Quelle: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari und Mahdi Nabil; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University Park, PA

Regulierbare Heizung, gefolgt durch rasches Abkühlen ist ein wichtiges Element vieler Materialien, die Bearbeitung von Anträgen. Dieses Verfahren der Wärmebehandlung kann Materialhärte, erhöhen, die für Schneidwerkzeuge oder Oberflächen in hohem Verschleiß Umgebungen wichtig ist. Die rasche Abkühlung Bühne heißt abschreckenund erfolgt häufig durch Eintauchen der Materialien in einem flüssigen Bad (oft Wasser oder Öl). Wärmeübergang abschrecken kann auftreten, wegen erzwungener Konvektion - wenn die Aktion von sich schnell bewegenden Material durch Kühlmittel die Wärme-Transfer-Prozess fährt und freier Konvektion - wenn die reduzierte Dichte der heißen Flüssigkeit in der Nähe von der Materialoberfläche verursacht auftriebsbedingte Zirkulation und Wärmeübertragung. An den Hochtemperaturen Material kann das Kühlmittel kochen, führt zu erhöhten Wärmewirkungsgrad Transfer. Jedoch bei extrem heiße Materialien abgeschreckt sind, können sie in relativ geringe Wärmeleitfähigkeit Kühlmittel Dampf führt zu schlechten Wärmeübertragung bedeckt.

In diesem Experiment wird abschrecken Wärmeübertragung für einen beheizten Kupfer Zylinder gemessen repräsentativ für wärmebehandelte Kleinteile. Die transiente Musterprofil Temperatur wird während abschrecken gemessen und verglichen mit theoretischen Ergebnisse kostenlos Konvektionswärmeübertragung. Sieden Phänomene werden auch qualitativ untersucht.

Der Prozess der Wärmeübergang abschrecken ist grundsätzlich vergänglich. Im Allgemeinen kann die Temperaturverteilung in Raum und Zeit in einem gekühlten Materialprobe variieren. Jedoch wenn interne Leitung Wärmewiderstand klein ist im Vergleich zu externen Wärmewiderstand von der Probenoberfläche zu der umgebenden Flüssigkeit (Konvektion), kann die Probe davon ausgegangen, dass nahezu gleichmäßige Temperatur jederzeit sofortige, Vereinfachung Analyse. Diese Bedingung kann in Biot-Zahl (Bi), die interne Leitung Widerstand gegen externe Konvektion Widerstand im Vergleich ausgedrückt werden. In der Regel, wenn Bi < 0,1, innerer Hitze Übergangswiderstand kann davon ausgegangen werden vernachlässigbar im Vergleich zu externen Transfer Hitzebeständigkeit.

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Hier h ist der externe Konvektionskoeffizient k_s ist die Wärmeleitfähigkeit der Probe und L_c ist eine charakteristische Längenskala der Probe. h mit Hitze-Transfer-Modellen vorhergesagt werden kann und Kurve passt veröffentlichten in der Literatur für unterschiedliche Bedingungen und Flüssigkeiten. In diesem Experiment wird h gemessen und verglichen mit Ergebnisse vorausgesagt mit veröffentlichten Modellen (siehe Abschnitt "repräsentative Ergebnisse").

Für die hier betrachteten Kupfer-Zylinder (k = 390 W m^-1 K^-1, Durchmesser D = 9,53 mm, Länge L = 24 mm), die charakteristische Längenskala ist D2 = 4,8 mm. vorausgesetzt, einen maximale Konvektionskoeffizienten von h = 5000 W m^-2 K^-1, die Peak-Biot-Zahl wäre 0,06. Da diese Zahl klein ist (< 0,1), es ist vernünftig anzunehmen, dass die interne Leitung Widerstände sind vernachlässigbar, und die Probe hat gleichmäßige Temperatur. Bei höheren Werten der Bi ist eine kompliziertere Analyse erforderlich, die Temperaturschwankungen im Material ausmacht.

Angenommen, eine einheitliche Temperatur-Probe, werden die Wärmeübertragungsrate modelliert, durch den Ausgleich der inneren Energieverlust aus der Probe mit der Konvektionswärme Entfernungsrate von Newtons Gesetz der Kühlung. Dieser Ansatz wird eine konzentrierte Kapazität Analyse genannt.

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Hier m ist die Masse der Probe (15 g), c ist die spezifische Wärme des Probenmaterials (385 J kg^-1 K^-1 für Kupfer), T-_s ist die Temperatur der Probe, A_s ist die Probe Fläche (8,6 × 10^-4 m²), und ist die Temperatur die umgebende flüssige.

Die Abkühlgeschwindigkeit vorherzusagen (dT-_s/dt) während abschrecken, der Konvektionskoeffizienten (h) muss auch vorhergesagt werden. Wenn die Probe unterhalb der Siedetemperatur Flüssigkeit und stationär in einem Pool von Kühlmittel statt, wird Wärme in erster Linie durch freie Konvektion entfernt. In diesem Modus Luftzirkulation und Kühlung entsteht durch auftriebsbedingte Aufgang der geheizten Flüssigkeit in der Nähe der Probe. Mehr zu Probenflüssigkeit Temperaturunterschiede führen zu erhöhte Zirkulation Rate.

Wenn die Probentemperatur oberhalb des Siedepunktes ist, kann an der Oberfläche, was zu deutlich höheren Kühlraten Dampf erzeugt werden. Während des Kochens, Dampf Blasen und von kleinen Unvollkommenheiten (Keimbildung Websites) auf der heißen Oberfläche wachsen. Bei höheren Oberflächentemperaturen mehr Keimbildung Sites aktiv werden, wodurch höhere Konvektion Koeffizienten und höhere Übertragungsraten zu heizen. Allerdings kann bei sehr hohen Temperaturen, der relativ geringe Leitfähigkeit Dampf schnell genug entfernt werden. Diese Ergebnisse in kochendem Krise, in denen die Flächenkühlung begrenzt durch Dampf Isolierung ist Reduzierung der Wärmeübertragungsrate.

Hinweis: Dieses Experiment verwendet Flamme erhitzen. Stellen Sie sicher, dass ein Feuerlöscher griffbereit ist und dass keine brennbaren Materialien in der Nähe des Experiments sind. Befolgen Sie alle üblichen Vorsichtsmaßnahmen für den Brandschutz.

1. Herstellung der Probe zum abschrecken (siehe Foto, Abb. 1)

1. Schneiden Sie eine kleine Länge (~ 24 mm) 9,53 mm Durchmesser Kupfer Stange. Bohren Sie zwei kleine Löcher (Durchmesser 1,6 mm) über auf halbem Weg in den Stab in der Nähe der beiden Enden. Diese Löcher werden die Thermoelement-Brunnen. Da die Löcher und Thermoelemente relativ klein sind, können wir davon ausgehen, sie haben nur minimale Auswirkungen auf das Gesamtverhalten der Wärme-Übertragung.
2. Verwenden Sie Hochtemperatur Epoxy (z. B.JB Kwik) hohe Thermoelement-Temperaturfühler anzubringen, in die zwei Löcher. Sicherstellen Sie, dass die Meßspitzen Thermoelement in der Mitte der Kupfer Probe als Epoxy-Sets gedrückt werden.
3. Ein Wasserbehälter als ein abschrecken Bad eingerichtet. Einfügen einer dritten verweisen Thermoelement in das Bad in der Nähe, wo die Probe abgeschreckt werden.
4. Verbinden Sie die drei Thermoelemente mit einem Datenerfassungssystem. Legen Sie bis eine Programm (in LabVIEW zum Beispiel) um zu Transienten Temperaturmessungen in eine Kalkulationstabelle zu melden.

Abbildung 1 : A. Foto instrumentierten Kupfer Probe im kühlen Wasser Bad. B. Heizung Kupfer Probe.

2. durchführen experiment

1. Stellen Sie eine Bunsenbrenner oder Scheuer Kraftstoffkanister neben dem abschrecken Bad. Licht der Flamme.
2. Aus der Ferne sicheres halten warm allmählich die Probe über der Flamme (auf ~ 50° C empfohlen für das erste Experiment). Die Probe kann durch das Thermoelement führt (Abb. 1 b) gehalten werden.
3. Protokollierung der Thermoelement-Daten in Datei starten und Eintauchen der Probe in das Quench-Bad. Die Probe stabil, so dass Konvektionswärmeübertragung gezwungen ist minimal zu halten. Stoppen Sie Temperaturdaten, sobald die Probe innerhalb von ein paar Grad die Badtemperatur nähert.
4. Wiederholen Sie diesen Vorgang für schrittweise höhere Erstmuster Temperaturen (bis zu ~ 300° C). Beobachten Sie für Fälle über 100° C das kochende Verhalten nach dem abschrecken der Probenmaterials.

(3) Datenanalyse

1. Die protokollierten Temperaturmessungen nehmen Sie die durchschnittliche Probentemperatur zu jeder Zeit als das arithmetische Mittel der beiden eingebettete Thermoelement Lesungen auf.
2. Berechnen Sie die Kühlung bei jeder Probe angemeldet Zeit j als = (T_{s, j + 1}-T_{s, j}) / (t_{j + 1}-t-_j) (Werte werden negativ sein). Hier ist t_j die Zeit der einzelnen protokolliert lesen. Es kann hilfreich sein, diese Kühlung Satz Kurven glätten, indem Sie Durchführung laufenden Durchschnitt mit einem Probenfenster von 2-3 Lesungen sein.
3. Berechnen Sie der experimentellen Wärme Übertragung Koeffizienten h mit Eqn. 2 unter Verwendung der Abkühlgeschwindigkeit ab Schritt 3.2 und gemessen Sie Bad (T_∞) und Probe Temperaturen (T_s). Wie vergleichen diese Wärmedurchgangskoeffizienten mit Sollwerten (Eqn. 4, s. Ergebnisse)?
4. Verwenden Sie für einen Fall mit Anfangstemperatur unter 100° C die erste experimentelle Temperaturmessung und numerisch integrieren Sie Eqn. 2 zur Vorhersage der Kühlung im Laufe der Zeit. Verwenden Sie Eqn. 4, den Konvektionskoeffizienten zu jeder Zeit vorherzusagen. Diese Kurve, um Messwerte zu vergleichen. Für numerische Schritt Größe Δt (z. B.0,1 s), die Temperatur kann als integriert werden:
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Fotos von kochendem bei unterschiedlichen Eingangsmuster Temperaturen (T_{s, 0}) sind in Abb. 2 dargestellt. Bei T-_{s, 0} = 150 ° C Dampf Bläschen Form und Aufenthalt zum Beispiel angebracht. Bei T-_{s, 0} = 175 ° C Luftblasen lösen und ins Wasser zu schweben. Bei 200° C mehr Bläschen entstehen, und weitere Anstiege bei höheren Temperaturen. Kochende Art Krisensituationen (z.B. ganze Probe durch anhaltende Dampf umgeben) sind nicht durch geringe Volumen die Temperatur der Flüssigkeit (~ 22 ° C) beobachtet.

Wenn die Temperatur der Probe unterhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels (100 ° C) liegt, können einphasige freier Konvektion Modelle angewendet werden, um den Konvektionskoeffizienten zu prognostizieren. Die freie Konvektion Wärme-Übertragungsrate hängt die Flüssigkeit Prandtl-Zahl (Pr), ist das Verhältnis von Viskosität, thermische Diffusivität (Pr = 6.6 für Wasser bei Raumtemperatur) und die Rayleigh-Zahl (Ra), ist ein Maß für die natürliche Konvektion Transport:

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Hier, g ist die Erdbeschleunigung (9,81 m s^-2), β ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit (relative Veränderung der Dichte mit der Temperatur, 2,28 × 10^-4 K^-1 für Wasser) und ν ist die kinematische Flüssigkeit Viskosität (9.57 × 10^-7 m² s^-1 für Wasser). Als Beispiel für die 9,5 mm Durchmesser Probe bei T_s = 75 ° C in Wasser bei T_∞ = 22 ° C, die Rayleigh-Zahl ist Ra = 7,44 × 10⁵.

Für einen horizontalen Zylinder in einphasigen freier Konvektionswärmeübertragung ist eine weit verbreitete Konvektion-Formel (basierend auf Kurve passt auf empirische Daten) in Gleichung 4vorgestellt.

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Dabei ist k die Flüssigkeit Wärmeleitfähigkeit (0,60 W m^-1 K^-1 für Wasser). Die Formel gibt die Nusselt-Zahl (Nu), der Wärmeübergangskoeffizient dimensionslose Konvektion. In der dreidimensionalen Wärmeübergangskoeffizient (h in Einheiten W m^-2 K^-1) mit kmultipliziert konvertiert werden kann /D. Für den Beispielfall mit Ra = 7,44 × 10⁵, dieses Modell prognostiziert Nu = 16,4 und h = 1040 W m^-2 K^-1.

In Abb. 3 sind gemessene momentane Konvektion Koeffizienten mit theoretischen freier Konvektionswerten von Gleichung 4verglichen. Qualitativ enger Absprache wird bei niedrigeren Oberflächentemperaturen (T_s-T_∞ 80 K <) beobachtet. Bei höheren Temperaturen der Probe Kochen tritt und gemessenen Wärme Übertragung Koeffizient Werte deutlich übertreffen die einphasigen freier Konvektion Vorhersagen. Der Konvektionskoeffizient steigt stark mit Probentemperatur bei kochendem Bedingungen. Dieser Anstieg ist auf die größere Anzahl von aktiven Keimbildung Websites auf höhere Oberflächentemperaturen.

In Abb. 4, gemessene und prognostizierte Probe Kühlung Kurven sind für einen Fall mit Anfangstemperatur präsentiert 42,5 ° C. Zu Beginn der experimentellen Temperatur Kurve zerfällt schneller. Dies ist möglicherweise aufgrund erzwungener Konvektion Effekte aus die Probe in die Wanne einsetzen. Im Laufe der Zeit sind leichte Schwankungen in der gemessenen Kurve möglicherweise durch die Bewegung der Inhaber der Probenmaterials beobachtet. Später, entsprechen die experimentelle und prognostizierten Temperaturkurven gut.

Abbildung 2 : Fotos mit kochendem Phänomene auf abgeschreckt Probe bei erhöht Ausgangstemperatur (T₀( )

Abbildung 3 : Vergleich der gemessenen freier Konvektion und Konvektion Koeffizienten mit theoretischen freier Konvektion Werte Sieden

Abbildung 4 : Vergleich der gemessenen und prognostizierten Kühlung Kurve für Fall mit Anfangstemperatur T ₀ = 42,5 ° C

Dieses Experiment zeigt den Prozess der transienten Wärmeübertragung während abschrecken. Die Temperatur einer Materialprobe wurde verfolgt, da es schnell in einem Wasserbad gekühlt wurde. Die Konvektion Koeffizienten und Temperaturprofile im Laufe der Zeit wurden mit theoretischen Werte für freie Konvektionskühlung verglichen. Kochende Phänomene wurden auch diskutiert und für hohe Erstmuster Temperaturen beobachtet. Informationen aus solchen Experimenten und nachgewiesene Modellierungsansätze kann angewendet werden, um zu verstehen und Hitze-Transfer-Prozesse für die Herstellung und materielle Wärmebehandlung zu entwerfen.

Schnelles abschrecken abkühlen wird häufig in Wärmebehandlung Werkzeuge eingesetzt. Gewisse Stahllegierungen können (beheizte und allmählich abgekühlt) geglüht werden, Härte für die Bearbeitung und arbeiten zu reduzieren. Sie können dann erhitzt und rasch abgekühlt zur Erreichung hohen Härte für das Schneiden von anderen Materialien (z. B.Dateien, Sägeblätter) oder bei hohem Verschleiß Anwendungen (z.B., Hammerköpfe, Schläge). Zusätzliche Wärmebehandlung Operationen verbessern Härte um sprödes Versagen zu verhindern.

Ganz allgemein ist schnelle transiente Heizen und kühlen in vielen Anwendungen gefunden. Z. B. erwärmen Computerprozessoren schnell rechenintensive Programme ausführen. Dieser Temperaturanstieg löst oft höhere Drehzahlen und schnelles Abkühlen. Wenn Kraftwerke online geschaltet werden, erleben Sie Dampf Generator Röhren Schnellaufheizung. In beiden Fällen sind die Vorhersage und Charakterisierung von Heiz- und Kühlraten wichtig Materialien verhindern, Versagen aufgrund von Überhitzung und Erschöpfung. Transient Heat Transfer Analysen, sind wie in dieser Untersuchung gezeigt entscheidend für die Entwicklung solcher Technologies.