Применение редкоземельных сплавов в регенераторах низкотемпературных систем охлаждения

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

Д. Т. Анкудинов, С. Г. Игнатова // Труды НИПИГОРМАША. — Свердловск, 1982.— С. 132 — 140.

4. Анкудинов, Д. Т. Оценка коэффициента неравномерности крутящего момента в пневмомоторе типа ДАР / Д. Т. Анкудинов, С. Г. Игнатова, М. Б. Таугер // Пневматика и гидравлика. — М. : Машиностроение, 1987. — Вып. 13. — С. 12 — 19.

5. Исследование динамических процессов в роторно-поршневой группе пневматического двигателя / Д. Т. Анкудинов [и др.] // Пневматика и гидравлика. — М. : Машиностроение, 1979. - Вып. 7. - С. 77-83.

КАБАКОВ Анатолий Никитович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» Омского государственного технического университета, член-корреспондент Академии технологических наук и действительный член Петровской академии наук и искусств, действительный член Международной академии холода.

КОРНЕЕВ Сергей Васильевич, доктор технических

наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Нефтехимические технологии и оборудование» Омского государственного технического университета, почетный академик Европейской академии естественных наук, лауреат медали им. Лейбница.

МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики Омского государственного технического университета, действительный член Академии инженерных наук.

СОРОКИН Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Основы теории механики автоматического управления» Омского государственного технического университета, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Волновая механика».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 10.02.2011 г.

© А. Н. Кабаков, С. В. Корнеев, Ю. К. Машков, В. Н. Сорокин

УДК 546.65 : 621.591 В. И. КАРАГУСОВ

А. А. ГЛАДЕНКО В. Д. ГАЛДИН А. В. БУБНОВ С. Н. ЛИТУНОВ

Омский государственный технический университет Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск

ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ СПЛАВОВ В РЕГЕНЕРАТОРАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ_________________________

Использование редкоземельных материалов в системах охлаждения позволяет значительно улучшить их характеристики. Предложенный метод расчета теплоемкости редкоземельных сплавов на основе экспериментальных данных теплоемкости чистых редкоземельных металлов позволяет расширить применение редкоземельных сплавов в низкотемпературных системах охлаждения. Ключевые слова: редкоземельные металлы, сплавы, регенератор, низкотемпературные системы охлаждения.

В низкотемпературной технике находят широкое применение системы охлаждения, работающие по циклам Стирлинга, Гиффорда-МакМагона, пульса-ционной трубы и другие, где в качестве теплоемких насадок регенеративных теплообменников применяются такие материалы, как медь, свинец, бронза и нержавеющая сталь. Недостатком этих материалов является малое значение теплоемкости при температурах ниже 60...80 К, что снижает эффективность криогенных систем на низких температурах криос-татирования.

Повысить эффективность микроохладителей Стирлинга [1] и Гиффорда-МакМагона [2] можно при помощи создания многослойных регенераторов, в которых материал низкотемпературной насадки каждого слоя выбираются таким образом, чтобы его теплоемкость при рабочей температуре слоя была максимальной.

В редкоземельных металлах, а также в их соединениях, сплавах и композитах вблизи температур магнитных фазовых переходов наблюдается аномальное увеличение теплоемкости, которая в определенных

Ср,

Дж/см3К

Рис. 1. Теплоемкость материалов для насадок регенераторов:

1 - Си; 2 - РЬ; 3 - Ег3М; 4 - ИоСи2; 5 - Ег; 6 - Но; 7 - ТЬ; 8 - Эу; 9 -

Т, К

Рис. 2. Теплоемкость Эу, ТЬ и их сплавов:

1 - Эу; 2 - ТЬ„рум; 3 - ТЬмСу„; 4 - ТЬ„Оум; 5 - ТЬ

диапазонах в несколько раз превышает теплоемкость традиционных материалов (рис. 1). Поэтому применение редкоземельных материалов (РЗМ) в регенераторах повышает эффективность, понижает энергопотребление и позволяет достичь гелиевых температур в двухступенчатых микрокриогенных системах без дроссельного контура [3].

В настоящее время известен довольно широкий спектр экспериментальных данных по теплоемкости РЗМ [4]. С другой стороны, в публикациях очень мало данных по теплоемкости сплавов редкоземельных металлов. Это связано с большим количеством возможных сплавов (сотни тысяч в зависимости от состава и соотношения компонентов), а также со слож-

ностью проведения измерений теплоемкости при низких температурах.

Необходимо отметить, что удельная теплоемкость сплавов редкоземельных металлов в определенных температурных диапазонах существенно превышает теплоемкость исходных чистых компонентов.

Поэтому необходим теоретический метод, позволяющий предсказывать с удовлетворительной точностью ожидаемые теплофизические свойства редкоземельных сплавов определенного состава при заданной температуре на основании характеристик исходных чистых металлов.

Целью работы является создание метода и программы определения в широком диапазоне низких

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

Т, К

Рис. 3. Теплоемкость Но, Эу и их сплавов:

1 - Но; 2 - Оуо 4Ноо|в; 3 - Оуо „Ноо 4; 4 - Оуо,,,^^ 5 - Оу

Т, К

Рис. 4. Теплоемкость Ег, Но и их сплавов:

1 - Ег; 2 - ЕГо,8Ноо,2; 3 - ЕГо,^; 4 - Е^Ноо,,; 5 - Но

температур теплоемкости сплавов с различным содержанием редкоземельных компонентов.

Существует шесть редкоземельных металлов, имеющих температуры магнитных фазовых переходов ниже окружающей среды: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. У этих металлов около температур Кюри и Нееля наблюдается экстремальное возрастание теплоемкости, соответствующее переходам из ферромагнитного в антиферромагнит-ное состояние (низкотемпературный фазовый переход) и из антиферромагнитного состояния в парамагнитное (высокотемпературный фазовый переход).

Известен метод определения магнитокалорического эффекта двухкомпонентных сплавов при темпе-

ратурах фазовых переходов с заданным процентным содержанием каждого компонента [5]. Экстремальные значения магнитокалорического эффекта и теплоемкости в РЗМ находятся при температурах магнитных фазовых переходов. Следовательно, этот метод может быть пригоден и для определения теплоемкости сплавов при температурах магнитных фазовых переходов и вблизи них.

Теплоемкость сплава при других температурах определялась способом интерполяции по известным теплоемкостям исходных компонентов. В результате был предложен способ аналитического решения задачи и разработана соответствующая программа расчета. После определения значений теплоемкости сплава, например, из базы данных [4], с помощью данного

метода проводилось сглаживание методом скользящей аппроксимации кубическими многочленами с весовыми коэффициентами. При этом среднеквадратичные отклонения расчетных значений теплоемкости от сглаженных составило около 0,21 %.

Для проверки корректности предложенного метода были проведены расчеты удельной объемной теплоемкости сплавов тербия и диспрозия (рис. 2). Были выбраны сплавы Tb02Dy08, Tb04Dy06, Tb06Dy04, для которых имеются экспериментальные данные Уральского государственного университета им А. М. Горького [6]. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показали, что их расхождение составило менее 10 %.

Разработанный метод был использован при выполнении расчетов теплоемкости сплавов диспрозия-гольмия (рис. 3) и эрбия-гольмия (рис. 4).

Таким образом, в результате проведенной работы были созданы и опробованы метод и программа расчета теплоемкости сплавов на основе редкоземельных металлов при различных температурах. Разработанный метод используется при расчетных и экспериментальных исследованиях систем охлаждения с РЗМ.

Библиографический список

1. Карагусов, В. И. Экспериментальное исследование редкоземельной насадки регенератора в ГКМ Стирлинга ХМ-25Б /

В. И. Карагусов // Криогенное оборудование и криогенные технологии. — Омск, 1997. — Вып. 1. Ч. 1. — С. 130 — 132.

2. Jevell C. I. Cryogenic activities at ESTEC // Cryogenics. 1989. V. 29. № 5. P. 535-539.

3. Карагусов, В. И. Оптимальные температурные диапазоны редкоземельных насадок регенераторов криоохладителей /

B. И. Карагусов, Е. Е. Карагусов // Криогенное оборудование и криогенные технологии. — Омск, 1997. — Вып. 1. Ч. I. —

C. 122 — 129.

4. Карагусова, Е. Е. Создание базы данных теплоемкостей редкоземельных материалов для микрокриогенных систем / Е. Е. Карагусов, В. И. Карагусов // Криогенное оборудование и криогенные технологии. — Омск, 1999. — Ч. 2. — С. 81—85.

5. Магнитокалорический эффект в редкоземельных металлах и сплавах: техническое применение / С. А. Никитин [и др.] // Тез. докл. XVI Всесоюзной конф. по физике магнитных явлений. — Тула, 1983. — С. 276 — 277.

6. Теплоемкость магнитных сплавов в системе ТЬ-Бу /

С. М. Толкачёв // Тез. докл. XIX Всесоюзн. конф. по физике магнитных явлений. — Ташкент, 1991. — Т. 3. — С. 34.

КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ. ГЛАДЕНКО Алексей Анатольевич, доктор технических наук, профессор(Россия), профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» ОмГТУ.

ГАЛДИН Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и коммунальное хозяйство» Сибирской автомобильно-дорожной академии, г. Омск. БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника» ОмГТУ. ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства» ОмГТУ.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 13.02.2012 г.

© В. И. Карагусов, А. А. Гладенко, В. Д. Галдин, А. В. Бубнов,

С. Н. Литунов

Книжная полка

Кафедра квантовой физики и наноэлектроники «МИЭТ» объявляет набор на обучение в магистратуру

Кафедра квантовой физики и наноэлектроники (КФН) факультета электроники и компьютерных технологий (ЭКТ) Национального исследовательского университета «МИЭТ» объявляет набор на магистерские программы по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».

«Зондовая микроскопия и нанотехнология»

Руководитель программы: д.ф-м.н., профессор кафедры КФН, руководитель НОЦ «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники В.К. Неволин. «Наногетероструктуры и приборы на их основе»

Руководитель программы: член-корр. РАН, д.ф.-м.н., заведующий кафедрой КФН, главный научный сотрудник ФИАН им. П.Н. Лебедева, лауреат премии Правительства РФ в области образования А.А. Горбацевич. Магистерские программы кафедры КФН направлены на подготовку высококвалифицированных кадров в области моделирования, проектирования, производства и исследования нового класса приборов электроники, базирующихся на квантоворазмерных и наноразмерных эффектах, необходимых для разработки и выпуска специализированной электронной компонентной базы.

Научно-образовательный процесс на кафедре КФН нацелен на подготовку специалистов, способных ориентироваться в новейших технологиях и передовых научно-технических достижениях в микро- и наноэлектронике, также он благоприятствует формированию целеустремленной и любознательной личности талантливого ученого.

Выпускники МИЭТа по направлениям наноэлектроники уже играют заметную роль как на российских предприятиях (Микрон, НИИФП, НТ-МДТ), так и в филиалах иностранных компаний (Freescale Semiconductor, Motorola, Cadence), успешно работают за рубежом (в Германии, США, Швейцарии, Италии и других странах). Для обучения по вышеуказанным программам приглашаются выпускники технических вузов со степенью бакалавра.

По всем вопросам обращаться по телефону: +7 (499) 720 — 87 — 09, e-mail: luna@qdn.ru, lunakfn1@rambler.ru Источник: Московский государственный институт электронной техники

Источник http://www.rsci.ru/innovations/company_news/231908.php (дата обращения: 12.04.2012).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ