Dati precisi sul trasferimento di calore del ferro puro: la chiave per la simulazione dei processi industriali

Introduzione

Grazie alle sue eccellenti proprietà magnetiche e termofisiche, il ferro puro è spesso utilizzato nei componenti elettromagnetici in cui è essenziale un efficiente trasferimento di calore. Ne sono un esempio i nuclei dei trasformatori, i motori elettrici, le bobine di induzione e i componenti dell'elettronica di potenza, dove si verificano sollecitazioni sia magnetiche che termiche. La comprensione precisa delle proprietà termiche in un ampio intervallo di temperature è quindi essenziale per progettare in modo affidabile i componenti e simulare accuratamente il loro comportamento operativo in condizioni reali.

La conoscenza della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è fondamentale, in quanto determina in modo significativo l'efficienza con cui il calore viene trasportato all'interno di un materiale. Nelle applicazioni che coinvolgono il ferro puro, in particolare nei componenti elettromagnetici, essa influenza direttamente la distribuzione della temperatura, la dissipazione del calore e quindi la sicurezza operativa e la durata dei componenti. Una dissipazione di calore insufficiente può portare a un surriscaldamento locale, a una riduzione dell'efficienza o addirittura a un guasto. Pertanto, la comprensione precisa della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è essenziale per la progettazione, l'ottimizzazione e la simulazione termica dei sistemi industriali.

Metodo e condizioni di misura

L'analisi laser flash (LFA, vedi figura 1) è utilizzata principalmente per determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (α) di un materiale. In combinazione con la densità (ρ) e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}), è possibile calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (λ) (λ = α - _{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp} - ρ).

Durante la misurazione, il fondo del campione viene riscaldato da un breve impulso laser. L'aumento di temperatura risultante sul lato opposto viene rilevato con un rilevatore a infrarossi. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del materiale può quindi essere determinata sulla base di questo profilo di temperatura nel tempo e dei corrispondenti modelli matematici.

Utilizzando uno speciale portacampioni in zaffiro per metalli fusi (vedi figura 2), la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di un campione di ferro puro è stata misurata continuamente con l'LFA 707 StratoFlash^®Classic durante la transizione dallo stato solido a quello liquido.

La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}) è stata determinata nell'intervallo di temperatura compreso tra la temperatura ambiente e 1600°C utilizzando il DSC 500 Pegasus^®, dotato di un forno al rodio. Le condizioni di misura sono riportate nella tabella 1.

Tabella 1: Condizioni di misura LFA

Risultati e discussione

La Figura 3 illustra il comportamento tipico del ferro puro, compresa la transizione di Curie (≈770°C). Sia la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (curva rossa) che la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (curva nera) presentano cambiamenti distinti in questo punto, con un minimo e un massimo locali, rispettivamente. Pertanto, la transizione di Curie è chiaramente visibile nella Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e nella Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, mentre la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (curva blu) non mostra alcun effetto in questa regione. Nell'intervallo di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione al di sopra dei 1525°C, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la conducibilità termica diminuiscono significativamente, poiché la struttura reticolare si rompe e il trasporto di calore attraverso i fononi non avviene più.

Sintesi

Dal solido al liquido: Utilizzando l'LFA 707 StratoFlash^®Classic , dotato di uno speciale portacampioni in zaffiro, è possibile caratterizzare continuamente i metalli fino alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione. I dati ottenuti forniscono preziose informazioni sul comportamento della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in funzione della temperatura, costituendo una base affidabile per la simulazione, la selezione dei materiali e l'ottimizzazione dei componenti, anche in condizioni operative estreme.