Quenching en koken

OPMERKING: Dit experiment maakt gebruik van vlamverhitting. Zorg ervoor dat er een brandblusser bij de hand is en dat er geen brandbare materialen in de buurt van het experiment zijn. Volg alle standaard voorzorgsmaatregelen voor brandveiligheid.

1. Fabricage van monster voor blussing (zie foto, Fig. 1)

1. Snijd een klein stukje (ongeveer 24 mm) van een koper staaf met een diameter van 9,53 mm. Boor twee kleine gaatjes (1,6 mm diameter) ongeveer halverwege de staaf, dicht bij de twee uiteinden. Deze gaatjes zullen de thermokoppelputten zijn. Aangezien de gaatjes en thermokoppels relatief klein zijn, kunnen we aannemen dat ze minimale invloed hebben op het algehele warmteoverdrachtgedrag.
2. Gebruik hoge temperatuur epoxy (bijv., JB Kwik) om hoge temperatuur thermokoppelsondes in de twee gaatjes te bevestigen. Zorg ervoor dat de uiteinden van de thermokoppelsondes in het midden van het kopermonster worden gedrukt terwijl de epoxy uithardt.
3. Stel een watercontainer in als blusbad. Plaats een derde referentiethermokoppel in het bad in de buurt van waar het monster zal worden geblust.
4. Verbind de drie thermokoppels met een data-acquisitiesysteem. Stel een programma in (bijvoorbeeld in LabVIEW) om de tijdelijke temperatuurmetingen op te slaan in een spreadsheet.

Figuur 1: a. Foto van geïnstrumenteerd kopermonster in koelwaterbad. b. Het verwarmen van het kopermonster.

2. Het uitvoeren van het experiment

1. Plaats een Bunsenbrander of een brandbare brandstofcontainer naast het blusbad. Steek de vlam aan.
2. Vanaf een veilige afstand, verwarm het monster geleidelijk boven de vlam (aanbevolen tot ongeveer 50°C voor het eerste experiment). Het monster kan worden vastgehouden door de thermokoppeldraden (Fig. 1b).
3. Begin met het opslaan van de thermokoppelgegevens naar een bestand en dompel het monster onder in het blusbad. Houd het monster stil zodat de warmteoverdracht door geforceerde convectie minimaal is. Stop met het opnemen van temperatuurgegevens zodra het monster binnen een paar graden van de badtemperatuur komt.
4. Herhaal deze procedure voor progressief hogere aanvankelijke monstertemperaturen (tot ongeveer 300°C). Voor gevallen boven 100°C, observeer het kookgedrag na het blussen van het monster.

3. Gegevensanalyse

1. Voor de opgeslagen temperatuurmetingen, noteer de gemiddelde monstertemperatuur bij elke tijd als de rekenkundige gemiddelde van de twee ingebedde thermokoppelmetingen.
2. Bereken de afkoeltempo van het monster bij elke opgeslagen tijd j als = (T_s,j+1-T_s,j)/(t_j+1-t_j) (waarden zullen negatief zijn). Hierbij is t_j de tijd van elke opgeslagen meting. Het kan nuttig zijn om deze afkoelsnelheidscurven te verzachten door een loopend gemiddelde uit te voeren met een monstervenster van 2-3 metingen.
3. Bereken de experimentele warmteoverdrachtscoëfficiënten h met Eqn. 2 met behulp van de afkoelsnelheid uit Stap 3.2, en gemeten badtemperatuur (T_∞) en monstertemperaturen (T_s). Hoe vergelijken deze warmteoverdrachtscoëfficiënten met de voorspelde waarden (Eqn. 4, zie Resultaten)?
4. Voor een geval met een initiële temperatuur onder 100°C, gebruik de initiële experimentele temperatuurmeting en integreer numeriek Eqn. 2 om het koelen over tijd te voorspellen. Gebruik Eqn. 4 om de convectiecoëfficiënt bij elke tijd te voorspellen. Vergelijk deze curve met gemeten waarden. Voor een numerieke tijdstapgrootte Δt (bijv. 0,1 s), kan de temperatuur worden geïntegreerd als:
   (3)