Ćw. aboratoryjne nr 4 Teoria ciepna procesów odewniczych Wyznaczanie współczynnika wymiany ciepła podczas chłodzenie form metaowych (koki) w warunkach konwekcji naturanej I. Wprowadzenie SYSTEMY CHŁODZENIA KOKIL Kokia (Rys.1) to forma odewnicza wieokrotnego użycia do odewania grawitacyjnego bądź odśrodkowego. Wzgędną temperaturę środka formy (osi waca) przy promieniowym przepływie ciepła w warunkach brzegowych III rodzaju (warunki Newtona), ujmuje równanie kryteriane: Rys.1. Kokia do odewania tłoków auminiowych: 1 ruchoma częśd korpusu, 2 nieruchoma częśd korpusu, 3 podstawa korpusu, 4 układ wewowy Odewanie kokiowe stosuje się głównie do metai i stopów nieżeaznych, w szczegóności do auminium, cynku, ołowiu oraz stopów cyny. Kokia odtwarza kształt zewnętrzny odewu. Natomiast kształt wewnętrzny odewu odtwarzają rdzenie wykonane ze stai ub z mas rdzeniowych. W procesie kształtowania odewu meta, z którego wykonana jest forma nagrzewa się tracąc swoje właściwości, a tym samym zmienia kształt wnęki formy odewniczej. Może to doprowadzid do zafałszowanie kształtu jak i wymiarów odewu.
Rozwiązaniem tego zjawiska jest odprowadzenia ciepła podczas krzepnięcia metau. Chłodzenie to może byd reaizowane w różny sposób poprzez: chłodzenie wodne płytami kontaktowymi chłodzenie nadmuchem powietrza chłodzenie koki w warunkach konwekcji naturanej i promieniowania. CHŁODZENIE NADMUCHEM POWIETRZA Rys. 2. Schemat nadmuchu powietrza na kokię przez otwory w skrzyni powietrznej Współczynnik wymiany ciepła (α) w przypadku równomiernego nadmuchu sprężonym powietrzem obicza się z zaeżności: 0, 96 m v m w d e gdzie: d e = 4(s /2s +),, s to długośd i szerokośd chłodzonej powierzchni zy użyciu skrzyni powietrznej (Rys. 2) i za pomocą okrągłych otworów doprowadzających, współczynnik okreśa równanie: da d e 8 0,625 s 0,625 0,33 0,993 Re s
da d e 8 0,625 m S 0,625 0,33 0,286 R e s d Gdy powietrze doprowadzane jest przez otwory szczeinowe (przekrój prostokątny) wtedy współczynnik wyraża się za pomocą równania: 0,346 0,89 S 0,89 0,33 0,0288 Re s d d CHŁODZENIE KOKIL W WARUNKACH KONWEKCJI NATURALNEJ Rys.3. Schemat do okreśenia współczynnika wymiany da konwekcji naturanej (powierzchnia pionowa kokii). Podczas swobodnego przepływu medium przy ścianach pionowych(konwekcja naturana), współczynnik wymiany ciepła wyicza się z równania kryterianego: N C C Gr 2 u 1 P r gdzie: C 1, C 2 stałe G r kryterium Grasshofa
G r gdzie: 3 gde 2 vm T β m - współczynnik rozszerzaności objętościowej medium, Tabea 5.1. ν m epkośd kinematyczna m 2 /s ΔT spiętrzenie temperatury przy ściance od strony medium, g = 9,81 m/s 2 G r x P r 10-5 5 x 10 2 5 x 10 2 2 x 10 7 2 x 10 7 10 13 1,18 0,54 0,135 1/8 1/4 1/3 C 1 C 2 Tabea 1 wartości stałych C 1 i C 2 Na podstawie danych z Tabei 1 wyznaczyd można następujące zaeżności da różnych wartości ioczynu G r i P r, mianowicie: da G r x P r = 2 x 10 7 10 13 0,135 r r G P 1/ 3 da G r x P r = 5 x 10 2 2 x 10 7 0,54 r r G P 1/ 4 Da wartości ioczynu G r x P r < 10-3 wzór ogóny upraszcza się do postaci: 0, 5 d e λ m współczynnik przewodzenia ciepła W/mK Wzór ogóny dotyczy powierzchni pionowych. Wymiarem charakterystycznym da rur jest ich średnica d e, da płyt wysokośd. W odniesieniu do płyt poziomych wymiarem charakterystycznym jest najmniejszy bok płyty, przy czym obiczoną za pomocą równania ogónego wartośd współczynnika przejmowania ciepła powiększa się o 30 %, jeżei powierzchnia oddająca ciepło zwrócona jest ku górze
(Rys.3.) i zmniejsza się o 30 %, jeżei powierzchnia wymieniająca ciepło zwrócona jest ku dołowi (Rys.4.). Rys.4. Schemat do okreśenia współczynnika wymiany da konwekcji naturanej (powierzchnia pionowa kokii). II. zebieg dwiczenia Ceem ćwiczenia jest wyznaczanie współczynnika wymiany ciepła podczas chłodzenia form metaowych (kokii) w warunkach konwekcji naturanej 1. W piecu aboratoryjnym wytapiamy stop odewniczy AZn 2. Meta przegrzewamy do temperatury ok. 750 ºC 3. Formę metaową (kokię doświadczaną) w kształcie płyty ustawiamy pionowo, w ten sposób aby zachodziła konwekcja naturana 4. zy ściance formy, po zewnętrznej stronie, umieszczamy termopary w ceu rejestracji temperatur podczas procesu zaewania, krzepnięcia i stygnięcia odewu, w ceu wyznaczenia spiętrzenia temperatury 5. Po osiągnięciu przez meta temperatury ok. 750 C, z powierzchni metau ściągamy zgar i zaewamy formę ciekłym metaem 6. Włączamy urządzenie rejestrujące zmiany temperatury w czasie procesu zaewania, krzepnięcia i stygnięcia odewu 7. Na urządzeniu rejestrującym (mierniku Agient) obserwujemy zmiany temperatury od momentu zaewania do temperatury poniżej temperatury krzepnięcia odewu. 8. Drugą formę metaową (kokię doświadczaną) w kształcie płyty ustawiamy poziomo, w ten sposób aby zachodziła konwekcja naturana 9. Powtarzamy czynności wymienione w pkt. od 4 do pkt. 7 10. Korzystając z zaeżności zamieszczonych we rozdziae 1 oraz tabic naeży wyznaczyd współczynnik wymiany ciepła da podczas chłodzenia form metaowych da formy ułożonej pionowo i poziomo oraz sporządzid sprawozdanie z wykonanego dwiczenia aboratoryjnego.