Abschrecken und kochen

Mechanical Engineering

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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.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Maschinenbau. Abschrecken und kochen. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

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), T-s 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 + 1-Ts, j) / (tj + 1-t-j) (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 T-s, 0 = 150 ° C Dampf Bläschen Form und Aufenthalt zum Beispiel angebracht. Bei T-s, 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 (Ts-T 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.

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 + 1-Ts, j) / (tj + 1-t-j) (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.

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