Aplicación de la mecánica de fluidos computacional para el análisis del efecto horno en la determinación de puntos fijos de alta temperatura

Autor: Pozo Mesones, César del
Přispěvatelé: Castro Alonso, Pablo Bernardo, Universidad de Cantabria
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: UCrea Repositorio Abierto de la Universidad de Cantabria
Universidad de Cantabria (UC)
Popis: RESUMEN: La búsqueda de patrones fiables para la calibración de instrumentos térmicos de medida es uno de los principales retos relacionados con el modelado y el calibrado térmico. Esto obedece, entre otras razones, a la creciente demanda que existe en determinadas industrias como la aeroespacial, nuclear, siderúrgica, etc., de lograr una mayor precisión a la hora de medir altas temperaturas, para lo que resultan indispensables los métodos radiométricos. La termometría de radiación es la encargada de establecer el marco teórico, los procedimientos, la instrumentación, etc., necesarios para medir temperaturas con la suficiente precisión mediante la aplicación de estos métodos. Para que un termómetro de radiación sea capaz de medir la energía radiante emitida y/o reflejada por una superficie, traduciendo su valor en términos de temperatura superficial de forma precisa, debe garantizarse que el instrumento esté adecuadamente calibrado en base a fuentes de radiación de referencia de temperatura conocida, las cuales se introducen en crisoles y hornos diseñados específicamente para tal efecto, siendo habitual su obtención a partir de la determinación de puntos fijos de fusión de materiales. Desde finales del siglo XX, se han llevado a cabo multitud de estudios para la determinación de puntos fijos de metales puros con temperaturas de fusión superiores a la del cobre (1358 K). No obstante, el hecho de que los crisoles empleados fueran de grafito, provocaba en algunos casos la contaminación del metal modificando su temperatura de fusión. La solución definitiva a este problema, fue dada por Instituto Nacional de Metrología de Japón, al demostrar que el empleo de materiales eutécticos carbono – metálicos (C – M), eliminaba la posible contaminación de estos crisoles y permitía obtener un amplio abanico de puntos fijos, comprendido entre el Fe – C (1426 K) y el Re – C (2747 K). A pesar de ello, a la hora de caracterizar puntos fijos a muy altas temperaturas, sigue apareciendo una incertidumbre en la medida efectuada con el termómetro de radiación, la cual ha sido objeto de multitud de investigaciones en las que ha sido atribuida a diversos factores: la falta de uniformidad de la temperatura del horno, la inercia térmica del horno, la microestructura del material de punto fijo, la disipación de calor a través de las paredes del horno y crisol, la emisividad efectiva de la cavidad de cuerpo negro, las características del termómetro de radiación, etc. Sin embargo, todos ellos son demasiado pequeños, incluso en su conjunto, para explicar la magnitud de la caída de temperatura obtenida. Las investigaciones más recientes, han demostrado que dicha incertidumbre está directamente relacionada con el diseño del horno y crisol considerados, por lo que es debida a un fenómeno puramente geométrico, el cual ha sido denominado como “efecto horno”. Este hecho, ha dado lugar a diferentes investigaciones en los últimos años que han tratado de profundizar en las causas que lo originan, entre las que destacan: la realizada por Imbe et al. (2016), en la que se constató su dependencia de la longitud del tubo del horno y del diseño del crisol, y la efectuada por Yamada (2021), tomada como punto de partida del presente trabajo, en la que se demostró que el efecto horno está causado por la interacción entre la energía radiante y la cavidad interior del conjunto horno – crisol, principalmente con motivo de la reflexión de la radiación en la pared lateral de la cavidad interior del crisol. Para llegar a esta conclusión, se introdujeron una serie de modificaciones en el diseño de la cavidad y se analizó su impacto sobre el efecto horno, las cuales consistieron en reducir las dimensiones de la apertura de salida del crisol, incorporar discos de apantallamiento de la radiación a lo largo de la cavidad interior del horno y practicar ranuras circunferenciales en la superficie interior del crisol. Estas mejoras permitieron reducir el efecto horno hasta lograr incertidumbres para el punto fijo de cobre en torno a los 14 mK (muy inferiores a los 120 mK obtenidos en estudios anteriores). En el presente trabajo fin de máster, se pretende aplicar la Mecánica de Fluidos Computacional (MFC) al análisis del efecto horno, con el objetivo de comprender mejor los fenómenos relacionados con la radiación que lo provocan, confirmar el orden de magnitud de la incertidumbre obtenida experimentalmente por Yamada (2021) para el punto fijo de cobre, constatar que dicha incertidumbre es atribuible al efecto horno (descartando otras posibilidades) y valorar, en qué medida contribuyen a mitigar dicho efecto, cada una de las principales mejoras introducidas en el diseño de la cavidad de cuerpo negro, comparando los resultados obtenidos para cuatro geometrías distintas, basadas en el horno Nagano (VR10 – A45) y el crisol de tipo S, y cuatro materiales de punto fijo: Cu, Co – C, Pt – C y Re – C. Los resultados obtenidos tras realizar las correspondientes simulaciones del caso de estudio con ayuda de ANSYS©, han permitido confirmar que la introducción de las mejoras oportunas en el diseño de la cavidad de cuerpo negro permite lograr una reducción drástica del efecto horno, siendo la más influyente de todas ellas la relativa a la reducción del diámetro de la apertura de salida del crisol, por lo que se confirma que este fenómeno está causado principalmente por la reflexión de la radiación en su pared lateral. Sin embargo, a pesar de toda la información que se ha podido obtener a raíz del modelo de análisis numérico realizado, no ha sido posible establecer con la suficiente exactitud la magnitud real del efecto horno producido en cada caso, fundamentalmente debido a la elevada complejidad que conlleva tratar de contemplar la variación de la componente especular de la reflectancia en función del ángulo de incidencia de la irradiancia, lo cual constituye el principal reto asociado a la aplicación de la MFC para el análisis del efecto horno a partir de este momento. ABSTRACT: The search for reliable standards for the calibration of thermal measuring instruments is one of the main challenges related to thermal modelling and calibration. [1] Among other reasons, this is due to the increasing demand to achieve higher accuracy when measuring high temperatures in certain industries such as aerospace, nuclear, steel, etc., for which radiometric methods are essential. Radiation thermometry is responsible for setting up the theoretical framework, procedures, instrumentation, etc., necessary to measure temperatures with sufficient accuracy through the application of these methods. To be able to measure the radiant energy emitted and/or reflected by a surface with a radiation thermometer, translating its value in terms of surface temperature accurately, it must be ensured that the instrument is properly calibrated using reference radiation sources of known temperature, usually obtained from the determination of fixed melting points of materials, which are introduced into cells and furnaces specifically designed for that purpose. Since the end of the 20th century, many studies have been carried out for the determination of fixed points of pure metals with melting temperatures higher than that of copper (1358 K). However, the fact that the cells used were made of graphite, led to contamination of the metal in some cases modifying its melting temperature. The definitive solution to this problem was given by the National Institute of Metrology of Japan, which demonstrated that the use of carbon – metallic eutectic materials (C – M) eliminated the possibility of contamination of these cells and allowed a wide range of fixed points to be obtained, between Fe – C (1426 K) and Re – C (2747 K). Despite this, when very high temperature fixed points are characterised, an uncertainty in the radiation thermometer measurement still appears, which has been the subject of many investigations where it has been attributed to different factors: the lack of uniformity of the furnace temperature, the thermal inertia of the furnace, the microstructure of the fixed point material, the heat dissipation through the walls of the furnace and cell, the effective emissivity of the black body cavity, the characteristics of the radiation thermometer, etc. Nevertheless, all of these are too small, even as a whole, to explain the magnitude of the temperature drop obtained. More recent research has proved that this uncertainty is directly related to the design of the furnace and cell considered, so it is due to a purely geometric phenomenon, which has been called the "furnace effect". This fact has given rise to several investigations in recent years with the aim of finding out about the causes that lead to it. The most relevant are: the research of Imbe et al. (2016), in which a dependence was found between this effect and the length of the furnace tube and the cell design, and the research of Yamada (2021), in which it was shown that the furnace effect is caused by the interaction between the radiant energy and the inside of the blackbody cavity, mainly due to the reflection of the radiation on the side wall of the cell. To reach this conclusion, several modifications were made in the cavity design in order to analyse its impact on the furnace effect. These consisted of reducing the dimensions of the cell aperture, incorporating radiation shield disks along the inside cavity of the furnace, and making circumferential grooves on the inner surface of the cell. These improvements made it possible to reduce the furnace effect to uncertainties for the copper fixed point of around 14 mK (much lower than the 120 mK obtained in previous research). The aim of this master's thesis is to apply the Computational Fluid Mechanics (CFM) to the analysis of the furnace effect in order to better understand the phenomena related to radiation that cause it, confirm the order of magnitude of the uncertainty obtained by Yamada (2021) experimentally for the copper fixed point, demonstrate that this uncertainty is attributable to the furnace effect (discarding other possibilities) and assess how much contributes to mitigating the furnace effect each of the main improvements that have been introduced in the design of the black body cavity, comparing the results obtained for four different geometries, based on the Nagano furnace (VR10 - A45) and S – type cell, and four fixed point materials: Cu, Co – C, Pt – C and Re – C. The results obtained after having carried out the corresponding simulations of the case study with the help of ANSYS©, have confirmed that the introduction of the appropriate improvements in the black body cavity design allows a drastic reduction of the furnace effect. Moreover, the fact that the most influential of these improvements has been the reduction of the cell aperture diameter, confirms that this phenomenon is mainly caused by the reflection of radiation on its side wall. However, despite all the information that has been obtained from the numerical analysis model, it has not been possible to determine with sufficient accuracy the real magnitude of the furnace effect produced in each case, mainly because of the high complexity of trying to consider the variation of the specular component of the reflectance as a function of the angle of incidence of the irradiance, which is the main challenge associated with the application of the CFM for the analysis of the furnace effect from now on. Máster en Ingeniería de Minas
Databáze: OpenAIRE
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