Convectia termica in timpul proceselor de sudare

Transmiterea caldurii prin convectie se realizeaza prin intermediul unui suport material a carui substanta preia caldura si o transporta odata cu deplasarea sa. (Spre exemplu: gazul protector insuflat asupra sudurii preia o cantitate de caldura; aerul linistit in contact cu piesa calda favorizeaza racirea, etc.

Agentul termic (fluidul), este caracterizat prin anumite proprietati, care determina in final intensitatea transferului termic.

Astfel pot fi amintiti urmatorii invarianti adimensionali (denumiti si numere sau criterii):

numarul lui Nusselt:

numarul lui Prandtl:

numarul lui Reynolde:

numarul lui Grashof:

in care: a - coeficient de transfer al caldurii W/m^{2 .} K

d - dimensiunea reprezentativa in m

a - - difuzivitate termica m²/s

c - caldura specifica J/kg ^. K

l - conductivitate termica W/m ^. K

r - masa specifica kg/m³

w - viteza fluidului m/s

h - vascozitatea dinamica N ^. s/m²

n - vascozitatea cinematica m²/s

g m/s²

b - coeficient de dilatare termica ( pentru gaze)

T - diferenta de temperatura intre fluid si perete

- Criteriul Gr caracterizeaza curgerea datorita fortei ascensionale aparuta datorita diferentelor de temperatura interna in fluid. El este hotarator la curgerea libera a fluidelor.

Criteriul Re caracterizeaza modul de desfasurare a curgerii fluidelor, care poate fi laminara sau turbulenta (spre exemplu curgerea fluidului printr-o conducta este laminara pentru Re < 2320 si turbulenta pentru valori mai mari). Acest criteriu este hotarator la curgerea fortata a fluidelor.

Exista o corelatie intre invariantii amintiti si coeficientul de transfer termic a (coeficientul de convectie termica) data tabelar in functie de diferitele situatii practice

Cunoasterea coeficientului de convectie termica permite calcularea densitatii fluxului termic q transmis de suprafata corpului solid cu temperatura T_A catre fluidul cu temperatura T_f, cu care se gaseste in contact. Acest calcul este posibil cu ajutorul legii lui Newton:

q = a (T_A - T_f) W/m² (2.21)

In cazul proceselor de sudare poate avea loc transfer termic prin convectie, intre piesa sudata si aerul inconjurator, intre piesa sudata si gazul protector care este insuflat asupra sudurii, intre gazul protector si stropii electrodului topit sau sarma electrod incalzita de curentul de sudare, intre zgura topita si peretii pieselor la sudarea in baie de zgura, etc.

In general miscarea gazelor din spatiul arcului electric se recomanda sa fie laminara, intrucat in cazul regimului turbulent poate fi antrenat aer, care dauneaza calitatii sudurii. Chiar si in cazul unor gaze protectoare avand un regim laminar de curgere sau a unor suprafete plane care se racesc in aer linistit, fenomenele de transfer termic prin convectie in cazul sudarii, au o complexitate deosebita, fiecare gaz prezentand particularitati specifice. Din acest motiv este utila o verificare experimentala a datelor obtinute prin calcul, pe baza relatiilor generale aplicate la anumite procedee noi de sudare.

1. Pierderi de caldura ale placilor sudate

Se considera o placa infinita de grosime d si temperatura T (fig. 2.3), care cedeaza caldura mediului inconjurator.

Elementul de volum dV = d ^. dx ^. dy pierde caldura in mediul inconjurator prin suprafetele de marime dS = 2 ^. dx ^. dy. Cantitatea de caldura pierduta este d Q_placa = - a ^. T ^. 2dx ^. dy ^. dt

Fig. 2.3 Placa racita in aer

Semnul minus indica pierderea de caldura din placa, datorita careia are loc o variatie de temperatura data de relatia

in care (2.22)

2. Pierderi de caldura ale barelor sudate

Se considera o bara infinita de temperatura T avand sectiunea transversala cu suprafata S si perimetrul sectiunii P_e (fig. 2.4), care cedeaza caldura mediului inconjurator.

Fig. 2.4 Bara racita in aer

Elementul de volum dV = S ^. dx pierde caldura in mediul inconjurator prin suprafata dS = P_e ^. dx (suprafata laterala). Cantitatea de caldura pierduta este dQ_bara = - a ^. T ^. P_e ^. dx ^. dt

Semnul minus indica si in acest caz pierderea de caldura din bara, datorita careia are loc o variatie similara

in care (2.23)

Rezulta ca atat in cazul placilor, cat si a barelor sudate, daca se tine seama de pierderile in mediul inconjurator, expresia generala a campului termic (2.18) devine

(2.24)

pentru placi

pentru bare

Prin rezolvarea ecuatiei 2.10, cand nu sunt luate in consideratie pierderile de caldura, sau 2.24 cand intervin si pierderile de caldura, rezulta campurile termice in diferite situatii. Campul termic dedus prin rezolvarea relatiei 2.18 are forma de functie complexa T = F₁ (r; t), iar cel dedus prin rezolvarea ecuatiei 2.24 are o forma asemanatoare, amplificata cu e^-bt si anume: T = F₁ (r; t) ^. e^-bt, in care b poate fi b_p sau b_b.