Estudio de la dinámica del frente de mojado en procesos de temple con convección forzada

Abstract

In the heat transfer no-stationary processes as the case of the quenching presents a sequence by of highly complex phenomena on the probe surface. These phenomena are presented firstly for the formation of vapor blanket, followed by nucleation boiling and finally the forced convection. The evolution of the moving front where the vapor film collapses and nucleate boiling starts, known as the wetting front, is a critical characteristic in controlling distortion during quenching of metallic parts. Thus, in this work of thesis was constructed system in which is introduced the term of fully developed flow and we present a comparative study of the wetting front kinematics for cylindrical probes of three different geometries: 1) flat-end, 2) spherical-end and 3) conical-end. The cylindrical probes (made with AISI304 stainless steel) were first subject to isothermal probes with cellophane ribbons and afterwards quenched in water at 30 °C, 45 °C and 60 °C flowing at: 0.2 m/s, 0.4 m/s and 0.6 m/s. The wetting front evolution was characterized using: 1) thermocouples placed within the probe, near its surface; and 2) analyzing high-speed videos taken during the test. From the experimental results it is clear that the Leidenfrost temperature is not a constant value but depends heavily on the probe geometry and quenching medium hydrodynamics. For the conical-end and spherical-end cylindrical probes the Leidenfrost temperature increases as the water velocity increases; on the other hand, for the flat-end cylindrical probe, the Leidenfrost temperature decreases as the water velocity increases. This difference may be explained based on the stability and thickness of the vapor blanket as well as the duration of the film boiling stage.

En los procesos de transferencia de calor no estacionarios como es el caso del temple presentan una serie de fenómenos altamente complejos en la superficie de la probeta. Estos fenómenos se presentan primeramente por la formación de una capa de vapor, seguida por la ebullición nucleada y finalmente se presenta la convección forzada. La evolución de la frontera móvil donde rompe la capa de vapor e inicia la ebullición nucleada, también llamada frente de mojado, es una característica determinante en el control de la distorsión durante el temple de piezas metálicas. Es por esto que en este proyecto de tesis se construyó un sistema que garantiza el flujo totalmente desarrollado y estudió el comportamiento del frente de mojado para tres probetas: a) probeta cilíndrica de cara plana, b) probeta cilíndrica de punta esférica y c) probeta cilíndrica de punta cónica. Las probetas cilíndricas (fabricadas con acero inoxidable AISI 304) fueron sometidas a un análisis isotérmico con listones de celofán y posteriormente al proceso de temple en una corriente de agua a una temperatura de 30 °C, 45 °C y 60 °C , fluyendo a tres velocidades: 0.2 m/s, 0.4 m/s y 0.6 m/s. La evolución del frente de mojado se caracterizó utilizando: 1) termopares colocados al interior de las probetas en posiciones cercanas a la superficie de la probeta y 2) analizando videos tomados con una cámara de alta velocidad durante cada experimento. De acuerdo a los resultados experimentales la temperatura de Leidenfrost no es un valor constante, sino que depende significativamente de la geometría de la probeta y de la hidrodinámica del medio de enfriamiento.