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Calettamento/Raffreddamento di Materiali Metallici

Calettamento a freddo e stima del fabbisogno di azoto liquido.

Guida alla compilazione

Inserire prima i dati comuni; sono utilizzati da entrambe le funzioni.

Materiale
Qualità esatta del componente da raffreddare. Le proprietà NIST vengono calcolate automaticamente; scegliere “Materiale personalizzato” solo se si dispone di dati propri attendibili.
Massa
Massa complessiva del componente metallico effettivamente raffreddato, esclusi contenitore e attrezzature. Gli eventuali carichi aggiuntivi possono essere indicati nella sezione Raffreddamento.
Temperatura iniziale
Temperatura uniforme del componente prima dell'applicazione del fluido criogenico.
Fluido criogenico
LN₂ per azoto liquido oppure LHe per elio liquido.
Pressione del fluido
Pressione assoluta alla quale avviene l'evaporazione. Per un bagno aperto usare la pressione atmosferica locale; il valore predefinito è 1,01325 bar(a).
Temperatura di saturazione
È determinata automaticamente da CoolProp in funzione del fluido e della pressione e non deve essere inserita manualmente.

1. Calettamento

Diametro componente
Diametro esterno iniziale del pezzo da contrarre, misurato alla temperatura iniziale.
Diametro sede
Diametro interno disponibile nell'elemento che deve ricevere il componente.
Gioco di montaggio richiesto
Spazio libero diametrale desiderato tra componente raffreddato e sede per consentire l'inserimento.
Margine per tolleranze
Ulteriore contrazione cautelativa per compensare tolleranze dimensionali, incertezza di misura o disuniformità termica.

2. Raffreddamento

Temperatura finale
Temperatura media che il componente deve raggiungere; non può essere inferiore alla temperatura di saturazione del fluido.

Enter the common data first; they are used by both functions.

Material
Exact grade of the component being cooled. NIST properties are calculated automatically; select “Custom material” only when reliable proprietary data are available.
Mass
Total mass of the metal component actually cooled, excluding vessel and equipment. Additional loads can be entered under Cooling.
Initial temperature
Uniform component temperature before applying the cryogenic fluid.
Cryogenic fluid
LN₂ for liquid nitrogen or LHe for liquid helium.
Fluid pressure
Absolute pressure at which evaporation takes place. For an open bath use local atmospheric pressure; the default is 1.01325 bar(a).
Saturation temperature
Calculated automatically by CoolProp from fluid and pressure; it is not entered manually.

1. Shrink fitting

Component diameter
Initial outside diameter of the part to be contracted, measured at initial temperature.
Seat diameter
Available inside diameter of the receiving part.
Required assembly clearance
Desired diametral free space between the cooled component and its seat during insertion.
Tolerance allowance
Additional conservative contraction for dimensional tolerances, measurement uncertainty or non-uniform temperature.

2. Cooling

Final temperature
Required mean component temperature; it cannot be below the fluid saturation temperature.

Dati comuni

Per i materiali documentati il calcolo usa proprietà variabili con la temperatura e correlazioni NIST nell’intervallo 4–300 K. Fonte del materiale selezionato.

1CalettamentoTemperatura e contrazione necessarie
Temperatura del pezzo necessaria per il montaggio — °C È la temperatura sufficiente per ottenere il gioco di montaggio richiesto.
Temperatura del bagno criogenico — °C È la temperatura di ebollizione del fluido alla pressione selezionata. Restando immerso, il pezzo continua a raffreddarsi verso questa temperatura.
Contrazione richiesta—mm
Contrazione alla temperatura del bagno—mm
Gioco ottenibile—mm
Fluido teorico fino alla temperatura del bagno— kg— L

Il pezzo rimane immerso nel liquido: il fabbisogno teorico usa soltanto il calore latente e considera il raffreddamento fino alla temperatura del bagno. Il contributo del gas non è conteggiato. Sono esclusi contenitore e dispersioni. Il risultato non verifica tensioni, gradienti termici, fragilità, tempi di immersione o procedure di montaggio.

Il risultato indica il fluido criogenico teoricamente evaporato per raffreddare il pezzo. La quantità da predisporre deve anche garantire la sua immersione e considerare il raffreddamento del contenitore e le dispersioni. Queste quantità dipendono dall’attrezzatura e dal processo e non sono calcolate dallo strumento. Il liquido che rimane nel bagno resta disponibile per i pezzi successivi e non coincide con il consumo.

2RaffreddamentoRaffreddamento mediante getto di fluido criogenico
Consumo teorico del pezzo

Il calcolo considera l’evaporazione del liquido e il riscaldamento del gas durante lo scambio con il materiale. Assume che il contributo sensibile sia interamente sfruttato fino alla temperatura finale del pezzo. Considera soltanto il pezzo: contenitore, supporti e dispersioni sono esclusi. Non è una previsione del consumo reale.

Temperatura del gas a fine scambio assunta nel calcolo: — °C

Fabbisogno teorico — calore latente + sensibile — kg — L
Energia da sottrarre—kJ

Contributi energetici per ogni kg di fluido

Evaporazione — calore latente—kJ/kg · — %
Riscaldamento del gas — calore sensibile—kJ/kg · — %
Capacità frigorifera teorica totale—kJ/kg

Gli stessi kg di fluido forniscono entrambi i contributi. Le percentuali indicano quote di energia calcolate, non efficienze assunte né masse da sommare.

Il fabbisogno teorico comprende calore latente e calore sensibile del gas fino alla temperatura finale del pezzo, assumendo che entrambi siano interamente sfruttati nello scambio con il materiale. Nessuna percentuale empirica di recupero o efficienza è applicata. Contenitore, supporti e dispersioni sono esclusi: il calcolo non sostituisce una prova di processo.

Metodo, ipotesi e limiti

Energia del pezzo: Q = m · ∫ cₚ(T) dT dalla temperatura finale a quella iniziale. Nel calettamento la temperatura finale è quella del bagno e M = Q / Lᵥ. Nel raffreddamento mediante getto M = Q / [Lᵥ + (hᵤ − hᵥ)]: si sommano il calore latente e quello sensibile assorbiti da ogni kg di fluido, assumendo lo scambio interamente sfruttato e il gas a fine scambio alla temperatura finale del pezzo. Contenitore, supporti e dispersioni sono esclusi. Volume liquido: V = 1000 · M / ρₗ. Le proprietà del materiale sono integrate dalle correlazioni NIST nel dominio documentato; quelle del fluido sono calcolate da CoolProp alla pressione selezionata.

m: massa del pezzo [kg]; cₚ(T): calore specifico [kJ/(kg·K)]; Q: energia sottratta al pezzo [kJ]; Lᵥ: calore latente [kJ/kg]; hᵤ: entalpia del gas alla temperatura finale del pezzo [kJ/kg]; hᵥ: entalpia del vapore saturo [kJ/kg]; M: massa di fluido [kg]; ρₗ: densità del liquido [kg/m³]; V: volume del liquido [L].

α è il coefficiente di dilatazione termica lineare: µm/(m·K) indica micrometri di variazione per metro e per grado. Serve soltanto al calettamento, non al fabbisogno del raffreddamento. Per i materiali predefiniti si usano correlazioni di contrazione dipendenti dalla temperatura; α alla temperatura iniziale è informativo. Per il materiale personalizzato si usa il coefficiente costante inserito.

Stima approssimata: oltre 300 K (26,85 °C), Q = m · cₚ(300 K) · (Ti − Tf), senza integrazione sull’intero intervallo. Il cₚ è mantenuto costante al valore a 300 K; non è una correlazione validata oltre il suo dominio. Non considera cambiamenti di fase del materiale né garantisce il consumo reale.

Le proprietà medie non descrivono automaticamente ogni lega né l’intero comportamento criogenico. Verificare compatibilità del materiale, tolleranze, tensioni, fragilità e procedura operativa prima dell’uso reale.