Summary
本稿では、1 つまたは二相流でローカルの瞬時対流熱伝達率の測定を目的とした方法を説明します。長さと一定の速度で移動細長い (テイラー) 気泡の伝搬速度を決定する単純な光学的手法について述べる。
Abstract
この原稿は、透明管内の液体の流量の関数として局所瞬時熱伝達率を測定するために設計されたテスト セクションの製造プロセスのステップ バイ ステップの説明を提供します。一定の修正とアプローチが伝熱促進に及ぼす単一細長い (テイラー) の空気の泡に特に重点を置いて、液のフローに拡張されます。電気加熱金属薄膜の瞬時の温度を測定する非侵襲的な赤外線技術が適用されます。箔を接着して、狭いスロット パイプのカットをカバーするため。箔の熱慣性は瞬時箔温度の変動を検出するために十分に小さいです。テスト セクションは、パイプに沿って移動することができ、成長の温度境界層のかなりの部分をカバーするために十分な長さです。
各実験の実行の先頭に、箔に絶え間ない水の流れ率と熱フラックスの定常状態が達成され、参照として提供しています。Taylor 気泡が管にそれから注入されます。鉛直円管内を伝播する Taylor 気泡の通過による熱伝達係数変動は、テイラーの気泡運動の一番下から測定点までの距離の関数として測定されます。つまり、結果は局所熱伝達率を表します。同一条件下で前もって形成された複数の独立した実行は、過渡の対流熱伝達に関する信頼性の高いアンサンブル平均の結果を計算するための十分なデータの蓄積を許可します。バブルの移動参照のフレームに、これを実行するためにに沿ってパイプ気泡の位置がすべての回で知られるように。光プローブによるテイラー泡の並進速度の長さの測定の詳細な説明が表示されます。
Introduction
対流熱伝達、壁やさまざまなフロー構成で流体の温度を測定するさまざまなテクニックを使用しての多くの実験的研究は最後の十年の間に行われています。非定常過程における温度測定の精度を制限する要因の一つは、センサーの応答が遅いです。局所瞬時壁面温度を記録するには、測定装置は温度を記録する表面は非定常流れと熱平衡にする十分な高速応答します。したがって、表面の熱慣性は、十分に小さくなければなりません。関連する時間スケールは、対流熱伝達に変化を起こす流体現象によって決定されます。高速時間応答、過渡的流れの時間依存の温度を記録するため非常に重要です。
これらの要件を満たすためには、赤外線カメラを使用して、フローの変更する高速温度応答を可能にする特別な自社製テスト セクションを記録します。パイプの壁の一部を切断し、薄いステンレス鋼箔に置き換えられます。同様のアプローチは、Hetsroniらによって使用されました。1、しかし、彼らが使用される箔が厚い瞬時温度の変化を正確に測定して時間平均温度だけが発表されました。時間応答をとりもどした箔の厚さを減少させます。2二相流3,4の対流熱伝達率と単相パイプ流れ5における過渡現象を測定する実習で応用しました。
流施設のスケマティック レイアウトを図 1に指定すると、その独自の空気入口デバイスに関する追加情報を連なるらで見つけることができます。3
二相流における対流熱伝達の調査は非定常流れ挙動とパイプ断面におけるボイド率の効果のため非常に複雑です。したがって、多くの研究では、特定のフロー条件6,7,8,9,10の関数として与えられた流れの政体のための平均対流熱伝達率を提示しているだけ,11しますただし、ドネリーらによる論文。12と劉ら13管内対流熱伝達研究の例を表しています。
本研究は、単一細長い (テイラー) 気泡注入による停滞やパイプ内の液体の流れのまわりの熱伝達率計測を扱います。等速並進14,,1516で Taylor 気泡を反映します。バブル伝播速度は、レーザー光源とフォト ダイオード3,4から成る光学プローブ法により算定します。
赤外線カメラと光学プローブの組み合わせテイラー バブルの上部または下部のいずれかからの距離の関数としてローカル瞬時対流熱伝達の測定ができます。
瞬時の壁面温度は、対流熱伝達率、 hヌセルト数を計算するため使用できます。
、(1)
qはTw箔熱流束、 T∞壁温度と入口の水温, kは液体の導電率、 Dはパイプ径。熱伝達係数を決定するために用いられるバルク温度は流れへの干渉を防止するために計上しませんでした。
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Protocol
瞬時温度の測定のためのセクションをテストします。
- テスト セクションの製造工程 (図 2)
- パイプ、少なくとも 70 cm の長さのセグメントをカットします。
注:テスト セクションの径や壁の厚さを実験施設で使用されるパイプと同じにする必要があります。 - テスト セクション内パイプに沿って 4 つの隣接する狭いウィンドウをカットする加工機を使用して、各ウィンドウは幅 6 mm、80 mm 長い連続したウィンドウ間 25 mm のギャップ。
- 12 μ m 薄いステンレス鋼箔から 40-60 cmlong と 12 mm 幅のストリップをカットします。
注:テスト管の窓を密封し、箔が使用されます。ステンレス鋼は、箔の端から小さな距離をマークし、箔を熱、図 2を参照してください電源供給線を溶接するために使用する 2 つのゴールドのストライプでコーティングする必要があります。 - 抵抗計を使用して箔の電気抵抗を測定します。
- 下記の手順に従ってパイプ内で箔を配置します。
- 外径と同等の硬質管のテストのセクションをテスト パイプ内径に箔を挿入するための基礎を作成します。このため、20 mm 幅と約 80 cm 長いパイプ壁の一部をカットします。
- コート箔から後の段階で基礎の切断を許可することで、箔を置く前にグリースの基礎。
- 基礎に箔を置き、それを平らにします。布にアルコールを取るし、グリースの過剰から箔をきれい。
- 箔周囲と連続窓との架け橋の位置に対応する箔の 3 つのセグメントに接着剤を適用します。
注:接着剤は、箔の添付ファイル処理のための十分な時間を確保するために、少なくとも 20 分の初期硬化期間で強くなるにはエポキシ DP 460 が使用されます。 - 注意深くテスト セクションに窓に向かって上向き箔と箔と基礎を挿入します。
注:このプロセスは、二人で行う必要があります。 - 箔を窓に合わせゴールド ストライプは 2 つの外部ウィンドウの端にする必要があることを確認します。箔は正しく配置され、窓をカバー、一度クランプを使用して基礎をテスト パイプ両端にリンクします。
- 慎重に折り畳まれた自転車の内側タイヤを基礎下管に挿入し、グリース タイヤは必要な場合。タイヤを膨らませます。インフレーションの間接着剤ホイルに広がって、基礎に到達を確認します。
注:水増しタイヤによって適用される圧力は、パイプ内面と箔に接着剤が結ぶことを保証するべき。また形状パイプの曲率を箔、箔または接着剤による流れへの可能な干渉を低減します。 - 布で、窓の開口部に達しているすべての余分な接着剤をオフにします。
- タイヤ 24 時間圧縮の接着剤の乾燥を聞かせて、それを抽出し、クランプを開きます。
- 箔と以下の手順でパイプから基盤を取り外します。
- 切断し、その端点から切断を開始する方が簡単だ感じるように基礎の各端にそっと触れます。
- 長いローラーまたは類似のオブジェクトを使用して、徐々 に元の基礎を切断、全体の基礎を切断し、箔のまま安全にパイプの破損していないパイプにゆっくりと移動します。
注:このプロセスはシールを保護するために慎重に行う必要があります。新しいシールを台無し場合熱転送テスト パイプ ユニットがすべきであります。 - パイプは、パイプの一端を閉じて、水パイプを入力しシールをチェックしてください。
- 水と石鹸でパイプの内側から余分なグリースをきれいに。
- 箔の黄金色のストライプを溶接する電気暖房の配線を接続します。
注:これらのスポットで箔を保護するためには、最初小さなクーパー チップを箔にリンクしそれにワイヤを溶接することをお勧めします。 - 熱接着剤で各ウィンドウの下部に T 型熱電対を接続します。これらの熱電対は、IR カメラ校正プロセスで後で使用されます。
注:熱電対の温度の測定値は記録および A/D 変換器を用いた PC によって記録されました。 - スプレーは、放射率を最大化するために黒マット スプレーで箔の外側をペイントします。
- パイプ、少なくとも 70 cm の長さのセグメントをカットします。
- 箔に熱流束を適用します。
- DC 電源に箔の端から電気暖房の配線を接続します。
- 箔が望ましい温度に達するので、電流を設定します。
注:パイプを損なう可能性のある温度に到達しません。プレキシ ガラスの上限は 45 ° c. についてただし、必ずを保つためホイルの温度少なくとも数度入口水温をフローで予想される過渡変化により冷却状態中であっても十分な箔を加熱します。 - 熱流束Qの適用を計算私2R は加えられた電流、 Rは箔の電気抵抗を =。
注:空気に開いているホイルの外側からの熱伝達は水パイプ2の内部への熱伝達に比較して無視できます。 - 熱流束の衝動的な開始およびシャット ダウンを制御するために熱流束線のいずれかの PC 制御可能な電気スイッチに接続します。
- 赤外線カメラ
注: Ferhstman3,4ラボで使用する赤外線カメラの詳細な仕様を見ることができます。カメラを PC に接続し、コンピューターによって制御されます。- 可能であれば、IR カメラを簡単にテスト セクションに沿って別の位置に配置するカメラの三次元的運動を有効にするレールのセットに接続します。
- 測定を実行する前に数分を IR カメラの電源は、内部のセンサーが所定の温度まで冷却する時間を取る。
- 赤外線カメラ焦点を有効にするためにカメラの焦点距離内表面から数センチを配置します。
注:カメラの解像度によって、測定領域が単一のピクセルより小さくないことを確認してあります。ピクセル数から成る測定表面の領域を持っていることをお勧めします。 - 赤外線カメラのフォーカスを設定します。
- IR のカメラのキャリブレーションのプロセス:
- 熱的定常状態に達するまで、すなわち一度箔の記録の一定の温度で熱電対を配置、1.2 と待機で述べたように熱流束を適用します。熱電対の実験施設の近くの周囲の温度を測定します。
注:この温度は、表面の反射の温度として使用されます。表面の放射率の高い値は、このパラメーターはほとんど無視できます。 - 反射温度の赤外線カメラのパラメーターとして周囲温度を入力します。
- 箔の各ウィンドウは、そのウィンドウの熱電対の録音を赤外線カメラで記録された温度を比較します。赤外線カメラの温度記録が熱電対に記録された温度になるまでは、IR カメラの放射率のプロパティを調整します。
注:これは、いくつか熱流束値を行うことができます。ただし、放射率はこの比較的低温域で区別されません。実験的なレコーディングでは、放射率の平均値は 0.98 をだった。
- 熱的定常状態に達するまで、すなわち一度箔の記録の一定の温度で熱電対を配置、1.2 と待機で述べたように熱流束を適用します。熱電対の実験施設の近くの周囲の温度を測定します。
2 テイラー泡の並進速度とその長さの測定
-
光プローブ
注:レーザー光源とフォト ダイオード、光プローブが含まれます。パイプの断面全体に水が含まれているレーザー ビームは閉鎖回路を引き起こしているフォト ダイオードで指摘しました。レーザー光は、空気の泡をヒットして、フォト ダイオードから位置を微調整、回路を開きます。したがって、光プローブが気泡の前にまたは液体スラグのかどうかを示すバイナリ信号が得します。- A/D カードにセンサーを接続するために次の回路 (図 3) を構築します。
- レーザーをオンに、ダイオードでそれを指します。回路/D ソフトウェアのデジタル入力を確認します。レーザー ダイオードを打つ場合、回路が閉じ、肯定的な信号が表示されます。
注:ダイオード レーザーの波長出力に敏感であることを確認します。光センサーのデータは、1 kHz のレートで記録されます。
3 実験手順
- フランジまたは管レコードのテスト セクションを実験施設に接続します。
- 動力源およびすべてのコンピューター化された温度レコーダーに熱電対ヒーターの電気配線に接続します。
- 目的の場所にテスト セクションの前に赤外線カメラを配置します。
- カメラは、フォイルに焦点を当てたことを確認してください。この熱流束とは簡単です。
- 熱流束 (1.2) を適用し、IR カメラ校正プロセス (1.3.5) を実行します。
- 2 つの光プローブ テスト パイプに沿って
注:可能であれば、IR カメラの位置に 1 つ光プローブを配置します。バブルには見えない赤外線カメラとしては、温度測定とバブルの場所間の同期になります。不可能な場合はそれに応じて時間の結果をシフトする必ず気泡速度と赤外線カメラと光学プローブ間の距離。- レーザー光は確かにダイオードをヒットし、肯定的な読書が得られますを確認します。
- 水ポンプをオンにし、任意の流量を設定します。熱フラックスを塗布するには、電源装置の電流を調整します。
- 定常温度に到達するまでを待ちます。単相流の壁の温度を記録するコンピューターのプログラムを実行します。
注:対流熱伝達率に及ぼす Taylor 気泡を分離するためには、最初同一流量率と熱流束二相の実験のように単相流中における対流熱伝達率を測定するため不可欠です。個々 のイベントの前にこれを実行することをお勧めします。 - 気泡注入を制御するコンピュータ プログラムを実行します。
注:このプログラム必要があります最初テイラーの気泡を注入し同時に赤外線カメラを用いた壁温度を測定し、2 つの光学プローブのバイナリ信号を記録します。これら 2 つの測定は、録音の間に追加の時間シフトを避けるために同期する必要があります。 - 実行すると、システムが初期状態に戻っていることを確認する十分な時間遅延を設定間すなわち壁温度を単相の定常状態の初期値を返します。
注:単相の定常流の壁面温度が高熱流束が継続的にある場合に増加することが可能です。これは、熱流束を閉じると実験で休憩を取って避けるべき。
4. データ処理
- 式 1 に基づく単相の定常状態の熱伝達率を計算します。
注:この係数は時間に依存しません。続編で正規化係数として使用されます。- 計上個々 のイベント条件を与えられたテイラー気泡の長さを計算し、割って並進速度間隔は、光学プローブ、 L、先端到着の期間の間隔によって時間各光学センサー。
tL1とL2 tそれぞれの下部と上部の光学センサー、バブル先端到着時間か。 - 光プローブのいずれかのオープン回路の期間を掛けて、バブルの長さを計算するのにテイラー泡の並進速度を使用します。
- 計上個々 のイベント条件を与えられたテイラー気泡の長さを計算し、割って並進速度間隔は、光学プローブ、 L、先端到着の期間の間隔によって時間各光学センサー。
- 気液二相流の瞬時の局所熱伝達率の計算は次のよう行う必要があります。
注:全体の実験プロセスはコンピューターが長さとテイラー泡の並進速度は一定していない正確実験的実行ごとに。したがって、バブルが測定ポイントに到達する瞬間が異なります。光学プローブと赤外線カメラがある別のフレーム率は、1000 と 30 Hz それぞれ。- 赤外線カメラ、レコード バブル先端到着の瞬間離れた光プローブを用いた。
- このトリガー信号は、IR カメラの記録の時間参照を提供します。
注:アンサンブル平均プロセスは測定ポイント、 z泡の下からの距離の関数としての対流熱伝達率を得るために必要なz= 0 気泡下部に対応します。このパラメーターは、パイプ直径Dで正規化する必要があります。 - Z/Dの解像度を設定します。(同一の条件に対応する) 個々 のイベントのすべての記録されたデータ値所定の空間分解能の範囲し、平均がバブルからその距離で壁温度の 1 つの代表的な値を取得する必要があります。下部。
注:この空間分解能は、IR カメラの記録の頻度およびテイラーの泡の並進速度に基づいて決定されるべき。本研究では、それは 0.15 0.3 の間撮影されました。 - 式 1 を使用して泡のヒント/底からの距離の関数としての熱伝達率を計算します。
- 単相の定数係数を用いた気液二相のローカル瞬時熱伝達係数を正規化します。
注:この比率では、単相流に比べてバブル通過するため対流熱伝導率の改善を表します。
tL1とL2 tそれぞれの下部と上部の光学センサー、バブル先端到着時間か。Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
光センサーの例出力レコードは、停滞した水で満たされた鉛直管内上昇気泡のテイラーの図 4で提示されます。初期の大規模なドロップを表すテイラー バブル ヒントによる回路の開口部、後で間細長い泡尾の通過による初期値に上昇の続く多くの短い低下を表す液体をきっかけに気泡後ろに Taylor 気泡。2 つの光プローブの出力間の時間シフトは、パイプに沿って 2 つのプローブ間の距離により明らかです。この実験では、プローブが容量 0.09 メートルで、式 3 によりUtの並進速度を計算する = 0.23 m/s;ドミトレスク13停滞水のある鉛直円管内を伝播する Taylor 気泡: 合意
テイラーの気泡の長さは、細長いバブルの通路の期間並進速度を乗じて測定されます。
LBに対応する = 3.54D。
鉛直管内停滞水の中を上昇する気泡を図 5にプロット 3.5 D 長い単一テイラーの通過によるローカルの対流熱伝達率の代表的なアンサンブル平均結果。したがってz/D= 3.5 まで負の値に対応する薄膜がバブルと管壁の間分離バブル領域バブル下の移動参照のフレームに結果が掲載されています。二相流の対流係数結果は単相流係数の値で正規化されます。熱伝達の対流率の最大の増加があるは明白だバブル下の背後にあるいくつかの直径を達成し、同じ流量で単相流に比べても二倍にすることができます。さらに、Taylor 気泡の壁面温度に及ぼす影響は残り、テイラーの後ろに直径の何百もバブルの底まで重要な長期効果です。これはバブル後流に起因します。これらの結果は、二相流における関心の高まりの冷却機構としての明確なデモとして機能します。
図 1。熱伝達率計測の実験施設のスケマティック レイアウト セクションをテストします。挿入で空気と水の入口部の詳細が表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。テスト セクションのスケマティック レイアウトします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.ダイオードと A/D カードの間を接続する光センサー電気回路が PC にリンクされています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4.停滞した水で上昇するテイラー気泡の記録光センサー 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5。液の単一スラグ単位に沿って局所熱伝達率を正規化 (q= 2100 W/m2).この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
一時的なパイプ流の局所熱伝達に関する実験的研究は、特別に設計されたテスト セクションとくに、ハイエンド計測器メソッドと特注の実験施設を必要とする複雑なタスクです。この議定書は、忠実に高速変遷壁温度と流体力学の流れの変化のための熱伝導率を測定することがサーモグラフィー技術を表示します。
テスト セクションの製造プロセスの詳細な説明が表示されます。施設の準備の重要なステップは薄いステンレス鋼箔によるパイプの壁の一部を取り替えています。箔加熱電流;その内側は、外側はこうして瞬時箔温度の変更を検出赤外線カメラによって撮影されている間非定常流れ場に開いています。箔の時間応答は、このテクニックの唯一の制限を構成します。箔の厚さと材料と考え現象の独特の時と比較すると十分に高速時間応答を確実に選択してください。
法の適用により瞬時 IR カメラを用いた熱伝達、光学的手段によって決定される移動テイラー バブルを基準にして測定。本研究で適用される任意の与えられた運用条件の実験の多数の認識上のプロシージャの平均のアンサンブルは、信頼性の高い結果を得ることを保証します。提案手法は、シングルとマルチ フェーズ フローにおけるローカル過渡熱伝達の評価に使用できます。
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Acknowledgments
この作品は、イスラエル科学財団によって支えられたグラント # 281/14。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Infra red camera | Optris | PI-1450 | |
| Thermocouples A/D card | National Instruments | NI cDAQ-9714. | |
| Labview program | National Instruments | ||
| Epoxy DP-460 | 3M Scotch-weld |
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