The worldwide competitive market on metal products with higher quality in industry has increased the need to implement more advanced and controllable quenching techniques in the hardening stage of the heat treatment process. Moreover, sustainability and energy efficiency are key factors to consider in the development of advanced quenching techniques. Among various cooling methods that are used in industry, a water impinging jet quenching system is one of the few that offers wide flexibility to adjust cooling rate based on the chemical composition and proper phase transformation in the continuous cooling transformation diagram (CCT) to achieve desired material properties. On an industrial scale, a large number of water impinging jets are placed in the cooling configuration introducing multiple array of jets in the quenching system. In the literature study by the author, there has been interest to study the quenching heat transfer by single water jet in various applications. Even so, little scientific attention has been paid to the multiple array of water impinging jets and the importance of various quenching parameters on the quenching heat transfer with multiple array of jets. 

This thesis deals with a study of quenching rotary hot hollow cylinder with multiple configurations of water impinging jets. The aim of this investigation is to obtain better understanding of boiling heat transfer phenomena in application of multiple array of water impinging jets and quenching parameters. An experimental test rig was designed to control most influential parameters in quenching experiments. The results of experimental study contained recorded temperature data beneath the quenching surface of a hollow cylinder. A heat conduction inverse solution based on the GMRES method was developed for application of quenching hollow cylinder. This model used the recorded temperature data of quenching experiments to predict surface temperature and heat flux. A thorough parametric study investigated the effect of various quenching parameters and multiple configuration of jets in terms of local and area-averaged heat transfer over surface as well as in the solid material.

The local surface boiling curve captured clear effect of multiple array and cyclic variation of heat transfer caused by rotation of hollow cylinder. The delay in onset of wetting front flow growth over the surface, collision of adjacent wetting front flows and creation of upwash flow were captured on the surface heat flux contour plot. Higher heat flux was obtained around stagnation and upwash flow zones over the quenching surface. The relation between jet flow rate and multiple array configuration revealed a trade-off between these two parameters in terms of optimizing the water resource usage and desired cooling rate with this cooling technique.

Comprehensive parametric study revealed effect of various quenching parameters in the local heat transfer in the boiling regimes. The results show improvement of heat flux in the film and nucleate boiling is more difficult than transition boiling regime. In the study of area-averaged heat transfer in 1-row array, higher subcooling and jet flow rate enhance the surface heat flux. In contrast, smaller rotation speed, jet-to-jet spacing and initial wall-superheat temperature increase the area-averaged surface heat flux of hollow cylinder. An extra row of nozzles in the array (2-row) also enhanced the area-averaged surface heat flux significantly. The results from comprehensive parametric study of 4-row in-line and staggered configurations have been used to propose correlation for surface area-averaged Nusselt number. In the local heat transfer, two correlations of average and maximum local heat flux at stagnation point of water impinging jet were proposed.

The result of this study and the proposed correlations may provide a road map for engineers to design hollow cylinder quenching system with multiple array of water impinging jets based on cooling rate for proper phase transformation and optimized water resource and energy usage in the quenching process.

Den världsomspännande konkurrenskraftiga marknaden för metallprodukter med högre kvalitet i branschen har ökat behovet av att implementera mer avancerade och kontrollerbara kylningstekniker i härdningsfasen av värmebehandlingsprocessen. Dessutom är hållbarhet och energieffektivitet nyckelfaktorer att beakta vid utvecklingen av avancerade kylningstekniker. Bland de olika kylmetoderna som används i industrin är kylningssystem med impinging jetstrålar ett av få som erbjuder bred flexibilitet för att justera kylhastigheten baserat på den kemiska sammansättningen och korrekt fasomvandling i CCT diagrammet (continues cooling transformation) för att uppnå önskade materialegenskaper. I industriell skala placeras ett stort antal impinging jetstrålar för vatten i kylkonfigurationen, vilket introducerar matriser av jetstrålar i kylningssystemet. I författarens litteraturstudier har det funnits intresse för att studera värmeöverföringen med en impinging jetstråle i olika applikationer. Trots det har föga vetenskaplig uppmärksamhet ägnats åt matriser av impinging jetstrålar och vikten av olika kylningsparametrar för denna kylteknik.

Denna avhandling behandlar studier av härdning av en roterande varm ihålig cylinder med flera konfigurationer av impinging jetstrålar. Syftet med undersökningen är att få bättre förståelse för värmeöverföringsfenomen p.g.a. kokning vid användning av matriser av vattenstrålar med impinging jettekniken och olika härdningsparametrar. En experimentell testrigg utformades för att undersöka de mest påverkande parametrarna i härdnings-experimentet. Resultaten av de experimentella studierna innehöll mättade temperaturdata under den ihåliga cylindersytan. En inversvärmeledningslösning baserad på GMRES-metoden utvecklades för applicering vid kylning av en ihålig cylinder. Denna modell använde mättade temperaturdata från härdningsexperimentet för att förutsäga yttemperatur och värmeflöde. Vid en grundlig parametrisk studie undersöktes effekten av olika härdningsparametrar och matriser av jetstrålar avseende lokal och areagenomsnittlig värmeöverföring på ytan och i det kompakta materialet. Ytans lokala kokningskurva visade tydlig effekt av de impinging jetstrålarna och variation av värmeöverföringen orsakad av rotationen av den ihåliga cylindern. Fördröjningen av starten av vätningen av främre flödetillväxten över ytan, kollisionen mellan intilliggande vätfrontströmmar och skapande av uppåtriktat flöde noterades på ytans värmeflöde. Högre värmeflöde erhölls runt stagnations- och uppströmszonen över den härdande ytan. Förhållandet mellan jetstrålarna vattenflöde och konfigurationen med matriser av jetstrålar avslöjade en avvägning mellan dessa två parametrar för att optimera vattenresursanvändningen och önskad kylningshastighet med denna kylteknik.

En omfattande parametrisk studie visade effekten av olika kylningsparametrar i den lokala värmeöverföringen i kokningsprocessen. Resultaten visade förbättring av värmeflödet i film kokningen och att nucleate kokningen är svårare än transient kokningsformen. I studien av areagenomsnittlig värmeöverföring i 1-rad förbättras värmeflödet med högre vattnets temperatur och flöde. Däremot ökar det beräknade värmeflödet med lägre rotationshastighet, avståndet mellan strålarna och cylinders initialtemperatur. En extra rad av munstycken i strålmatrisen (2-radig) förbättrade också värmesflödet avsevärt. Resultaten från en omfattande parametrisk studie av fyra rader munstycken i inline och staggered konfigurationer har använts för att föreslå korrelation med ytans medel Nusselt-tal. I den lokala värmeöverföringen föreslogs två korrelationer av genomsnittligt och maximalt lokalt värmeflöde vid stagnationspunkten för en impinging jet.

Resultatet av denna studie och de föreslagna korrelationerna kan vara en vägledning för ingenjörer för att utforma ihåligt cylindriska släckningssystem med matriser av impinging jetstrålar, baserat på kylhastighet för korrekt fasomvandling och optimerad vattenresurs och energianvändning i kylningsprocessen.