淬火和沸腾

淬火传热的过程基本上是瞬态的。一般情况下, 冷却材料样品内的温度分布会有不同的空间和时间。然而, 如果内部传导热阻是小与外部热电阻从样品表面到周围的流体 (对流), 样品可以假设有几乎一致的温度在任何瞬间, 简化分析.这个条件可以用毕数 (Bi) 来表示, 它比较内部传导阻力和外部对流阻力。一般情况下, 当 Bi < 0.1, 内部的传热阻力可以忽略不计与外部热传导阻力。

(1)

在这里, h是外部对流系数, k_s是样品的热导率, 而L_c是样本的特征长度刻度。h可以根据不同的条件和流体在文献中发表的热传导模型和曲线拟合来预测。在本实验中, 将测量h并与已发布模型预测的结果进行比较 (请参见代表性结果部分)。

为这里考虑的铜圆筒 (k = 390 W m^-1 k^-1, 直径D = 9.53 mm, 长度为L = 24 mm), 特征长度刻度为D/2 = 4.8 mm. 假设最大对流系数为h =5000 W m^-2 K^-1, 峰值的奥比数将为0.06。由于这个数字是小的 (< 0.1), 这是合理的假设, 内部传导阻力是微不足道的, 样品有统一的温度。在较高的 Bi 值中, 需要一个更复杂的分析来解释材料中的温度变化。

假设一个均匀温度样品, 热传递率可以建模, 平衡内部能量损失从样品与对流热去除率从牛顿的冷却定律。这种方法称为集总电容分析。

(2)

这里, m 是样本质量 (15 g), c是样品材料的比热 (385 J 公斤^-1 K^-1为铜), T_s是样品温度,_s是样品表面积 (8.6 x 10^-4m²) 和是周围的流体温度.

为了预测淬火过程中的冷却速率 (dt_s/dt), 还必须预测对流系数 (h)。如果样品在液体沸腾温度之下并且保持固定在一水池冷却剂, 则热由自由对流主要去除。在这种模式下, 循环和冷却是产生的浮力驱动上升的加热流体附近的样品。更大的样品和流体温度的差异导致循环速率的增加。

如果样品温度高于沸点, 蒸汽可以在表面产生, 从而大大提高冷却速率。在沸腾过程中, 蒸气气泡形成并从热表面的小缺陷 (成核点) 生长。在较高的表面温度下, 更多的成核点变得活跃, 从而产生更大的对流系数和较高的传热速率。然而, 在极高的温度下, 相对较低的电导率蒸气不能快速去除。这导致了沸腾的危机, 其中的表面冷却是有限的, 由于蒸汽绝缘, 降低了传热率。

注: 本实验采用火焰加热。确保手边有灭火器, 而且实验附近没有易燃材料。遵守防火安全的所有标准预防措施。

1. 淬火试样的制作 (见附图, 图 1)

1. 切割小长度 (〜24毫米) 的9.53 毫米直径的铜杆。钻两个小孔 (直径1.6 毫米) 左右接近两端的杆。这些孔将是热电偶井。由于孔和热电偶相对较小, 我们可以假设它们对整体传热行为的影响极小。
2. 使用高温环氧树脂 (例如, JB 佳) 将高温热电偶探头贴在两个孔中。确保热电偶探头的尖端被压入铜样品的中心, 作为环氧树脂集。
3. 设置一个水容器作为淬火浴。将第三个参考热电偶插入到靠近样品淬火的地方。
4. 将三热电偶连接到数据采集系统。建立一个程序 (例如在 LabVIEW) 记录瞬态温度测量到一个电子表格。

图 1: 冷却水浴中仪表铜样品的照片. 加热铜样品.

2. 执行实验

1. 放置一个本生燃烧器或火锅旁边的淬火浴缸。点燃火焰
2. 从安全的保持距离, 逐渐温暖的样品在火焰 (〜50° c 建议第一个实验)。样品可由热电偶引线 (图 1b) 控制。
3. 开始将热电偶数据记录到文件中, 并将样品浸泡在淬火槽中。保持试样稳定, 使对流换热最小。一旦样品接近浴温, 停止记录温度数据。
4. 重复此步骤, 逐步提高初始取样温度 (最高可达300° c)。在100° c 以上的情况下, 观察样品淬火后的沸腾行为。

3. 数据分析

1. 对于记录的温度测量, 记录每一次的平均样品温度作为两个嵌入式热电偶读数的算术平均值。
2. 在每个记录的时间计算采样冷却速率j为 = (t_s,j+1-t_{, j})/(t_j+1-t_j) (值将为负数)。在这里, t_j是每次记录读取的时间。它可能有助于平滑这些冷却速率曲线通过执行一个运行平均2-3 读数窗口的样本。
3. 使用步骤3.2 中的冷却速率和测量的槽 (t_∞) 和采样温度 (T_s) 计算 Eqn 2 的实验传热系数h 。这些热传导系数与预测值的比较 (Eqn 4, 见结果)？
4. 对于初始温度低于100° c 的情况, 使用初始的实验温度测量和数值积分 Eqn 2 来预测冷却时间。使用 Eqn 4 预测每次对流系数。将此曲线与实测值进行比较。对于数值时间步长Δt (例如, 0.1 s), 温度可以集成为:
   (3)

在不同的初始样品温度 (T_s,0) 中的沸腾照片在图2中介绍。在T_s,0 = 150 ° c 的蒸汽气泡形成并保持附着在样品上。在T_s,0 = 175 气泡分离并浮入水中。在200° c 时, 产生更多气泡, 在较高的温度下观察到进一步的增加。沸腾的危机类型事件 (例如, 整个样品被持久的蒸气包围) 没有观察到由于低散装流体温度 (〜°)。

当试样温度低于冷却剂 (100 ° c) 的沸腾温度时, 可采用单相自由对流模型预测对流系数。自由对流换热率取决于流体普朗特数 (pr), 这是粘度与热扩散系数 (pr = 6.6 的水在室温下) 和瑞利数 (Ra), 这是衡量自然对流传输:

(4)

这里, g是重力加速度 (9.81 m 的^-2), β是流体的热膨胀系数 (密度与温度的相对变化, 2.28 x 10^-4 K^-1为水), 而ν是流体运动学粘度 (9.57 x 10^-7 m² s^-1为水)。例如, 对于在T_s = c 在水中的 9.5 mm 直径样本, 在t_∞ = °, 瑞利数字是 Ra = 7.44 x 10⁵。

对于在单相自由对流换热中的水平圆柱体, 在方程 4中提出了一种广泛使用的对流公式 (基于曲线拟合经验数据)。

(5)

这里, k是流体导热系数 (0.60 W m^-1 k^-1水)。该公式给出了塞数 (怒江), 无量纲对流换热系数。它可以通过乘以k/D, 将其转换为尺寸传热系数 (W m^-2 k^-1单位中的h )。对于 Ra = 7.44 x 10⁵的示例情况, 此模型预测怒江 = 16.4 和 h = 1040 W m^-2 K^-1。

在图3中, 将测量的瞬时对流系数与从公式 4中的理论自由对流值进行比较。在较低的表面温度下观察到定性接近的协议 (T_s-t_∞ < 80 K)。在较高的试样温度下, 沸腾发生, 测量的传热系数值明显超过单相自由对流预测。在沸腾条件下, 对流系数随试样温度的升高而急剧增加。这种增加是由于在较高的表面温度下有更多的活性成核点。

在图4中, 给出了一个具有初始温度42.5°C 的实例的实测和预测冷却曲线。最初, 实验温度曲线衰减更快。这可能是由于强制对流效应插入样品进入浴缸。随着时间的推移, 测量曲线的轻微振荡被观察, 可能是由于持有样品的人的运动。随后, 实验和预测的温度曲线匹配良好。

图 2: 在初始温度升高时淬火试样上的沸腾现象的照片 (T₀)

图 3: 测量自由对流和沸腾对流系数与理论自由对流值的比较

图 4: 初始温度情况下的实测和预测冷却曲线的比较T₀= 42.5°C

实验证明了淬火过程中的瞬态传热。在水浴中迅速冷却的材料样品的温度被跟踪。将对流系数和温度分布与自由对流冷却的理论值进行了比较。还讨论了沸腾现象, 并观察了高初始样品温度。从这些实验和示范方法的信息可以用于理解和设计传热过程的制造和材料热处理。

热处理工具常采用快速淬火冷却。某些合金钢可以退火 (加热和逐渐冷却), 以降低加工和工作的硬度。然后, 他们可以加热和迅速冷却, 以达到高硬度切割其他材料 (如, 文件, 锯片) 或在高磨损应用 (如, 锤头, 冲床)。额外的热处理操作可以提高韧性, 以防止脆断。

更普遍地, 快速瞬变加热和冷却在许多应用中被发现。例如, 计算机处理器在运行计算密集型程序时会迅速升温。这种温度上升通常会触发风扇速度增加和快速冷却。当发电厂被带到网上时, 蒸汽发生器管就会迅速升温。在这两种情况下, 对加热和冷却速率的预测和表征对于防止材料因过热和疲劳而失效是非常重要的。如本研究所示, 瞬态传热分析对于工程技术是至关重要的。