МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УО "ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. П.О. СУХОГО" Кафедра "Материаловедение в машиностроении" Техническое задание на тему: «Сосуд Дьюара» Выполнил студент гр. ТТ-31: Дорошко Н.Ю. Проверил преподаватель: Шишков С.В. Гомель 2022 1 Введение Настоящее техническое задание распространяется на разработку сосуда, предназначенного для хранения веществ при повышенной или пониженной температуре (сосуд Дьюара). Данная ёмкость может быть использована как в быту в качестве термоса, так и в медицине и промышленности для долгосрочного хранения органов и криожидкостей соответственно. Также в промышленности применяются гелиевые сосуды Дьюара, необходимые для хранения и транспортировки жидкого гелия. В данном задании будет рассмотрен сосуд Дьюара для хранения генетических материалов в среде жидкого азота. Ёмкость используется в основном в сельском хозяйстве для, но также может применяться в медицине, биологии и косметологии. Шифр рассматриваемого изделия «ТТ-31.02.2022». Техническое задание на ОКР «ТТ-31.02.2022» 1. Наименование и шифр работы 1.1 Наименование ОКР ⸻ «Разработать проект сельскохозяйственного сосуда Дьюара и создать его 3D-модель», шифр «ТТ-31.02.2022». 2. Основание для выполнения ОКР 2.1 Настоящая работа выполняется на основании программы технического университета «Разработать проект сельскохозяйственного сосуда Дьюара и создать его 3D-модель». 2.2 Университет – ГГТУ имени П.О. Сухого. 3. Источником выполнения ОКР является патент от 16.02.1998, патентообладатель Акционерное общество «Гелиймаш», 4. Сроки выполнения 4.1 Начало и окончание выполнения ОКР – 10.09.2022 г. – 20.12.2022 г. 5. Студент-исполнитель ОКР 5.1 Студент-исполнитель ОКР – студент механико-технологического факультета – Дорошко Н.Ю. 2 6. Преподаватель-заказчик 6.1 Преподаватель-заказчик – Шишков С.В. 7. Цель, задачи, назначение ОКР 7.1 Целью работы является создание опытных образцов сельскохозяйственного сосуда Дьюара для хранения и транспортировки биологических материалов животных. 8. Основные требования 8.1 Сосуд Дьюара должен удовлетворять требованиям настоящего ТЗ. 8.2 При выполнении ОКР рекомендуется использовать следующие нормативные документы: 8.3 Конструкторская документация должна соответствовать требованиям ЕСКД. 9. Состав изделия 9.1 Состав сосуда приведен в таблице 1. Таблица 1 Наименование Кол-во 1. Вакуумированная полость 1 2. Теплоизоляция 1 3. Адсорбент 1 4. Наружный сосуд 1 5. Внутренний сосуд 1 Назначение Примечание Предназначена для чаДолжна выдерживать стичного устранения теплопередачи конвек- давление в 133∙ 10 Па цией Должна поддерживать Сводит к минимуму температуру до -193⸰С в приток теплоты из области расположения окружающей среды канистр Необходимо использоПоддержание глубование твердых порикого вакуума в вакуустых минеральных или мированной полости углеродных веществ Крепление корпусных Должен выдерживать и составляющих детакрайнее давление вакулей самого сосуда ума в 0,1 МПа Дьюара Предназначен для заДолжен выдерживать лива в него криогентемпературу криогенной жидкости (в осной жидкости до -196⸰С новном азот) 3 6. Горловина 7. Крышка 8. Трубка для вакуумирования 9. Канистра 1 1 Предназначена для залива через неё криогенной жидкости и внедрения канистр, а также для предотвращения испарения жидкости Позволяет плотно закрывать горловину сосуда (но не герметично) Должна выдерживать температуры до -196⸰С, также быть без трещин Должна иметь возможность крепления пенопластового цилиндра 1 Предназначена для откачивания газов из межстенной полости 6 Предназначена для непосредственного хранения генетичеДолжна быть полноского материала сель- стью герметична скохозяйственных животных 10. Технические требования и параметры 10.1 Требования к конструкции 10.1.1 Сосуды должны изготавливаться в соответствии с требованиями настоящего стандарта по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке. 10.1.2 Внутренний сосуд и наружный кожух сосуда Дьюара должны изготавливаться из алюминиевого сплава по ГОСТ 4784 – 2019, горловина из стали по ГОСТ 5632 – 2014. 10.1.3 Сосуд должен изготавливаться с жесткой горловиной высотой 180 – 220 мм. 10.1.4 Овальность цилиндрической части наружного кожуха сосуда не должна превышать 3 мм. 10.1.5 Сварные швы сосудов по ГОСТ 14806 – 80. 4 10.1.6 На внутренний сосуд должен быть нанесен ленточный двухслойный изоляционный материал. Толщина изоляционного слоя на цилиндрической части сосуда должна быть не менее 35 мм. 10.1.7 Число склеек изоляционного материала при его обрыве не должна быть более 10 на сосуд. 10.1.8 Адсорбционная камера должна быть заполнена отрегенерированным адсорбентом для поддержания вакуума. 10.1.9 Внутренний и наружный сосуды должны быть герметичны. Межстенное пространство должно быть откачано до давления 133∙ 10 Па. 10.1.10 Поверхности сосуда, соприкасающиеся с криогенной жидкостью, должны быть обезжирены. 10.1.11 Наружная поверхность сосуда должна быть окрашена серебристой или белой эмалью. 10.1.12 В конструкции сосуда должны быть предусмотрены захваты для крепления канистр со стеклопластиковыми ручками. 10.1.13 Масса порожнего сосуда не должна превышать 20 кг. 10.2 Технические параметры 10.2.1 Вместимость сосуда, не менее – 35 л. 10.2.2 Потеря жидкого азота от испарения с канистрами – 5,6 г/ч. 10.2.3 Время полного испарения азота, не менее 210 суток. 10.2.4 Габаритные размеры сосуда: диаметр внешнего сосуда – 516 мм; диаметр внутреннего сосуда – 400 мм; высота – 752 мм; диаметр горловины, не более – 58 мм; высота горловины, не более – 220 мм. 10.2.5 Габаритные размеры канистры: высота – 190 мм; внутренний диаметр – 45 мм; длина ручки 488 мм. 5 Рисунок 1. Схема сосуда Дьюара Рисунок 2. 3D-модель сосуда Дьюара 6 10.3 Требования к надежности Материалы, из которых изготавливается сосуд должны быть пластичными с одной стороны и прочными с другой. Обладать высокой ударной вязкостью и высокой устойчивостью к перепадам температур. 10.4 Принцип работы Сосуд Дьюара представляет собой два резервуара из нержавеющей стали или алюминия, один из которых размещен в другом. Между ними расположены надежные перемычки из пластика или нержавейки. Внутренние поверхности тщательно полируют. Малую емкость покрывают теплоизоляционным слоем. Горловина, соединяющая резервуары, выполнена из нержавеющей стали, но иногда ее заменяют армированным пластиком. Давление в вакуумной полости между емкостями доводят до 10-2 Па через специальную трубку. Постоянная температура жидкости внутри такого сосуда поддерживается пассивным способом, благодаря высокой теплоизоляции. Это дает большое преимущество по сравнению с термо- или криостатами. 10.5 Конструктивные требования 10.5.1 Сосуд Дьюара должен оснащаться подставкой для устойчивого размещения и перевозки по причине выпуклости нижнего основания. Внутренний сосуд необходимо изготавливать из нержавеющих сталей марок 12Х18Н9Т, 10Х14Г14Н4Т и др., алюминиевые сплавы марок АМг3, АМг5, АМг6, АМц в соответствии с ГОСТ 5632-2014 и ГОСТ 4784 – 2019. Эти материалы сохраняют достаточную ударную вязкость при низких температурах. 10.5.2 Наружный сосуд изготавливают из углеродистой стали 09Г2С или из алюминиевых сплавов. 10.5.3 Для поддержания сосуда с криогенной жидкостью в кожухе применяется система подвесок и опор. 10.5.4 Подвесы выполняют в виде стержней. Для снижения величины теплопритока из окружающей среды к криогенной жидкости, а, значит, и 7 уменьшения количества испаряющейся жидкости, стержни изготавливают из нержавеющей стали 12Х18Н9Т или композиционных теплоизоляционных материалов. 10.5.5 Пространство между стенками заполняется теплоизоляционным материалом, имеющим низкий коэффициент теплопроводности. В качестве теплоизоляционного материала применяют вакуумно-порошковую или экранно-вакуумную изоляцию. Для углубления вакуума в карман, укрепленный на днище внутреннего сосуда, засыпается адсорбент – цеолит. 10.5.6 Сосуд также должен быть оснащен трубкой для вакуумирования выполненный из алюминиевых сплавов и имеющий герметичный клапан. 10.6 Условия эксплуатации 10.6.1 Сосуд Дьюара должен храниться и использоваться в помещениях, оборудованных принудительной вентиляцией. Работая с жидким азотом, необходимо, чтобы концентрация кислорода в воздухе помещения была не ниже 18–20%. 10.6.2 Не следует плотно закрывать емкость, поскольку газ должен иметь выход через горловину, иначе скапливающиеся в сосуде пары азота могут привести к повреждению сосуда или даже к взрыву. Стандартная крышка выполнена с учетом этого. 10.6.3 Нельзя ронять или ударять сосуд. В случае его повреждения, может нарушиться вакуум, азот будет интенсивно испаряться. Появление наледи на внешних поверхностях сосуда свидетельствует о его повреждении. В этом случае необходимо обратиться в сервисный центр. 10.6.4 Нельзя слишком резко погружать в наполненный сосуд какие-либо предметы, это может привести к образованию брызг или к кипению жидкого азота. Нельзя погружаемыми предметами касаться внутреннего сосуда. 10.6.5 Сосуд Дьюара следует регулярно дезинфицировать. 10.7 Требования безопасности 8 10.7.1 При заполнении сосуда жидким азотом обслуживающий персонал должен иметь одежду, полностью закрывающую поверхность тела. Необходимо пользоваться рукавицами ГОСТ 12.4.010, очками ГОСТ 12.4.013 или щитком из оргстекла. Следует избегать прикосновения оголенных поверхностей тела к металлическим деталям, охлажденным жидким азотом. 10.7.2 Помещение, где проводятся работы с жидким азотом, должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией. При заполнении сосудов не допускается перелив жидкого азота через горловину на пол. 10.7.3 Горловину сосуда следует закрывать только штатной вставкой, имеющей каналы для сброса паров азота из сосуда. 10.7.4 Во избежание повышенной испаряемости азота, не рекомендуется располагать сосуды вблизи отопительных приборов или на прямом солнечном свету. 10.7.5 При появлении на поверхности крышки сосуда инея или «снеговой шубы», слой которого увеличивается по мере испарения азота, что является признаком потери вакуума в изоляционной полости сосуда, необходимо немедленно переложить запасы биоматериала в исправный сосуд, затем слить жидкий азот и поставить дефектный сосуд на отогрев в течение двух суток в помещение с ограниченным доступом людей. 10.7.6 Указанные меры необходимы для предотвращения возможного разрушения сосуда за счет выделения газов при отогреве адсорбента. 10.8 Требование к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению 10.8.1 На кожухе сосуда должна быть прикреплена табличка по ГОСТ 12964 – 80 и ГОСТ 12971 – 67, с указанием: товарного знака предприятия изготовителя; клейма ОТК; условного обозначения сосуда; 9 вместимости; массы порожнего сосуда; даты выпуска; Шрифт надписей по ГОСТ 26.020 – 80. 10.8.2 Крепление таблички к сосуду должно осуществляться точечной сваркой или эпоксидной смолой. 10.8.3 Горловина сосуда должна быть опломбирована по ГОСТ 18680 – 86, обернута полиэтиленовой пленкой или водонепроницаемой бумагой по ГОСТ 8828 – 89 и обвязана шпагатом по ГОСТ 16266 – 2018. 10.8.4 На средней части сосуда должна быть нанесена отличительная полоса (черного цвета) с наименованием на ней криопродукта (желтого цвета). 10.8.5 Наименование криопродукта наносят прописным шрифтом ПО по ГОСТ 2930 – 62. 10.8.6 Сосуд должен упаковываться в дощатую обрешетку по ГОСТ 12082 – 82 и в ящик, изготовленный из картона по ГОСТ 7376 – 2001. Сосуд внутри ящика должен быть зафиксирован от любого перемещения 10.8.7 На боковых стенках транспортной тары сосуда должна быть нанесена маркировка: основные, дополнительные, информационные надписи и манипуляционные знаки: «Осторожно, хрупкое», «Боится сырости», «Вверх, не кантовать». 10.8.8 Транспортирование и хранение сосудов – по группе ОЖ2 ГОСТ 15150 – 69. Транспортирование порожнего сосуда производится всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте каждого вида. Запрещается транспортировать сосуд в наклонном и горизонтальном положении. 10 11. Порядок испытаний 11.1 Все испытания сосудов должны проводиться при температуре окружающей среды 20±5 °С и атмосферном давлении. 11.2 Массу порожнего сосуда проверяют взвешиванием его на технических весах, обеспечивающих точность взвешивания ±0,1 кг. 11.3 Проверку габаритных размеров, овальности, толщины намотки изоляционного материала проводят при помощи мерительного инструмента, обеспечивающего точность измерений до 0,5 мм. 11.4 Сварные швы проверяют по ГОСТ 3242 – 79 внешним осмотром и течеискателем. Контролю должны быть подвергнуты 100% швов. 11.5 Герметичность внутреннего и наружного сосудов проверяют гелиевым течеискателем. 11.6 В качестве рабочего продукта при определении потерь от испарения должен быть использован жидкий азот по ГОСТ 9293 – 74. 11.7 Определение потерь от испарения необходимо проводить в стационарном режиме по разности результатов двух взвешиваний. Для испытаний используются весы с погрешностью до 25 г при массе сосуда с жидкостью до 30 кг и погрешностью до 0,1% от действительного значения массы при массе сосуда с жидкостью более 30 кг. 11.8 Качество покрытия сосуда, нанесение отличительной полосы и наименования криопродукта, а также отсутствие видимых механических повреждений (вмятины, трещины и т. д.) проверяют внешним осмотром. 12. Требования к документации Документация должна быть составлена в соответствии с ГОСТ 18675-2012. 11 13. Список литературы 1. Баранов А.Ю., Соколова Е.В. Хранение и транспортировка криогенных жидкостей. Часть 1: Учебное пособие.– СПб: Университет ИТМО, 2017. – 95 с. 2. Абрамов Г.П., Бродянский В.М. Хранение и транспорт сжиженных газов Учебное пособие. М., Изд. МЭИ, 1975. 3. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Зайцев А.В. Теплофизические свойства и фазовое равновесие криопродуктов: Справ. – СПбГУНиПТ, 2009. 4. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П.Малкова. Изд.2-е, доп. и перер. М., "Энергия", 1973. 5. Гугл патенты [Электронный ресурс]: Сосуд Дьюара https://patents.google.com/patent/RU6036U1 6. Сосуды криогенные. Технические условия: ГОСТ 16024 – 79. – Взамен ГОСТ 16024 – 70; введ. СССР 26.10.1979. – Москва, 1986. – 10 с. 12