POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII OBRÓBKI CIEPLNEJ I CIEPLNO-CHEMICZNEJ	Paweł Wojtalewicz Rafał Parszutowicz
	WYDZIAŁ
	BMiZ
PROWADZĄCY	ROK STUDIÓW
dr inż. W. Gęstwa	I st. II
Ćwiczenie odrobiono dnia:	Sprawozdanie oddano dnia:
24.11.2014r.	8.12.2014r.
NR	TEMAT ĆWICZENIA:
2.	Ośrodki oziębiające a ich zdolności chłodzące – sposoby opisu

1. Cel ćwiczenia

Poznanie rodzajów ośrodków chłodzących oraz metod oceniających ich zdolności odbierania ciepła od nagrzanego materiału. Sposoby wyznaczania współczynników opisujących zdolności chłodzące ośrodków oziębiających.

1. Ośrodki badane oraz przebieg badań

W badaniach zastosowano następujące ośrodki chłodzące:

• woda destylowana,

• 10% roztwór poliakrylanu sodu w wodzie,

• nanofluid: 1 % roztwór tlenku aluminium o ziarnie poniżej 50 nm w wodzie.

Metoda oraz stanowisko do wyznaczania krzywych chłodzenia ośrodków oziębiających oparte były na angielskiej metodzie próbki cylindrycznej ze stopu Inconel 600 zgodnie z normą ASTM 6666-01. Sonda ze stopu niklu 600 była chłodzona w układzie Tensy’ego. Według normy AMS 5665 stop ten ma następujący skład chemiczny: 76% Ni, 15,5 % Cr, 8%Fe, 0,008%C i mas 0,25% Cu. Sonda miała długość 0,5 m, natomiast próbnik charakteryzował się wymiarami: l = 60 mm oraz ϕ = 12 mm. W środek geometryczny próbnika doprowadzony był termoelement typu K. Sonda była nagrzewana w piecu oporowym pionowym do temperatury 850 °C i następnie przemieszczana do zbiornika z 2 litrami badanego ośrodka, gdzie podlegała oziębieniu. Piec zapewniał równomierny rozkład temperatury na długości 120 mm w retorcie. Ośrodki oziębiające były nieruchome względem chłodzonej sondy. Przebieg temperatury wewnątrz chłodzonej sondy mierzony był termoelementem i jednocześnie rejestrowany w układzie temperatura - czas. Do rejestracji temperatury zostało zastosowane urządzenie z oprogramowaniem komputerowym typu A/D. Rejestracja zmian temperatury odbywała się z częstotliwością 150ms a czas przemieszczenia sondy z pieca był nie dłuższy niż trzy sekundy.

1. Wyniki badań:

• H₂O destylowana

• H₂O + 10% ACR

• Nanofluid

• Porównanie przebiegów chłodzenia sondy w różnych ośrodkach oziębiających

• Porównanie zależności temperatury w funkcji szybkości chłodzenia dla różnych ośrodków oziębiających

1. Wyznaczenie parametrów opisujących zdolności chłodzące ośrodków oziębiających

• Szybkość chłodzenia w temperaturze 700°C

Parametr ten wyznaczono poprzez aproksymację w odpowiednich zakresach argumentów zależności v(T) funkcjami wielomianowymi 5. stopnia a następnie wyznaczenie wartości tychże wielomianów dla T=700°C.

Ośrodek oziębiający	v700 [°C/s]
H2O	243
H2O + 10% ACR	165
H2O + 1% Al2O3	245

• Współczynnik Hardening Power

Współczynniki HP wyznaczono ze wzoru:

HP = 91, 5 + 1, 34T_VP + 10, 88v₅₅₀ − 3, 85T_CP,

gdzie:

T_VP [°C] – temperatura przejścia między fazą powłoki parowej a fazą wrzenia pęcherzykowego,

v₅₅₀ [°C/s] – szybkość chłodzenia w temperaturze 550°C,

T_CP [°C] – temperatura przejścia między fazą wrzenia pęcherzykowego a fazą konwekcyjną.

Wartości T_VP, T_CP wyznaczono zgodnie z metodą zawartą w instrukcji do ćwiczenia, natomiast wartość v₅₅₀ analogicznie jak v₇₀₀.

Ośrodek oziębiający	TVP [°C]	v550 [°C/s]	TCP [°C]	HP [-]
H2O	838	227	110	3259
H2O + 10% ACR	833	142	112	2325
H2O + 1% Al2O3	840	230	123	3251

• Współczynnik Grossmanna

Współczynnik Grossmanna wyznaczono ze wzoru:

H = 0, 395 • 10⁻¹ • t₆₀₀ − 0, 139 • 10⁻¹ • t₄₀₀ + 0, 123 • 10⁻² • v_max + 0, 224 • 10⁻² • v₃₀₀ + 0, 224 • 10⁻⁴ • T_vmax,

gdzie:

t₆₀₀, t₄₀₀ [s] – czasy osiągnięcia temperatury: 600 oraz 400°C,

v_max [°C/s] – maksymalna szybkość chłodzenia,

v₃₀₀ [°C/s] – szybkość chłodzenia w temperaturze 300°C,

T_vmax [°C] – temperatura, przy której uzyskano maksymalną szybkość chłodzenia.

Wartości t₆₀₀, t₄₀₀ wyznaczono poprzez aproksymację w odpowiednich zakresach argumentów zależności T(t) funkcjami wielomianowymi 5. stopnia a następnie rozwiązanie równań: T(t) = 600°C oraz T(t) = 400°C w programie Maxima. Wartość v₃₀₀ wyznaczono analogicznie aniżeli v₅₅₀ i v₇₀₀. Wartość T_vmax wyznaczono na podstawie przyrównia do zera pochodnej wielomianu 5. stopnia, będącego aproksymacją zależności v(T), i znalezienia odpowiedniego pierwiastka w programie Maxima lub WolframAlpha. Wartość v_max wyznaczono, podstawiając do wielomianu v(T) argument T=T_vmax. Wszystkich aproksymacji dokonano w programie Gnuplot 4.6.

Ośrodek oziębiający	t600 [s]	t400 [s]	vmax [°C/s]	v300 [°C/s]	Tvmax [°C]	H [m^-1]
H2O	3,74	4,89	254	92	652	0,61
H2O + 10% ACR	6,16	8,14	168	50	672	0,46
H2O + 1% Al2O3	3,55	4,61	255	100	648	0,63

1. Wnioski

Na podstawie wyznaczonych parametrów: v₇₀₀, HP oraz H można porównanać badane ośrodki oziębiające pod względem zdolności chłodzących. Najintensywniej chłodzi nanofluid, co jest wynikiem ogromnej powierzchni właściwej jego cząstek. Nieznacznie gorszą zdolnością chłodzenia wykazała się woda destylowana. Wykresy T(t) i T(v) dla H₂O oraz H₂O + 1% Al₂O₃ praktycznie się pokrywają. Nanofluid charakteryzował się delikatnie skróconymi czasami trwania fazy płaszcza parowego oraz wrzenia pęcherzykowego w stosunku do wody destylowanej, jak również osiągnął minimalnie większą maksymalną szybkość chłodzenia. Tak niewielkie różnice mogą być spowodowane aglomeracją cząstek Al₂O₃, implikującą zmniejszenie powierzchni odbioru ciepła, mimo iż przed procesem oziębiania sondy zastosowano mieszanie ultradźwiękowe. Najmniejszą intensywnością chłodzenia okazał się roztwór polimeru. Faza płaszcza parowego oraz wrzenia pęcherzykowego trwała w jego przypadku wyraźnie dłużej aniżeli dla wody oraz nanofluidu, natomiast maksymalna szybkość chłodzenia w tymże ośrodku była znacznie mniejsza niż w pozostałych. Podczas oziębiania w roztworze H₂O + 10% ACR zaobserwowano osadzanie się polimeru na sondzie, a następnie ponowne przejście do roztworu. Separacja polimeru spowodowała mniejszą efektywność wymiany ciepła na drodze sonda – roztwór, polimerowa powłoka spełniła rolę izolatora ciepła.

Wyniki przeprowadzonych badań pozwalają wysnuć wniosek, iż nanofluid jako ośrodek oziębiający może być alternatywą dla roztworów soli lub ośrodkiem o właściwościach pośrednich między H₂O i wskazanymi roztworami. Poprzez regulację uziarnienia oraz stężenia nanocząstek można by natomiast regulować jego zdolności chłodzące. Z drugiej strony roztwory polimerowe mogą stanowić ośrodki o właściwościach pośrednich między wodą destylowaną a olejami, regulowanych stężeniem polimeru.