Afkoeltransportband messing

[Sjoerd Nijmeijer]

Voor een school opdracht zijn we bezig met een herontwerp van een afkoeltransportband voor messing.
 
De messing producten komen op de transportband als ze 650 graden zijn. De transportband waar de producten op komen te liggen is van staal.
Van 650 naar 400 graden mag niet sneller afkoelen dan 1:45 min i.v.m. scheurvorming en ontzinking. Nu mag ik wanneer het product 400 graden is zo snel mogelijk (met lucht) het product gaan koelen. Nu is mijn vraag wat is het maximale luchtdebiet dat nuttig de warmte energie afvoert en de maximale tijd die nodig is om het product af te koelen naar 100 graden
 
gegevens uitgangsproduct
massa: 1.088 kilogram
oppervlak:0.035641 m^2
soortelijke warmte: 377 J (kg*k)
warmteoverdracht: 122 W (m*K)
 
temperatuur van de aangezogen lucht: 25 graden
oppervlak waarmee het product de band raakt: 0.0008 m^2
 
dan is de hoeveelheid energie op 650 graden: 378592.5 J
                                                 op 400 graden: 276048.5 J
                                                 op 100 graden: 152995.6 J
dus in 1:45 min 102544 J afvoeren
en daarna zo snel mogelijk 123052 J
 
omdat er veel verschillende warmteoverdrachten van invloed zijn zoals straling naar de stalen band, warmte geleiding naar de stalen band. straling naar de omgeving en afkoeling middels convectie heb ik nogal veel variabelen. 
De band warmt namelijk op naar gemiddeld 110 graden 
 
welke aanpak en formules zou ik het beste kunnen gebruiken om dit vraagstuk op te lossen?

[Pinokkio]

Hoe kan een voorwerp met een oppervlak van 356 cm² op een band liggen, maar met slechts 8 cm² de band raken? Het lijkt me dat dit voorwerp dan niet ligt maar staat.
 
Maak eerst eens een tekening van hoe die hele opstelling er uit ziet.
 
 

Nu is mijn vraag wat is het maximale luchtdebiet dat nuttig de warmte energie afvoert .....

Maximale luchtdebiet? Waarom zou er een maximaal luchtdebiet zijn?
Nuttig? Wat bedoel je daar nou mee?
 
De fabriek zal een bepaald aantal producten per minuut over de transportband willen zien gaan. Dat betekent dat elk product op de band een bepaalde verblijftijd heeft waarbinnen de gewenste afkoeling dient plaats te vinden. Toch? Dus dat bepaalt dan toch de benodigde luchtsnelheid?
 
 
 

..... en de maximale tijd die nodig is om het product af te koelen naar 100 graden

Maximale tijd? Die heb je als de luchtsnelheid nul is.
 
Bedenk ook dat de temperatuur in de kern van het messing voorwerp hoger is dan de temperatuur van het oppervlak. Hoe groot dat verschil is hangt af van de dikte en vorm van het voorwerp. Je hebt dus waarschijnlijk ook nog eens te maken met het getal van Biot.

[Sjoerd Nijmeijer]

Om op het aanlig oppervlak duiderlijker te maken zie foto's. Dit ligt aan de vorm van het product.
 
Aangezien ik me voor kan stellen dat een product niet meer dan een bepaalde hoeveelheid energie af kan staan met zoals jij zegt het getal van Biot, dat het geen zin heeft om de luchtstroom groter te maken dan dat nodig is om de energie af te voeren.
 
ik zou graag een koelingsverloop van 650 -> 400 in 1:45 min en van 400 -> 100 in 1.35 min willen realiseren

[Pinokkio]

Als ik het goed begrijp komt de koellucht van boven. Maar omdat het voorwerp een soort van vleugels heeft betekent dat dat de onderkant weinig zal merken van de koellucht. Stralingsverlies aan de onderzijde wordt bemoeilijkt door weerkaatsing door de band.
 
Bovendien zit je met het probleem dat stralingsverlies mede bepaald wordt door de emissiecoefficient (emissivity) van het voorwerp, wat je niet zult weten, ik ook niet. Overigens beinvloedt dat ook de temperatuursmeting door een pyrometer (IR thermometer). Om de juiste temperatuur te meten moet je de juiste emissivity instellen op zo'n apparaat. Aangenomen althans dat dat op jullie pyrometer in te stellen is. Goedkopere pyrometers hebben die mogelijkheid niet en werken met een vaste emissivity van 0,95. In dat geval weet je dus eigenlijk niet wat de echte temperatuur van het voorwerp is.
 
Kortom: dit is allemaal niet simpel te berekenen. Eigenlijk is het gekkenwerk om dit überhaupt te proberen te berekenen. Gewoon de afkoeling meten bij verschillende luchtsnelheden is eigenlijk het beste.
 
Om iets te kunnen berekenen zul je je moeten verdiepen in warmteoverdracht door geforceerde convectie (forced convection) en door straling (radiation). Welk(e) theorieboek(en) heb je ter beschikking?