Enfriamiento y ebullición

El enfriamiento es un tratamiento térmico comúnmente utilizado para modificar las propiedades del material, como la dureza y la ductilidad. Durante el enfriamiento y el proceso complementario de recocido, un material se calienta y posteriormente se enfría. Para el enfriamiento, el material se enfría muy rápidamente, a diferencia del recocido, donde se enfría gradualmente de manera controlada. La tasa de transferencia de calor está determinada por muchos factores, incluida la conductividad térmica de un objeto y el fluido circundante, la geometría y la distribución de la temperatura. Comprender la interacción entre estos factores es importante para establecer el vínculo entre un tratamiento térmico en particular y el cambio resultante en las propiedades del material. Este vídeo se centrará en el enfriamiento y mostrará cómo realizar un análisis sencillo de la transferencia de calor durante este proceso.

Después de calentar una muestra, el enfriamiento requiere una rápida transferencia de calor al entorno circundante, que comúnmente se logra sumergiendo la muestra en un baño de fluido como agua o aceite. La transferencia de calor al fluido circundante puede ser impulsada por convección libre, donde el calentamiento local de la muestra da como resultado una circulación impulsada por la flotabilidad o convección forzada, donde la muestra se mueve a través del fluido. A temperaturas de muestra más altas, la formación de burbujas puede aumentar la tasa de transferencia de calor, un efecto conocido como mejora de la ebullición. Sin embargo, si la muestra se cubre con vapor de baja conductividad térmica, se produce una crisis de ebullición y se reducirá la transferencia de calor. En general, la temperatura de la muestra no está bien definida porque la distribución de la temperatura dentro de la muestra no es uniforme a medida que se enfría. En otras palabras, la temperatura no solo depende del tiempo, sino también de la posición dentro de la muestra. Sin embargo, si la resistencia interna a la transferencia de calor es pequeña en relación con la resistencia térmica externa de la superficie al fluido circundante, se puede suponer que la temperatura de la muestra permanece casi uniforme en todo momento y se simplifica el análisis. El equilibrio entre estas dos resistencias se expresa cuantitativamente mediante el número de Biot, una cantidad adimensional que lleva el nombre del físico francés del siglo XIX, Jean-Baptiste Biot. El número Biot es la relación entre la resistencia interna a la conducción de calor y la resistencia a la convección externa. La resistencia de conducción interna es la escala de longitud característica del objeto dividida por su conductividad térmica. La resistencia de convección externa es uno sobre el coeficiente de convección. Generalmente, cuando el número de Biot es inferior a 0,1, la distribución de la temperatura dentro de la muestra permanecerá casi uniforme. En este régimen, se puede utilizar un análisis de capacitancia agrupada para modelar la tasa de transferencia de calor equilibrando la pérdida de energía interna de la muestra con la tasa de eliminación de calor convectiva de las Leyes de enfriamiento de Newton. El resultado es una ecuación diferencial de primer orden para la temperatura de la muestra. En la siguiente sección, demostraremos estos principios enfriando un cilindro de cobre pequeño y sólido que es representativo de piezas pequeñas tratadas térmicamente.

La probeta se fabricará con una varilla de cobre de 9,53 mm de longitud. Antes de continuar, calcule el número de Biot para justificar el uso de un análisis de capacitancia agrupado. Suponga que el coeficiente de conducción externa no excederá los 5.000 vatios por metro cuadrado Kelvin y use la longitud característica para un cilindro que tenga la mitad del diámetro. Busque un valor publicado para la conductividad térmica del cobre y calcule el resultado. Dado que el número de Biot es inferior a 0,1, proceda con la preparación de la pieza de prueba. Tome una sección de caldo y corte aproximadamente 25 mm desde el extremo. Retire los bordes ásperos de la pieza y luego mida la masa y la longitud final. Cerca de cada extremo, perfore un pozo de cúpula térmica, de 1,6 mm de diámetro, hasta el eje central. El pozo debe ser lo suficientemente profundo como para incrustar toda la punta de la copa térmica. Estos pozos son relativamente pequeños, por lo que no tendrán un efecto significativo en el comportamiento general de la transferencia de calor. A continuación, use epoxi de alta temperatura para sellar una sonda de copa térmica de alta temperatura en cada pozo. Asegúrese de que las puntas de la sonda estén completamente encajonadas y presionadas en el centro de la pieza de prueba a medida que el epoxi se endurece. De lo contrario, las sondas pueden medir la temperatura del baño de agua en lugar de la temperatura de la muestra. Una vez que la pieza de prueba esté preparada, configure el baño de enfriamiento. Inserte una copa térmica de referencia en el baño cerca de donde se enfriará la muestra. Conecte las tres copas térmicas a un sistema de adquisición de datos. Configure un programa para registrar continuamente las mediciones de temperatura transitorias alrededor de diez veces por segundo. Ahora todo está preparado para realizar el experimento.

Este experimento requiere calentamiento de llama abierta, por lo que antes de comenzar, asegúrese de tener a mano un extintor de incendios y de que no haya materiales inflamables cerca. Siga todas las precauciones estándar de seguridad contra incendios. Coloque el quemador cerca del baño de enfriamiento y encienda la llama. Levante la pieza de prueba por los cables de la cúpula térmica y, desde una distancia de sujeción segura, caliéntela gradualmente sobre la llama hasta que alcance la temperatura deseada. Ahora inicie la adquisición de datos y sumerja la pieza de prueba en el baño de enfriamiento. Sostenga la pieza lo más firme posible para minimizar la transferencia de calor por convección forzada. Mientras la muestra se enfría, observe y anote cualquier comportamiento de ebullición. Cuando la temperatura de la muestra descienda a unos pocos grados de la temperatura del baño, detenga el programa de adquisición de datos. Repita este procedimiento para temperaturas iniciales de muestra progresivamente más altas hasta alrededor de 300 grados Celsius.

Abra uno de los archivos de datos. En cada paso de tiempo, hay una lectura de la temperatura del baño y dos de la temperatura de la muestra. Realice los siguientes cálculos para cada vez. Calcule la temperatura promedio de la muestra tomando la media aritmética de las dos lecturas de la muestra. Calcule la velocidad de enfriamiento instantáneo, que es el cambio de temperatura dividido por el cambio de tiempo entre dos mediciones sucesivas. A continuación, suaviza los resultados con una media móvil de dos puntos para filtrar parte del ruido de la medición. Utilice la ecuación diferencial derivada del análisis de capacitancia concentrada para calcular el coeficiente de transferencia de calor instantáneo. El coeficiente de transferencia de calor también se puede predecir utilizando modelos de transferencia de calor teóricos o empíricos derivados. Estos modelos generalmente informan el coeficiente de convección en términos del número de Nusselt, una cantidad no dimensional. Consulte el texto para obtener detalles sobre cómo realizar este cálculo. Con las ecuaciones para el coeficiente teórico de transferencia de calor, también puede predecir el enfriamiento de la muestra a lo largo del tiempo. Para ello, tome un punto de partida de sus datos experimentales en el que la temperatura de la muestra sea inferior a 100 grados centígrados. Elija un pequeño paso de tiempo numérico y suponga que la temperatura del baño permanece constante. Ahora, integre numéricamente la ecuación diferencial del análisis de capacitancia concentrada. Pronto, compararemos esta predicción teórica con nuestras mediciones. Después de repetir este análisis para cada archivo de datos, estará listo para ver los resultados. Traza la temperatura de la muestra en función del tiempo para una sola prueba junto con la predicción teórica. Es probable que la velocidad de enfriamiento inicial más rápida se deba a la convección forzada a medida que la muestra se deja caer en el baño. Y las oscilaciones posteriores pueden ser causadas por pequeños movimientos de la persona que sostiene la muestra. Dado que la predicción de temperatura se establece pronto, solo se produce la convección libre, es mejor inicializar la integración desde un punto después de que se detenga la convección forzada. Cuando se da este paso, la teoría predice con mucha precisión cómo se enfría la muestra con el tiempo. Ahora, trace el coeficiente de transferencia de calor contra la diferencia de temperatura de la muestra al baño para todas las pruebas juntas. Agregue la predicción teórica para el coeficiente de transferencia de calor por debajo del punto de ebullición. Obsérvese el fuerte aumento a temperaturas de muestra más altas a medida que el proceso de ebullición se vuelve más vigoroso. En este experimento solo se observa un aumento de la ebullición. La baja temperatura del fluido a granel, en este caso, evita la aparición de una crisis de ebullición.

Ahora que está más familiarizado con el proceso de enfriamiento, veamos algunas formas en que se aplica en el mundo real. El tratamiento térmico, como el enfriamiento y el recocido, son pasos críticos en la fabricación de herramientas duraderas. Ciertas aleaciones de acero se pueden recocer para reducir la dureza para el mecanizado y el trabajo. Una vez formados, se pueden enfriar para lograr una alta dureza. Muchos componentes de ingeniería, como los procesadores de computadora, experimentan grandes fluctuaciones de temperatura a lo largo de su ciclo de vida. Los procesadores se calientan rápidamente cuando se ejecutan programas computacionalmente intensivos y el aumento de la temperatura desencadena un aumento de la velocidad del ventilador para mejorar la refrigeración. La predicción y caracterización de las tasas de transferencia de calor es importante para diseñar componentes que no fallen debido al sobrecalentamiento o la fatiga.

Acabas de ver la Introducción al Enfriamiento de Jove. Ahora debe comprender cómo se realiza este tratamiento térmico común, así como algunos de los principales factores que afectan la transferencia de calor durante el proceso de enfriamiento. También debe saber cómo realizar un análisis de capacitancia global para predecir el cambio de temperatura y cómo usar el número de Biot para determinar cuándo se justifica este análisis. Gracias por mirar.