3: Raffreddamento ed ebollizione

NOTA: questo esperimento utilizza il riscaldamento a fiamma. Assicurarsi che un estintore sia a portata di mano e che nessun materiale infiammabile sia vicino all'esperimento. Seguire tutte le precauzioni standard per la sicurezza antincendio.

1. Fabbricazione del campione per la tempra (vedi fotografia, Fig. 1)

1. Tagliare una piccola lunghezza (~ 24 mm) di asta di rame di 9,53 mm di diametro. Praticare due piccoli fori (diametro 1,6 mm) circa a metà strada nell'asta vicino alle due estremità. Questi fori saranno i pozzetti delle termocoppie. Poiché i fori e le termocoppie sono relativamente piccoli, possiamo supporre che abbiano un effetto minimo sul comportamento complessivo del trasferimento di calore.
2. Utilizzare resina epossidica ad alta temperatura(ad esempio,JB Kwik) per apporre sonde termocoppia ad alta temperatura nei due fori. Assicurarsi che le punte della sonda della termocoppia siano premute al centro del campione di rame mentre la resina epossidica si imposta.
3. Impostare un contenitore per l'acqua come bagno di spegnimento. Inserire una terza termocoppia di riferimento nel bagno vicino a dove verrà spento il campione.
4. Collegare le tre termocoppie a un sistema di acquisizione dati. Impostare un programma (ad esempio in LabVIEW) per registrare le misurazioni della temperatura transitoria in un foglio di calcolo.

Figura 1: a. Fotografia di un campione di rame strumentato nel bagno d'acqua di raffreddamento.b. Campione di rame riscaldante.

2. Esecuzione dell'esperimento

1. Posizionare un bruciatore Bunsen o un contenitore di combustibile sfregamento accanto al bagno di tempra. Accendi la fiamma.
2. Da una distanza di sicurezza, riscaldare gradualmente il campione sulla fiamma (a ~ 50 ° C consigliato per il primo esperimento). Il campione può essere trattenuto dai conduttori della termocoppia (Fig. 1b).
3. Inizia a registrare i dati della termocoppia da archiviare e immergi il campione nel bagno di spegnimento. Tenere il campione fermo in modo che il trasferimento di calore a convezione forzata sia minimo. Interrompere la registrazione dei dati di temperatura una volta che il campione si avvicina entro pochi gradi dalla temperatura del bagno.
4. Ripetere questa procedura per temperature iniziali del campione progressivamente più elevate (fino a ~ 300 ° C). Per i casi superiori a 100°C, osservare il comportamento di ebollizione dopo aver spento il campione.

3. Analisi dei dati

1. Per le misurazioni della temperatura registrate, registrare la temperatura media del campione in ogni momento come media aritmetica delle due letture della termocoppia incorporata.
2. Calcolare la velocità di raffreddamento del campione ad ogni tempo registrato j come = (T_s,j+1-T_s,j)/(t_j+1-t_j) (i valori saranno negativi). Qui, t_j è il tempo di ogni lettura registrata. Può essere utile attenuare queste curve di velocità di raffreddamento eseguendo una media corrente con una finestra di esempio di 2-3 letture.
3. Calcolare i coefficienti sperimentali di scambio termico h con Eqn. 2 utilizzando la velocità di raffreddamento della fase 3.2 e le temperature del bagno misurato (T_∞) e del campione (T_s). In che modo questi coefficienti di scambio termico si confrontano con i valori previsti (Eqn. 4, vedi Risultati)?
4. Per un caso con temperatura iniziale inferiore a 100 °C, utilizzare la misurazione sperimentale iniziale della temperatura e integrare numericamente Eqn. 2 per prevedere il raffreddamento nel tempo. Usa Eqn. 4 per prevedere il coefficiente di convezione in ogni momento. Confrontare questa curva con i valori misurati. Per la dimensione numerica del passo temporale Δt(ad esempio, 0,1 s), la temperatura può essere integrata come:
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La tempra è un trattamento termico comunemente utilizzato per modificare le proprietà del materiale come la durezza e la duttilità. Durante la tempra e il processo complementare di ricottura, un materiale viene riscaldato e successivamente raffreddato. Per la tempra, il materiale viene raffreddato molto rapidamente a differenza della ricottura, dove viene raffreddato gradualmente in modo controllato. La velocità di trasferimento del calore è determinata da molti fattori, tra cui la conduttività termica di un oggetto e del fluido circostante, la geometria e la distribuzione della temperatura. Comprendere l'interazione tra questi fattori è importante per costruire il collegamento tra un particolare trattamento termico e il conseguente cambiamento nelle proprietà del materiale. Questo video si concentrerà sulla tempra e mostrerà come eseguire una semplice analisi del trasferimento di calore durante questo processo.

Dopo che un campione è stato riscaldato, la tempra richiede un rapido trasferimento di calore nell'ambiente circostante, che si ottiene comunemente immergendo il campione in un bagno fluido come acqua o olio. Il trasferimento di calore al fluido circostante può essere guidato dalla convezione libera, in cui il riscaldamento locale da parte del campione provoca una circolazione guidata dalla galleggiabilità o una convezione forzata, in cui il campione viene spostato attraverso il fluido. A temperature del campione più elevate, la formazione di bolle può aumentare la velocità di trasferimento del calore, un effetto noto come miglioramento dell'ebollizione. Tuttavia, se il campione viene ricoperto da vapore a bassa conducibilità termica, si verifica una crisi di ebollizione e il trasferimento di calore sarà ridotto. In generale, la temperatura del campione non è ben definita perché la distribuzione della temperatura all'interno del campione non è uniforme durante il raffreddamento. In altre parole, la temperatura non dipende solo dal tempo, ma anche dalla posizione all'interno del campione. Tuttavia, se la resistenza di trasferimento del calore interna è piccola rispetto alla resistenza termica esterna dalla superficie al fluido circostante, si può presumere che la temperatura del campione rimanga quasi uniforme per tutto il tempo e l'analisi è semplificata. L'equilibrio tra queste due resistenze è espresso quantitativamente dal numero di Biot, una quantità adimensionale che prende il nome dal fisico francese del XIX secolo, Jean-Baptiste Biot. Il numero di Biot è il rapporto tra la resistenza di conduzione del calore interna e la resistenza di convezione esterna. La resistenza di conduzione interna è la scala di lunghezza caratteristica dell'oggetto divisa per la sua conducibilità termica. La resistenza di convezione esterna è di uno sopra il coefficiente di convezione. Generalmente, quando il numero di Biot è inferiore a 0,1, la distribuzione della temperatura all'interno del campione rimarrà quasi uniforme. In questo regime, un'analisi della capacità concentrata può essere utilizzata per modellare la velocità di trasferimento del calore bilanciando la perdita di energia interna del campione con la velocità di rimozione del calore convettivo dalle leggi del raffreddamento di Newton. Il risultato è un'equazione differenziale del primo ordine per la temperatura del campione. Nella prossima sezione, dimostreremo questi principi temprando un piccolo cilindro di rame solido che è rappresentativo di piccole parti trattate termicamente.

Il provino sarà realizzato con una lunghezza di 9,53 mm di barra di rame. Prima di procedere, calcolare il numero di Biot per giustificare l'uso di un'analisi della capacità concentrata. Supponiamo che il coefficiente di conduzione esterna non superi i 5.000 watt per metro quadrato Kelvin e utilizzare la lunghezza caratteristica per un cilindro che è la metà del diametro. Cerca un valore pubblicato per la conducibilità termica del rame e calcola il risultato. Poiché il numero di Biot è inferiore a 0,1, procedere con la preparazione del provino. Prelevare una sezione di brodo e tagliarla a circa 25 mm dall'estremità. Rimuovere eventuali spigoli vivi sul pezzo e quindi misurare la massa e la lunghezza finale. Vicino a ciascuna estremità, praticare un pozzetto a coppella termica, di 1,6 mm di diametro, fino all'asse centrale. Il pozzetto deve essere abbastanza profondo da incorporare l'intera punta della coppella termica. Questi pozzetti sono relativamente piccoli, quindi non avranno un effetto significativo sul comportamento complessivo del trasferimento di calore. Quindi, utilizzare resina epossidica ad alta temperatura per sigillare una sonda coppellare termica ad alta temperatura in ciascun pozzetto. Assicurarsi che le punte della sonda siano completamente incassate e premute al centro del provino durante la presa della resina epossidica. In caso contrario, le sonde potrebbero misurare la temperatura del bagno d'acqua anziché la temperatura del campione. Una volta preparata la provetta, allestire il bagno di tempra. Inserire una coppelle termica di riferimento nella vasca da bagno vicino al punto in cui verrà spento il campione. Collegare tutte e tre le coppelle termiche a un sistema di acquisizione dati. Imposta un programma per registrare continuamente le misurazioni transitorie della temperatura circa dieci volte al secondo. Tutto è ora pronto per eseguire l'esperimento.

Questo esperimento richiede il riscaldamento a fiamma libera, quindi prima di iniziare assicurati che un estintore sia a portata di mano e che non ci siano materiali infiammabili nelle vicinanze. Seguire tutte le precauzioni standard per la sicurezza antincendio. Posizionare il bruciatore vicino al bagno di tempra e accendere la fiamma. Prelevare il provino dai cavi termici della coppella e, da una distanza di sicurezza, riscaldarlo gradualmente sulla fiamma fino a raggiungere la temperatura desiderata. Ora inizia l'acquisizione dei dati e immergi il pezzo di prova nel bagno di tempra. Tenere il pezzo il più stabile possibile per ridurre al minimo il trasferimento di calore per convezione forzata. Mentre il campione si sta raffreddando, osservare e annotare qualsiasi comportamento di ebollizione. Quando la temperatura del campione scende entro pochi gradi dalla temperatura del bagno, interrompere il programma di acquisizione dati. Ripetere questa procedura per temperature iniziali del campione progressivamente più elevate, fino a circa 300 gradi Celsius.

Aprire uno dei file di dati. Ad ogni fase temporale, c'è una lettura della temperatura del bagno e due della temperatura del campione. Eseguire i seguenti calcoli per ogni volta. Calcola la temperatura media del campione prendendo la media aritmetica delle due letture del campione. Calcola la velocità di raffreddamento istantanea, che è la variazione di temperatura divisa per la variazione di tempo tra due misurazioni successive. Quindi livella i risultati con una media mobile a due punti per filtrare parte del rumore di misurazione. Utilizzare l'equazione differenziale derivata dall'analisi della capacità concentrata per calcolare il coefficiente di scambio termico istantaneo. Il coefficiente di scambio termico può anche essere previsto utilizzando modelli di trasferimento del calore teorici o empirici. Questi modelli generalmente riportano il coefficiente di convezione in termini di numero di Nusselt, una grandezza non dimensionale. Consulta il testo per i dettagli su come eseguire questo calcolo. Con le equazioni per il coefficiente teorico di scambio termico, è anche possibile prevedere il raffreddamento del campione nel tempo. Per fare ciò, prendi un punto di partenza dai tuoi dati sperimentali in cui la temperatura del campione è inferiore a 100 gradi Celsius. Scegliere un piccolo passo numerico di tempo e supporre che la temperatura del bagno rimanga costante. Ora, integra numericamente l'equazione differenziale dall'analisi della capacità concentrata. Presto confronteremo questa previsione teorica con le nostre misurazioni. Dopo aver ripetuto l'analisi per ogni file di dati, è possibile esaminare i risultati. Traccia la temperatura del campione in funzione del tempo per un singolo test insieme alla previsione teorica. La velocità di raffreddamento iniziale più rapida è probabilmente dovuta alla convezione forzata quando il campione viene lasciato cadere nel bagno. E le oscillazioni successive potrebbero essere causate da piccoli movimenti della persona che tiene il campione. Poiché la previsione della temperatura viene presto impostata solo per convezione libera, è meglio inizializzare l'integrazione da un punto dopo l'arresto della convezione forzata. Quando viene fatto questo passo, la teoria prevede in modo molto accurato come il campione si raffredda nel tempo. Ora, tracciate il coefficiente di scambio termico rispetto alla differenza di temperatura tra campione e bagno per tutti i test insieme. Aggiungi la previsione teorica per il coefficiente di scambio termico al di sotto del punto di ebollizione. Si noti il forte aumento a temperature del campione più elevate man mano che il processo di ebollizione diventa più vigoroso. In questo esperimento si osserva solo un aumento dell'ebollizione. La bassa temperatura del fluido sfuso, in questo caso, impedisce l'insorgenza di una crisi di ebollizione.

Ora che hai più familiarità con il processo di tempra, diamo un'occhiata ad alcuni modi in cui viene applicato nel mondo reale. Il trattamento termico, come la tempra e la ricottura, sono passaggi fondamentali nella produzione di utensili durevoli. Alcune leghe di acciaio possono essere ricotte per ridurre la durezza durante la lavorazione e la lavorazione. Una volta formati, possono essere temprati per ottenere un'elevata durezza. Molti componenti ingegnerizzati, come i processori dei computer, subiscono grandi fluttuazioni di temperatura durante il loro ciclo di vita. I processori si riscaldano rapidamente durante l'esecuzione di programmi ad alta intensità di calcolo e l'aumento della temperatura innesca un aumento della velocità della ventola per migliorare il raffreddamento. La previsione e la caratterizzazione delle velocità di trasferimento del calore è importante per la progettazione di componenti che non si guastano a causa del surriscaldamento o dell'affaticamento.

Hai appena visto l'Introduzione di Giove alla tempra. A questo punto è necessario comprendere come viene eseguito questo comune trattamento termico e alcuni dei principali fattori che influenzano il trasferimento di calore durante il processo di tempra. Dovresti anche sapere come eseguire un'analisi della capacità del grumo per prevedere la variazione di temperatura e come utilizzare il numero di Biot per determinare quando questa analisi è giustificata. Grazie per l'attenzione.