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Amortiguamiento y ebullición

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Temple es un tratamiento térmico utilizado para modificar las propiedades del material como la dureza y ductilidad. Durante el enfriamiento y el proceso complementario de recocido, un material es calentado y posteriormente enfriado. Para enfriamiento, el material se enfría muy rápidamente en contraste con la de recocido donde se enfría poco a poco de manera controlada. La tasa de transferencia de calor depende de muchos factores, incluyendo la conductividad térmica de un objeto y la distribución de fluido, geometría y temperatura circundante. Comprender la interacción entre estos factores es importante para la construcción de la relación entre un determinado tratamiento térmico y el cambio resultante en las propiedades del material. Este video se centrará en Temple y mostrar cómo llevar a cabo un análisis simple de la transferencia de calor durante este proceso.

Después de que se calienta una muestra, amortiguamiento requiere traslado rápido del calor al ambiente circundante que comúnmente se consigue sumergiendo la muestra en un baño líquido como agua o aceite. Transferencia de calor hacia el fluido circundante puede ser conducido por convección libre, donde calefacción local de la muestra resultados de flotabilidad por circulación o por convección forzada, donde la muestra se mueve a través del fluido. En temperaturas más altas de la muestra, la formación de burbujas puede aumentar la tasa de transferencia de calor, un efecto conocido como ebullición mejora. Sin embargo, si la muestra llega a ser cubierta por el vapor de baja conductividad térmica, hay una crisis de la ebullición y la transferencia de calor se reducirá. En general, la temperatura de la muestra no está bien definida porque la distribución de temperatura dentro de la muestra no es uniforme ya que se enfríe. En otras palabras, la temperatura no sólo depende del tiempo, depende de la posición dentro de la muestra así. Sin embargo, si la resistencia de transferencia de calor interno es pequeña en relación con la resistencia térmica exterior de la superficie hacia el fluido circundante, la temperatura de la muestra puede ser asumida a permanecer casi uniforme a lo largo y se simplifica el análisis. El equilibrio entre estas dos resistencias se expresa cuantitativamente por el número de Biot, una cantidad sin dimensiones nombrado después del físico francés del siglo XIX, Jean-Baptiste Biot. El número de Biot es el cociente de la resistencia de conducción de calor interno a la resistencia de la convección externa. La resistencia de conducción interna es la escala de longitud característica del objeto dividida por su conductividad térmica. La resistencia de convección externo es uno sobre el coeficiente de convección. Generalmente, cuando el número de Biot es menor que 0.1, se mantendrá casi uniforme la distribución de temperatura dentro de la muestra. En este régimen, un análisis de capacidad agrupan puede utilizarse para modelar la tasa de transferencia de calor al equilibrar la pérdida de energía interna de la muestra con la tasa de eliminación de calor por convección de las leyes del enfriamiento de Newton. El resultado es una primera ecuación diferencial de orden para la temperatura de la muestra. En la siguiente sección, le mostraremos estos principios por apagar un cilindro pequeño, sólido, de cobre, que es representante de partes pequeñas, con tratamiento térmico.

La probeta se realizará de una longitud de barra de 9,53 mm de cobre. Antes de continuar, calcular el número de Biot para justificar el uso de un análisis hidrológico de la capacitancia. Asumir que el coeficiente de conducción externos no será superior a 5.000 vatios por metro cuadrado Kelvin y utilice la longitud característica para un cilindro que es mitad del diámetro. Buscar un valor publicado de la conductividad térmica del cobre y calcular el resultado. Puesto que el número de Biot es menor que 0.1, proceder con la preparación de la probeta. Tomar una sección de la bolsa y cortar aproximadamente 25 mm desde el extremo. Quitar los bordes ásperos de la pieza y luego medir la longitud total y final. Cerca de cada extremo, perforar una pila bautismal termal, 1,6 mm de diámetro, hasta el eje central. El pozo debe ser lo suficientemente profundo para incrustar la punta toda pila bautismal termal. Estos pozos son relativamente pequeños para que no tengan un efecto significativo en el comportamiento global de la transferencia de calor. A continuación, uso epoxi de alta temperatura para sellar una sonda de alta temperatura térmica pila bautismal en cada pozo. Asegúrese de que las puntas de prueba son totalmente encajonadas y presiona en el centro de la probeta como los sistemas de epoxy. De lo contrario, las sondas pueden medir la temperatura del baño de agua en vez de la temperatura de la muestra. Una vez que está preparada la probeta, configurar el baño templado. Inserte una pila bautismal de referencia térmica en la tina, cerca de donde la muestra se se apagará. Conecte todos tres copelas térmicas a un sistema de adquisición de datos. Establecer un programa para registrar continuamente las mediciones de temperatura transitoria alrededor de diez veces por segundo. Ahora todo está preparado para realizar el experimento.

Este experimento requiere llama abierta para calentamiento antes de comenzar Asegúrese de que un extintor es en mano y que no hay materiales inflamables cercanos. Siga todas las precauciones estándar para seguridad contra incendios. Configurar el quemador cerca del baño de enfriamiento y la llama de la luz. Recoger la muestra por los cables de la pila bautismal térmica y de una tenencia segura distancia, poco a poco calor sobre la llama hasta que alcance la temperatura deseada. Ahora iniciar la adquisición de datos y sumergir la probeta en el baño de Temple. Sostener la pieza tan constante como sea posible para minimizar la transferencia de calor por convección forzada. Mientras que la muestra es de enfriamiento, vigilar y observar cualquier comportamiento hirviendo. Cuando desciende la temperatura de la muestra dentro de unos pocos grados de la temperatura del baño, dejar el programa de adquisición de datos. Repita este procedimiento para temperaturas progresivamente más altas muestra inicial hasta unos 300 grados Celsius.

Abra uno de los archivos de datos. En cada paso de tiempo, hay una lectura de la temperatura del baño y dos de la temperatura de la muestra. Realizar los siguientes cálculos para cada vez. Calcular la temperatura media de la muestra tomando el promedio aritmético de las dos lecturas de la muestra. Calcular la velocidad de enfriamiento instantánea que es el cambio de temperatura dividida por el cambio en el tiempo entre dos mediciones sucesivas. Luego suave los resultados con una media móvil de dos puntos para filtrar algunos del ruido de medición. Use la ecuación diferencial derivada del análisis de capacidad agrupan para calcular el coeficiente de transferencia de calor instantáneo. El coeficiente de transferencia de calor se puede predecir mediante modelos de transferencia de calor derivada teórica o empírica. Estos modelos generalmente informe el coeficiente de convección en función del número de Nusselt, una cantidad adimensional. Consulte el texto para detalles sobre cómo realizar este cálculo. Con las ecuaciones para el coeficiente de transferencia de calor teórico puede predecir también la muestra en el tiempo de enfriamiento. Para ello, tomar un punto de partida de sus datos experimentales donde la temperatura de la muestra es inferior a 100 grados Celsius. Elija un paso de tiempo numérico pequeño y asumir que la temperatura del baño permanece constante. Ahora, integrar numéricamente la ecuación diferencial a partir del análisis de capacidad agrupan. Pronto, vamos a comparar esta predicción teórica con nuestras medidas. Después de repetir este análisis para cada archivo de datos, usted está listo para mirar los resultados. Parcela la temperatura de la muestra frente al tiempo para un solo ensayo junto con la predicción teórica. La más rápida velocidad de enfriamiento inicial es probablemente debido a la convección forzada como la muestra cae en la bañera. Y oscilaciones posteriores ocasionadas por pequeños movimientos de la persona que ostentara la muestra. Puesto que la predicción de la temperatura se establece pronto sólo libre convección ocurre, es mejor inicializar la integración desde un punto después de las paradas de convección forzada. Cuando se toma este paso, la teoría predice con gran exactitud cómo la muestra se enfría con el tiempo. Ahora, parcela el coeficiente de transferencia de calor contra la muestra al baño a diferencia de la temperatura para todas las pruebas juntos. Añadir la predicción teórica para el coeficiente de transferencia de calor por debajo del punto de ebullición. Tenga en cuenta el fuerte aumento en temperaturas más altas muestra como el proceso de ebullición se convierte en la más vigoroso. En este experimento se observa la ebullición sólo mejora. La temperatura flúida a granel bajo en este caso, previene la aparición de una crisis de la ebullición.

Ahora que estás más familiarizado con el proceso de enfriamiento, Veamos algunas maneras en que se aplica en el mundo real. Tratamiento térmico como Temple y recocido son críticos los pasos en la fabricación de artículo utillaje. Ciertas aleaciones de acero pueden ser recocidas para reducir la dureza para mecanizado y trabajar. Una vez formado, entonces ellos se apagará para alcanzar alta dureza. Muchos componentes de ingeniería, como son los procesadores de computadora, experimentan fluctuación grande de la temperatura a lo largo de su ciclo de vida. Procesadores calientan rápidamente cuando se ejecuta programas de cómputo intensivo y el aumento de la temperatura provoca mayores velocidades para mejorar la refrigeración. La predicción y caracterización de las tasas de transferencia de calor es importante para el diseño de componentes que no fallan por sobrecalentamiento o fatiga.

Sólo ha visto introducción de Zeus al Temple. Ahora debe comprender cómo se realiza este tratamiento térmico comun así como de algunos de los principales factores que afectan la transferencia de calor durante el proceso de enfriamiento. También debe saber cómo realizar un análisis de la capacitancia terrón para predecir los cambios de temperatura y cómo utilizar el número de Biot para determinar cuándo se justifica este análisis. Gracias por ver.

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