Pomiary lokalnej chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w rurze - przepływ jednofazowy i dwufazowy

Podsumowanie

Ten manuskrypt opisuje metody mające na celu pomiar lokalnych współczynników chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w jednofazowym lub dwufazowym przepływie rurowym. Przedstawiono również prostą metodę optyczną służącą do wyznaczania długości i prędkości rozchodzenia się wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza poruszającego się ze stałą prędkością.

Streszczenie

Ten manuskrypt krok po kroku opisuje proces produkcji sekcji testowej zaprojektowanej do pomiaru lokalnego współczynnika chwilowej wymiany ciepła w funkcji natężenia przepływu cieczy w przezroczystej rurze. Z pewnymi poprawkami podejście to zostało rozszerzone na przepływy gaz-ciecz, ze szczególnym naciskiem na wpływ pojedynczego wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza na poprawę wymiany ciepła. Nieinwazyjna technika termografii służy do pomiaru chwilowej temperatury cienkiej folii metalowej ogrzewanej elektrycznie. Folia jest przyklejona w celu zakrycia wąskiej szczeliny wyciętej w rurze. Bezwładność cieplna folii jest na tyle mała, że można wykryć zmiany chwilowej temperatury folii. Odcinek testowy może być przesuwany wzdłuż rury i jest wystarczająco długi, aby pokryć znaczną część rosnącej termicznej warstwy granicznej.

Na początku każdego eksperymentu osiągany jest stan ustalony ze stałym natężeniem przepływu wody i strumieniem ciepła do folii, który służy jako punkt odniesienia. Bańka Taylora jest następnie wstrzykiwana do rury. Zmiany współczynnika przenikania ciepła spowodowane przejściem pęcherzyka Taylora rozchodzącego się w pionowej rurze są mierzone jako funkcja odległości punktu pomiarowego od dna poruszającego się pęcherzyka Taylora. W ten sposób wyniki reprezentują lokalne współczynniki przenikania ciepła. Wiele niezależnych przebiegów wykonanych w identycznych warunkach pozwala na zgromadzenie wystarczającej ilości danych do obliczenia wiarygodnych wyników uśrednionych zespołowo dla przejściowej konwekcyjnej wymiany ciepła. Aby dokonać tego w układzie odniesienia poruszającym się wraz z pęcherzykiem, położenie pęcherzyka wzdłuż rury musi być przez cały czas znane. Przedstawiono szczegółowy opis pomiarów długości i prędkości translacyjnej pęcherzyków Taylora za pomocą sond optycznych.

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich dziesięcioleci przeprowadzono liczne badania eksperymentalne dotyczące konwekcyjnego przekazywania ciepła, stosując różne techniki pomiaru temperatury ścianki i/lub płynu w różnorodnych konfiguracjach przepływu. Jednym z czynników ograniczających dokładność pomiarów temperatury w procesach niestacjonarnych jest powolna odpowiedź czujników. Aby zarejestrować lokalną chwilową temperaturę ścianki, sprzęt pomiarowy musi reagować wystarczająco szybko, podczas gdy powierzchnia, na której rejestrowana jest temperatura, musi znajdować się w równowadze termicznej z przepływem zależnym od czasu. Zatem bezwładność cieplna powierzchni musi być odpowiednio mała. Istotne skale czasowe są determinowane przez zjawiska hydrodynamiczne, które powodują zmianę konwekcyjnego przekazywania ciepła. Szybki czas odpowiedzi jest zatem kluczowy dla rejestracji temperatury zależnej od czasu w przepływie przejściowym.

Aby spełnić te wymagania, zastosowano kamerę IR do rejestracji specjalnej, własnoręcznie wykonanej sekcji testowej, która pozwala na szybką odpowiedź temperaturową na wszelkie zmiany w przepływie. Część ścianki rury została wycięta i zastąpiona cienką folią ze stali nierdzewnej. Podobne podejście zastosowali Hetsroni et al.¹, jednak użyta przez nich folia była zbyt gruba, aby precyzyjnie mierzyć zmiany temperatur chwilowych, w związku z czym przedstawiono jedynie temperatury uśrednione w czasie. Zmniejszenie grubości folii znacznie poprawiło czas odpowiedzi.² Metoda ta była stosowana w laboratorium do pomiaru współczynników konwekcyjnego przekazywania ciepła w przepływach dwufazowych^3,4 oraz zjawisk przejściowych w jednofazowym przepływie ruro przewodowym⁵.

Schematyczny układ instalacji przepływu dwufazowego przedstawiono na Rysunku 1, a dodatkowe informacje na temat unikalnego urządzenia wlotowego powietrza znajdują się w pracy Babin et al.³

Badanie konwekcyjnego transportu ciepła w przepływie dwufazowym jest bardzo złożone ze względu na niestacjonarny charakter przepływu oraz wpływ ułamka pustek w przekroju poprzecznym rury. W związku z tym wiele opracowań przedstawia jedynie średni współczynnik konwekcyjnego transportu ciepła dla danego reżimu przepływu jako funkcję konkretnych warunków przepływu^6,7,8,9,10,1. Niemniej jednak prace Donnelleya et al.¹² oraz Liu et al.¹³ stanowią przykłady badań lokalnego konwekcyjnego transportu ciepła w przepływie dwufazowym.

Niniejsza praca dotyczy pomiarów wymiany ciepła wokół pojedynczej wydłużonej bańki (bańki Taylora) wprowadzonej do cieczy stojącej lub płynącej w rurze. Bańka Taylora przemieszcza się ze stałą prędkością translacyjną^14,15,16. Prędkość przemieszczania się bańki wyznaczono metodą sond optycznych, składającą się z laserowego źródła światła i fotodiody^3,4.

Połączenie kamery IR i sond optycznych umożliwia pomiary lokalnego chwilowego konwekcyjnego transportu ciepła w funkcji odległości od górnej lub dolnej części pęcherzyka Taylora.

Chwilową temperaturę ścianki można wykorzystać do obliczenia współczynnika przejmowania ciepła przez konwekcję, h, oraz liczby Nusselta:

,          (1)

gdzie q jest strumieniem ciepła do folii, T_w i T_∞ to odpowiednio temperatura ścianki oraz temperatura wody na wlocie, k to przewodność cieplna cieczy, a D to średnica rury. Temperaturę przekroju, powszechnie stosowaną do wyznaczania współczynników przenoszenia ciepła, nie mierzono, aby uniknąć wprowadzania jakichkolwiek zakłóceń do przepływu.

Protokół

1. Sekcja testowa do pomiarów temperatury chwilowej

1. Proces wytwarzania sekcji testowej (Rysunek 2)
   1. Odetnij odcinek rury o długości co najmniej 70 cm.
      Uwaga: Średnica i grubość ścianki sekcji testowej powinny być identyczne z tymi rury użytej w instalacji doświadczalnej.
   2. Użyj frezarki do wycięcia 4 sąsiadujących wąskich okien wzdłuż rurki w sekcji testowej; każde okno powinno mieć 6 mm szerokości i 80 mm długości, z zachowaniem 25-milimetrowego odstępu między kolejnymi oknami.
   3. Z a 12 µm cienka folia ze stali nierdzewnej, wycięta w paski o długości 40–60 cm i szerokości 12 mm.
      Uwaga: Folia zostanie wykorzystana do uszczelnienia okien w rurce testowej. Stal nierdzewna powinna zostać pokryta dwoma złotymi paskami, które wyznaczają niewielki dystans od końców folii i służą do przylutowania przewodów zasilania w celu podgrzania folii, patrz Rycina 2.
   4. Zmierz rezystancję elektryczną folii za pomocą omomierza.
   5. Umieść folię wewnątrz rury, postępując zgodnie z poniższymi krokami.
      1. Przygotuj podstawę do wkładania folii do sekcji testowej, wykonaną z sztywnej rurki o średnicy zewnętrznej równej średnicy wewnętrznej rury testowej. W tym celu wytnij fragment ścianki rury o szerokości 20 mm i długości około 80 cm.
      2. Smarować podstawę tłuszczem przed nałożeniem na nią folii, aby umożliwić późniejsze oddzielenie podstawy od folii.
      3. Umieść folię na podstawie i wygładź ją. Za pomocą szmatki nasączonej alkoholem oczyść folię z nadmiaru tłuszczu.
      4. Nanieść klej na obrzeże folii oraz na trzy segmenty folii odpowiadające lokalizacji mostków pomiędzy kolejnymi oknami.
         Uwaga: Klej musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością oraz początkowym czasem utwardzania wynoszącym co najmniej 20 minut, aby zapewnić wystarczający czas na proces mocowania folii; zastosowano żywicę epoksydową DP 460.
      5. Ostrożnie wsuń podstawkę z folią do sekcji testowej, tak aby folia była skierowana górą w stronę okien.
         Uwaga: Proces ten powinien być przeprowadzony przez dwie osoby.
      6. Należy upewnić się, że folia jest wyrównana z oknami, a złote paski znajdują się na krawędzi dwóch zewnętrznych okien. Po prawidłowym umieszczeniu folii i zakryciu okien, należy połączyć podstawę z rurką testową na obu końcach za pomocą zacisku.
      7. Ostrożnie włóż złożoną dętkę rowerową do rurki pod podstawą, w razie potrzeby nasmaruj dętkę. Napompuj dętkę. Podczas pompowania obserwuj rozprzestrzenianie się adhezywu po folii i jego docieranie do podstawy.
         Uwaga: Ciśnienie wywierane przez napompowaną oponę powinno zagwarantować, że klej połączy wewnętrzną ściankę rury z folią. Pozwoli to również na dopasowanie folii do krzywizny rury i zminimalizowanie wszelkich możliwych zakłóceń przepływu spowodowanych obecnością folii lub kleju.
      8. Za pomocą szmatki usuń nadmiar kleju, który przedostał się do otworów okiennych.
      9. Pozostawić klej do wyschnięcia na 24 h. Wypuścić powietrze z opony, wyjąć ją i otworzyć zaciski.
      10. Odłącz podstawę od folii i rury, wykonując następujące kroki:
          1. Delikatnie dotknij każdego końca podstawy, aby sprawdzić, który z nich odłącza się łatwiej, a następnie rozpocznij odłączanie od tego końca.
          2. Używając długiego wałka lub podobnego przedmiotu, należy stopniowo oddzielić oryginalną podstawę, przesuwając go powoli wewnątrz rurki, aż cała podstawa zostanie oddzielona, a folia pozostanie bezpiecznie nieuszkodzona na rurce.
             Uwaga: Proces ten należy przeprowadzić ostrożnie, aby chronić uszczelnienie; w przypadku uszkodzenia uszczelnienia należy przygotować nową jednostkę rurki do testu wymiany ciepła.
          3. Należy sprawdzić szczelność rurki, zamykając jeden z jej końców i napełniając rurkę wodą.
   6. Oczyścić wewnętrzną stronę rury z nadmiaru tłuszczu, używając wody z mydłem.
   7. Połącz druciki grzejne elektryczne, przylutowując je do złotych pasków na folii.
      Uwaga: Aby chronić folię w tych miejscach, zaleca się najpierw przymocować do niej mały miedziany odprysk, a następnie przyspawać do niego drut.
   8. Za pomocą kleju termicznego przymocuj termoparę typu T do spodu każdego okna. Termopary te zostaną później wykorzystane w procesie kalibracji kamery IR.
      Uwaga: Odczyty temperatury z termopar są rejestrowane przez komputer za pomocą przetwornika A/D.
   9. Nanieś czarną matową farbę w sprayu na zewnętrzną stronę folii, aby zmaksymalizować emisyjność.
2. Przyłożenie strumienia ciepła do folii
   1. Podłącz przewody grzejne z krawędzi folii do zasilacza prądu stałego.
   2. Ustaw natężenie prądu elektrycznego w taki sposób, aby folia osiągnęła pożądaną temperaturę.
      Uwaga: Nie należy dopuścić do osiągnięcia temperatury, która mogłaby uszkodzić rurkę. W przypadku pleksiglasu granica ta wynosi około 45 °CNależy jednak upewnić się, że folia jest odpowiednio podgrzana, aby jej temperatura pozostawała o co najmniej kilka stopni wyższa od temperatury wody wlotowej, nawet w stanie chłodzenia, ze względu na spodziewane przejściowe zmiany w przepływie.
   3. Oblicz przyłożony strumień ciepła Q = I²R gdzie I przyłożony prąd i R jest oporności elektrycznej folii.
      Uwaga: Wymiana ciepła z zewnętrznej strony folii, która jest wystawiona na działanie powietrza, jest pomijalna w porównaniu z wymianą ciepła do wody znajdującej się wewnątrz rury.².
   4. Podłącz sterowany komputerowo przełącznik elektryczny do jednego z przewodów strumienia ciepła, aby kontrolować impulsowe uruchamianie i wyłączanie strumienia ciepła.
3. Kamera IR
   Uwaga: Szczegółowe specyfikacje kamery IR użytej w laboratorium można znaleźć w pracy Ferhstmana^3,4Kamera jest podłączona do komputera PC i sterowana za pomocą komputera.
   1. Jeśli to możliwe, należy podłączyć kamerę IR do zestawu szyn umożliwiających trójwymiarowy ruch kamery, aby ułatwić jej umieszczenie w różnych pozycjach wzdłuż sekcji badawczej.
   2. Włącz kamerę IR na kilka minut przed przeprowadzeniem pomiarów; czujniki wewnętrzne wymagają czasu, aby schłodzić się do niezbędnej temperatury.
   3. Umieść kamerę IR kilka centymetrów od powierzchni, w odległości ogniskowania kamery, aby umożliwić ustawienie ostrości.
      Uwaga: W zależności od rozdzielczości kamery należy upewnić się, że mierzony obszar nie jest mniejszy niż jeden piksel. Zaleca się, aby mierzona powierzchnia składała się z większej liczby pikseli.
   4. Ustaw ostrość kamery IR.
   5. Proces kalibracji kamery IR:
      1. Przyłożyć strumień ciepła zgodnie z opisem w punkcie 1.2 i odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego termicznie, tj. do momentu, gdy termopary umieszczone na folii zarejestrują stałą temperaturę. Zmierzyć temperaturę otoczenia w pobliżu stanowiska doświadczalnego za pomocą termopary.
         Uwaga: Temperaturę tę przyjmie się jako temperaturę odbiła powierzchni. W przypadku wysokiej emisyjności powierzchni parametr ten jest niemal pomijalny.
      2. Wprowadź temperaturę otoczenia jako parametr temperatury odbitej kamery IR.
      3. Dla każdego okna w folii należy porównać temperaturę zarejestrowaną przez kamerę IR z odczytem termopary przypisanej do tego okna. Należy dostosowywać parametr emisyjności kamery IR do momentu, aż temperatura zarejestrowana przez kamerę IR będzie równa temperaturze zarejestrowanej przez termoparę.
         Uwaga: Procedurę tę można przeprowadzić dla kilku wartości strumienia ciepła; jednak emisyjność nie wykazuje czułości w tym stosunkowo niskim zakresie temperatur. W pomiarach eksperymentalnych średnia wartość emisyjności wyniosła 0,98.

2. Pomiary prędkości translacyjnej i długości bańki Taylora

1. Sonda optyczna
   Uwaga: Sonda optyczna składa się z laserowego źródła światła i fotodiody. Gdy cały przekrój rury jest wypełniony wodą, wiązka lasera jest skierowana na fotodiodę, co zamyka obwód. Gdy wiązka lasera trafi na pęcherzyk powietrza, zostaje odchylona od fotodiody, co otwiera obwód. W ten sposób otrzymuje się sygnał binarny, wskazujący, czy sonda optyczna znajduje się przed pęcherzykiem powietrza, czy przed sługą cieczy.
   1. Aby podłączyć czujnik do karty A/D, należy zbudować następujący obwód (Rysunek 3).
   2. Włącz laser i skieruj go na diodę. Sprawdź wejście cyfrowe w oprogramowaniu karty A/D. Jeśli laser trafi w diodę, obwód zostanie zamknięty i powinien pojawić się sygnał dodatni.
      Uwaga: Upewnij się, że dioda jest czuła na długość fali emitowaną przez laser. Dane z czujników optycznych są rejestrowane z częstotliwością 1 kHz.

3. Procedura eksperymentalna

1. Podłącz sekcję testową do instalacji eksperymentalnej za pomocą kołnierzy lub złączy rurociągowych.
2. Podłącz przewody elektryczne grzejnika do źródła zasilania, a termopary do komputerowego rejestratora temperatury.
3. Ustaw kamerę IR przed sekcją testową w pożądanej lokalizacji.
4. Upewnij się, że kamera jest ustawiona na folię; łatwiej to zrobić przy włączonym strumieniu ciepła.
5. Zastosuj strumień ciepła (1.2) i przeprowadź proces kalibracji kamery IR (1.3.5).
6. Umieść dwie sondy optyczne wzdłuż rury testowej
   Uwaga: Jeśli to możliwe, umieść jedną sondę optyczną w lokalizacji kamery IR; pozwoli to na synchronizację pomiaru temperatury z położeniem pęcherzyka, ponieważ pęcherzyk nie jest widoczny dla kamery IR. Jeśli nie jest to możliwe, należy odpowiednio przesunąć wyniki w czasie, biorąc pod uwagę prędkość pęcherzyka oraz odległość między kamerą IR a sondą optyczną.
   1. Sprawdź, czy wiązka lasera rzeczywiście trafia w diodę i daje dodatni odczyt.
7. Włącz pompę wody i ustaw pożądany natężenie przepływu. Zastosuj strumień ciepła, regulując prąd zasilacza.
8. Odczekaj, aż zostanie osiągnięta temperatura stanu stacjonarnego. Uruchom program komputerowy, aby zarejestrować temperaturę ścianki dla przepływu jednofazowego w rurze.
   Uwaga: Aby wyizolować wpływ pęcherzyka Taylora na współczynnik konwekcyjnego przekazywania ciepła, niezbędne jest wcześniejsze zmierzenie współczynnika konwekcyjnego przekazywania ciepła w przepływie jednofazowym przy identycznym natężeniu przepływu i strumieniu ciepła, jak w eksperymentach dwufazowych. Zaleca się wykonanie tej czynności przed każdym pojedynczym zdarzeniem.
9. Uruchom program komputerowy sterujący wtryskiwaniem pęcherzyków.
   Uwaga: Program ten powinien najpierw wtrysnąć pojedynczy pęcherzyk Taylora, a następnie jednocześnie zmierzyć temperaturę ścianki za pomocą kamery IR i zarejestrować sygnały binarne z dwóch sond optycznych. Te dwa pomiary powinny być zsynchronizowane, aby uniknąć dodatkowych przesunięć czasowych między zapisami.
10. Między uruchomieniami ustaw wystarczający opóźnienie czasowe, aby upewnić się, że system powrócił do warunków początkowych, tj. temperatura ścianki powróciła do początkowej wartości stanu stacjonarnego dla przepływu jednofazowego.
    Uwaga: W przypadkach, gdy wysoki strumień ciepła jest włączony w sposób ciągły, możliwe jest zwiększenie temperatury ścianki w jednofazowym przepływie stacjonarnym. Należy tego uniknąć, wyłączając strumień ciepła i robiąc przerwę w eksperymentach.

4. Przetwarzanie danych

1. Oblicz współczynnik przenikania ciepła dla jednofazowych warunków stanu ustalonego na podstawie równania 1.
   Uwaga: Współczynnik ten jest niezależny od czasu. Zostanie on wykorzystany jako czynnik normalizujący w dalszej części pracy.
   1. Dla każdego pojedynczego zdarzenia zarejestrowanego w danych warunkach oblicz długość i prędkość translacyjną pęcherzyków Taylora, dzieląc odległość między sondami optycznymi, L, przez przedział czasowy przybycia końcówki do każdego czujnika optycznego:  , gdzie t_L1 i t_L2 odpowiadają czasom dotarcia wierzchołka pęcherzyka odpowiednio do dolnego i górnego czujnika optycznego.
   2. Wykorzystaj prędkość translacyjną pęcherzyka Taylora do obliczenia długości pęcherzyka, mnożąc ją przez czas przerwania obwodu jednej z sond optycznych.
2. Obliczanie chwilowego lokalnego współczynnika przejmowania ciepła dla przepływu dwufazowego należy przeprowadzić w następujący sposób:
   Uwaga: Mimo że cały proces eksperymentalny jest zautomatyzowany, długość oraz prędkość translacyjna pęcherzyków Taylora nie pozostają dokładnie stałe w każdym przebiegu eksperymentalnym. W związku z tym moment, w którym pęcherzyk dociera do punktu pomiarowego, jest zmienny. Sondy optyczne i kamera IR mają różną częstotliwość klatek, odpowiednio 10 i 30 Hz.
   1. Używając sondy optycznej znajdującej się w pobliżu kamery IR, zarejestruj moment dotarcia wierzchołka pęcherzyka.
   2. Ten sygnał wyzwalający stanowi punkt odniesienia czasowego dla rejestracji z kamery IR.
      Uwaga: Wymagane jest przeprowadzenie procesu uśredniania zespołowego w celu wyznaczenia współczynnika konwekcyjnej wymiany ciepła jako funkcji odległości od dna pęcherzyka do punktu pomiarowego, Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia., gdzie z=0 odpowiada dolnej krawędzi pęcherzyka. Parametr ten należy znormalizować względem średnicy rury D.
   3. Ustaw rozdzielczość dla z/DWszystkie zarejestrowane wartości danych dla każdego pojedynczego zdarzenia (odpowiadającego identycznym warunkom) mieszczą się w wyznaczonym zakresie rozdzielczości przestrzennej i powinny zostać uśrednione w celu uzyskania pojedynczej reprezentatywnej wartości temperatury ścianki w danej odległości od dna pęcherzyka.
      Uwaga: Sącz rozdzielczość przestrzenna powinna zostać ustalona na podstawie częstotliwości rejestracji kamery IR oraz prędkości translacyjnej pęcherzyka Taylora. W niniejszym badaniu przyjęto wartość w przedziale 0,15–0,3.
   4. Oblicz współczynnik przekazywania ciepła jako funkcję odległości od wierzchołka/dna pęcherzyka, korzystając z równania 1.
   5. Znormalizuj dwufazowy lokalny chwilowy współczynnik przechodzenia ciepła przez jednofazowy współczynnik stały.
      Uwaga: Współczynnik ten określa wzrost szybkości konwekcyjnego transportu ciepła wywołany przejściem pęcherzyków w porównaniu do przepływu jednofazowego.

Wyniki

Przykład zapisów z wyjścia czujników optycznych przedstawiono w Rysunek 4 dla pojedynczej bańki Taylora unoszącej się w pionowej rurze wypełnionej nieruchomą wodą. Początkowa duża kropla reprezentuje otwarcie obwodu spowodowane czubkiem bańki Taylora, natomiast późniejsze, znacznie krótsze krople, następujące po wzroście do wartości początkowej w wyniku przejścia wydłużonego ogona bańki, reprezentują rozproszone pęcherzyki w śladzie cieczy za bańką Taylora. P...

Dyskusja

Eksperymentalne badanie miejscowej wymiany ciepła w przejściowym przepływie rurowym jest skomplikowanym zadaniem, które wymaga wysokiej klasy przyrządów i metod pomiarowych, a także specjalnie zbudowanego obiektu eksperymentalnego, w szczególności specjalnie zaprojektowanej sekcji testowej. Niniejszy protokół przedstawia technikę termografii, która jest w stanie wiernie zmierzyć szybkie czasowe zmiany temperatury ścian i szybkości wymiany ciepła spowodowane zmianami hydrodynamiki przepływu.

Pr...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kamera na podczerwień	Optris	PI-1450
Termopary Karta A/D	National Instruments	NI cDAQ-9714.
Program Labview	National Instruments
Żywica epoksydowa DP-460	3M Scotch-weld