Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del Instituto Politcnico Nacional.

Efecto de la velocidad de aceite en la curva de ebullicin del templado de un acero 5160.

Alumno: Marco Antonio Gonzlez MeloAsesor: Francisco Andrs Acosta Gonzlez.

Junio 19 del ao 2015

I IntroduccinSe requiere un conocimiento de la intensidad de temple con el fin de predecir la distribucin de la dureza despus del temple en barras de acero de dimetro y templabilidad definido. La intensidad de temple en el sentido fsico es la capacidad del medio de enfriamiento para extraer calor de una pieza de metal, y puede ser descrita por la densidad de flujo de calor en su superficie ( ). La intensidad de enfriamiento en la prctica depende de muchos factores. Los principales son: las propiedades fsicas y qumicas del medio de temple, la temperatura del bao de enfriamiento, y la velocidad del fluido. Dado que la mayora de estos factores se pueden variar independientemente, es ms correcto referirse a las condiciones de enfriamiento como tal en lugar de las de temple especfico. Actualmente, hay un gran nmero de diferentes medios de temple con numerosas condiciones de enfriamiento. Un mtodo prctico para evaluar la intensidad de enfriamiento debe ser aplicable para todos los medios de temple, temple asistido por computadora, y las tcnicas de temple, y de ese modo permitir comparaciones entre intensidades. Por otra parte, el mtodo debe proporcionar la base para el control automtico de la intensidad durante el proceso, y ser lo suficientemente sensible para reflejar los cambios en cada uno de los parmetros antes mencionados. Adems es de gran ayuda estudiar las condiciones hidrodinmicas (cercanas de la superficie de control de la probeta) durante el enfriamiento de probetas metlicas, debido a la posible formacin de frentes de mojabilidad estables y simtricos, incluso en velocidades altas de fluido, facilitando el anlisis del efecto de la velocidad de fluido en la extraccin de calor y la distincin de las subzonas en el rea de la pelcula estable de vapor nucleada.En funcin de la capacidad de enfriamiento de los aceites y la variacin de parmetros experimentales tales como velocidad de fluido, temperatura, volumen y condiciones del medio de temple, es posible analizar la variacin en los resultados en la extraccin de calor mediante el clculo del coeficiente de transferencia de calor.Esta tesis es experimental y consiste en el diseo e implementacin de un sistema de laboratorio para controlar y medir la velocidad del aceite que enfra una superficie metlica precalentada a una temperatura especfica instrumentada con un termopar sub-superficial. Las curvas de enfriamiento sern analizadas con la solucin del problema inverso de conduccin de calor (IHCP) implementada en diferencias finitas en el cdigo CONTA para determinar la evolucin del flujo de calor desde la superficie metlica. De este modo, se calcular la relacin entre el flujo de calor y la temperatura superficial. Dicha curva de ebullicin ser determinada a distintas velocidades controladas de aceite.2 Marco Terico2.1 Curvas de ebullicinLa Figura 1 muestra el diagrama esquemtico una curva de ebullicin. En la seccin AB de intercambio de calor se realiza por conduccin y conveccin y no hay formacin de burbujas. A medida que aumenta la temperatura de la superficie de calentamiento (al igual que la carga de calor), la nucleacin comienza en los centros de evaporacin (punto B). Cuando aumenta T, el nmero de sitios de nucleacin activados crece y se desarrolla la nucleacin de burbujas (segmento BC).

Figura 1 Diagrama esquemtico de una curva de ebullicin.En este caso, el coeficiente de transferencia de calor aumenta bruscamente hasta un valor mximo llamado punto crtico de flujo de calor () [Nukiyama 1984, Anohkina 2008], lo que explica la necesidad de estudiar este fenmeno para la ingeniera. A medida que la carga de calor crece, las burbujas de vapor se unen para formar una pelcula de vapor; en un aumento significativo, la interfaz de lquido-vapor se vuelve inestable. El movimiento de lquido hacia la pared calentada se ve obstaculizado en estas condiciones las cuales se dan cuando el vapor comienza a extenderse sobre la superficie de calentamiento (punto C). En el punto C, la pelcula estable de vapor cambia abruptamente, lo que dificulta la transferencia de calor y limitando el flujo de calor mximo. [Kruzhilin 2000] El punto C, llamado punto de calcinacin [Eckert 1950], el cual a veces corresponde a una densidad crtica de flujo de calor, dependiendo si se conoce la temperatura superficial. [Anokhina 2009]El desarrollo del proceso despus del punto C depende del flujo de calor como una variable independiente controlada. Si la temperatura de superficie de calentamiento aumenta de forma continua, la evaporacin (segmento CD) se desarrolla despus de alcanzar el flujo de calor crticoEn el segmento CD, dos subzonas coexisten, es decir, la nucleacin de la pelcula y la capa estable de vapor. En el punto D, se inicia la formacin de una capa estable de vapor, la alta estabilidad de esta capa de vapor se da por el hecho de que el lquido no puede mojar la superficie de calentamiento debido al rechazo de lquido debido al vapor que va desde la superficie de calentamiento. En el segmento DE en la curva de ebullicin el papel de la radicacin para transferir calor aumenta. Si una superficie es calentada por una corriente elctrica, la variable independiente est representada por el flujo de calor q. En tales sistemas, los cambios de temperatura aumentan estrepitosamente desde un valor inicial hasta el valor en el punto C de la curva. Muchas superficies de calentamiento no soportan un aumento adicional de la temperatura y se funden bajo estas condiciones. As, si la temperatura de la pared de calentamiento no es controlada, la formacin de burbujas puede ser fuertemente inestable. Por lo tanto, para aumentar la estabilidad de la pelcula de vapor, es necesario para estabilizar la temperatura de la pared en lugar del flujo de calor. El segmento CD es inestable, y es difcil de lograr en la prctica. As como el flujo de calor q disminuye (despus del calentamiento intenso, segmento EDF), la temperatura disminuye rpidamente hasta el valor correspondiente al punto F despus de alcanzar el punto D. Este es el llamado histresis de ebullicin: las curvas de ebullicin registradas durante el calentamiento y enfriamiento de una superficie que libera calor son diferentes.Si la carga trmica disminuye, la curva pasa a lo largo de HD y bruscamente salta del punto D al F en lugar de regresar de H a C. Llamamos al segmento HD la regin de estado esferoidal del lquido, ya que el lquido no moja la superficie calentada en este caso.Medicin del flujo de calorExiste en la literatura mucha informacin tal como lo es el trabajo presentado por H. S. Hasan y cols. [Hasan 2011] Donde se realiza la medicin del flujo de calor, para ello se elaboraron probetas cilndricas, con los aceros descritos en la Tabla1, de longitud total de 14 mm con un dimetro de 4 mm y una reduccin a 2 mm en 10 mm de su longitud total. Para la medicin se insert un termopar tipo K de 1 mm de dimetro y se aadi polvo de grafito en la punta para sensibilizar la medicin. Para evitar huecos entre la pared de la probeta y el termopar, estos se sellaron con pasta de almina endurecida por 8 horas a una temperatura de 200C. El tanque de enfriamiento tiene un volumen de 0.25L. La temperatura inicial de la probeta fue de 850C las cual se homogeneiz durante 5 minutos antes de sumergirse en el tanque de enfriamiento que alojaba agua a 20 C. Se realizaron 3 experimentos por acero para incrementar la exactitud en los resultados.

Tabla 1. Composicin qumica de los aceros utilizados para las probetas en wt%. [Hasan 2011]AceroCSiMnNiMoCrAlCoCu

A0.160.160.670.080.020.06---

B0.151.191.50.080.3311.190.02-0.136

C0.781.62.02-0.251.011.373.87-

D0.550.220.770.150.050.20---

E0.540.200.740.170.050.20---

F0.160.220.302.930.391.470.28-0.01

El coeficiente de transferencia de calor en funcin de la temperatura se calcul:

Donde:Es la densidad con un valor constante de 7858

Corresponden al volumen y al rea superficial de la probeta respectivamente.

Es la velocidad de enfriamiento instantnea en C/s.

Es la capacidad calorfica a presin constante en (calculada en funcin de la temperatura mediante el Software MTDATA con la base de datos SGTE.)

Temperatura superficial en C.

Temperatura del medio en C

En la Tabla 2 podemos observar los coeficientes de transferencia de calor resultantes del experimento, as como la temperatura de flujo de calor mximo y los valores de correspondientes.

Tabla 2 Resultados experimentales. [Hasan 2011]AceroC

A6163163881

B40614091580

C5184152684

D40614091580

E40134571754

F40614091580

En algunos trabajos estudian el efecto de las distintas geometras de probetas tal como es el caso de los experimentos realizados por B. Hernndez Morales, y cols. Quien emple probetas cilndricas de acero inoxidable AISI304 cambiando la geometra de los extremos; extremo plano, cilndrico y cnico, para todos los casos la longitud base fue de 56 mm diferenciando nicamente el extremo, para el caso cilndrico se aadieron 4 mm adicionales correspondientes al radio, para el caso cnico fueron 10 mm adicionales que conformaban la geometra cnica, todas las probetas tenan un radio de 12 mm.La medicin de la temperatura se realiz con 4 termopar tipo K con dimetro de 1.5 mm colocados a 2.38 mm de la superficie en la semicircunferencia de las probetas ajustados a presin, para hacer circular el refrigerante se dispuso de una bomba de HP. Los conductos para el transporte del medio de enfriamiento fueron construidos con plexigls. La probeta fue unida a una lanza de metal ajustada a una paleta en movimiento dentro de un tanque de enfriamiento para asegurar un rpido enfriamiento. La temperatura inicial de la probeta antes de comenzar el temple fue de 900C, el medio de temple fue agua a la temperatura de 60C. Las velocidades del fluido de temple fueron 0.2 y 0.6 m/s. Como resultado se tiene un valor de flujo crtico de calor mximo de para una velocidad de fluido de 0.2 m/s y para una velocidad de fluido de 0.6 m/s. La Tabla 3 resumen los dems valores obtenidos de la experimentacin.

Tabla 3 Resultados experimentales. [Hasan 2011]Velocidad del fluido en m/sGeometra de la probetaVelocidad de enfriamiento mximo en C/s. Tiempo necesario para alcanzar en s.

0.2Barra cilndrica con extremo plano18424.8

Barra cilndrica con extremo cnico14825

Barra cilndrica con extremo circular22019

0.6Barra cilndrica con extremo plano20012.5

Barra cilndrica con extremo cnico21313.75

Barra cilndrica con extremo circular26019.5

Se obtuvo mediante anlisis experimental que se debe utilizar probetas cilndricas con extremo cnico en lugar de las utilizadas usualmente con extremo plano y cilndrico, debido a la formacin de frentes de mojabilidad ms estables y simtricos incluso en velocidades altas de flujo facilitando el anlisis del efecto de la velocidad de flujo en la extraccin de calor y la distincin de dos subzonas en el rea de la pelcula estable de vapor.

2.2 Transformaciones de fase en acero slidoAunque algunos metales son importantes como elementos puros la mayora de sus aplicaciones en ingeniera requieren la combinacin de stos, debido a la posibilidad de mejorar sus propiedades, entre algunas de ellas, la resistencia, la dureza y algunas otras que llegan a superar a las de los metales puros, lo cual implica la formacin de fases en funcin de la composicin y la temperatura. [Groover 2003]2.2.1 Diagramas TTT

2.3 Instrumentacin2.4 Anlisis de las curvas de enfriamiento con la finalidad de conocer el flujo de calor.3 Metodologa4 Cronograma de actividades5 Bibliografa

Protocolo de tesisMaestra en metalurgia