Современные методы оценки охлаждающей способности сред

Все современные методы оценки охлаждающей способности основаны на использовании специальных образцов – термозондов (рис 1.6.), трубчатых печей для нагрева термозондов, приборов для записи кривых t(τ ), электронной техники для построения на этой базе кривых V(t), q(t), α (t) [6]. Все термозонды делят на две группы:

- одноточечные, в которых обычно термопара находится в центре шарика (рис. 1.6. а): они изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью (медь, серебро);

- 2-х и более точечные, в которых одна из термопар регистрирует среднюю (рис. 1.6. б) или истинную (рис. 1.6, в) температуру поверхности термозонда. изготовленного из жаростойкой стали типа 10X18Н10Т.

На основе полученных кривых производится расчет температурного поля термозонда методом решения обратной задачи теплопроводности. Таким образом, восстанавливается для термозонда истинная кривая охлаждения его поверхности, которая затем преобразуется в кривые V(t_пов). q(t_пов) или α (t_пов). Полученные данные используются при расчете процессов охлаждения в исследуемой среде изделий любых формы и размеров с учетом зависимости от температуры теплофизических свойств стали или сплава.

Рис. 1.6. Термозонды для оценки охлаждающей способности сред: одноточечный шариковый (а), призма Будрина (б), цилиндр Лишчича (в)

Методы, использующие термозонды типа шарика или цилиндра, имеют свой целью в основном сравнение термокинетических свойств различных охлаждающих сред, позволяющих судить об их пригодности к определенному приме нению. С помощью этих методов можно также исследовать степень расхода охлаждающей среды во время эксплуатации, влияние различных технологических факторов (например, температуры, интенсивности перемешивания охлаждающей среды, содержания активных компонентов в случае водных растворов) на термокинетические свойства, а также разрабатывать новые виды охлаждающих сред.

Все наиболее широко известные и распространенные лабораторные методы (например, самый старый метод серебряного шарика, французский метод серебряного цилиндрического образца диаметром 16 и длиной 48 мм или диаметром 8 и длиной 24 мм, а также английский метод цилиндрического образца диаметром 12, 5 и длиной 60 мм из сплава инконель-600) заключаются в исследовании температурных изменений внутри или вблизи поверхности образца в зависимости от времени его охлаждения в исследуемых охлаждающих средах [6, 7]. Эта зависимость может быть преобразована во многие другие зависимости, характеризующие условия охлаждения. Наиболее часто применяется зависимость скорости охлаждения от температуры образца V(t).

Современные лабораторные методы исследования охлаждающей способности из которых два (французский и английский) описаны достаточно подробно [6, 7] не отличаются существенно от классического немецкого метода серебряного шарика [5]. Однако благодаря изменению формы и материала образца, способа установки термоэлементов, условий очистки поверхности, а также применения электронной техники для регистрации и преобразования данных измерений была получена не только более высокая точность и воспроизводимость результатов, но и значительно большая информация.

В России и странах СНГ до сих пор широко применяется 20 мм серебряный шарик (рис. 1.6, а) [5, 7]. Иногда шарик изготавливается из меди с хромированием или никелированием поверхности для защиты от окисления при нагреве. Хромель-алюмелевая термопара с диаметром электродов 0, 2...0.3 мм выполняется в виде термопарного кабеля с наружным диаметром 3 мм и закладывается в канал в центр шарика. Шарик отливается диаметром 22...23 мм и после установки термопары обжимается на прессе до 20 мм, тем самым термопара очень плотно заделывается в металл шарика, обеспечивая хороший контакт электродов.

Для нагрева термозонда до 800 º С используют лабораторную трубчатую печь типа СУОЛ, установленную вертикально. Стакан с испытуемой средой размешают под печью или рядом с ней. В установки, выпускаемые " ЗИЛом" (Москва), НИИТМАШем (Волгоград) [71], входит микропроцессор с двумя или более графопостроителями. Сигнал с термопары через промежуточный преобразователь передается на микро ЭВМ, которая обрабатывает по специальной программе результаты эксперимента с построением графиков t(τ ), V(t) и др. или выводит все параметры в табличной форме.

Большая часть приводимых ниже экспериментальных данных типа V(t) или α (t) получены с помощью серебряного шарика. Расчет а проводят по формуле:

Вт/(м2·К)

(1.4)

где G – масса образца, г;

с – теплоемкость материала термозонда, Дж/(г·К);

F – поверхность, шарика, м²;

Δ t = t_пов – t_среды, º С;

V – скорость охлаждения, º С/с.

Основной недостаток всех одноточечных термозондов с термопарой в центре образца состоит в том, что при их использовании фиксируется изменение температуры только в одной точке образца – в центре. Они эффективны для испытания медленно охлаждающих сред, у которых коэффициенты теплоотдачи α невысокие. Эта особенность диктуется необходимостью выполнения условия Hi = α ·R·λ = 0, 1, где R – радиус образца, λ – теплопроводность материала образца. При выполнении этого условия образец можно рассматривать как " тонкий", то-есть в процессе его остывания температуры из поверхности и в центре будут практически совпадать. В этом случае можно строить зависимость скорости охлаждения образца от температуры его поверхности V = f(t_пов). При испытании интенсивно охлаждающих сред наблюдается большой градиент температуры между центральными слоями и поверхностью, поэтому построить указанную выше зависимость невозможно.

Таблица 1.1.
Теплопроводность металлов при различных температурах, Вт/(м2·К) [5]
Температура, º С	Материал
	Х18Н10Т	Медь	Серебро
0	13, 1	393, 1	410, 5
100	15, 6	384, 9	393, 0
200	17, 6	389, 6	372, 2
300	19, 4	371, 0	361, 7
400	21, 0	365, 0	361, 7
500	22, 3	359, 4	366, 3
600	23, 6	353, 5	374, 5
700	24, 8	347, 7	–
800	25, 2	340, 8	–
900	27, 0	332, 6	–

Поскольку теплопроводность меди и серебра намного выше теплопроводности аустенита (табл. 1.1), то в начальный момент времени охлаждения металлических!!! нис.тий с высокой теплопроводностью возникает большая плотность теплового потока, которая значительно превышает значение величины критического теплового потока. Поэтому при охлаждении серебряного образца всегда наблюдается развитое пленочное кипение, занимающее продолжительный промежуток времени. При закалке стали имеют дело с переохлажденным аустенитом, теплофизические свойства которого, в частности коэффициент теплопроводности, почти на порядок отличаются в меньшую сторону, в результате чего плотность теплового потока может быть меньше критической величины. В этих условиях процесс пленочного кипения отсутствует, что приводит к интенсификации процессов теплообмена и, как следствие, к повышению прочностных характеристик материала.

Кроме того, все эти термозонды имеют весьма малую массу и, следовательно, малый запас тепла. Поэтому желательно приблизить термозонд к реальным деталям как по массе, так и по сечению. Установлено, что при сечении термозонда больше 40 мм значения α и q практически не зависят от сечения, тогда как при сечении 20 мм получают завышение α на 30...40 % [7].

Исходя из недостатков одноточечных высокотеплопроводных термозондов типа шарик или цилиндр, были разработаны массивные термозонды из нержавеющей стали 10X18H10T сечением 40 мм и длиной не менее 200 мм [6]

Д.В.Будрин [9] предложил призматический термозонд (рис. 1.6, б), в котором на средние высоты заложены 3 термопары: в центре сечения, регистрирующая t_н, на расстоянии 0, 57 полудиагонали от центра, показывающая среднюю по массе температуру t_масс; и на расстоянии 0, 82 полуднагонали, которая фиксирует среднюю по поверхности температуру t_пов. Изотерма t_пов практически за весь цикл охлаждения проходит через эти точки в углах сечения призмы (по достижении Fo > 0, 3 устанавливается регулярный тепловой режим). Призматический термозонд используется для измерения охлаждающей способности СЗС, масел и воды.

В 1978 году Б. Лишчич [6] предложил метод оценки охлаждающей способности закалочных ванн с помощью температурного градиента в верхнем слое стального образца диаметром 50 и длиной 200 мм. В ходе дальнейших исследований и международного сотрудничества были улучшены некоторые детали метода.

На рис. 1.6.в приведен образец-зонд со следующими характеристиками:

- диаметр 50 мм и длина 200 мм обеспечивают линейную (по радиусу) теплопередачу и независимость коэффициента этой теплопередачи через поверхность в стадии пузырькового кипения от температуры центра.

- отсутствие фазовых превращений (аустенитная сталь) устраняет их влияние на процесс охлаждения.

- конструкция термоэлемента (плоские провода толщиной 0, 03 мм, изолированные миканитом и зажатые клиновыми элементами) позволяет регенерировать его поверхность с помощью наждачной бумаги и полировать ее после каждого испытания.

- время реакции термоэлемента 10^-3 с, а точность ее локализации очень велика (± 0, 03 мм).

Величина термо э.д.с после ее усиления передается к соответственно запрограммированному компьютеру, который в системе памяти регистрирует температуру поверхности t_пов и t_{1, 5} (на глубине 1, 5 мм) с интервалами времени 0, 01…4 с, 0, 2…20 с и 1…500 с. Общее количество замеров достигает 960. Результаты измерений могут быть превращены в различные функции и наблюдаться на экране монитора.

Метод температурного градиента позволяет экспериментально определить действительную охлаждающую способность различных охлаждающих сред в промышленных условиях, а также влияние различных технологических факторов на эту способность.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: