ridotta alla temperatura dell'azoto liquido. I campioni, insieme agli afferraggi, vengono guidati nel criostato a immersione dall'alto mediante un dispositivo autonomo. Al termine della prova, l'azoto viene normalmente svuotato o evapora nell'atmosfera.
Raffreddamento con azoto ed elio in un criostato a flusso continuo
I criostati a flusso continuo di azoto ed elio vengono utilizzati in un intervallo di temperatura ambiente fino a basse temperature di circa 20 K, a seconda del mezzo di raffreddamento. In questo caso, è fondamentale mantenere il volume e i corpi che si estendono nel criostato al minimo indispensabile. La regola empirica è: minore è il volume (metallico) che sporge dal criostato a flusso continuo, minori sono le temperature che si possono raggiungere.
Per ragioni di efficienza, i criostati a flusso continuo vengono pre-raffreddati con azoto. Una volta raggiunta la temperatura più bassa possibile, l'azoto viene raffreddato con elio da un contenitore Dewar fino a raggiungere la temperatura finale di circa 10 K-20 K (-253 °C). Il mezzo ambiente intorno al campione è sempre l'elio. Per ridurre i costi, è possibile catturare e recuperare il gas e comprimerlo o ri-liquidarlo.
Una versione particolare del criostato a flusso continuo ZwickRoell può funzionare anche con l'idrogeno. In questo caso, l'idrogeno è il mezzo ambientale intorno al campione. A condizione che vengano adottate le opportune precauzioni di sicurezza per la manipolazione dell'idrogeno, il criostato a flusso continuo ZwickRoell richiede solo alcune modifiche tecniche.
I criostati a immersione pura per il funzionamento con elio liquido non fanno parte della gamma di prodotti ZwickRoell.
Pendolo a impatto criogenico con raffreddamento a elio
Se l'idrogeno entra in contatto con l'ossigeno, in determinate quantità può essere esplosivo. Il cedimento dei materiali dei componenti che trasportano idrogeno avrebbe conseguenze fatali. Pertanto, le proprietà di resistenza di un materiale, oltre alle proprietà meccaniche e al comportamento meccanico a fatica e a frattura, sono di grande interesse nella ricerca sui materiali.
Il pendolo a impatto criogenico è utilizzato per la determinazione delle proprietà di resistenza in condizioni criogeniche. Con l'ausilio di uno speciale dispositivo di raffreddamento, un provino Charpy viene raffreddato fino a raggiungere una temperatura di 20 K. Viene quindi eseguita una prova Charpy tradizionale su un provino metallico estremamente freddo, in conformità alla norma DIN EN ISO 148-1.
Un pendolo per prove strumentate misura la forza durante l'impatto, fornisce dati sulle sollecitazioni e sulle deformazioni e informazioni sui parametri di tenacità della meccanica della frattura. Quindi, è possibile determinare la modalità di rottura e non solo l'energia di rottura.
Uso con macchine di prova statiche e dinamiche
ZwickRoell offre i tre dispositivi criogenici sia per le macchine di prova materiali per test statici che per le macchine di prova materiali per test dinamici. Si applica il seguente principio: Più bassa è la temperatura, più complesso è lo sforzo meccanico.
Per contenere i costi del refrigerante e mantenere il gradiente di temperatura sulle barre metalliche il più basso possibile, è necessario assicurarsi che le masse da raffreddare, come afferraggi e barre, abbiano il volume di materiale più basso possibile. Inoltre, il carico massimo di prova deve essere il più basso possibile. Questo perché, contrariamente alle prove a temperatura ambiente, le dimensioni scelte in modo generoso non solo comportano costi elevati, ma influiscono anche sulla temperatura criogenica massima raggiungibile, sul controllo della temperatura e, in ultima analisi, sull'affidabilità e sulla riproducibilità dei risultati delle prove.
La regola "solo il necessario" è particolarmente importante in questo caso e deve essere presa in considerazione fin dalla fase di progettazione del sistema. I sistemi criogenici della gamma di prodotti ZwickRoell hanno un carico massimo di 100 kN.
Quando si progetta un sistema di prova criogenico, è necessario tenere in particolare considerazione i seguenti punti:
- Scelta corretta del materiale degli afferraggi.
- Il volume più basso possibile nella zona a bassa temperatura, in modo da richiedere la minore quantità possibile di refrigerante.
- Limitare il più possibile le perdite di temperatura causate dalle barre inserite nel serbatoio di raffreddamento.
- Prevenire l'accumulo di ghiaccio con speciali guaine riscaldanti.
- Proteggere la macchina di prova dall'accumulo di condensa.
- Assicurare l'allineamento e la capacità di allineamento della linea di carico.
- Assicurare la capacità di taratura del sistema.
- Selezione corretta dell'estensimetro.
- Compensare le deviazioni di forza con l'uso di guarnizioni.
- Compensare l'espansione termica.
FAQ
La criogenia è la tecnologia utilizzata per generare temperature ultrabasse. Le temperature di 120 K (-153 °C) o inferiori sono considerate nella gamma criogenica.
Le prove sui materiali in condizioni criogeniche forniscono le caratteristiche dei materiali a temperature estremamente basse. Questa tecnologia viene utilizzata in diversi settori per studiare il comportamento dei materiali a temperature operative reali. La criogenia è utilizzata per testare i materiali di compositi, metalli, applicazioni aerospaziali, automobilistiche e di stoccaggio dell'energia (idrogeno).
Le temperature criogeniche sono 120 K ( - 153 °C) e inferiori. Queste temperature sono normalmente espresse in Kelvin.
Il raffreddamento criogenico viene utilizzato per generare temperature estremamente basse. Il più delle volte si ottiene utilizzando gas liquidi come l'azoto o l'elio.