Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Mechanical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 
Click here for the English version

מרווה ומרתיח

Overview

מקור: אלכסנדר ס. רטנר, סנג'אי אדהיקארי ומהדי נביל; המחלקה להנדסה מכנית וגרעינית, אוניברסיטת מדינת פנסילבניה, פארק האוניברסיטאות, PA

חימום מבוקר ואחריו קירור מהיר הוא מרכיב חשוב של יישומי עיבוד חומרים רבים. הליך טיפול בחום זה יכול להגביר את קשיות החומר, אשר חשוב עבור כלי חיתוך או משטחים בסביבות ללבוש גבוה. שלב הקירור המהיר נקרא מרווה, והוא מבוצע לעתים קרובות על ידי טבילת חומרים באמבט נוזלים (לעתים קרובות מים או שמן). העברת חום מרווה יכולה להתרחש עקב הסעה כפויה - כאשר הפעולה של חומר הנע במהירות באמצעות נוזל קירור מניעה את תהליך העברת החום, ובשל הסעה חופשית - כאשר הצפיפות המופחתת של נוזל חם ליד פני השטח של החומר גורמת למחזור דם מונחה ציפה ולהעברת חום. בטמפרטורות חומר גבוהות, נוזל הקירור יכול לרתיחה, מה שמוביל ליעילות העברת חום מוגברת. עם זאת, כאשר חומרים חמים מאוד מרווים, הם יכולים להיות מכוסים אדי קירור מוליכות תרמית נמוכה יחסית, מה שמוביל להעברת חום לקויה.

בניסוי זה, העברת חום מרווה תימדד עבור גליל נחושת מחומם, אשר מייצג חלקים קטנים מטופלים בחום. פרופיל טמפרטורת המדגם החולף יימדד במהלך מרווה ובהשוואה לתוצאות תיאורטיות להעברת חום הסעה בחינם. תופעות רותחות ייחקרו גם באיכות.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

תהליך העברת החום מרווה הוא חולף ביסודו. באופן כללי, התפלגות הטמפרטורה יכולה להשתנות במרחב ובזמן בתוך דגימת חומר מקורר. עם זאת, אם התנגדות תרמית מוליכה פנימית היא קטנה לעומת התנגדות תרמית חיצונית מפני השטח מדגם לנוזל שמסביב (convection), ניתן להניח המדגם יש טמפרטורה כמעט אחידה בכל רגע, ניתוח מפשט. מצב זה יכול לבוא לידי ביטוי במונחים של מספר Biot (Bi), המשווה התנגדות מוליכה פנימית להתנגדות convection חיצונית. בדרך כלל, כאשר Bi < 0.1, התנגדות העברת חום פנימית ניתן להניח זניח לעומת התנגדות העברת חום חיצונית.

Equation 1(1)

כאן, h הוא מקדם ההסבה החיצוני, ks הוא מוליכות תרמית של המדגם, ו- Lc הוא סולם אורך אופייני של המדגם. h ניתן לחזות באמצעות מודלים העברת חום עקומת מתאים פורסם בספרות עבור תנאים ונוזלים שונים. בניסוי זה, h יימדד בהשוואה לתוצאות החזויות במודלים שפורסמו (ראה סעיף תוצאות מייצגות).

עבור גליל נחושת נחשב כאן (k = 390 W m-1 K-1,קוטר D = 9.53 מ"מ, אורך L = 24 מ"מ), סולם האורך האופייני הוא D/ 2 = 4.8 מ"מ. בהנחה שמקדם ההסבה המרבי של h = 5000 W m-2 K-1, מספר השיא של Biot יהיה 0.06. מכיוון שמספר זה קטן (< 0.1), סביר להניח כי התנגדויות להולכה פנימית הן זניחות, ולדגימה יש טמפרטורה אחידה. בערכי Bi גבוהים יותר, יש צורך בניתוח מסובך יותר המסביר את שונות הטמפרטורה בחומר.

בהנחה של דגימת טמפרטורה אחידה, ניתן לדגמן את קצב העברת החום על ידי איזון אובדן אנרגיה פנימי מהדגימה עם קצב הסרת החום הקונבקטיבי מחוק הקירור של ניוטון. גישה זו נקראת ניתוח קיבוליות גושי.

Equation 2(2)

כאן, m הוא מסת המדגם (15 גרם), c הוא החום הספציפי של חומר המדגם (385 J ק"ג-1 K-1 עבור נחושת), Ts הוא טמפרטורת המדגם, As הוא שטח הפנים לדוגמה (8.6 × 10-4 מ'2),והוא Equation 3 טמפרטורת הנוזל שמסביב.

כדי לחזות את קצב הקירור (dTs/dt) במהלך מרווה, יש לחזות גם את מקדם ההסבה (h). אם המדגם הוא מתחת לטמפרטורת רתיחת הנוזל מוחזק נייח בבריכה של נוזל קירור, אז החום מוסר בעיקר על ידי convection חינם. במצב זה, מחזור הדם והקירור מיוצרים על ידי עלייה מונעת ציפה של נוזל מחומם ליד המדגם. הבדלי טמפרטורת מדגם לנוזל גדולים יותר גורמים לעלייה בשיעורי זרימת הדם.

אם טמפרטורת המדגם היא מעל נקודת הרתיחה, אדים יכולים להיווצר על פני השטח, וכתוצאה מכך שיעורי קירור גבוהים משמעותית. במהלך הרתיחה, בועות אדים נוצרות וגדלות מפגמים קטנים (אתרי התגרענות) על המשטח החם. בטמפרטורות שטח גבוהות יותר, אתרי התגרענות יותר הופכים פעילים, וכתוצאה מכך מקדמי הסעה גדולים יותר וקצבי העברת חום גבוהים יותר. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות מאוד, אדי מוליכות נמוכים יחסית לא ניתן להסיר מהר מספיק. התוצאה היא משבר רותח, שבו קירור פני השטח מוגבל עקב בידוד אדים, הפחתת קצב העברת החום.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

הערה: ניסוי זה משתמש בחימום להבות. ודא כי מטף הוא בהישג יד וכי אין חומרים דליקים נמצאים ליד הניסוי. בצע את כל אמצעי הזהירות הסטנדרטיים לבטיחות אש.

1. ייצור דגימה למרווה (ראו תמונה, איור 1)

  1. חותכים אורך קטן (~ 24 מ"מ) של מוט נחושת בקוטר 9.53 מ"מ. לקדוח שני חורים קטנים (קוטר 1.6 מ"מ) בערך באמצע הדרך לתוך המוט ליד שני הקצוות. החורים האלה יהיו בארות התרמו-סקופ. מכיוון שהחורים והתרמו-סקופים קטנים יחסית, אנו יכולים להניח שיש להם השפעה מינימלית על התנהגות העברת החום הכוללת.
  2. השתמש אפוקסי בטמפרטורה גבוהה(למשל,JB Kwik) כדי להצמיד בדיקות תרמוסקופל בטמפרטורה גבוהה לתוך שני החורים. ודא כי טיפים בדיקה thermocouple נלחצים למרכז מדגם הנחושת כמו אפוקסי קובע.
  3. הקימו מיכל מים כאקפוץ מרווה. הכנס תרוקת ייחוס שלישית לאמבטיה ליד המקום שבו המדגם ימוות.
  4. חבר את שלושת התרמי-צמדים למערכת רכישת נתונים. הגדר תוכנית (ב- LabVIEW לדוגמה) כדי לרשום מדידות טמפרטורה ארעיות לגיליון אלקטרוני.

Figure 1
איור 1: א. צילום של דגימת נחושת ממכשיר באמבט מי קירור.b. דגימת נחושת חימום.

2. ביצוע ניסוי

  1. מקם מבער בונזן או מיכל דלק משופשף ליד אמבט המרווה. תדליק את הלהבה.
  2. ממרחק החזקה בטוח, לחמם בהדרגה את המדגם מעל הלהבה (לכ -50 מעלות צלזיוס מומלץ לניסוי הראשון). המדגם יכול להיות מוחזק על ידי מוליכי תרמו-סקופל (איור 1ב).
  3. התחל לרשום את נתוני התרמו-סקופ לקובץ, וטבול את הדגימה באמבט המרווה. החזק את המדגם יציב כך שהעברת חום convection כפויה היא מינימלית. הפסק להקליט נתוני טמפרטורה ברגע המדגם מתקרב בתוך כמה מעלות של טמפרטורת האמבטיה.
  4. חזור על הליך זה לטמפרטורות מדגם ראשוניות גבוהות יותר בהדרגה (עד ~ 300 מעלות צלזיוס). במקרים מעל 100°C, יש לבחון את התנהגות הרותח לאחר מרווה המדגם.

3. ניתוח נתונים

  1. עבור מדידות הטמפרטורה שנרשמו, רשום את טמפרטורת המדגם הממוצעת בכל פעם כממוצע האריתמטי של שתי קריאות התרמו-סקופל המוטמעות.
  2. חשב את קצב הקירור לדוגמה בכל זמן שנרשם j Equation 4 כ= (Ts,j+1-Ts,j)/(tj+1-tj) (הערכים יהיו שליליים). כאן, tj הוא הזמן של כל קריאה נרשמה. זה עשוי להיות מועיל כדי להחליק עקומות קצב קירור אלה על ידי ביצוע ממוצע פועל עם חלון מדגם של 2-3 קריאות.
  3. חשב את מקדמי העברת החום הניסיוניים h עם Eqn. 2 באמצעות קצב הקירור מ- שלב 3.2, ואמבטיה נמדדת (T) וטמפרטורות מדגם (Ts). כיצד מקדמי העברת חום אלה משתווים לערכים החזויים (Eqn. 4, ראה תוצאות)?
  4. במקרה עם טמפרטורה התחלתית מתחת ל-100 מעלות צלזיוס, השתמשו במדידת הטמפרטורה הראשונית הניסיונית ושלבו באופן מספרי את Eqn. 2 כדי לחזות את הקירור לאורך זמן. השתמש ב- Eqn. 4 כדי לחזות את מקדם ההקמה בכל פעם. השווה עקומה זו לערכים שנמדדו. עבור גודל שלב זמן מספרי Δt (לדוגמה,0.1 s), ניתן לשלב את הטמפרטורה כ:
    Equation 5(3)

מרווה הוא טיפול חום נפוץ כדי לשנות תכונות חומר כגון קשיות וקשיות. במהלך מרווה ואת התהליך המשלים של חישול, חומר מחומם ולאחר מכן מקורר. עבור מרווה, החומר מקורר מהר מאוד בניגוד חישול שבו הוא מקורר בהדרגה בצורה מבוקרת. קצב העברת החום נקבע על ידי גורמים רבים, כולל מוליכות תרמית של אובייקט ונוזלים, גיאומטריה והתפלגות טמפרטורה שמסביב. הבנת יחסי הגומלין בין גורמים אלה חשובה לבניית הקשר בין טיפול חום מסוים לבין השינוי הנובע בתכונות החומריות. וידאו זה יתמקד מרווה ולהראות כיצד לבצע ניתוח פשוט של העברת החום במהלך תהליך זה.

לאחר דגימה מחוממת, מרווה דורש העברת חום מהירה לסביבה שמסביב אשר מושגת בדרך כלל על ידי טבילת המדגם באמבט נוזלים כגון מים או שמן. העברת חום לנוזל שמסביב יכולה להיות מונעת על ידי הסעה חופשית, שם חימום מקומי על ידי המדגם גורם למחזור המונע על ידי ציפה או הסעה כפויה, שם המדגם מועבר דרך הנוזל. בטמפרטורות מדגם גבוהות יותר, היווצרות בועה יכולה להגביר את קצב העברת החום, אפקט המכונה שיפור רותח. עם זאת, אם המדגם הופך מכוסה על ידי אדי מוליכות תרמית נמוכה, יש משבר רותח העברת החום יופחת. באופן כללי, טמפרטורת המדגם אינה מוגדרת היטב מכיוון שהתפלגות הטמפרטורה בתוך המדגם אינה אחידה כפי שהיא מתקררת. במילים אחרות, הטמפרטורה לא תלויה רק בזמן, היא תלויה גם במיקום בתוך המדגם. עם זאת, אם ההתנגדות הפנימית להעברת חום קטנה יחסית להתנגדות התרמית החיצונית מפני השטח לנוזל שמסביב, ניתן להניח שטמפרטורת המדגם נשארת כמעט אחידה לאורך כל הניתוח. האיזון בין שתי התנגדויות אלה בא לידי ביטוי כמותית על ידי מספר Biot, כמות חסרת ממדים על שם הפיזיקאי הצרפתי מהמאה ה -19, ז'אן-בטיסט ביוט. מספר הביוט הוא היחס בין ההתנגדות להולכת החום הפנימית להתנגדות החיצונית. התנגדות ההולכה הפנימית היא קנה המידה האופייני לאורך האובייקט חלקי מוליכות תרמית שלה. התנגדות ההסבה החיצונית היא אחת מעל מקדם ההקמה. בדרך כלל, כאשר מספר Biot הוא פחות מ 0.1, התפלגות הטמפרטורה בתוך המדגם תישאר כמעט אחידה. במשטר זה, ניתוח קיבוליות גושי יכול לשמש כדי לדגמן את קצב העברת החום על ידי איזון אובדן האנרגיה הפנימי של המדגם עם קצב הסרת החום convective מחוקי הקירור של ניוטון. התוצאה היא משוואה דיפרנציאלית מסדר ראשון לטמפרטורת המדגם. בחלק הבא, נדגים עקרונות אלה על ידי מרווה גליל נחושת קטן, מוצק, המייצג חלקים קטנים, מטופלים בחום.

חתיכת הבדיקה תיעשה באורך של מוט נחושת 9.53 מ"מ. לפני שתמשיך, חשב את מספר הביוט כדי להצדיק את השימוש בניתוח קיבוליות גושית. נניח כי מקדם ההולכה החיצוני לא יעלה על 5,000 וואט למ"ר קלווין מרובע ולהשתמש באורך האופייני עבור צילינדר שהוא מחצית הקוטר. חפש ערך שפורסם עבור מוליכות תרמית של נחושת ולחשב את התוצאה. מאז מספר Biot הוא פחות מ 0.1, להמשיך עם הכנת פיסת הבדיקה. קח חלק מהמלאי וחתוך כ 25 מ"מ מהסוף. הסר את כל הקצוות הגסים על החתיכה ולאחר מכן למדוד את המסה ואת האורך הסופי. ליד כל קצה, לקדוח היטב קופל תרמי, בקוטר 1.6 מ"מ, עד הציר המרכזי. הבאר צריכה להיות עמוקה מספיק כדי להטמיע את כל קצה הספל התרמי. בארות אלה קטנות יחסית ולכן לא תהיה להן השפעה משמעותית על התנהגות העברת החום הכוללת. לאחר מכן, השתמש אפוקסי בטמפרטורה גבוהה כדי לאטום בדיקה תרמית טמפרטורה גבוהה לתוך כל באר. ודא כי קצות הבדיקה עטופים לחלוטין ולחצים למרכז פיסת הבדיקה כמו אפוקסי קובע. אחרת, הבדיקות עשויות למדוד את טמפרטורת אמבט המים במקום את טמפרטורת המדגם. לאחר חתיכת הבדיקה מוכנה, להגדיר את אמבט מרווה. הכנס ספל תרמי התייחסות לתוך האמבטיה ליד המקום שבו המדגם יהיה מרווה. חבר את כל שלושת הקופלים התרמיים למערכת רכישת נתונים. הגדר תוכנית כדי לרשום מדידות טמפרטורה חולפות ברציפות סביב עשר פעמים בשנייה. הכל מוכן כעת לבצע את הניסוי.

ניסוי זה דורש חימום להבה פתוחה כך שלפני שתתחיל להבטיח כי מטף הוא בהישג יד וכי אין חומרים דליקים בקרבת מקום. בצע את כל אמצעי הזהירות הסטנדרטיים לבטיחות אש. הציבו את המבער ליד אמבט המרווה והדליקו את הלהבה. הרימו את חתיכת הבדיקה על ידי מובילי הספל התרמיים ומרחק החזקה בטוח, לחמם אותו בהדרגה על הלהבה עד שהוא מגיע לטמפרטורה הרצויה. עכשיו להתחיל את רכישת הנתונים ולטבול את חתיכת הבדיקה לתוך אמבט מרווה. החזק את החתיכה יציבה ככל האפשר כדי למזער את העברת החום על ידי הסעה כפויה. בזמן שהדגימה מתקררת, שימו לב לכל התנהגות רותחת. כאשר טמפרטורת המדגם יורדת עד כמה מעלות מטמפרטורת האמבטיה, עצור את תוכנית רכישת הנתונים. חזור על הליך זה עבור טמפרטורות מדגם ראשוני גבוהות יותר בהדרגה עד סביב 300 מעלות צלזיוס.

פתח אחד מקבצי הנתונים. בכל צעד, יש קריאה אחת של טמפרטורת האמבטיה ושניים מטמפרטורת המדגם. בצע את החישובים הבאים עבור כל פעם. חשב את טמפרטורת המדגם הממוצעת על-ידי לקיחת הממוצע האריתמטי של שתי קריאות המדגם. חשב את קצב הקירור המיידי שהוא השינוי בטמפרטורה חלקי השינוי בזמן בין שתי מדידות רצופות. לאחר מכן חלק את התוצאות עם ממוצע נע של שתי נקודות כדי לסנן חלק מרעש המדידה. השתמש במשוואה הדיפרנציאלית הנגזרת מניתוח הקיבולים הגושים כדי לחשב את מקדם העברת החום המיידי. ניתן לחזות את מקדם העברת החום גם באמצעות מודלים תיאורטיים או אמפיריים של העברת חום נגזרים. מודלים אלה מדווחים בדרך כלל על מקדם ההסבה במונחים של מספר Nusselt, כמות לא ממדית. עיין בטקסט לקבלת פרטים אודות אופן ביצוע חישוב זה. עם המשוואות עבור מקדם העברת החום התיאורטי, ניתן גם לחזות את קירור המדגם לאורך זמן. לשם כך, קח נקודת התחלה מהנתונים הניסיוניים שלך שבה טמפרטורת המדגם נמוכה מ-100 מעלות צלזיוס. בחר שלב זמן מספרי קטן והניח שטמפרטורת האמבטיה נשארת קבועה. עכשיו, לשלב מספרית את המשוואה הדיפרנציאלית מניתוח הקיבוליות הגושית. בקרוב, נשווה את התחזית התיאורטית הזו למדידות שלנו. לאחר שתחזור על ניתוח זה עבור כל קובץ נתונים, תהיה מוכן לבחון את התוצאות. התווה את טמפרטורת המדגם לעומת זמן למבחן יחיד יחד עם התחזית התיאורטית. קצב הקירור הראשוני המהיר יותר נובע ככל הנראה מההתכנסות הכפויה כאשר המדגם יורד לאמבטיה. ותנודות מאוחרות יותר עלולות להיגרם על ידי תנועות קטנות מהאדם המחזיק את הדגימה. מכיוון שחיזוי הטמפרטורה מוגדר בקרוב רק קונבקציה חופשית מתרחשת, עדיף לאתחל את האינטגרציה מנקודה לאחר עצירת ההקמה הכפויה. כאשר צעד זה נלקח, התיאוריה מנבאת במדויק כיצד המדגם מתקרר לאורך זמן. עכשיו, לתכנן את מקדם העברת החום נגד המדגם להבדל טמפרטורת אמבטיה עבור כל הבדיקות יחד. מוסיפים את התחזית התיאורטית עבור מקדם העברת החום מתחת לנקודת הרתיחה. שימו לב לעלייה החדה בטמפרטורות מדגם גבוהות יותר ככל שתהליך הרתיחה הופך למרץ יותר. בניסוי זה רק שיפור רותח הוא ציין. טמפרטורת הנוזל בתפזורת נמוכה במקרה זה, מונעת את תחילתו של משבר רותח.

עכשיו שאתם מכירים יותר את תהליך ההרוואות, בואו נסתכל על כמה דרכים שבהן הוא מיושם בעולם האמיתי. טיפול בחום כגון מרווה וחישול הם צעדים קריטיים בייצור כלים עמידים. סגסוגות פלדה מסוימות ניתן חישול כדי להפחית את הקשיות עבור עיבוד ועבודה. לאחר שנוצר, הם יכולים אז להיות מרווה כדי להשיג קשיות גבוהה. רכיבים מהונדסים רבים, כגון מעבדי מחשב, חווים תנודות טמפרטורה גדולות לאורך מחזור החיים שלהם. המעבדים מתחממים במהירות בעת הפעלת תוכניות עתירות חישוביות ועליית הטמפרטורה גורמת למהירויות מאווררים מוגברות כדי לשפר את הקירור. החיזוי והאפיון של קצבי העברת החום חשובים לעיצוב רכיבים שלא ייכשלו עקב התחממות יתר או עייפות.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למרווה. עכשיו אתה צריך להבין איך טיפול חום נפוץ זה מבוצע, כמו גם כמה מהגורמים העיקריים להשפיע על העברת חום במהלך תהליך מרווה. אתה צריך גם לדעת איך לבצע ניתוח קיבוליות גוש לחזות את השינוי בטמפרטורה וכיצד להשתמש במספר Biot כדי לקבוע מתי ניתוח זה מוצדק. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

תצלומים של רתיחה בטמפרטורות מדגם ראשוניות שונות (Ts,0) מוצגים בתאנה 2. ב- Ts,0 = 150° C בועות אדי טופס ולהישאר מחובר לדגימה. ב- Ts,0 = 175 מעלות צלזיוס בועות מתנתקות וצפות לתוך המים. ב 200°C, בועות נוספות נוצרות, ועליות נוספות נצפות בטמפרטורות גבוהות יותר. אירועי סוג משבר רותח(למשל,מדגם שלם מוקף אדים מתמשכים) אינם נצפים בשל טמפרטורת הנוזל בתפזורת נמוכה (~ 22 מעלות צלזיוס).

כאשר טמפרטורת המדגם נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של נוזל הקירור (100 מעלות צלזיוס), ניתן להחיל מודלים חד פאזיים ללא קונבקציה כדי לחזות את מקדם ההקמה. קצב העברת חום ההנעה החופשית תלוי במספר פרנזל Prandtl (Pr), שהוא היחס בין צמיגות לפיזור תרמי (Pr = 6.6 למים בטמפרטורת החדר) ומספר ריילי (Ra), שהוא מדד להובלה טבעית:

Equation 6(4)

כאן, g הוא תאוצת הכבידה (9.81 מ 's-2), β מקדם ההתפשטות התרמית של הנוזל (שינוי יחסי בצפיפות עם טמפרטורה, 2.28 × 10-4 K-1 למים), ו ν הוא צמיגות קינמטית נוזל (9.57 × 10-7 מ'2 s-1 למים). לדוגמה, עבור מדגם קוטר 9.5 מ"מ ב- Ts = 75°C במים ב- T = 22°C, מספר ריילי הוא Ra = 7.44 × 105.

עבור גליל אופקי בהעברת חום קונבקציה חד פאזית ללא פאזיות, מוצגת נוסחת הסעה נפוצה (המבוססת על עקומה מתאימה לנתונים אמפיריים) במשוואה 4.

Equation 7 (5)

כאן, k הוא מוליכות תרמית נוזל (0.60 W מ'-1 K-1 עבור מים). הנוסחה מעניקה את מספר Nusselt (Nu), מקדם העברת חום ההסבה ללא ממדים. ניתן להמיר אותו למקדם העברת החום הממדי(h ביחידות W m-2 K-1) על ידי הכפלה ב- k/D. עבור המקרה לדוגמה עם Ra = 7.44 × 105, מודל זה חוזה Nu = 16.4 ו- h = 1040 W m-2 K-1.

ב- Fig. 3, מקדמי קונבקציה מיידיים נמדדים מושוים לערכי ההסבה החופשיים התיאורטיים ממשוואה 4. הסכמה קרובה מבחינה איכותית נצפתה בטמפרטורות פני השטח נמוכות יותר(Ts-T < 80 K). בטמפרטורות מדגם גבוהות יותר, מתרחשת רתיחה וערכי מקדם העברת חום נמדדים עולים באופן משמעותי על תחזיות ההשתתפות החופשית חד פאזית. מקדם ההקמה עולה בחדות עם טמפרטורת המדגם בתנאי רתיחה. עלייה זו נובעת ממספר גדול יותר של אתרי התגרענות פעילים בטמפרטורות שטח גבוהות יותר.

בתאנה 4, עקומות קירור מדגם נמדדות וצפויות מוצגות למקרה עם טמפרטורה התחלתית של 42.5 מעלות צלזיוס. בתחילה, עקומת הטמפרטורה הניסיונית נרקבת מהר יותר. ייתכן שהסיבה לכך היא השפעות קונבקציה כפויות מהכנסת המדגם לאמבטיה. עם הזמן, תנודות קלות בעקומה הנמדדת נצפות, אולי בשל תנועה של האדם המחזיק את המדגם. מאוחר יותר, עקומות הטמפרטורה הניסיוניות והצפויות תואמות היטב.

Figure 2
איור 2: תצלומים של תופעות רתיחה על מדגם מרווה בטמפרטורה התחלתית מוגברת (T0)

Figure 3
איור 3: השוואה בין מקדמי הפעלהחופשיים מדודים ומקדם רתיחה עם ערכי קונבקציה תיאורטיים בחינם

Figure 4
איור 4: השוואה בין עקומת קירור נמדדת וצפויה למקרה עם טמפרטורה התחלתית T0 = 42.5°C

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ניסוי זה הדגים את תהליך העברת החום החולף במהלך מרווה. הטמפרטורה של דגימת חומר הייתה במעקב כפי שהוא התקרר במהירות באמבט מים. מקדמי ההקמה ופרופילי הטמפרטורה לאורך זמן הושוו לערכים תיאורטיים לקירור קונבקציה חופשי. תופעות רותחות נדונו גם נצפו לטמפרטורות מדגם ראשוני גבוהות. מידע מניסויים כאלה וגישות מידול הדגמה ניתן ליישם כדי להבין ולתכנן תהליכי העברת חום לייצור וטיפול בחום חומרים.

קירור מרווה מהיר משמש לעתים קרובות בכלים לטיפול בחום. סגסוגות פלדה מסוימות ניתן חישול (מחומם ומצונן בהדרגה) כדי להפחית את הקשיות עבור עיבוד ועבודה. לאחר מכן ניתן לחמם אותם ולקרר אותם במהירות כדי להשיג קשיות גבוהה לחיתוך חומרים אחרים(למשל,קבצים, להבי מסור) או ביישומי שחיקה גבוהים(למשל,ראשי פטיש, אגרופים). פעולות נוספות לטיפול בחום יכולות לשפר את הקשיחות כדי למנוע כשל שביר.

באופן כללי יותר, חימום וקירור ארעי מהירים נמצאים ביישומים רבים. לדוגמה, מעבדי מחשב מתחממים במהירות בעת הפעלת תוכניות עתירות חישובים. עליית טמפרטורה זו מפעילה לעתים קרובות מהירויות מאוורר מוגברות וקירור מהיר. כאשר תחנות כוח מובאות לאינטרנט, צינורות מחולל קיטור חווים חימום מהיר. בשני המקרים, חיזוי ואפיון של חימום ושיעורי קירור חשובים כדי למנוע מחומרים להיכשל עקב התחממות יתר ועייפות. ניתוחי העברת חום ארעיים, כפי שהוכח בחקירה זו, הם קריטיים להנדסת טכנולוגיות כאלה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter