Fuente: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari y Mahdi Nabil; Departamento de ingeniería mecánica y Nuclear, la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, PA

Calentamiento controlado, seguido de un enfriamiento rápido es un elemento importante de muchos materiales de tramitación de las solicitudes. Este procedimiento para la elaboración térmica puede aumentar la dureza del material, que es importante para herramientas de corte o superficies en ambientes de alto desgaste. La etapa de enfriamiento rápida se llama Templey a menudo se realiza sumergiendo los materiales en un baño líquido (a menudo agua o aceite). Amortiguamiento del traspaso térmico puede ocurrir debido a la convección forzada - cuando la acción de mover rápidamente material a través del refrigerante conduce el proceso de transferencia de calor y debido a la convección libre - cuando la causa de la reducida densidad del fluido caliente cerca de la superficie del material basada en la flotabilidad de la circulación y transferencia de calor. A altas temperaturas materiales, puede hervir el refrigerante, hacia la efectividad de transferencia de calor mayor. Sin embargo, cuando se apaga materiales extremadamente calientes, puede cubiertos de vapor de refrigerante relativamente baja conductividad térmica, conduce a la transferencia de calor pobre.

En este experimento, se medirá del traspaso térmico que apaga por un cilindro de cobre calentado, que es representante de pequeñas piezas con tratamiento térmico. El perfil de temperatura de la muestra transitoria se medirán durante el templado y en comparación con los resultados teóricos gratis transferencia de calor por convección. Fenómenos de ebullición también se investigarán cualitativamente.

El proceso de transferencia de calor de enfriamiento es fundamentalmente transitorio. En general, la distribución de la temperatura puede variar en espacio y tiempo dentro de una muestra de material refrigerada. Sin embargo, si resistencia térmica interna de conducción es pequeña comparada con la resistencia térmica exterior de la superficie de la muestra al líquido circundante (convección), la muestra puede ser asumida para tener temperatura casi uniforme en cualquier instante, simplificando Análisis. Esta condición puede expresarse en términos del número de Biot (Bi), que compara la resistencia de conducción interna a la resistencia de la convección externa. Generalmente, cuando Bi < 0.1, resistencia de transferencia de calor interno puede suponerse despreciable comparado con la resistencia de transferencia de calor externa.

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Aquí, h es el coeficiente de convección externo, k_s es la conductividad térmica de la muestra, y L_c es una escala de longitud característica de la muestra. se puede predecir mediante modelos de transferencia de calor h y curva se adapta a publicados en la literatura para diferentes condiciones y fluidos. En este experimento, h se midió y comparó con los resultados que predijo con modelos publicados (ver sección de resultados representativos).

Para el cilindro de cobre considerado aquí (k = 390 W m^-1 K^-1, diámetro D = 9,53 mm, longitud L = 24 mm), la escala de longitud característica es D2 = 4,8 mm. suponiendo un coeficiente de convección máximo de h = 5000 W m^-2 K^-1, el número de Biot de pico sería de 0,06. Como este número es pequeño (< 0.1), es razonable suponer que las resistencias internas de conducción son despreciables, y la muestra tiene una temperatura uniforme. A valores más altos de Bi, se necesita un análisis más complicado que representa la variación de la temperatura en el material.

Suponiendo que una muestra de temperatura uniforme, la velocidad de transferencia de calor se puede modelar por equilibrar la pérdida de energía interna de la muestra con la tasa de eliminación de calor por convección desde la ley de enfriamiento de Newton. Este enfoque se denomina un análisis hidrológico de la capacitancia .

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Aquí, m es la masa de muestra (15 g), c es el calor específico de la muestra (385 J kg^-1 K^-1 para el cobre), T_s es la temperatura de la muestra, A_s es la superficie de la muestra (8.6 × 10^-4 m²), y es la temperatura del fluido circundante.

Para predecir la velocidad de enfriamiento (dT_s/dt) durante el templado, el coeficiente de convección (h) también se debe predecir. Si mantiene la muestra está por debajo del líquido temperatura de ebullición inmóvil en un charco de refrigerante, entonces calor se elimina principalmente por convección libre. En este modo, la circulación y enfriamiento es producido por el levantamiento impulsado por la flotabilidad del líquido caliente cerca de la muestra. Mayores diferencias de temperatura de líquido de muestra como resultado las tasas de aumento de la circulación.

Si la temperatura de la muestra es superior al punto de ebullición, vapor puede generarse en la superficie, dando por resultado significativamente superior tasas de enfriamiento. Durante la ebullición, vapor forma burbujas y crecer desde pequeñas imperfecciones (sitios de nucleación) sobre la superficie caliente. Temperaturas superficiales más altas, más sitios de nucleación se convierten en activos, dando por resultado mayores coeficientes de convección y tasas de transferencia de calor superior. Sin embargo, a muy altas temperaturas, el vapor de relativamente baja conductividad no puede quitarse lo suficientemente rápido. Esto se traduce en la crisis de la ebullición, en que la superficie de enfriamiento se limita debido al aislamiento de vapor, reduciendo la tasa de transferencia de calor.

Nota: Este experimento utiliza la llama de calefacción. Asegúrese de que un extintor es en mano y que no hay materiales inflamables cerca del experimento. Siga todas las precauciones estándar para seguridad contra incendios.

1. fabricación de muestra de Temple (ver fotografía, Fig. 1)

1. Cortar una longitud pequeña (~ 24 mm) de 9,53 mm Varilla de cobre de diámetro. Perfore dos agujeros pequeños (1,6 mm de diámetro) sobre a medio camino la barra cerca de los dos extremos. Estos agujeros serán los pozos de termopar. Como los agujeros y termocuplas son relativamente pequeños, podemos asumir que tienen un efecto mínimo sobre el comportamiento general de transferencia de calor.
2. Utilizar epoxi de alta temperatura (e.g., JB Kwik) para fijar las sondas de termopar de alta temperatura en los dos agujeros. Asegúrese de que las puntas de prueba de termopar se presionan en el centro de la muestra de cobre como los sistemas de epoxy.
3. Configurar un depósito de agua como un baño de Temple. Insertar una tercera referencia termopar en la tina, cerca de donde la muestra se se apagará.
4. Conecte los tres termopares a un sistema de adquisición de datos. Situado encima de un programa (en LabVIEW por ejemplo) para registrar las mediciones de temperatura transitoria a una hoja de cálculo.

Figura 1 : a. fotografía de muestra cobre instrumentado en enfriamiento de agua baño muestra b. calefacción cobre.

2. realizar el experimento

1. Colocar un mechero de Bunsen o cartucho de combustible frotante junto al baño de Temple. Luz de la llama.
2. Desde una distancia de tenencia segura, poco a poco caliente la muestra sobre la llama (a ~ 50° C se recomienda para el primer experimento). La muestra puede ser sostenida por los cables de termopar (Fig. 1b).
3. Empezar a registrar los datos de termopar al archivo y sumergir la muestra en el baño de Temple. Mantener el constante muestra que forzó la transferencia de calor por convección es mínimo. Detener la grabación de datos de la temperatura una vez que se acerca a la muestra dentro de unos pocos grados de la temperatura del baño.
4. Repita este procedimiento para temperaturas progresivamente mayores de la muestra inicial (hasta ~ 300° C). Para los casos por encima de 100° C, observar el comportamiento hirviendo después de apagar la muestra.

3. Análisis de los datos

1. Para las mediciones de temperatura registradas, registrar la temperatura media de la muestra en cada momento como la media aritmética de las dos lecturas de termopar incorporado.
2. Calcular la muestra de velocidad en cada uno de enfriamiento registrado tiempo j como = (T,_{s, j + 1}-T_{s, j}) / (t,_{j + 1}-t_j) (los valores serán negativos). Aquí, t_j es el tiempo de cada sesión de lectura. Puede ser útil suavizar estas curvas de tasa de enfriamiento mediante la realización de un promedio de funcionamiento con una ventana de muestra de 2-3 lecturas.
3. Calcular el calor experimental transferencia coeficientes h con la ecuación 2 con la velocidad de enfriamiento de paso 3.2, y mide las temperaturas de la muestra (T_s) y baño (T_∞). ¿Cómo son estos coeficientes de transferencia de calor en comparación con los valores predichos (ecuación. 4, ver resultados)?
4. Para un caso con la temperatura inicial debajo de 100° C, utilizar la medición de temperatura experimental inicial e integrar numéricamente ecuación. 2 para predecir el enfriamiento con el tiempo. Utilizar ecuación. 4 para predecir el coeficiente de convección en cada momento. Comparar esta curva para valores medidos. Para el paso de tiempo numérico tamaño Δt (por ejemplo, 0,1 s), la temperatura puede ser integrada como:
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Fotografías de ebullición a temperaturas diferentes de la muestra inicial (T_{s, 0}) se presentan en la figura 2. A T_{s, 0} = forma de burbujas de vapor de 150 ° C y permanecer unido a la muestra. A T_{s, 0} = 175 ° C burbujas separar y flotan en el agua. A 200° C, se generan más burbujas y más aumentos se observan en temperaturas más altas. Punto de ebullición eventos de tipo crisis (p. ej., estar rodeado de vapor persistente toda la muestra) no se observan debido a la temperatura flúida a granel baja (~ 22 ° C).

Cuando la temperatura de la muestra es inferior a la temperatura de ebullición del refrigerante (° C 100), los modelos monofásico convección libre se pueden aplicar para predecir el coeficiente de convección. La tasa de transferencia de calor por convección libre depende el líquido número de Prandtl (Pr), que es el cociente de viscosidad difusividad térmica (Pr = 6.6 para el agua a temperatura ambiente) y el número de Rayleigh (Ra), que es una medida de transporte convección natural:

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Aquí, g es la aceleración de la gravedad (9,81 m s^-2), β es el coeficiente de expansión térmica del fluido (cambio relativo en la densidad con la temperatura, 2,28 × 10^-4 K^-1 para el agua), y ν es la cinemática de fluidos viscosidad (9.57 × 10^-7 m² s^-1 de agua). Por ejemplo, para la muestra de diámetro de 9.5 mm a T_s = 75 ° C en agua a T_∞ = 22 ° C, el número de Rayleigh es Ra = 7.44 × 10⁵.

Para un cilindro horizontal en transferencia de calor de convección libre monofásica, una fórmula ampliamente utilizada por convección (basada en la curva se ajusta a los datos empíricos) se presenta en la ecuación 4.

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Aquí, k es la conductividad térmica de líquidos (0.60 W m^-1 K^-1 para el agua). La fórmula da el número de Nusselt (Nu), el coeficiente de transferencia de calor por convección sin dimensiones. Se puede convertir en el coeficiente de transferencia de calor dimensional (h en unidades W m^-2 K^-1) multiplicando por k/D. Para el caso de ejemplo con Ra = 7,44 × 10⁵, este modelo predice Nu = 16.4 y h = 1040 W m^-2 K^-1.

En la figura 3, coeficientes de convección instantáneos medidos se comparan con valores de convección libre teórica de la ecuación 4. Se observa cualitativamente cercano acuerdo con temperaturas superficiales bajas (T_s-T_∞ < 80 K). En temperaturas más altas muestra, ebullición ocurre y valores del coeficiente de transferencia calor medido exceden significativamente las predicciones monofásico convección libre. El coeficiente de convección aumenta considerablemente con la temperatura de la muestra en condiciones de ebullición. Este aumento es debido al mayor número de sitios de nucleación activo a temperaturas superficiales más altas.

En la figura 4, se presentan curvas de enfriamiento de muestra medidos y predichos para un caso con temperatura inicial 42,5 º C. Inicialmente, la temperatura experimental curva decae más rápido. Esto puede ser debido a efectos de introducir la muestra en el baño de la convección forzada. Con el tiempo, ligeras oscilaciones en la curva medida se observan, posiblemente debido al movimiento de la persona que ostentara la muestra. Más tarde, las curvas de temperatura experimentales y predichos emparejar bien.

Figura 2 : Fotografías de ebullición fenómenos muestra apagado en mayor temperatura inicial (T₀)

Figura 3 : Comparación de convección libre medido y ebullición coeficientes de convección con valores teóricos convección libre

Figura 4 : Comparación de curva de enfriamiento medida y prevista para el caso con temperatura inicial T ₀ = 42,5 ° C

Este experimento demostró el proceso de transferencia de calor transitoria durante el templado. La temperatura de una muestra de material fue localizada como rápidamente se enfrió en un baño de agua. Los coeficientes de convección y perfiles de temperatura con el tiempo se compararon con los valores teóricos para enfriamiento por convección libre. Fenómenos de ebullición también discutidos y observados para las temperaturas de la muestra inicial alta. Información de tales experimentos y modelado demostraron enfoques puede aplicarse para entender y diseñar procesos de transferencia de calor para la fabricación y tratamiento térmico del material.

Enfriamiento enfriamiento rápido se emplea a menudo en herramientas de tratamiento de cslor. Ciertas aleaciones de acero pueden ser recocidos (calentado y enfriado gradualmente) para reducir la dureza para mecanizado y trabajar. Pueden entonces ser calentados y enfriados rápidamente para alcanzar alta dureza para cortar otros materiales (por ejemplo, archivos, hojas de sierra) o en aplicaciones de alto desgaste (p. ej., cabeza de martillo, golpes). Operaciones de tratamiento de calor adicional puede mejorar la dureza para evitar la falla frágil.

Más en general, transitorio rápido calentamiento y enfriamiento se encuentra en muchas aplicaciones. Por ejemplo, procesadores de computadora calientan rápidamente cuando ejecuta programas de cómputo intensivo. Este aumento de la temperatura a menudo desencadena aumento de velocidades y enfriamiento rápido. Cuando centrales sean puestas en línea, generador de vapor tubos experimentan calentamiento rápido. En ambos casos, predicción y caracterización de calefacción y refrigeración de tasas son importantes para evitar que materiales falla por sobrecalentamiento y fatiga. Análisis de transferencia de calor transitoria, como lo demuestra en esta investigación, son críticos para las tecnologías de la ingeniería.