Investigation of the heat transport during the hollow spheres production from the tin melt

• Autorzy: Petrov, M. , Petrov, P. , Bast, J. , Sheypak, A.

Warianty tytułu

PL

Zagadnienie transportu ciepła podczas produkcji pustych kul z cyny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The present paper reveals one of the energy efficient ways of the units (hollow spheres) production for cellular structures for their further application in light weight constructions, realized through the metallurgical procedure. The metallurgical method exhibit all known methods in intelligence, because it based on the own physical properties of the used materials and boundary conditions of the process, not involving any organically core and preparation of the powder and slurries. These small hollow spheres made from different materials could change the weight of a construction part essentially, used as acoustic and thermal insulation and also as protection against vibrations. They can be used as a unit cell for big parts and alone filled with an inert gas, e.g. fusion targets. Pure tin shells were produced intransient (thixotropic) state of materials by elevated temperatures (close to the melting point of the pure tin) and several simulation steps were used, to determine the preferable boundary conditions. To one of them belongs the investigation of the temperature fields during the formation process. The heat transport from the tin melt into the semi-solid tin shell influence the nucleation process so the solid wall should be formed before the gas starts to form the inner hollow space. Otherwise the semi-solid shell will be broken by the gas pressure or the inner hollow space does not occur. For these purposes the CFD- (Computational Fluid Dynamic) and FEM-commercial codes such as FLUENT and Solid Works Simulation Package respectively were taken. At the end the data verification of the obtained simulation results with the measurements on the laboratory stand and theoretical calculations were carried out. Current investigation was completed by the determination of the whole temperature fields on the side surface of the form nozzle, which was obtained from a thermogram captured with the help of an infrared camera (IRC).

PL

Praca przedstawia jedną z energooszczędnych metod produkcji zespołów struktur komórkowych (pustych kul) stosowanych w lekkich konstrukcjach. Opisany proces metalurgiczny produkcji kul wykorzystuje fizyczne własności zastosowanych materiałów oraz warunki brzegowe procesu bez wprowadzania proszków czy zawiesin. Puste kulki o małych średnicach wykonane z różnych materiałów mogą znacząco zmniejszyć wagę elementów konstrukcyjnych wykorzystywanych jako izolatory akustyczne i termiczne, a także jako ochrona przed wibracjami. Można je stosować jako komórki jednostkowe dla większych elementów lub jako elementy samodzielne wypełnione gazem obojętnym. Powłoki z czystej cyny produkowane są w temperaturze bliskiej temperatury topnienia materiału (w stanie tiksotropowym). W ramach pracy wykonano szereg symulacji komputerowych, które umożliwiły określenie właściwych warunków brzegowych procesu produkcji. Badano między innymi rozkład temperatury podczas procesu produkcji. Transport ciepła w procesie formowania powłok z cyny od stanu płynnego do stanu pół-stałego ma wpływ na proces zarodkowania, dlatego ścianki będące w stanie stałym powinny być formowane zanim gaz rozpocznie kształtowanie wnętrza powłoki. W przeciwnym wypadku pół-stała powłoka pęknie pod wpływem ciśnienia gazu lub w ogóle nie powstanie. W pracy do symulacji wykorzystano komercyjne programy FLUENT oraz pakiet SolidWorks. Wyniki symulacji zostały porównane z wynikami doświadczeń oraz obliczeń teoretycznych. Ponadto badania uzupełniono o wyznaczenie pola temperatury na powierzchni dyszy formującej dzięki termogramowi zarejestrowanemu kamerą na podczerwień (IRC).

Słowa kluczowe

EN

hollow spheres; spherical shells; tin melt; FEM; CFD; SolidWorks; Fluent; thermography; heat transport

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 276--282
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Petrov, M.

• Technical University Mining Academy of Freiberg, Institute of Machine Elements, Design and Manufacturing, Leipzigerstr. 30, 09596 Freiberg, Germany
• Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Department „Car Body Making and Metal Forming“, B. Semenovskaya street 38, 107023 Moscow, Russia

autor

Petrov, P.

• Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Department „Car Body Making and Metal Forming“, B. Semenovskaya street 38, 107023 Moscow, Russia

autor

Bast, J.

• Technical University Mining Academy of Freiberg, Institute of Machine Elements, Design and Manufacturing, Leipzigerstr. 30, 09596 Freiberg, Germany

autor

Sheypak, A.

• Moscow State Industrial University (MSIU), Department „Electrical, Heating and Hydraulic Engineering and Energy machines“, Avtozavodskaya street 16, 115280 Moscow, Russia

Bibliografia

• Baehr, H. D., Stephan, K., 2006, Wärme- und Stoffübertragung,5th edition, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (in German).
• Bohl, W., 1991, Technische Strömungslehre, 9th edition, Vogel Buchverlag, Würzburg (in German).
• Dorogotowcev, W., Merkulyev, J., 1989, The methods of the hollow microspheres production, Physical Lebedev Institute Publishing, Moscow (in Russian).
• Gottstein, G., 2004, Physical foundations of materials science, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.
• Kendall, J.M., 1981, Hydrodynamic performance of an annular liquid jet: production of spherical shells, Proceedings of the second international colloquium on drops and bubbles, eds, LeCroisette, D. H., NASA JPL, Pasadena, 79-87.
• Loycyanskiy, L.G., 2003, Mechanic of fluids and gases, 7th edition, Moscow (in Russian)
• Petrov, M., Bast, J., 2010, Entwicklung einer Anlage zur Hohlkugelherstellung, Scientific reports on resource issues, Proceedings of the 61. BHT (Berg- und Hüttenmännische Tagung), eds, Drebenstedt, C., TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Volume 3, 343-350 (in German).
• Petrov, M., 2012, Untersuchungen zur Hohlkugel- und Schalenherstellung direkt aus der metallischen Schmelze zu ihrer Anwendung in Leichtbaukomponenten, PhD thesis, Freiberg (in German).
• Sheypak, A.A., 2006, Hydraulic and hydraulic drive systems, 5th edition, MSIU Publishing, Moscow (in Russian).