Mätningar av lokala momentana konvektiv värmeöverföring i ett rör - singel och två faser flöde

Summary

Detta manuskript beskriver metoder som syftar till att mäta de lokala momentana konvektiv värmeövergångstal i en enda eller två faser rörströmning. En enkel optisk metod att bestämma längd och förökning hastigheten av en långsträckt (Taylor) luftbubbla flyttar på en konstant hastighet presenteras också.

Abstract

Detta manuskript ger steg för steg beskrivning av processen för tillverkning av ett test avsnitt utformat för att mäta den lokala momentana värme överföring koefficienten som en funktion av flytande flödet i ett genomskinligt rör. Med vissa ändringsförslag förlängs metoden till vätske-flöden, med särskild tonvikt på effekten av en enskild långsträckt (Taylor) luftbubbla på värme överföring förbättring. En icke-invasiv Termografi-teknik används för att mäta en tunn metallfolie som värms elektriskt momentan temperatur. Folien är limmade för att täcka en smala springan skär i röret. Den termiska trögheten hos folien är liten nog att upptäcka variationen i momentana folie temperaturen. Avsnittet test kan flyttas längs röret och är tillräckligt lång för att täcka en betydande del av växande termisk gränsskikt.

I början av varje experimentella körning, ett stabilt tillstånd med en konstant vatten flödet klassar och värme flux att folien uppnås och serverar som referens. Taylor bubblan injiceras sedan in i röret. Värme överföring koefficienten variationer på grund av passagen av en Taylor bubbla förökningsmaterial i ett vertikalt rör mäts som funktion av avståndet från mätpunkten från botten av rörliga Taylor bubblan. Således representerar resultaten de lokala värmeövergångstal. Flera oberoende körningar förformade under identiska förhållanden kan ackumulera tillräckliga data för att beräkna tillförlitliga ensemble-genomsnitt resultat på övergående konvektiv värmeöverföring. För att utföra detta i en referensram som flyttar med bubblan, har platsen för bubblan längs röret känt hela tiden. Detaljerad beskrivning av mätningar av längden och translationell hastigheten av Taylor bubblor av optiska prober presenteras.

Introduction

Många experimentella studier av konvektiv värmeöverföring, använder olika tekniker för att mäta de vägg och/eller vätska temperatur i en mängd olika konfigurationer för flöde har utförts under de senaste decennierna. En av de faktorer som begränsar noggrannheten av temperaturmätningar i ostadig processer är långsamma svar av sensorer. För att spela in lokala momentana väggtemperatur, har mätutrustningen att svara snabbt nog, medan ytan där temperaturen skall registreras måste vara i termisk jämvikt med tidsberoende flödet. Således, den termiska trögheten av ytan måste vara tillräckligt små. De relevanta tidsskalor bestäms av de hydrodynamiska fenomen som orsakar ändringen i konvektiv värmeöverföring. Snabba svar är således avgörande för inspelning tidsberoende temperaturen i övergående flöde.

För att möta dessa krav, används en IR-kamera att spela in ett specialprov egentillverkade avsnitt som tillåter en snabb temperatur svar någon förändring i flödet. En del av rörväggen är avskuren och ersättas med en tunn folie i rostfritt stål. Ett liknande tillvägagångssätt användes av Hetsroni et al. ¹, men folien de använde var för tjock för att noggrant mäta förändringar av momentana temperaturer och endast tid i det genomsnittliga temperaturer presenterades. Minska tjockleken folie förbättrats tid svaret. ² denna metod tillämpades i labbet för att mäta konvektiv värmeövergångstal i två faser flöde^3,4 och övergående fenomen i enfas pipe flöde⁵.

En Schematisk layout i anläggningen two-phase flöde ges i figur 1, kan ytterligare information om unika luft inlopp enheten hittas i Babin o.a. ³

Undersökning av konvektiv värmeöverföring i två faser flödet är mycket komplex på grund av beteendet övergående flöde och effekten av ogiltiga fraktionen i röret tvärsnitt. Därför många studier har endast lagt fram en genomsnittlig Konvektiv värme överföring koefficienten för ett visst flöde regimen som en funktion av specifika flöde villkor^{6,7,8,9,10 , 11}. men tidningarna av Donnelly o.a. ¹² och Liu et al. ¹³ utgör exempel på två faser lokala Konvektiv värme överföring studier.

Den aktuella studien behandlar värme överföring mätningar runt en enda långsträckt (Taylor) bubbla injiceras i stillastående eller rinnande vätska i ett rör. Taylor bubblan propagerar i en konstant translationell hastighet^14,15,16. Bubbla förökning hastigheten bestäms med hjälp av optiska prober metod bestående av en laser ljuskälla och fotodiod^3,4.

Kombinationen av IR-kameran och de optiska proberna tillåter mätningar av lokala momentana konvektiv värmeöverföring som en funktion av avståndet från antingen Taylor bubbla toppen eller botten.

Den momentana väggtemperatur kan användas för att beräkna Konvektiv värme överföring koefficienten, hoch antalet Nusselt:

, (1)

där q är värmeflödet till folien, T_w och T_∞ är väggtemperatur och inlopp vattentemperaturen k är respektive flytande ledningsförmåga och D är rördiametern. Bulk temperaturen som vanligtvis används för att bestämma värmeövergångstal mättes inte för att undvika att införa eventuella störningar i flödet.

Protocol

1. testa avsnittet för mätningar av momentan temperatur

1. Tillverkningsprocessen av test avsnittet (figur 2)
   1. Skär ett segment av en pipe minst 70 cm lång.
      Obs: I diameter och väggtjocklek av avsnittet test bör vara identisk med röret används i en experimentanläggning.
   2. Använda en fräsmaskin skära 4 angränsande smala fönster längs röret i avsnittet test, varje fönster är 6 mm bred och 80 lång mm med ett 25 mm mellanrum mellan på varandra följande windows.
   3. Från en 12 µm tunna rostfria folie, skär 40-60 cmlong och 12 mm breda remsor.
      Obs: Folien ska användas för att täta Fönstren i test röret. Det rostfria stålet bör vara belagd med två guld ränder som markerar ett litet avstånd från ändarna på folien och ska användas för att svetsa leverans strömkablarna att värma folien, se figur 2.
   4. Mäta foliens elektriska motståndet med hjälp av en ohmmeter.
   5. Lägg folien inom röret följa stegen som beskrivs nedan.
      1. Skapa en grund för att infoga folien i avsnittet test gjord av en styv slang med en yttre diameter lika med innerdiameter i testet. Därför skär en 20 mm bred och ca 80 cm lång del av rörväggen
      2. Coat grunden med fett innan du placerar folien på det, att låta koppla basen från folien i ett senare skede.
      3. Lägg folien på grunden och platta till den. Ta en trasa med alkohol och rengör folien från något överflödigt fett.
      4. Applicera limmet i folie periferin och på de tre segmenten av folien motsvarar placeringen av broar mellan på varandra följande fönster.
         Obs: Limmet måste vara starkt med en inledande härdning period om minst 20 minuter för att säkerställa tillräcklig tid för en folie kvarstad process. epoxi DP 460 används.
      5. Sätt försiktigt basen med folien i avsnittet test med folien uppåt mot Fönstren.
         Obs: Denna process bör göras av två personer.
      6. Se till att folien är i linje med Fönstren, guld ränderna bör vid kanten av de två yttre Fönstren. När folien är korrekt placerad och täcker Fönstren, länka grunden till test röret vid varje ände med en klämma.
      7. Försiktigt in ett hopvikt cykel inre däck i röret under grunden, smörj däcket om det behövs. Blåsa upp däcket. Iaktta limmet sprider sig över folien och når grunden vid inflationsmålet.
         Obs: Trycket av uppblåsta däcket bör garantera att limmet kommer slips inre rörväggen och folien. Detta kommer också forma folien till krökning av röret och minska risken för påverkan i flödet på grund av folien eller limmet.
      8. Med en trasa, avmarkera alla överflödigt lim som har nått fönsteröppningar.
      9. Låt den självhäftande torrt för 24 h. Deflate däcket, extrahera den och öppna klämmorna.
      10. Koppla basen från folie och pipe i följande steg:
          1. Försiktigt tryck på varje ände av grunden att känna vilken ände är lättare att koppla bort och börja koppla från det slutet.
          2. Använd en lång rulle eller ett liknande objekt att koppla bort den ursprungliga grunden gradvis, flytta långsamt in i röret tills hela grunden är frånkopplad och folien förblir säkert oskadade på röret.
             Obs: Denna process bör göras noggrant för att skydda sigill; Om förseglingen är förstört en ny bör värme överföring test pipe enhet göras.
          3. Kontrollera att röret försluts genom att stänga ena änden av röret och fylla röret med vatten.
   6. Ren det överflödigt fettet från insidan av röret med vatten och tvål.
   7. Anslut kablarna elektrisk uppvärmning av svetsning till gyllene ränder på folien.
      Obs: För att skydda folien på dessa ställen, föreslås det att först länka en liten cooper chip till folien och sedan svetsa sladden till den.
   8. Med en termisk självhäftande ansluta en T-typ termoelement längst ned i varje fönster. Dessa termoelement används senare i kalibreringsprocessen IR kamera.
      Obs: Temperaturavläsningar från termoelement registreras och inspelad av en PC med en A/D-omvandlare.
   9. Sprayfärg den yttre sidan av folien med en svart matta spray för att maximera emissivitet.
2. Tillämpa värmeflödet till folie
   1. Anslut ledningarna elektrisk uppvärmning från kanten på folien till en DC strömförsörjning.
   2. Ange den elektriska strömmen så att folien kommer att nå en önskad temperatur.
      Obs: Inte uppnå en temperatur som skulle kunna försämra röret. För plexiglas är gränsen cirka 45 ° C. Var dock noga med att värma folien tillräckligt så att foliens temperaturen förblir åtminstone några grader över inlopp vattentemperaturen, även under kyla staten på grund av de övergående förändringar väntas i flödet.
   3. Beräkna värmeflödet tillämpas Q = jag²R där jag är den nuvarande tillämpas och R är foliens elektriska motstånd.
      Obs: Värmeöverföringen från foliens yttre sida som är öppen för luft är försumbar jämfört med värmeöverföring till vatten inuti röret².
   4. Anslut en PC kontrollerbar elektrisk strömbrytare till en heat flux sladdar för att styra värme flux impulsiva initiering och avstängning.
3. IR-kamera
   Obs: detaljerade detaljerna i IR-kameran används i labbet kan ses i Ferhstman^3,4. Kameran är ansluten till en dator och kontrolleras av en dator.
   1. Anslut om möjligt IR-kameran till en uppsättning av skenor att möjliggöra tredimensionell rörlighet för kameran att enkelt placera den vid olika positioner längs avsnittet test.
   2. Slå på IR-kameran några minuter innan du utför eventuella mätningar, de interna sensorerna ta tid att kyla ner till önskad temperatur.
   3. Placera IR-kameran ett par centimeter från ytan inom brännvidd av kameran för att fokusera.
      Obs: Tänk på att området mäts inte är mindre än en pixel beroende kamera upplösning. Det är bättre att ha yta mätt som består av ett antal bildpunkter.
   4. Ställ in fokus för IR-kameran.
   5. Kalibreringsprocessen för IR-kamera:
      1. Tillämpa värmeflödet som anges i 1.2 och vänta tills en termisk steady-state uppnås, dvs när termoelement placerat på folie spela in konstant temperatur. Mät den omgivande temperaturen omkring experimentella anläggningen med ett termoelement.
         Obs: Denna temperatur kommer att användas som reflekterade temperaturen på ytan. För ett högt värde av ytans emissivitet är denna parameter nästan försumbar.
      2. Ange den omgivande temperaturen som kamerans IR parametern för reflekterad temperatur.
      3. Jämför temperaturen registreras av IR-kameran till inspelningen av termoelementet av det fönstret för varje fönster i folien. Justera IR-kameran emissivitet egendom tills temperatur inspelning av IR-kameran är lika temperatur registreras av termoelementet.
         Obs: Detta kan göras för flera heat flux värden; men är emissivitet inte känsliga på denna relativt låg temperatur utbud. I experimentella inspelningarna var det genomsnittliga värdet av emissivitet 0,98.

2. mätningar av Taylor bubbla translationell hastighet och dess längd

1. Optiska givare
   Obs: optiska sonden inkluderar en laser ljuskälla och en fotodiod. När hela ytan av röret innehåller vatten, pekas laserstrålen på den fotodiod som orsakar kretsen som ska vara stängd. När laserstrålen träffar luftbubblan, det är knuffade från en fotodiod och öppnar kretsen. Således erhålls en binär signal, som anger om optiska sonden är framför en luftbubbla eller en flytande snigel.
   1. För att ansluta sensorn till A/D kortet, bygga följande kretsen (figur 3).
   2. Slå på lasern, rikta den mot dioden. Kontrollera den digitala ingången av kretsen A/D programvara. Om lasern träffar dioden, då banan är stängd och en positiv signal ska visas.
      Obs: Kontrollera att dioden är känslig för våglängd utdata av laser. Optiska sensorerna data registreras i en takt av 1 kHz.

3. experimentell förfarande

1. Ansluta avsnittet test till funktionen experimentella, flänsar och rör records.
2. Anslut de elektriska ledningarna för värme till strömkällan och termoelement till någon datoriserad temperatur inspelare.
3. Placera IR-kameran framför avsnittet test på önskad plats.
4. Kontrollera att kameran är fokuserad på folien; Detta är lättare att göra med värme flux på.
5. Tillämpa värmeflödet (1,2) och utföra IR kameran kalibreringen (1.3.5).
6. Plats två optiska prober längs rörets test
   Obs: Om möjligt, placera en optisk sond på platsen för IR-kameran; Detta gör att synkronisering mellan temperaturmätning och placeringen av bubblan, som bubblan inte är synlig för IR-kameran. Om detta inte är möjligt, vara säker på att skifta resultaten i tid med detta att bubbla hastigheten och avståndet mellan IR-kameran och optiska sonden.
   1. Kontrollera att laserstrålen verkligen träffar dioden och ger en positiv läsning.
7. Slå på vattenpumpen och Ställ in det önska flödet. Tillämpa värmeflödet genom att justera strömmen av strömförsörjningen.
8. Vänta tills en steady-state temperatur uppnås. Kör datorprogrammet att spela in en enfas rörströmning väggtemperatur.
   Obs: För att isolera effekten av Taylor bubblan på Konvektiv värme överföring koefficienten, är det viktigt att mäta först Konvektiv värme överföring koefficienten i enfas flödet vid en identiska flödet klassar och värme flux liksom i de två faser experiment. Det rekommenderas att utföra detta innan varje enskild händelse.
9. Kör datorprogrammet som styr bubblan injektionen.
   Obs: Detta program bör först injicera en enda Taylor bubbla och sedan samtidigt mäta väggtemperatur till via IR-kameran och spela in de binära signalerna av de två optiska sonderna. Dessa två mätningar ska synkroniseras för att undvika ytterligare tid skiftar mellan inspelningarna.
10. Mellan rundorna, ange tillräckliga tidsfördröjning för att systemet ska vara tillbaka till de ursprungliga villkoren, dvs väggtemperatur återvänder till enfas steady state initialvärde.
    Obs: Det är möjligt att väggtemperatur på enfas steady-state flödet kommer att öka i fall där en hög värme-flux ligger på kontinuerligt. Detta bör undvikas genom att stänga av värmeflödet och tar en paus i experimenten.

4. databearbetning

1. Beräkna värme överföring koefficienten för enfas steady state-förhållanden utifrån ekv 1.
   Obs: Denna koefficient är oberoende av tid. Den kommer att användas som ett normaliserande faktor i uppföljaren.
   1. För varje enskild händelse registrerats under givna betingelser, beräkna Taylor bubblorna längd och translationell hastighet genom att dividera avståndet mellan den optiska sonder, L, av tiden periodintervallet tip ankomst tid till varje optisk sensor:   , där t_L1 och t_L2 är tider av bubble tip ankomst till botten och övre optiska sensorer, respektive.
   2. Använda Taylor bubblans translationell hastighet för att beräkna bubbla längden genom multiplikation med varaktigheten av den öppen kretsen av en av de optiska sonderna.
2. Beräkning av de momentana lokal värme överföring koefficienten för två fas flöde bör göras enligt följande:
   Obs: Även om hela experimentella processen är datoriserad, förblir längden och translationell hastigheten av Taylor bubblor inte exakt konstant på varje experimentella körning. Därför, det ögonblick då bubblan når mätpunkten varierar. De optiska proberna och IR-kameran har annan ram klassar, 1000 och 30 Hz respektive.
   1. Använda optiska sonden ligger i närheten av IR-kameran, posten instant bubble tip ankomst.
   2. Denna trigger signal ger den tid hänvisningen för IR kamerainspelning.
      Obs: Ensemble genomsnittliga process som krävs för att erhålla Konvektiv värme överföring koefficienten som en funktion av avståndet från botten bubbla till mätpunkten, z, där z= 0 motsvarar bubbla botten. Denna parameter bör normaliseras av rördiametern D.
   3. Ange en upplösning för z/D. Alla inspelade datavärden för varje enskild händelse (motsvarande identiska förhållanden) faller inom intervallet föreskrivna rumslig upplösning och bör vara i genomsnitt för att få ett representativt värde av väggen temperaturen på det avståndet från bubblan botten.
      Obs: Denna rumsliga upplösningen bör beslutas baserat på inspelning frekvensen av IR-kameran och på translationell hastigheten av Taylor bubblan. I denna studie togs mellan 0,15-0,3.
   4. Beräkna värme överföring koefficienten som en funktion av avståndet från bubble tip/botten med hjälp av ekv 1.
   5. Normalisera två faser lokala momentana värme överföring koefficienten enfas konstant koefficient.
      Obs: Detta förhållande utgör en förbättring av Konvektiv värme överföringshastighet på grund av bubbla passagen jämfört med enfas flöde.

Representative Results

Ett exempel på de optiska sensorerna utgång poster presenteras i figur 4 för en enda Taylor bubbla stiger i ett vertikalt rör fyllda med stillastående vatten. Den inledande stor droppe representerar öppningen av kretsen på grund av Taylor bubbla spets, medan den senare representerar mycket kortare droppar efter uppkomsten till det ursprungliga värdet på grund av passagen av avlånga bubblor svansen, spridda bubblorna i flytande spåren bakom den Taylor bubblan. Timeshift mellan resultaten av två optiska sonderna är uppenbar och beror på avståndet mellan de två sonderna längs röret. I detta experiment, sonderna är utrymmet av 0,09 m. beräkna translationell hastigheten av ekv 3 resultat i U_t= 0,23 m/s; i samförstånd med Dumitrescu¹³ för en Taylor bubbla förökningsmaterial i ett vertikalt rör med stillastående vatten:

Taylor bubbla längden mäts genom att multiplicera translationell hastigheten på passagen av avlånga bubblan varaktighet:

vilket motsvarar efter L_B = 3,54D.

Representativa ensemble-medelvärde resultaten av lokala Konvektiv värme överföring koefficienten på grund av passagen av en 3,5 D länge enda Taylor bubbla stiger i stillastående vatten i en vertikal röret är ritade i figur 5. Resultaten presenteras i en referensram som flyttar med bubbla botten, därför negativa värden upp till z/D=-3,5 motsvarar regionen bubbla där en tunn film skiljer mellan bubblan och pipe väggen. Tvåfas flöde konvektiv koefficienter resultaten är normaliserade av enfas flöde koefficient värdet. Det är uppenbart att den högsta tillväxten i den värme överföring konvektiva koefficienten är uppnått några diametrar bakom bubbla botten och kan vara så mycket som två gånger högre jämfört med enfas flödet vid samma flödet. Effekten av Taylor bubblan på väggen temperaturen har dessutom en långvarig effekt, återstående väsentliga upp till hundratals diametrar bakom Taylor bubbla botten. Detta tillskrivs kölvattnet bakom bubblan. Dessa resultat utgöra en tydlig demonstration av tvåfas flöden växande intresse som en kylande mekanism.

Figur 1. Schematisk layout av experimentella anläggningen med värme överföring mätningar testa avsnittet. Detaljer för avsnittet luft och vatten entrén presenteras i skäret. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. En Schematisk layout i avsnittet test. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 . Den optiska sensor elektriska kretsen ansluta mellan dioden och A/D kortet kopplat till PC. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 . Den optiska sensorn inspelning för en Taylor bubbla stiger i stillastående vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. Normaliserade lokala värmeövergångstal längs en enda snigel enhet för stillastående vätska (q= 2100 W/m²). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Experimentell undersökning av lokala värmeöverföring i övergående rörströmning är en komplicerad uppgift som kräver avancerade mätinstrument och metoder, samt en specialbyggd experimentanläggning, i synnerhet en specialdesignad test avsnitt. Detta protokoll visar en Termografi-teknik som klarar mäta troget snabbt tidsmässiga förändringar i väggtemperatur och värme överföringshastighet på grund av variationer i flöde hydrodynamik.

En detaljerad beskrivning av processen för tillverkning av avsnittet test presenteras. Det kritiska steget i förberedelserna av anläggningen ersätter en del av rörväggen genom en tunn folie i rostfritt stål. Folien är uppvärmd av en elektrisk ström; dess inre sida är öppen till fältet tidsberoende flödet, medan den yttre sidan är filmad av en IR-kamera således att upptäcka någon förändring i den momentana folie temperaturen. Den temporal Svaren av folien utgör den enda begränsningen av denna teknik. Materialet och tjockleken på folien bör väljas för att säkerställa tillräckligt snabba svar jämfört med de karakteristiska gånger av de fenomen som anses vara.

Metoden tillämpas möjliggör ögonblicklig IR kamera-baserade värmeöverföring mätning i förhållande till rörliga Taylor bubblan som bestäms av optiska medel. En ensemble som genomsnitt förfarande över många genomföranden av experiment för någon viss driftförhållanden som tillämpas i den aktuella studien säkerställer att erhålla tillförlitliga resultat. Den föreslagna tekniken kan användas för karaktärisering av lokala övergående värmeöverföring i enkel- och flerfasiga flöden.

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