Source : Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari et Mahdi Nabil ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Suivie d’un refroidissement rapide de chauffage est un élément important de nombreux matériaux, traitement des demandes. Cette procédure de traitement thermique peut augmenter la dureté du matériau, ce qui est importante pour les outils de coupe ou de surfaces dans des environnements de forte usure. L’étape de refroidissement rapide est appelé trempeet est souvent exécutée en immergeant les matériaux dans un bain liquide (souvent de l’eau ou huile). Trempe de transfert de chaleur peut se produire en raison de la convection forcée - lorsque l’action de déplacer rapidement matériel dʼhuile conduit le processus de transfert de chaleur et de convection libre - si la diminution de la densité du fluide chaud près de la surface du matériau pratique axée sur la flottabilité et transfert de chaleur. À haute température matérielle, peut bouillir le liquide de refroidissement, conduisant à l’efficacité de transfert de chaleur accrue. Toutefois, lorsque les matériaux extrêmement chauds sont trempés, ils peuvent être recouvert de vapeur de liquide de refroidissement relativement faible conductivité thermique, conduisant au transfert de chaleur pauvres.

Dans cette expérience, la trempe de transfert de chaleur se mesurera pour un cylindre de cuivre chauffé, qui est représentatif des petites pièces traitées thermiquement. Le profil de température transitoire échantillon sera mesuré au cours de la trempe et comparés avec les résultats théoriques gratuite transfert de chaleur par convection. Faire bouillir les phénomènes est également étudié qualitativement.

Le processus de trempe de transfert de chaleur est fondamentalement transitoire. En général, la distribution de la température peut varier dans l’espace et le temps à l’intérieur d’un échantillon de matériau refroidi. Cependant, si la résistance thermique de conduction interne est petite comparée à résistance thermique externe de la surface de l’échantillon pour le liquide environnant (convection), l’échantillon peut être supposé d’avoir une température presque uniforme à n’importe quel instant, simplifiant analyse. Cette condition peut être exprimée en termes du nombre de Biot (Bi), qui compare la résistance interne de conduction à la résistance de convection externe. En règle générale, lorsque Bi < 0,1, résistance de transfert de chaleur interne peut supposer négligeable par rapport à la résistance de transfert de chaleur extérieure.

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Ici, h est le coefficient de convection externe, k_s est la conductivité thermique de l’échantillon et L_c est une échelle de longueur caractéristique de l’échantillon. h peut être prédit à l’aide de modèles de transfert de chaleur et courbe s’adapte publiées dans la littérature pour des conditions différentes et fluides. Dans cette expérience, h seront mesurés et comparés avec les résultats prévues avec des modèles publiés (voir la section résultats représentatifs).

Pour le cylindre de cuivre considéré ici (k = 390 W m^-1 K^-1, diamètre D = 9,53 mm, longueur L = 24 mm), l’échelle de longueur caractéristique est D2 = 4,8 mm. en supposant un coefficient de convection maximale de h = 5000 W m^-2 K^-1, le nombre de Biot de pointe serait de 0,06. Que ce nombre est faible (< 0,1), il est raisonnable de supposer que les résistances internes de conduction sont négligeables, et l’échantillon a une température uniforme. À des valeurs plus élevées de Bi, une analyse plus complexe est nécessaire qui prend en compte les variations de température dans le matériau.

En supposant qu’un échantillon de température uniforme, le taux de transfert de chaleur peut être modélisé par l’équilibrage de la perte d’énergie interne de l’échantillon avec le taux d’élimination de chaleur par convection de la Loi de Newton de refroidissement. Cette approche s’appelle une analyse capacitance localisé .

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Ici, m est la masse de l’échantillon (15 g), c est la chaleur spécifique de l’échantillon (385 J kg^-1 K^-1 pour le cuivre), T_s est la température de l’échantillon, A_s est la surface de l’échantillon (8,6 × 10^-4 m²), et est la température du fluide environnante.

Pour prédire le taux de refroidissement (dT_s/dt) au cours de la trempe, le coefficient de convection (h) doit également être prédite. Si l’échantillon est inférieure à la température d’ébullition le liquide et maintenu immobile dans un réservoir de liquide de refroidissement, puis chaleur est principalement éliminée par convection libre. Dans ce mode, la circulation et le refroidissement est produite par le lever axée sur la flottabilité du fluide chauffé près de l’échantillon. Plus grandes différences de température de l’échantillon-à-liquide entraîner des taux d’accroissement de la circulation.

Si la température de l’échantillon est supérieure à la température d’ébullition, la vapeur peut être généré à la surface, ce qui entraîne significativement plus haut taux de refroidissement. Pendant l’ébullition, forme des bulles de vapeur et se développent de petites imperfections (sites de nucléation) sur la surface chaude. Des températures de surface élevées, plus des sites de nucléation deviennent actives, ce qui entraîne une plus grande coefficients de convection et la chaleur plus haut taux de transfert. Toutefois, à très haute température, la vapeur relativement faible conductivité ne peut être enlevée assez rapidement. Il en résulte l' ébullition de crise, dans laquelle la surface de refroidissement est limitée en raison de l’isolation de la vapeur, réduisant le taux de transfert de chaleur.

Remarque : Cette expérience utilise flamme chauffage. S’assurer qu’un extincteur est sur place et qu’aucun des matériaux inflammables ne sont près de l’expérience. Suivez toutes les précautions standards pour la sécurité-incendie.

1. fabrication de l’échantillon pour trempe (voir la photo, Fig. 1)

1. Couper une longueur réduite (~ 24 mm) de la tige de cuivre de diamètre de 9,53 mm. Percer deux petits trous (diamètre de 1,6 mm) environ à mi-chemin dans la tige près des deux extrémités. Ces trous seront les puits de thermocouple. Comme les trous et les thermocouples sont relativement faibles, on peut supposer qu’ils ont un effet minime sur le comportement de transfert thermique global.
2. Utilisez époxy haute température (par exemple, JB Kwik) d’apposer des sondes thermocouples haute température dans les deux trous. Veiller à ce que les pointes de thermocouple sont enfoncées dans le centre de l’échantillon de cuivre que le couche d’époxy.
3. Mettre en place un récipient d’eau comme un bain de trempe. Insérer une troisième référence thermocouple dans la baignoire près où l’échantillon va être trempé.
4. Branchez les trois thermocouples à un système d’acquisition de données. Set up un programme (dans LabVIEW par exemple) pour ouvrir une session transitoire de la température dans une feuille de calcul.

Figure 1 : a. photo d’instrumenté échantillon cuivre refroidissement eau bain. b. chauffage cuivre échantillon.

2. exécution d’expérience

1. Positionner un bec Bunsen ou une ceinture de protection cartouche de combustible à côté du bain de trempe. Allumer la flamme.
2. D’une distance sûre tenue, progressivement chauffer l’échantillon au-dessus de la flamme (à environ 50° C recommandé pour la première expérience). L’échantillon peut être tenu par les fils de thermocouple (Fig. 1 b).
3. Démarrer la journalisation des données de thermocouple au fichier et y plonger l’échantillon dans le bain de trempe. Tenir le stationnaire de l’échantillon pour que forcé de transfert de chaleur par convection est minime. Arrêter l’enregistrement des données de température une fois l’échantillon aborde quelques degrés de la température du bain.
4. Répétez cette procédure pour des températures d’échantillon initial progressivement plus élevés (jusqu'à ~ 300° C). Pour les cas supérieure à 100° C, observer le comportement de bouillant après la trempe de l’échantillon.

3. analyse des données

1. Pour des mesures de température enregistrées, noter la température de l’échantillon moyen à chaque fois comme la moyenne arithmétique des deux lectures thermocouple incorporé.
2. Calculer l’échantillon taux à chacune de refroidissement connecté temps j comme = (T_{s, j + 1}-T_{s, j}) / (t_{j + 1}-t_j) (les valeurs seront négatives). Ici, t_j est le temps de chacun connecté lecture. Il peut être utile lisser ces courbes de taux refroidissement en effectuant une moyenne en cours d’exécution avec une fenêtre de l’échantillon de 2 ou 3 lectures.
3. Calculer la chaleur expérimental transfert coefficients h avec Eqn. 2 en utilisant le taux de refroidissement de l’étape 3.2, et mesuré les bain (T_∞) et température de l’échantillon (T_s). Comment comparer ces coefficients de transfert de chaleur avec les valeurs prédites (Eqn. 4, voir les résultats) ?
4. Pour un cas avec une température initiale inférieure à 100° C, utilisez la mesure de température expérimentale initiale et intégrer numériquement Eqn. 2 pour prédire le refroidissement au fil du temps. Utilisez Eqn. 4 pour prédire le coefficient de convection à chaque fois. Comparez cette courbe de valeurs mesurées. Pour l’heure numérique étape taille Δt (p. ex., 0,1 s), la température peut être intégrée comme :
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Photographies de bouillir à une température de l’échantillon initial différent (T_{s, 0}) sont présentés sur la Fig. 2. A T_{s, 0} = formulaire de bulles de vapeur 150 ° C et de rester attaché à l’échantillon. A T_{s, 0} = 175 ° C bulles se détachement et flottent dans l’eau. À 200° C, plus de bulles sont générées et autres augmentations sont observées à des températures plus élevées. Les événements de type crise bouillante (par exemple, tout l’échantillon étant entourée de vapeur persistant) ne sont pas respectées en raison de la température du fluide en vrac faible (~ 22 ° C).

Lorsque la température de l’échantillon est inférieure à la température d’ébullition du liquide de refroidissement (100° C), les modèles monophasés convection libre peuvent être appliquées pour prédire le coefficient de convection. Le taux de transfert de chaleur de convection libre dépend du fluid nombre de Prandtl (Pr), qui est le rapport de la viscosité de la diffusivité thermique (Pr = 6,6 pour l’eau à température ambiante) et le nombre de Rayleigh (Ra), qui est une mesure du transport de la convection naturelle :

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Ici, g est l’accélération gravitationnelle (9,81 m s^-2), β est le coefficient de dilatation thermique du fluide (variation relative densité avec la température, 2,28 × 10^-4 K^-1 pour l’eau) et ν est le liquide cinématique viscosité (9,57 × 10^-7 m² s^-1 pour l’eau). À titre d’exemple, pour l’échantillon de diamètre 9,5 mm à T_s = 75 ° C dans l’eau à T_∞ = 22 ° C, le nombre de Rayleigh est Ra = 7.44 × 10⁵.

Pour un cylindre horizontal en transfert de chaleur de convection libre monophasé, une formule de convection largement utilisé (basée sur la courbe s’adapte aux données empiriques) est présentée dans l’équation 4.

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Ici, k est la conductivité thermique du fluide (0,60 W m^-1 K^-1 pour l’eau). La formule donne le nombre de Nusselt (Nu), le coefficient de transfert de chaleur par convection sans dimension. Il peut être converti pour le coefficient de transfert de chaleur dimensionnel (h en unités W m^-2 K^-1) en multipliant par k/D. Dans le cas de l’exemple avec Ra = 7.44 × 10⁵, ce modèle prédit Nu = 16,4 et h = 1040 W m^-2 K^-1.

Sur la Fig. 3, coefficients de convection instantanée mesurée sont comparées aux valeurs de convection libre théorique de l’équation 4. Qualitativement bonne concordance est observée à des températures de surface inférieures (T_s-T_∞ < 80 K). Aux températures élevées de sample, bout et valeurs des coefficients de transfert thermique mesurées dépassent de beaucoup les prédictions de convection libre monophasé. Le coefficient de convection augmente fortement avec la température de l’échantillon à ébullition conditions. Cette augmentation découle du plus grand nombre de sites de nucléation actives à des températures de surfaces élevées.

Sur la Fig. 4, courbes de refroidissement échantillon prédites et mesurées sont présentés pour un cas avec température initiale 42,5 ° C. Au départ, les températures expérimentales courbe désintégrations plus rapides. C’est peut-être en raison d’effets de convection forcée d’insérer l’échantillon dans le bain. Au fil du temps, des oscillations légères de la courbe mesurée sont observées, peut-être dû à un mouvement de la personne qui détient l’échantillon. Plus tard, les courbes de température expérimentale et prédites correspondent bien.

Figure 2 : Photographies d’ébullition des phénomènes sur échantillon trempé à augmenté la température initiale (T₀)

Figure 3 : Comparaison de convection libre mesurée et point d’ébullition de coefficients de convection avec les valeurs théoriques de la convection libre

Figure 4 : Comparaison de la courbe de refroidissement mesurée et prévue pour les cas avec une température initiale T ₀ = 42,5 ° C

Cette expérience a démontré le processus de transfert de chaleur transitoire au cours de la trempe. La température d’un échantillon de matériau a été suivie comme il a été rapidement refroidi dans un bain d’eau. Les coefficients de convection et les profils de température au fil du temps ont été comparées avec les valeurs théoriques pour le refroidissement de la convection libre. Phénomènes bouillante également discutés et observées pour des températures de l’échantillon initial élevé. Tirées de ces expériences et les approches de modélisation démontrée peuvent être appliquées afin de comprendre et de concevoir des processus de transfert de chaleur pour la fabrication et le traitement thermique de matériaux.

Refroidissement refroidissement rapide est souvent employé dans le traitement thermique des outils. Certains alliages d’acier peuvent être recuits (chauffants/refroidissants progressivement) pour réduire la dureté pour usinage et travail. Ils peuvent alors être chauffés et refroidis rapidement pour atteindre une dureté élevée pour découper d’autres matériaux (par exemple, les fichiers, les lames de scie) ou dans des applications d’usure élevée (p. ex., têtes de marteaux, coups de poing). Activités de traitement de thermique supplémentaire peut améliorer ténacité afin d’éviter une rupture fragile.

Plus généralement, transitoire rapide de chauffage et de refroidissement se trouve dans de nombreuses applications. Par exemple, processeurs chauffent rapidement lors de l’exécution des programmes de calcul intensifs. Cette élévation de température déclenche souvent des vitesse de ventilation accrue et un refroidissement rapide. Lorsque les centrales sont mis en ligne, tubes de générateur de vapeur expérience chauffage rapide. Dans les deux cas, prédiction et la caractérisation du chauffage et du taux de refroidissement sont importantes pour empêcher des matériaux d’échouer en raison d’une surchauffe et à la fatigue. Analyses de transfert de chaleur transitoire, comme l’a démontré dans le cadre de cette enquête, sont essentiels pour ces technologies d’ingénierie.