Datos precisos de transferencia de calor del hierro puro: la clave para simular procesos industriales

Introducción

Debido a sus excelentes propiedades magnéticas y termofísicas, el hierro puro se utiliza con frecuencia en componentes electromagnéticos en los que es esencial una transferencia de calor eficaz. Algunos ejemplos son los núcleos de transformadores, los motores eléctricos, las bobinas de inducción y los componentes de la electrónica de potencia, donde se producen tensiones magnéticas y térmicas. Por lo tanto, es esencial conocer con precisión las propiedades térmicas en un amplio intervalo de temperaturas para diseñar componentes fiables y simular con exactitud su comportamiento operativo en condiciones reales.

El conocimiento de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica es crucial, ya que determina en gran medida la eficacia con la que se transporta el calor dentro de un material. En aplicaciones con hierro puro, sobre todo en componentes electromagnéticos, influye directamente en la distribución de la temperatura, la disipación del calor y, por tanto, la seguridad de funcionamiento y la vida útil de los componentes. Una disipación de calor insuficiente puede provocar un sobrecalentamiento local, una reducción de la eficacia o incluso un fallo. Por lo tanto, la comprensión precisa de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica es esencial para el diseño térmico, la optimización y la simulación de sistemas industriales.

Método y condiciones de medición

El análisis de flash láser (LFA, véase la figura 1) se utiliza principalmente para determinar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (α) de un material. Cuando se combina con la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad (ρ) y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (_{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}), puede calcularse la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (λ) (λ = α - _{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp} - ρ).

Durante la medición, la parte inferior de la muestra se calienta mediante un breve impulso láser. El aumento de temperatura resultante en el lado opuesto se detecta mediante un detector de infrarrojos. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del material puede entonces determinarse basándose en este perfil de temperatura a lo largo del tiempo y en los modelos matemáticos correspondientes.

Utilizando un portamuestras de zafiro especial para metales fundidos (véase la figura 2), se midió continuamente la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de una muestra de hierro puro con el LFA 707 StratoFlash^®Classic a medida que pasaba del estado sólido al líquido.

La Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (_{Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp}) se determinó en el intervalo de temperaturas comprendido entre la temperatura ambiente y 1600°C utilizando el DSC 500 Pegasus^®, equipado con un horno de rodio. Las condiciones de medición se detallan en la tabla 1.

Tabla 1: Condiciones de medición del ALF

Resultados y debate

La figura 3 muestra el comportamiento típico del hierro puro, incluida la transición de Curie (≈770°C). Tanto la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (curva roja) como la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (curva negra) muestran cambios distintivos en este punto, con un mínimo y un máximo locales, respectivamente. Así pues, la transición de Curie se aprecia claramente en la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica, mientras que la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (curva azul) no muestra ningún efecto en esta región. En el intervalo de fusión por encima de 1525°C, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica y la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica disminuyen significativamente a medida que se rompe la estructura reticular y deja de producirse el transporte de calor a través de los fonones.

Resumen

Del sólido al líquido: Con el LFA 707 StratoFlash^®Classic , equipado con un portamuestras especial de zafiro, se pueden caracterizar metales de forma continua hasta la fusión. Los datos resultantes proporcionan información valiosa sobre el comportamiento de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en función de la temperatura, lo que constituye una base fiable para la simulación, la selección de materiales y la optimización de componentes, incluso en condiciones de funcionamiento extremas.