Kriyojenik test yöntemleri

Malzeme testi açısından, sıvı hidrojen depolamada aşağıdaki hususlar özellikle önemli bir rol oynar:

• Kriyojenik alandaki statik, dinamik ve kırılma-mekanik malzeme davranışının incelenmesi ve karşılık gelen malzeme yapılarının tasarımı ve doğrulanması için gerekli karakteristik değerlerin belirlenmesi. Hidrojen, belirli miktarlarda oksijenle temas halinde patlayıcı olduğundan ve malzeme arızası ölümcül sonuçlara yol açabileceğinden, yorulma davranışı ve kırılma-mekanik davranışı özellikle ilgi çekicidir.
• H2 altyapısında, kompozit malzeme - metallerin aksine - genellikle orta hidrojen ile doğrudan temas halinde değildir. Bu nedenle, kullanımı çok daha az karmaşık olan soğutma ortamı helyum, kompozitleri 20 K test sıcaklığına ulaşmak için test ederken de kullanılabilir.
• Kompozit malzemeler söz konusu olduğunda, lif takviyeli plastiklerdeki lif ve matrisin çok farklı termal genleşme katsayıları, üretim sürecinde malzemede donmuş gerilimlere yol açar. Hidrojen teknolojisindeki uygulamalarda çok daha büyük sıcaklık farkları nedeniyle, güçlü termo-mekanik yükler vardır. Güçlü basınç ve sıcaklık dalgalanmaları (örneğin yakıt ikmali sırasında) kompozit malzemede mekanik özellikler ve geçirgenlik üzerinde olumsuz etkisi olan mikro çatlaklara neden olabileceğinden, bu davranışın gerçek sıcaklıklarda anlaşılması gerekir.

Çalışma sıcaklığına ve uygulamaya bağlı olarak, kriyojenik alanda test yapmak için ısı kabinleri, akış kriyostatları ve daldırma kriyostatları kullanılır. Tasarıma bağlı olarak, bu test ekipmanıyla 20 K ile 130 K arasındaki kriyojenik aralıktaki test sıcaklıklarına ulaşılabilir.

Helyum maliyetleri nitrojen maliyetlerinden önemli ölçüde yüksek olduğundan, hangi sıcaklık aralığını ve hangi soğutma ortamını seçeceğinize ilişkin maliyet ve faydaları tartmak her zaman bir meseledir. Test sıcaklıklarının kendisi uygulama tarafından belirlenir.

Kompozitlerde kriyojen testi için standartlar

• ISO 527-4, ISO 527-5, ASTM D3039: Çekme testleri
• ISO 14126, ASTM D3410, ASTM D6641, ASTM D695: Basma testi
• ISO 14129, ASTM D3518: Katman seviyesinde kesme, IPS
• ISO 14230, ASTM D2344: İnteraminar kesme mukavemeti , ILSS
• ISO 14125, ASTM D7264: Eğme testleri
• EN 1465, ASTM D3164: Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies
• ASTM D7905: Interlaminar Fracture Toughness Mode II
• ISO 13003, ASTM D3479: Çekme yorulma testi
• ISO 13003 Annex A: Eğme ve yorulma testi

Metallerin kriyojenik testi için standartlar

• ISO 6892-3: Düşük sıcaklıklarda çekme testi
• ASTM E1450: Sıvı helyumda yapısal çelikler üzerinde stres testi için test yöntemi

Özellikle etkili hidrojen depolaması için, seçilecek test parametreleri için belirleyici olan farklı tank türleri için gerekliliklerle sonuçlanan üç seçenek vardır.

• 20 K'da hidrojenin sıvılaştırılması aralığında 4 bar'a kadar sıvı halde
• Oda sıcaklığında 250 ila 700 bar basınç aralığında
• 500 ... 1000 bar basınç aralığında 33 ile 73 K arasında

Özellikle sıvı hidrojen, büyük miktarlarda hidrojenin taşınması için bir alternatifi temsil eder. Metale ek olarak, sıvı hidrojen uygulamalarında sıklıkla kompozitler kullanılır. Metallerle karşılaştırıldığında bunların önemli bir avantajı vardır: düşük ağırlıkları. Bu özellik, çok hafif hidrojen tankları geliştirmek için havacılık ve otomotiv uygulamalarında önemli bir rol oynar. Örneğin havacılık sektöründe, örneğin daha verimli depolama yoğunluğu nedeniyle, kriyojenik sıcaklıklarda sıvı hidrojen uygulamaları ilgi çekicidir. Öte yandan otomotiv sektöründe, endüstri, gaz halindeki hidrojeni yüksek basınçlarda depolamak için konteynerlere giderek daha fazla güveniyor.

Bu nedenle, kriptojenik koşullar altında sıvılaştırma tesislerinde veya sıvı hidrojen tanklarında Kompozit/Metal yapıların tasarımı ve test edilmesi için karakteristik değerleri belirlemek için yapılan testler, güvenlik gereksinimlerini en iyi şekilde karşılamak ve sıvı hidrojen uygulamalarında sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan termomekanik stresi anlamak için gereklidir. Bu, örneğin yakıt doldururken, kompozit malzemelerdeki liflerin ve matrisin farklı termal genleşme katsayıları nedeniyle olur.

ZwickRoell, hem ZwickRoell, hem statik test cihazları hem de dinamik test cihazları için belirtilen üç kriyojenik test sistemini sunmaktadır. Bu ilke geçerlidir: Sıcaklık ne kadar düşük olursa, mekanik çaba o kadar karmaşık olur.

Örneğin soğutma sıvısı maliyetlerinin yönetilebilir kalması ve metalik geçişler üzerinde mümkün olan en düşük sıcaklık gradyanını elde etmek için, soğutulacak kütlelerin – örneğin numune tutucuları ve geçişler – mümkün olan en düşük malzeme hacmine sahip olmasına dikkat edilmesi önerilir. Ek olarak, maksimum test kuvveti mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Oda sıcaklığında yapılan testlerin aksine, cömertçe seçilen boyutlar yalnızca yüksek maliyetlerle sonuçlanmakla kalmaz, aynı zamanda elde edilebilecek maksimum en düşük sıcaklığı, sıcaklık kontrol edilebilirliğini ve nihai olarak güvenilir ve tekrarlanabilir test sonuçlarını da etkiler.

Kural: "Gerektiği kadar" bu durumda özellikle önemlidir ve sistemin projelendirme aşaması kadar erken bir aşamada özel olarak dikkate alınmalıdır. ZwickRoell ürün portföyündeki düşük sıcaklık test sistemlerinin maksimum yükü 100 kN'dir.

Bir düşük sıcaklık test sistemi tasarlarken, aşağıdaki noktalara özel olarak dikkat edilmelidir:

• Çeneler için doğru malzeme seçimi
• Düşük sıcaklık aralığında mümkün olan en küçük hacim, böylece mümkün olduğunca az soğutma sıvısı gerekir.
• Soğutma tankına yerleştirilen çubuklardan kaynaklanan sıcaklık kayıplarını mümkün olduğunca düşük tutun.
• Özel ısıtma manşonları ile buzlanmayı önleyin.
• Test cihazını yoğuşmaya karşı koruyun.
• Yük hattının hizalanmasını ve hizalanmasını sağlamak.
• Sistemin kalibre edilebilirliğini sağlayın.
• Doğru ekstansometre seçimi.
• Güç kesintilerini contalarla telafi edin.
• Termal genleşmeyi telafi edin.