Abschrecken und Sieden

Quenching and Boiling
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Quenching and Boiling

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10:57 min
April 30, 2023

Overview

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.

Principles

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.

Equation 1(1)

Hier h ist der externe Konvektionskoeffizient ks ist die Wärmeleitfähigkeit der Probe und Lc 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.

Equation 2(2)

Hier m ist die Masse der Probe (15 g), c ist die spezifische Wärme des Probenmaterials (385 J kg-1 K-1 für Kupfer), Ts ist die Temperatur der Probe, As ist die Probe Fläche (8,6 × 10-4 m2), und Equation 3 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.

Procedure

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.

Figure 1
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 Equation 4 = (Ts, j + 1Ts, j) / (tj + 1tj) (Werte werden negativ sein). Hier ist tj 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 (Ts). 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:
    Equation 5(3)

Abschrecken ist eine Wärmebehandlung, die häufig verwendet, um die Materialeigenschaften wie Härte und Duktilität zu ändern. Beim abschrecken und die ergänzenden des Glühens ein Material erwärmt und anschließend abgekühlt. Zum abschrecken, ist das Material sehr schnell abgekühlt, im Gegensatz zu glühen, wo es allmählich kontrolliert abgekühlt ist. Die Rate der Wärmeübertragung wird durch viele Faktoren wie die Wärmeleitfähigkeit eines Objekts und der umgebenden Flüssigkeit, Geometrie und Temperatur Verteilung bestimmt. Das Zusammenspiel dieser Faktoren zu verstehen ist wichtig für den Aufbau der Verbindung zwischen einer besonderen Wärmebehandlung und die daraus resultierende Veränderung der Materialeigenschaften. Dieses Video wird abschrecken im Fokus und zeigen, wie man eine einfache Analyse der die Wärmeübertragung bei diesem Vorgang durchführen.

Nach eine Probe erhitzt wird, erfordert das abschrecken schnelle Wärmeübertragung an die Umgebung, die häufig durch Eintauchen der Probe in einem flüssigen Bad wie Wasser oder Öl erreicht wird. Wärmeübertragung auf der umgebenden Flüssigkeit kann Gefahren werden durch freie Konvektion, wo führt lokale Erwärmung durch die Probe Auftrieb getrieben Zirkulation oder erzwungener Konvektion, wo die Probe durch die Flüssigkeit bewegt. Bei höheren Temperaturen der Probe kann Blasenbildung Wärmeübertragungsrate, ein Effekt, bekannt als kochendes Erweiterung erhöhen. Jedoch wenn die Probe durch geringe thermische Leitfähigkeit Dampf bedeckt wird, gibt es eine kochende Krise und die Wärmeübertragung reduziert werden. Temperatur der Probe ist im Allgemeinen nicht gut definiert, da die Temperaturverteilung innerhalb der Probe nicht einheitlich ist, wie es abkühlt. Das heißt, die Temperatur hängt nicht nur von Zeit, es hängt von der Position innerhalb der Probe sowie. Allerdings ist die interne Wärme Übergangswiderstand klein im Verhältnis zu den externen thermischen Widerstand von der Oberfläche zu der umgebenden Flüssigkeit, Temperatur der Probe kann davon ausgegangen werden, fast einheitlich bleiben und die Analyse vereinfacht. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Widerständen wird ausgedrückt quantitativ von Biot-Zahl, eine dimensionslose Quantität benannt nach dem französischen Physiker des 19. Jahrhunderts, Jean-Baptiste Biot. Die Biot-Zahl ist das Verhältnis von der internen Hitzebeständigkeit der Wärmeleitung an den externen Konvektion Widerstand. Die interne Leitung Widerstand ist die charakteristische Längenskala des Objekts geteilt durch seine Wärmeleitfähigkeit. Der externe Konvektion Widerstand ist eine über den Konvektionskoeffizienten. Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, wird die Temperaturverteilung innerhalb der Probe im Allgemeinen fast einheitlich bleiben. In diesem Regime kann eine konzentrierte Kapazität Analyse verwendet werden, um die Wärmeübertragungsrate zu modellieren, durch den Ausgleich des inneren Energieverlust der Probe mit der Konvektionswärme Entfernungsrate von Newtons Gesetze der Kühlung. Das Ergebnis ist eine erste Bestellung Differentialgleichung für die Probentemperatur. Im nächsten Abschnitt zeigen wir diese Grundsätze durch einen kleinen, festen, Kupfer Zylinder repräsentativ für kleine, wärmebehandelter Teile abschrecken.

Der Prüfling wird ab einer Länge von 9,53 mm Kupfer-Stab erfolgen. Berechnen Sie bevor Sie fortfahren die Biot-Zahl, um die Verwendung einer konzentrierten Kapazität Analyse zu rechtfertigen. Davon ausgehen, dass die externe Leitung-Koeffizient nicht mehr 5.000 Watt pro als meter Quadrat Kelvin und die charakteristische Länge für einen Zylinder ist der halbe Durchmesser verwenden. Einen veröffentlichten Wert für die thermische Leitfähigkeit von Kupfer suchen und das Ergebnis zu berechnen. Da die Biot-Zahl kleiner als 0,1 ist, fahren Sie mit der Vorbereitung des Prüflings. Nehmen Sie eine Aktie und schneiden Sie ca. 25 mm vom Ende. Ecken und Kanten auf dem Stück zu entfernen und dann die Masse und endgültige Länge messen. In der Nähe von jedem Ende Bohren Sie eine thermische Cupel gut, 1,6 mm im Durchmesser, auf der Mittelachse. Der Brunnen sollte tief genug, um die gesamte thermische Cupel Spitze einbetten. Diese Vertiefungen sind relativ klein, so dass sie keinen signifikanten Effekt auf das allgemeine Verhalten der Wärme-Übertragung. Als Nächstes verwenden Hochtemperatur-Epoxy, Hochtemperatur-thermische Cupel Sonde in jedem Bohrloch zu versiegeln. Sicherstellen Sie, dass die Prüfspitzen sind vollständig umhüllt und in die Mitte des Prüfmusters als Epoxy-Sets gedrückt. Andernfalls können die Sonden Wasserbad anstelle der Probentemperatur Temperaturmessung. Sobald der Prüfling vorbereitet ist, richten Sie das abschrecken Bad. Fügen Sie eine Referenz thermische Cupel in das Bad in der Nähe, wo die Probe abgeschreckt werden. Verbinden Sie alle drei thermischen Schalensteine mit einem Datenerfassungssystem. Richten Sie ein Programm kontinuierlich transiente Temperaturmessungen rund zehnmal pro Sekunde anmelden. Alles ist jetzt bereit, das Experiment durchführen.

Dieses Experiment erfordert offener Flamme Heizung so, bevor Sie beginnen zu gewährleisten, dass ein Feuerlöscher griffbereit ist und dass keine brennbaren Materialien in der Nähe sind. Befolgen Sie alle üblichen Vorsichtsmaßnahmen für den Brandschutz. Richten Sie den Brenner in der Nähe von abschrecken Bad und Licht der Flamme. Abholen der Prüfling durch die thermische Cupel führt und aus der Ferne sicheres halten, langsam über der Flamme erhitzen, bis es die gewünschte Temperatur erreicht hat. Nun starten Sie die Datenerfassung und Tauchen Sie den Prüfling in dem abschrecken Bad ein. Halten Sie das Stück so ruhig wie möglich, Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion zu minimieren. Während die Probe abkühlt, achten auf und beachten Sie alle kochenden Verhalten. Bei Probe Temperaturabfall innerhalb von ein paar Grad die Badtemperatur, das Daten-Erwerb-Programm beenden. Wiederholen Sie diesen Vorgang für schrittweise höhere Erstmuster-Temperaturen bis zu etwa 300 Grad Celsius.

Öffnen Sie eine der Dateien. Bei jedem Zeitschritt ist eine Lesung des die Badtemperatur und zwei der Temperatur der Probe. Führen Sie die folgenden Berechnungen für jedes Mal. Berechnen Sie die durchschnittliche Probentemperatur, indem man das arithmetische Mittel der beiden Probe Lesungen. Berechnen Sie die momentane Abkühlgeschwindigkeit ist die Veränderung der Temperatur geteilt durch die Änderung in der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen. Glätten Sie dann die Ergebnisse mit einem Zweipunkt-gleitenden Durchschnitt, einige der Messrauschen herauszufiltern. Mithilfe der Differentialgleichung, abgeleitet aus der konzentrierten Kapazität Analyse der momentanen Wärmeübergangskoeffizienten berechnen. Der Wärmeübergangskoeffizient kann auch anhand von theoretischen oder empirischen abgeleitete Wärme Übertragung Modellen vorhergesagt werden. Diese Modelle in der Regel melden den Konvektionskoeffizienten in Bezug auf die Nusselt-Zahl, eine dimensionslose Quantität. Entnehmen Sie den Text auf, wie diese Berechnung durchzuführen. Mit den Gleichungen für die theoretische Wärmeübergangskoeffizient können Sie auch die Probe Kühlung im Laufe der Zeit vorhersagen. Um dies zu tun, nehmen Sie Ausgangspunkt aus den experimentellen Daten wo die Probentemperatur unter 100 Grad Celsius. Wählen Sie einen kleine numerische Zeitschritt und davon ausgehen Sie, dass die Temperatur konstant bleibt. Nun, numerisch integrieren Sie die Differentialgleichung von der konzentrierten Kapazität Analyse. Bald werden wir dieses theoretische Vorhersage mit unserer Messungen vergleichen. Nachdem Sie diese Analyse für jede Datendatei wiederholen, können Sie die Ergebnisse anzusehen. Zeichnen Sie die Temperatur der Probe im Vergleich zur Zeit für einen einzigen Test zusammen mit der theoretischen Vorhersage. Die schneller erste Abkühlgeschwindigkeit ist wahrscheinlich durch die erzwungene Konvektion wie die Probe in die Wanne fallen gelassen wird. Und spätere Schwingungen könnte durch kleine Bewegungen von der Person, die die Probe verursacht werden. Da die Temperatur Vorhersage bald eingestellt wird auftritt nur freier Konvektion, ist es besser, die Integration von einem Punkt nach der erzwungenen Konvektion-Stationen zu initialisieren. Wenn dieser Schritt getan ist, prognostiziert die Theorie sehr genau wie die Probe im Laufe der Zeit abkühlt. Nun, Plotten der Wärmeübergangskoeffizient gegen die Probe Temperaturdifferenz für alle Tests gemeinsam Baden. Fügen Sie die theoretische Vorhersage für den Wärmedurchgangskoeffizienten unterhalb des Siedepunktes. Beachten Sie den starken Anstieg bei höheren Temperaturen der Probe während des Kochprozesses kräftiger wird. In diesem Experiment wird nur kochendes Verbesserung beobachtet. Das geringe Volumen Flüssigkeitstemperatur verhindert in diesem Fall der Beginn einer kochenden Krise.

Nun, da Sie mit der Abschreckprozess vertrauter sind, schauen wir uns einige Möglichkeiten, in denen es in der realen Welt angewendet wird. Wärmebehandlung Schritte wie abschrecken und Tempern kritischen bei der Herstellung langlebiger Werkzeuge. Gewisse Stahllegierungen können geglüht werden, um Härte für Bearbeitung und arbeiten zu reduzieren. Sobald gebildet, können sie dann abgeschreckt werden, um hohe Härte zu erreichen. Viele technische Komponenten wie Computerprozessoren, erleben Sie große Temperaturschwankungen während ihres gesamten Lebenszyklus. Prozessoren erwärmen sich schnell wenn rechenintensive Programme laufen und die Temperaturerhöhung löst höhere Drehzahlen um die Kühlung zu verbessern. Die Vorhersage und Charakterisierung von Hitze Übertragungsraten ist wichtig für die Gestaltung von Komponenten, die nicht scheitern aufgrund von Überhitzung oder Müdigkeit.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Sprüh beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie diese gemeinsame Wärmebehandlung sowie einige der wichtigsten Faktoren, die Wärmeübertragung bei der Abschreckprozess Wirkung durchgeführt wird. Sie sollten auch wissen, wie ein Klumpen Kapazität Analyse um die Veränderung der Temperatur vorherzusagen und die Biot-Zahl verwenden, um festzustellen, wann diese Analyse gerechtfertigt ist. Danke fürs Zuschauen.

Results

Fotos von kochendem bei unterschiedlichen Eingangsmuster Temperaturen (Ts, 0) sind in Abb. 2 dargestellt. Bei Ts, 0 = 150 ° C Dampf Bläschen Form und Aufenthalt zum Beispiel angebracht. Bei Ts, 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:

Equation 6(4)

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 Ts = 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.

Equation 7(5)

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 (TsT 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.

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

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

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

Applications and Summary

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.

Transcript

Quenching is a heat treatment commonly used to modify material properties such as hardness and ductility. During quenching and the complementary process of annealing, a material is heated and subsequently cooled. For quenching, the material is cooled very quickly in contrast to annealing where it is cooled gradually in a controlled fashion. The rate of heat transfer is determined by many factors including the thermal conductivity of an object and surrounding fluid, geometry and temperature distribution. Understanding the interplay between these factors is important for building the link between a particular heat treatment and the resulting change in material properties. This video will focus on quenching and show how to perform a simple analysis of the heat transfer during this process.

After a sample is heated, quenching requires rapid heat transfer to the surrounding environment which is commonly achieved by immersing the sample in a fluid bath such as water or oil. Heat transfer to the surrounding fluid can be driven by free convection, where local heating by the sample results in buoyancy driven circulation or forced convection, where the sample is moved through the fluid. At higher sample temperatures, bubble formation can increase the heat transfer rate, an effect known as boiling enhancement. However, if the sample becomes blanketed by low thermal conductivity vapor, there is a boiling crisis and the heat transfer will be reduced. In general, the sample temperature is not well defined because the temperature distribution inside the sample is not uniform as it cools. In other words, the temperature doesn’t just depend on time, it depends on the position within the sample as well. However, if the internal heat transfer resistance is small relative to the external thermal resistance from the surface to the surrounding fluid, the sample temperature can be assumed to remain nearly uniform throughout and the analysis is simplified. The balance between these two resistances is expressed quantitatively by the Biot number, a dimensionless quantity named after the 19th century French physicist, Jean-Baptiste Biot. The Biot number is the ratio of the internal heat conduction resistance to the external convection resistance. The internal conduction resistance is the characteristic length scale of the object divided by its thermal conductivity. The external convection resistance is one over the convection coefficient. Generally, when the Biot number is less than 0.1, the temperature distribution inside the sample will remain nearly uniform. In this regime, a lumped capacitance analysis can be used to model the heat transfer rate by balancing the internal energy loss of the sample with the convective heat removal rate from Newton’s Laws of Cooling. The result is a first order differential equation for the sample temperature. In the next section, we will demonstrate these principles by quenching a small, solid, copper cylinder which is representative of small, heat-treated parts.

The test piece will be made from a length of 9.53 mm copper rod. Before proceeding, calculate the Biot number to justify the use of a lumped capacitance analysis. Assume that the external conduction coefficient will not exceed 5,000 watts per meter squared Kelvin and use the characteristic length for a cylinder which is half the diameter. Look up a published value for the thermal conductivity of copper and calculate the result. Since the Biot number is less than 0.1, proceed with the preparation of the test piece. Take a section of stock and cut approximately 25 mm from the end. Remove any rough edges on the piece and then measure the mass and final length. Near each end, drill a thermal cupel well, 1.6 mm in diameter, down to the central axis. The well should be deep enough to embed the entire thermal cupel tip. These wells are relatively small so they will not have a significant effect on the overall heat transfer behavior. Next, use high-temperature epoxy to seal a high-temperature thermal cupel probe into each well. Ensure that the probe tips are completely encased and pressed into the center of the test piece as the epoxy sets. Otherwise, the probes may measure the water-bath temperature instead of the sample temperature. Once the test piece is prepared, set up the quenching bath. Insert a reference thermal cupel into the bath near where the sample will be quenched. Connect all three thermal cupels to a data acquisition system. Set up a program to continuously log transient temperature measurements around ten times per second. Everything is now prepared to perform the experiment.

This experiment requires open-flame heating so before you begin ensure that a fire extinguisher is on hand and that no flammable materials are nearby. Follow all standard precautions for fire safety. Set up the burner near the quenching bath and light the flame. Pick up the test piece by the thermal cupel leads and from a safe holding distance, gradually heat it over the flame until it reaches the desired temperature. Now start the data acquisition and immerse the test piece into the quenching bath. Hold the piece as steady as possible to minimize heat transfer by forced convection. While the sample is cooling, watch for and note any boiling behavior. When the sample temperature drops to within a few degrees of the bath temperature, stop the data acquisition program. Repeat this procedure for progressively higher initial sample temperatures up to around 300 degrees Celsius.

Open one of the data files. At every time step, there is one reading of the bath temperature and two of the sample temperature. Perform the following calculations for each time. Compute the average sample temperature by taking the arithmetic mean of the two sample readings. Calculate the instantaneous cooling rate which is the change in temperature divided by the change in time between two successive measurements. Then smooth the results with a two-point moving average to filter out some of the measurement noise. Use the differential equation derived from the lumped capacitance analysis to calculate the instantaneous heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient can also be predicted using theoretical or empirical derived heat transfer models. These models generally report the convection coefficient in terms of the Nusselt number, a non-dimensional quantity. Consult the text for details on how to perform this calculation. With the equations for the theoretical heat transfer coefficient, you can also predict the sample cooling over time. To do this, take a starting point from your experimental data where the sample temperature is below 100 degrees Celsius. Choose a small numerical time step and assume that the bath temperature remains constant. Now, numerically integrate the differential equation from the lumped capacitance analysis. Soon, we will compare this theoretical prediction with our measurements. After you repeat this analysis for every data file, you are ready to look at the results. Plot the sample temperature versus time for a single test along with the theoretical prediction. The faster initial cooling rate is likely due to the forced convection as the sample is dropped into the bath. And later oscillations might be caused by small motions from the person holding the sample. Since the temperature prediction is soon set only free convection occurs, it is better to initialize the integration from a point after the forced convection stops. When this step is taken, the theory very accurately predicts how the sample cools over time. Now, plot the heat transfer coefficient against the sample to bath temperature difference for all of the tests together. Add the theoretical prediction for the heat transfer coefficient below the boiling point. Note the sharp rise at higher sample temperatures as the boiling process becomes more vigorous. In this experiment only boiling enhancement is observed. The low bulk fluid temperature in this case, prevents the onset of a boiling crisis.

Now that you are more familiar with the quenching process, let’s look at some ways in which it is applied in the real world. Heat treatment such as quenching and annealing are critical steps in the manufacture of durable tooling. Certain steel alloys can be annealed to reduce hardness for machining and working. Once formed, they can then be quenched to achieve high hardness. Many engineered components, such as computer processors, experience large temperature fluctuation throughout their life cycle. Processors heat up rapidly when running computationally intensive programs and the temperature rise triggers increased fan speeds to enhance cooling. The prediction and characterization of heat transfer rates is important for designing components that won’t fail due to overheating or fatigue.

You’ve just watched Jove’s Introduction to Quenching. You should now understand how this common heat treatment is performed as well as some of the major factors that effect heat transfer during the quenching process. You should also know how to perform a lump capacitance analysis to predict the change in temperature and how to use the Biot number to determine when this analysis is justified. Thanks for watching.