Existen varios métodos para evaluar la capacidad de enfriamiento de un medio de enfriamiento, incluido el método de intensidad de enfriamiento, el método de alambre caliente, el método de curva en U de dureza, el método de prueba magnética y otros. El método de la curva de enfriamiento se considera el mejor método de medición de laboratorio y se utiliza ampliamente.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que la curva de enfriamiento real de una pieza durante el enfriamiento puede diferir de la obtenida en las pruebas. Esto ocurre porque el proceso de transferencia de calor de la pieza al medio ambiente durante el enfriamiento está influenciado no sólo por el material de la pieza, sino también por su tamaño y forma.
Por ejemplo, probar un aceite general de enfriamiento rápido usando una sonda estándar normalmente mostrará la etapa de película de vapor, pero cuando se usa el mismo aceite como medio de enfriamiento para sujetadores pequeños, es posible que la etapa de película de vapor no sea visible.
A pesar de estas diferencias, probar la curva característica de enfriamiento de un medio de enfriamiento usando métodos estándar sigue siendo valioso para comparar y seleccionar diferentes medios y monitorear el rendimiento de los medios a lo largo del tiempo.
1. Curva característica de enfriamiento y tres etapas de enfriamiento
La curva característica de enfriamiento se usa ampliamente hoy en día para evaluar las propiedades de enfriamiento de los medios de enfriamiento, determinar el grado de envejecimiento de los medios y guiar el proceso de tratamiento térmico.
Los métodos de prueba más utilizados son:
Caliente una sonda de un tamaño y material específicos a más de 800 °C y luego sumérjala en el medio de enfriamiento de enfriamiento rápido de una temperatura específica.
Usar un termopar en el centro de la sonda para registrar directamente el cambio de temperatura en el centro de la sonda a lo largo del tiempo y derivar la curva para determinar la velocidad de enfriamiento a diferentes temperaturas.
Según la curva característica de enfriamiento medida, el proceso de enfriamiento generalmente se divide en tres etapas (ver Fig. 1):
Etapa de película de vapor (cuando la pieza de trabajo se sumerge por primera vez en el medio, su temperatura es alta y el medio alrededor de la pieza de trabajo se vaporiza rápidamente para formar una película de vapor estable que rodea la superficie de la pieza de trabajo. En este momento, el enfriamiento es lento debido a una mala conducción de calor de la película de vapor);
Etapa de ebullición (a medida que disminuye la temperatura de la pieza, la película de vapor se vuelve inestable y abandona rápidamente la superficie de la pieza en forma de pequeñas burbujas, eliminando el calor. Esta etapa tiene la velocidad de enfriamiento más rápida);
Etapa de convección (a medida que la temperatura de la superficie de la pieza disminuye aún más, la ebullición se detiene cuando cae por debajo del punto de ebullición del medio y comienza la etapa de convección, que depende de la transferencia de calor por convección).
Al superponer la curva de velocidad de temperatura de enfriamiento con la curva de temperatura de velocidad de calentamiento del proceso de calentamiento (como se muestra en la Fig. 7), se puede ver que las tres etapas del proceso de enfriamiento están estrechamente relacionadas con el rango de temperatura de las tres etapas. del proceso de calentamiento.
Sin embargo, en comparación con el proceso de calentamiento, la temperatura de transición entre las etapas del proceso de enfriamiento es ligeramente mayor por las siguientes razones:
En el proceso de calentamiento, el calentamiento por inducción comienza en la superficie y luego se transfiere al centro de la sonda, lo que hace que la temperatura central medida se retrase con respecto a la temperatura de la superficie hasta cierto punto, lo que da como resultado una temperatura de prueba más baja en comparación con la temperatura de la superficie real. .
En el proceso de enfriamiento, la temperatura central también va por detrás de la temperatura de la superficie, lo que da como resultado una temperatura de prueba más alta en comparación con la temperatura de la superficie real.
Al mismo tiempo, según la ecuación (4), la densidad del flujo de calor en el proceso de enfriamiento es proporcional a la velocidad de enfriamiento promedio:
Dado que la velocidad de enfriamiento del aceite isotérmico cuando se rompe la película es menor que la del aceite base de baja viscosidad, se puede calcular que su flujo de calor crítico qcr2 también es mayor que el del aceite base de baja viscosidad. Esto significa que la película puede romperse a temperaturas más altas, lo que concuerda con las observaciones realizadas en aplicaciones de ingeniería.
4. Conclusión
Al analizar el proceso de transferencia de calor en el proceso de enfriamiento, quedó claro que las etapas de formación de la película de vapor y la transición de la película de vapor a la ebullición nucleada son mucho más complejas de lo que se pensaba anteriormente. El concepto de flujo de calor crítico, utilizado en la teoría de la transferencia de calor en ebullición, se introdujo para explicar el fenómeno de la película de vapor en el proceso de enfriamiento.
Se realizaron experimentos utilizando calentamiento por inducción para observar y registrar los fenómenos de ebullición y película de vapor durante el calentamiento y enfriamiento. Este enfoque combinado tenía como objetivo obtener una comprensión más profunda del fenómeno común de la película de vapor en los procesos de enfriamiento, lo que podría proporcionar más orientación para el diseño y desarrollo de nuevos medios de enfriamiento con una duración de película de vapor más corta y una velocidad de enfriamiento más rápida.
Las discusiones teóricas y las verificaciones experimentales han demostrado que para reducir la película de vapor en el proceso de enfriamiento y mejorar la uniformidad del enfriamiento de la pieza de trabajo, se deben considerar los siguientes tres aspectos:
(1) Incrementar el flujo de calor crítico qcr1 y qcr2 para la formación y ruptura de la película de vapor del propio medio.
Por ejemplo, aumentar la tensión superficial del medio y la diferencia de densidad entre las fases gaseosa y líquida, hace que la película de vapor sea más difícil de formar y más fácil de romper.
(2) Se introduce un aditivo que puede formar una película sobre la superficie de la pieza de trabajo para unirlo a la superficie de la pieza de trabajo para formar una capa de aislamiento térmico de espesor moderado, a fin de reducir el coeficiente de transferencia de calor de la superficie de la pieza de trabajo. Pieza de trabajo, reduciendo así la densidad del flujo de calor qin de la superficie de la pieza de trabajo, reduciendo o incluso eliminando la película de vapor.
(3) El electrolito se introduce para aumentar el flujo de calor crítico qcr del medio y, al mismo tiempo, se forma una doble capa eléctrica en la superficie de la pieza de trabajo para reducir el flujo de calor qin de la superficie de la pieza de trabajo, a fin de reducir o incluso eliminar la película de vapor.
