Overview
Source : Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari et Mahdi Nabil ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA
Suivie d’un refroidissement rapide de chauffage est un élément important de nombreux matériaux, traitement des demandes. Cette procédure de traitement thermique peut augmenter la dureté du matériau, ce qui est importante pour les outils de coupe ou de surfaces dans des environnements de forte usure. L’étape de refroidissement rapide est appelé trempeet est souvent exécutée en immergeant les matériaux dans un bain liquide (souvent de l’eau ou huile). Trempe de transfert de chaleur peut se produire en raison de la convection forcée - lorsque l’action de déplacer rapidement matériel dʼhuile conduit le processus de transfert de chaleur et de convection libre - si la diminution de la densité du fluide chaud près de la surface du matériau pratique axée sur la flottabilité et transfert de chaleur. À haute température matérielle, peut bouillir le liquide de refroidissement, conduisant à l’efficacité de transfert de chaleur accrue. Toutefois, lorsque les matériaux extrêmement chauds sont trempés, ils peuvent être recouvert de vapeur de liquide de refroidissement relativement faible conductivité thermique, conduisant au transfert de chaleur pauvres.
Dans cette expérience, la trempe de transfert de chaleur se mesurera pour un cylindre de cuivre chauffé, qui est représentatif des petites pièces traitées thermiquement. Le profil de température transitoire échantillon sera mesuré au cours de la trempe et comparés avec les résultats théoriques gratuite transfert de chaleur par convection. Faire bouillir les phénomènes est également étudié qualitativement.
Principles
Le processus de trempe de transfert de chaleur est fondamentalement transitoire. En général, la distribution de la température peut varier dans l’espace et le temps à l’intérieur d’un échantillon de matériau refroidi. Cependant, si la résistance thermique de conduction interne est petite comparée à résistance thermique externe de la surface de l’échantillon pour le liquide environnant (convection), l’échantillon peut être supposé d’avoir une température presque uniforme à n’importe quel instant, simplifiant analyse. Cette condition peut être exprimée en termes du nombre de Biot (Bi), qui compare la résistance interne de conduction à la résistance de convection externe. En règle générale, lorsque Bi < 0,1, résistance de transfert de chaleur interne peut supposer négligeable par rapport à la résistance de transfert de chaleur extérieure.
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Ici, h est le coefficient de convection externe, ks est la conductivité thermique de l’échantillon et Lc est une échelle de longueur caractéristique de l’échantillon. h peut être prédit à l’aide de modèles de transfert de chaleur et courbe s’adapte publiées dans la littérature pour des conditions différentes et fluides. Dans cette expérience, h seront mesurés et comparés avec les résultats prévues avec des modèles publiés (voir la section résultats représentatifs).
Pour le cylindre de cuivre considéré ici (k = 390 W m-1 K-1, diamètre D = 9,53 mm, longueur L = 24 mm), l’échelle de longueur caractéristique est D2 = 4,8 mm. en supposant un coefficient de convection maximale de h = 5000 W m-2 K-1, le nombre de Biot de pointe serait de 0,06. Que ce nombre est faible (< 0,1), il est raisonnable de supposer que les résistances internes de conduction sont négligeables, et l’échantillon a une température uniforme. À des valeurs plus élevées de Bi, une analyse plus complexe est nécessaire qui prend en compte les variations de température dans le matériau.
En supposant qu’un échantillon de température uniforme, le taux de transfert de chaleur peut être modélisé par l’équilibrage de la perte d’énergie interne de l’échantillon avec le taux d’élimination de chaleur par convection de la Loi de Newton de refroidissement. Cette approche s’appelle une analyse capacitance localisé .
(2)
Ici, m est la masse de l’échantillon (15 g), c est la chaleur spécifique de l’échantillon (385 J kg-1 K-1 pour le cuivre), Ts est la température de l’échantillon, As est la surface de l’échantillon (8,6 × 10-4 m2), et 
est la température du fluide environnante.
Pour prédire le taux de refroidissement (dTs/dt) au cours de la trempe, le coefficient de convection (h) doit également être prédite. Si l’échantillon est inférieure à la température d’ébullition le liquide et maintenu immobile dans un réservoir de liquide de refroidissement, puis chaleur est principalement éliminée par convection libre. Dans ce mode, la circulation et le refroidissement est produite par le lever axée sur la flottabilité du fluide chauffé près de l’échantillon. Plus grandes différences de température de l’échantillon-à-liquide entraîner des taux d’accroissement de la circulation.
Si la température de l’échantillon est supérieure à la température d’ébullition, la vapeur peut être généré à la surface, ce qui entraîne significativement plus haut taux de refroidissement. Pendant l’ébullition, forme des bulles de vapeur et se développent de petites imperfections (sites de nucléation) sur la surface chaude. Des températures de surface élevées, plus des sites de nucléation deviennent actives, ce qui entraîne une plus grande coefficients de convection et la chaleur plus haut taux de transfert. Toutefois, à très haute température, la vapeur relativement faible conductivité ne peut être enlevée assez rapidement. Il en résulte l' ébullition de crise, dans laquelle la surface de refroidissement est limitée en raison de l’isolation de la vapeur, réduisant le taux de transfert de chaleur.
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Procedure
Remarque : Cette expérience utilise flamme chauffage. S’assurer qu’un extincteur est sur place et qu’aucun des matériaux inflammables ne sont près de l’expérience. Suivez toutes les précautions standards pour la sécurité-incendie.
1. fabrication de l’échantillon pour trempe (voir la photo, Fig. 1)
- Couper une longueur réduite (~ 24 mm) de la tige de cuivre de diamètre de 9,53 mm. Percer deux petits trous (diamètre de 1,6 mm) environ à mi-chemin dans la tige près des deux extrémités. Ces trous seront les puits de thermocouple. Comme les trous et les thermocouples sont relativement faibles, on peut supposer qu’ils ont un effet minime sur le comportement de transfert thermique global.
- Utilisez époxy haute température (par exemple, JB Kwik) d’apposer des sondes thermocouples haute température dans les deux trous. Veiller à ce que les pointes de thermocouple sont enfoncées dans le centre de l’échantillon de cuivre que le couche d’époxy.
- Mettre en place un récipient d’eau comme un bain de trempe. Insérer une troisième référence thermocouple dans la baignoire près où l’échantillon va être trempé.
- Branchez les trois thermocouples à un système d’acquisition de données. Set up un programme (dans LabVIEW par exemple) pour ouvrir une session transitoire de la température dans une feuille de calcul.
Figure 1 : a. photo d’instrumenté échantillon cuivre refroidissement eau bain. b. chauffage cuivre échantillon.
2. exécution d’expérience
- Positionner un bec Bunsen ou une ceinture de protection cartouche de combustible à côté du bain de trempe. Allumer la flamme.
- D’une distance sûre tenue, progressivement chauffer l’échantillon au-dessus de la flamme (à environ 50° C recommandé pour la première expérience). L’échantillon peut être tenu par les fils de thermocouple (Fig. 1 b).
- Démarrer la journalisation des données de thermocouple au fichier et y plonger l’échantillon dans le bain de trempe. Tenir le stationnaire de l’échantillon pour que forcé de transfert de chaleur par convection est minime. Arrêter l’enregistrement des données de température une fois l’échantillon aborde quelques degrés de la température du bain.
- Répétez cette procédure pour des températures d’échantillon initial progressivement plus élevés (jusqu'à ~ 300° C). Pour les cas supérieure à 100° C, observer le comportement de bouillant après la trempe de l’échantillon.
3. analyse des données
- Pour des mesures de température enregistrées, noter la température de l’échantillon moyen à chaque fois comme la moyenne arithmétique des deux lectures thermocouple incorporé.
- Calculer l’échantillon taux à chacune de refroidissement connecté temps j comme
= (Ts, j + 1-Ts, j) / (tj + 1-tj) (les valeurs seront négatives). Ici, tj est le temps de chacun connecté lecture. Il peut être utile lisser ces courbes de taux refroidissement en effectuant une moyenne en cours d’exécution avec une fenêtre de l’échantillon de 2 ou 3 lectures. - Calculer la chaleur expérimental transfert coefficients h avec Eqn. 2 en utilisant le taux de refroidissement de l’étape 3.2, et mesuré les bain (T∞) et température de l’échantillon (Ts). Comment comparer ces coefficients de transfert de chaleur avec les valeurs prédites (Eqn. 4, voir les résultats) ?
- Pour un cas avec une température initiale inférieure à 100° C, utilisez la mesure de température expérimentale initiale et intégrer numériquement Eqn. 2 pour prédire le refroidissement au fil du temps. Utilisez Eqn. 4 pour prédire le coefficient de convection à chaque fois. Comparez cette courbe de valeurs mesurées. Pour l’heure numérique étape taille Δt (p. ex., 0,1 s), la température peut être intégrée comme :
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= (Ts, j + 1-Ts, j) / (tj + 1-tj) (les valeurs seront négatives). Ici, tj est le temps de chacun connecté lecture. Il peut être utile lisser ces courbes de taux refroidissement en effectuant une moyenne en cours d’exécution avec une fenêtre de l’échantillon de 2 ou 3 lectures.
(3)Trempe est un traitement thermique, généralement utilisé pour modifier les propriétés matérielles telles que la dureté et la ductilité. Au cours de la trempe et le processus complémentaire de recuit, un matériau est chauffé et ensuite refroidi. Pour la trempe, le matériau est refroidi très rapidement contrairement à recuit où il est refroidi progressivement de manière contrôlée. Le taux de transfert de chaleur est déterminé par plusieurs facteurs dont la conductivité thermique d’un objet et de la distribution de liquide, la géométrie et la température environnante. Comprendre l’interaction entre ces facteurs est important pour le lien entre un traitement particulier de la chaleur et le changement qui en résulte dans les propriétés du matériau de construction. Cette vidéo se concentrera sur la trempe et indiquent comment effectuer une simple analyse du transfert thermique au cours de ce processus.
Après qu’un échantillon est chauffé, trempe nécessite transfert rapide de la chaleur à l’environnement qui est généralement réalisé en immergeant l’échantillon dans un bain liquide comme l’eau ou l’huile. Transfert de chaleur vers le liquide environnant peut être entraînée par la convection libre, où chauffage local par l’échantillon entraîne la circulation flottabilité conduite ou convection forcée, où l’échantillon est déplacé à travers le fluide. Aux températures élevées de sample, formation de bulles peut augmenter le taux de transfert de chaleur, un effet connu comme amélioration bouillante. Toutefois, si l’échantillon devient recouvert par les vapeurs de faible conductivité thermique, il y a une crise d’ébullition et le transfert de chaleur sera réduit. En général, la température de l’échantillon n’est pas bien définie car la distribution de la température à l’intérieur de l’échantillon n’est pas uniforme en refroidissant. En d’autres termes, la température ne dépend pas juste à temps, cela dépend de la position au sein de l’échantillon ainsi. Toutefois, si la résistance de transfert de chaleur interne est faible par rapport à la résistance thermique externe de la surface pour le liquide environnant, la température de l’échantillon peut être censée restent presque uniforme tout au long et l’analyse est simplifiée. L’équilibre entre ces deux résistances est exprimé quantitativement par le nombre de Biot, une quantité sans dimension nommé d’après le physicien Français du XIXe siècle, Jean-Baptiste Biot. Le nombre de Biot est le rapport entre la résistance de conduction de chaleur interne à la résistance de convection externe. La résistance interne de la conduction est l’échelle de longueur caractéristique de l’objet divisé par sa conductivité thermique. La résistance de convection externe est un sur le coefficient de convection. En règle générale, lorsque le nombre de Biot est inférieur à 0,1, la distribution de la température à l’intérieur de l’échantillon restera presque uniforme. Dans ce régime, une analyse de la capacité des permet de modéliser le taux de transfert de chaleur en équilibrant la perte d’énergie interne de l’échantillon avec le taux d’élimination de chaleur par convection de lois de refroidissement de Newton. Il en résulte une première équation différentielle de commande pour la température de l’échantillon. Dans la section suivante, nous allons démontrer ces principes par trempe un cylindre petit, solid, cuivre, qui est représentatif des petites pièces traitées thermiquement.
L’éprouvette s’effectueront à partir d’une longueur de tige de cuivre 9,53 mm. Avant de procéder, calculer le nombre de Biot pour justifier l’utilisation d’une analyse de capacitance localisés. Supposons que le coefficient de conduction externe ne dépasse pas 5 000 watts par mètre carré Kelvin et d’utiliser la longueur caractéristique pour un cylindre qui est la moitié du diamètre. Rechercher une valeur publiée pour la conductivité thermique du cuivre et de calculer le résultat. Puisque le nombre de Biot est inférieure à 0,1, procéder à la préparation de l’éprouvette. Prenez un article de stock et coupez environ 25 mm de l’extrémité. Supprimer toute aspérité sur la pièce et ensuite mesurer la longueur de la masse et finale. Près de chaque extrémité, percer une coupelle thermique bien, 1,6 mm de diamètre, jusqu'à l’axe central. Le puits doit être assez profond pour intégrer la pointe ensemble coupelle thermique. Ces puits sont relativement petits, donc ils n’auront pas un effet significatif sur le comportement de transfert thermique global. Ensuite, époxy haute température utilisation pour sceller une coupelle thermique haute température sonde dans chaque puits. Veiller à ce que les pointes sont complètement enfermés et pressés dans le centre de l’éprouvette que le couche d’époxy. Dans le cas contraire, les sondes peuvent mesurer la température du bain d’eau au lieu de la température de l’échantillon. Une fois l’éprouvette est préparé, mis en place le bain de trempe. Insérez une coupelle thermique de référence dans la baignoire près où l’échantillon va être trempé. Connectez tous les trois coupelles thermiques d’un système d’acquisition de données. Mettre en place un programme de se connecter en continu des mesures de température transitoire environ dix fois par seconde. Tout est maintenant prêt à réaliser l’expérience.
Cette expérience nécessite flamme nue chauffage donc avant de commencer à s’assurer qu’un extincteur est sur place et qu’aucun des matériaux inflammables ne sont à proximité. Suivez toutes les précautions standards pour la sécurité-incendie. Mettre en place le brûleur près du bain de trempe et de la lumière de la flamme. Ramasser l’éprouvette par le conduit de la coupelle thermique et d’une distance sûre tenue, chauffer progressivement au-dessus de la flamme jusqu'à ce qu’il atteigne la température désirée. Lancez l’acquisition de données et plonger l’éprouvette dans le bain de trempe. Maintenir la feuille aussi immobile que possible afin de minimiser le transfert de chaleur par convection forcée. Alors que l’échantillon est de refroidissement, surveillez et notez n’importe quel comportement bouillante. Quand la température de l’échantillon tombe à quelques degrés de la température du bain, arrêter le programme d’acquisition de données. Répétez cette procédure pour des températures d’échantillon initial progressivement plus élevés jusqu'à environ 300 degrés Celsius.
Ouvrez un des fichiers de données. À chaque pas de temps, il y a une seule lecture de la température du bain et deux de la température de l’échantillon. Effectuer les calculs suivants pour chaque fois. Calculer la température de l’échantillon moyen en prenant la moyenne arithmétique entre les deux lectures de l’échantillon. Calculer le taux de refroidissement instantané qui est le changement de température divisé par le changement dans le temps entre deux mesures successives. Ensuite lisser les résultats avec une moyenne mobile de deux points à filtrer certains du bruit de mesure. L’équation différentielle dérivée de l’analyse de la capacité des permet de calculer le coefficient de transfert de chaleur instantanée. Le coefficient de transfert de chaleur peut également être prédite à l’aide de modèles de transfert de chaleur dérivée théorique ou empirique. Ces modèles de rapport généralement le coefficient de convection en termes du nombre de Nusselt, une quantité sans dimension. Consulter le texte pour plus de détails sur la façon d’effectuer ce calcul. Avec les équations pour le coefficient de transfert thermique théorique, vous pouvez également prédire l’échantillon refroidissement au fil du temps. Pour ce faire, prenez un point de départ de vos données expérimentales où la température de l’échantillon est inférieure à 100 degrés Celsius. Choisissez une étape de petit temps numérique et supposons que la température du bain reste constante. Maintenant, numériquement intégrer l’équation différentielle de l’analyse de capacitance localisés. Bientôt, nous allons comparer cette prédiction théorique avec nos mesures. Après que vous répéter cette analyse pour chaque fichier de données, vous êtes prêt à regarder les résultats. Tracer la température de l’échantillon par rapport à temps pour un seul test ainsi que la prédiction théorique. Le plus rapide taux de refroidissement initial est probablement due à la convection forcée que l’échantillon est déposé dans le bain. Et oscillations plus tard peuvent être provoquées par petits mouvements de la personne qui détient l’échantillon. Étant donné que la prédiction de température est bientôt mises convection libre seulement se produit, il est préférable d’initialiser l’intégration d’un point après l’arrêt de la convection forcée. Lorsque cette étape est franchie, la théorie prédit très précisément comment l’échantillon se refroidit au fil du temps. Maintenant, tracez le coefficient de transmission thermique contre l’échantillon à la différence de température pour tous les tests de bain ensemble. Ajouter la prédiction théorique pour le coefficient de transmission thermique au-dessous du point d’ébullition. Noter la forte hausse à plus haute température de l’échantillon comme le processus d’ébullition devient plus vigoureux. Dans cette expérience seulement bouillante amélioration est observée. La température du fluide en vrac faible dans ce cas, prévient l’apparition d’une crise d’ébullition.
Maintenant que vous êtes familiarisé avec le processus de trempe, regardons d’une certaine manière dans laquelle elle est appliquée dans le monde réel. Traitement thermique tels que critiquent la trempe et recuit étapes dans la fabrication de biens outillage. Certains alliages d’acier peuvent être recuits pour réduire la dureté pour usinage et travail. Une fois formé, il peuvent être éteint puis pour obtenir une dureté élevée. Nombreux composants machinés, tels que les processeurs de l’ordinateur, l’expérience de fluctuations importantes de température tout au long de leur cycle de vie. Les processeurs chauffent rapidement lors de l’exécution des programmes par le calcul intensifs et l’élévation de température déclenche des vitesse de ventilation accrue pour améliorer le refroidissement. La prédiction et la caractérisation des taux de transfert de chaleur est important pour la conception de composants qui ne sera pas échouer en raison d’une surchauffe ou de fatigue.
Vous avez juste regardé Introduction de Jove au refroidissement. Vous devez maintenant comprendre comment cet commun traitement thermique est effectué ainsi que certains des principaux facteurs que l’effet de transfert de chaleur pendant le processus de trempe. Vous devez également savoir comment effectuer une analyse de capacitance forfaitaire pour prédire les changements de température et comment utiliser le nombre de Biot pour déterminer quand cette analyse est justifiée. Merci de regarder.
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Results
Photographies de bouillir à une température de l’échantillon initial différent (Ts, 0) sont présentés sur la Fig. 2. A Ts, 0 = formulaire de bulles de vapeur 150 ° C et de rester attaché à l’échantillon. A Ts, 0 = 175 ° C bulles se détachement et flottent dans l’eau. À 200° C, plus de bulles sont générées et autres augmentations sont observées à des températures plus élevées. Les événements de type crise bouillante (par exemple, tout l’échantillon étant entourée de vapeur persistant) ne sont pas respectées en raison de la température du fluide en vrac faible (~ 22 ° C).
Lorsque la température de l’échantillon est inférieure à la température d’ébullition du liquide de refroidissement (100° C), les modèles monophasés convection libre peuvent être appliquées pour prédire le coefficient de convection. Le taux de transfert de chaleur de convection libre dépend du fluid nombre de Prandtl (Pr), qui est le rapport de la viscosité de la diffusivité thermique (Pr = 6,6 pour l’eau à température ambiante) et le nombre de Rayleigh (Ra), qui est une mesure du transport de la convection naturelle :
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Ici, g est l’accélération gravitationnelle (9,81 m s-2), β est le coefficient de dilatation thermique du fluide (variation relative densité avec la température, 2,28 × 10-4 K-1 pour l’eau) et ν est le liquide cinématique viscosité (9,57 × 10-7 m2 s-1 pour l’eau). À titre d’exemple, pour l’échantillon de diamètre 9,5 mm à Ts = 75 ° C dans l’eau à T∞ = 22 ° C, le nombre de Rayleigh est Ra = 7.44 × 105.
Pour un cylindre horizontal en transfert de chaleur de convection libre monophasé, une formule de convection largement utilisé (basée sur la courbe s’adapte aux données empiriques) est présentée dans l’équation 4.
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Ici, k est la conductivité thermique du fluide (0,60 W m-1 K-1 pour l’eau). La formule donne le nombre de Nusselt (Nu), le coefficient de transfert de chaleur par convection sans dimension. Il peut être converti pour le coefficient de transfert de chaleur dimensionnel (h en unités W m-2 K-1) en multipliant par k/D. Dans le cas de l’exemple avec Ra = 7.44 × 105, ce modèle prédit Nu = 16,4 et h = 1040 W m-2 K-1.
Sur la Fig. 3, coefficients de convection instantanée mesurée sont comparées aux valeurs de convection libre théorique de l’équation 4. Qualitativement bonne concordance est observée à des températures de surface inférieures (Ts-T∞ < 80 K). Aux températures élevées de sample, bout et valeurs des coefficients de transfert thermique mesurées dépassent de beaucoup les prédictions de convection libre monophasé. Le coefficient de convection augmente fortement avec la température de l’échantillon à ébullition conditions. Cette augmentation découle du plus grand nombre de sites de nucléation actives à des températures de surfaces élevées.
Sur la Fig. 4, courbes de refroidissement échantillon prédites et mesurées sont présentés pour un cas avec température initiale 42,5 ° C. Au départ, les températures expérimentales courbe désintégrations plus rapides. C’est peut-être en raison d’effets de convection forcée d’insérer l’échantillon dans le bain. Au fil du temps, des oscillations légères de la courbe mesurée sont observées, peut-être dû à un mouvement de la personne qui détient l’échantillon. Plus tard, les courbes de température expérimentale et prédites correspondent bien.
Figure 2 : Photographies d’ébullition des phénomènes sur échantillon trempé à augmenté la température initiale (T0)
Figure 3 : Comparaison de convection libre mesurée et point d’ébullition de coefficients de convection avec les valeurs théoriques de la convection libre
Figure 4 : Comparaison de la courbe de refroidissement mesurée et prévue pour les cas avec une température initiale T 0 = 42,5 ° C
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Applications and Summary
Cette expérience a démontré le processus de transfert de chaleur transitoire au cours de la trempe. La température d’un échantillon de matériau a été suivie comme il a été rapidement refroidi dans un bain d’eau. Les coefficients de convection et les profils de température au fil du temps ont été comparées avec les valeurs théoriques pour le refroidissement de la convection libre. Phénomènes bouillante également discutés et observées pour des températures de l’échantillon initial élevé. Tirées de ces expériences et les approches de modélisation démontrée peuvent être appliquées afin de comprendre et de concevoir des processus de transfert de chaleur pour la fabrication et le traitement thermique de matériaux.
Refroidissement refroidissement rapide est souvent employé dans le traitement thermique des outils. Certains alliages d’acier peuvent être recuits (chauffants/refroidissants progressivement) pour réduire la dureté pour usinage et travail. Ils peuvent alors être chauffés et refroidis rapidement pour atteindre une dureté élevée pour découper d’autres matériaux (par exemple, les fichiers, les lames de scie) ou dans des applications d’usure élevée (p. ex., têtes de marteaux, coups de poing). Activités de traitement de thermique supplémentaire peut améliorer ténacité afin d’éviter une rupture fragile.
Plus généralement, transitoire rapide de chauffage et de refroidissement se trouve dans de nombreuses applications. Par exemple, processeurs chauffent rapidement lors de l’exécution des programmes de calcul intensifs. Cette élévation de température déclenche souvent des vitesse de ventilation accrue et un refroidissement rapide. Lorsque les centrales sont mis en ligne, tubes de générateur de vapeur expérience chauffage rapide. Dans les deux cas, prédiction et la caractérisation du chauffage et du taux de refroidissement sont importantes pour empêcher des matériaux d’échouer en raison d’une surchauffe et à la fatigue. Analyses de transfert de chaleur transitoire, comme l’a démontré dans le cadre de cette enquête, sont essentiels pour ces technologies d’ingénierie.
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