Medições de transferência de calor convectiva instantânea Local em uma tubulação - fluxo único e duas fases

Summary

Este manuscrito descreve métodos vistos medir os coeficientes de transferência de calor convectiva instantânea local em um fluxo de tubulação única ou em duas fases. Também é apresentado um método óptico simples para determinar o comprimento e a velocidade de propagação de uma bolha de ar alongada (Taylor) se movendo a uma velocidade constante.

Abstract

Este manuscrito fornece descrição passo a passo do processo de fabricação de uma seção de teste para medir o coeficiente de transferência de calor instantâneo local em função da taxa de fluxo de líquido em uma tubulação transparente. Com algumas alterações, a abordagem é estendida aos fluxos de gás-líquido, com uma ênfase particular sobre o efeito de uma bolha de ar (Taylor) alongada único no aprimoramento de transferência de calor. Uma técnica não-invasiva de Termografia é aplicada para medir a temperatura instantânea de uma folha fina de metal aquecida electricamente. A folha é colada para cobrir um entalhe estreito corte no tubo. A inércia térmica da película é pequena o suficiente para detectar a variação da temperatura instantânea da folha. A seção de teste pode ser movida ao longo da tubulação e é tempo suficiente para cobrir uma parte considerável da crescente camada limite térmica.

No início de cada execução experimental, um estado estável com um fluxo constante de água de fluxo taxa e calor para a folha é atingido e serve como referência. A bolha de Taylor então é injetada na tubulação. As variações de coeficiente de transferência de calor devido à passagem de uma bolha de Taylor em um tubo vertical de propagação é medida como função da distância entre o ponto de medição do fundo da bolha do Taylor em movimento. Assim, os resultados representam os coeficientes de transferência de calor local. Várias execuções independentes pré-formado em idênticas condições permitem acumulados dados suficientes calcular resultados fiáveis ensemble-em média, sobre a transferência de calor convectiva transitória. Para executar isso em um quadro de referência movendo-se com a bolha, o local da bolha ao longo do tubo deve ser conhecido em todos os momentos. Descrição detalhada das medições do comprimento e da velocidade translacional das bolhas Taylor por sondas ópticas é apresentada.

Introduction

Numerosos estudos experimentais de transferência de calor convectiva, usando diferentes técnicas para medir a parede e/ou a temperatura do fluido em uma variedade de configurações de fluxo, foram realizados durante as últimas décadas. Um dos fatores que limita a precisão das medições de temperatura em processos instáveis é a lenta resposta dos sensores. Para gravar a temperatura local parede instantânea, o equipamento de medição tem que responder rápido o suficiente, enquanto a superfície na qual a temperatura é registrada tem que estar em equilíbrio térmico com o fluxo do tempo-dependente. Assim, a inércia térmica da superfície deve ser suficientemente pequeno. As escalas de tempo relevantes são determinadas pelos fenômenos hidrodinâmicos que causam a mudança na transferência de calor convectiva. Resposta em tempo rápido é, portanto, crucial para a temperatura dependente do tempo de gravação no fluxo transiente.

Para atender a esses requisitos, uma câmera IR é usada para registrar uma seção especial fabricados pelo próprio teste que permite uma resposta rápida da temperatura a qualquer alteração no fluxo. Uma parte da parede do tubo é cortada e substituída por uma folha fina de aço inoxidável. Uma abordagem semelhante foi usada por Hetsroni et al . ¹, no entanto, a folha que eles usaram foi muito grossa para medir com precisão as alterações de temperatura instantânea e temperaturas de tempo-em média, apenas foram apresentadas. Diminuindo a espessura da folha melhorou a resposta em tempo consideravelmente. ² este método foi aplicado no laboratório para medir coeficientes de transferência de calor convectiva no fluxo bifásico^3,4 e fenômenos transitórios em fase única tubulação fluxo⁵.

Um layout esquemático da instalação de duas fases do fluxo é dada na Figura 1, obter informações adicionais sobre o dispositivo de entrada de ar original podem ser encontradas em Babin et al ³

Investigação de transferência de calor convectiva em fluxo de duas fases é muito complexa devido ao comportamento de fluxo transiente e o efeito da fração de vazio, a secção de tubo. Portanto, muitos estudos apresentaram apenas um coeficiente de transferência de calor convectiva médio para um regime de fluxo determinado como uma função de fluxo específico condições^{6,7,8,9,10 , 11}. no entanto, os papéis por Donnelly et al . ¹² e Liu et al . ¹³ representam exemplos de estudos de transferência de calor convectiva local em duas fases.

O presente estudo aborda as medidas de transferência de calor em torno de uma única bolha (Taylor) alongada injetado estagnada ou líquido em uma tubulação de fluxo. A bolha de Taylor se propaga em uma velocidade constante de translação^14,15,16. A velocidade de propagação da bolha é determinada usando o método de sondas ópticas, consistindo de uma fonte de luz laser e um fotodíodo^3,4.

A combinação de câmera do IR e das sondas ópticas permite medições de transferência de calor convectiva instantânea local como uma função da distância da Taylor bolha topo ou no fundo.

A temperatura instantânea de parede pode ser usada para calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção, he o número de Nusselt:

, (1)

onde q é o fluxo de calor para a folha, T_w e T_∞ são a temperatura da parede e a temperatura da água de entrada, respectivamente, k é a condutividade do líquido e D é o diâmetro da tubulação. A temperatura de massa que é comumente utilizada para determinar os coeficientes de transferência de calor não foi medida a fim de evitar a introdução de qualquer interferência com o fluxo.

Protocol

1. teste de seção para a medição da temperatura instantânea

1. Processo de seção de teste de fabricação (Figura 2)
   1. Corte um segmento de um tubo de pelo menos 70 cm de comprimento.
      Nota: A espessura do diâmetro e a parede da seção de teste deve ser idêntica do tubo usado na instalação experimental.
   2. Use uma máquina de trituração para cortar 4 janelas estreitas adjacentes ao longo da tubulação na seção de teste, cada janela é de 6 mm de largura e 80 mm de comprimento com uma abertura de 25 mm entre windows consecutivos.
   3. De um 12 µm folha de aço fina, corte cmlong e 12 mm de 40-60 tiras largas.
      Nota: A película será usada para selar as janelas no tubo de ensaio. O aço inoxidável deve ser revestido com duas listras de ouro que marcam uma pequena distância das extremidades da película e a ser usado para soldar os fios de alimentação para aquecer a folha, veja a Figura 2.
   4. Medir a resistência elétrica da folha que usando um ohmímetro.
   5. Coloque a folha dentro do tubo, seguindo os passos descritos abaixo.
      1. Crie uma base para inserir a folha na seção de teste, feita de um tubo rígido com um diâmetro exterior igual do diâmetro interno do tubo de teste. Para o efeito, cortar um 20 milímetros de largura e cerca de 80 cm tempo parte da parede do tubo
      2. Cubra a base com graxa antes de colocar a folha sobre ele, para permitir que a base desconectando a folha numa fase posterior.
      3. Coloque a folha sobre a base e alise-o. Pegue um pano com álcool e limpe a folha de qualquer excesso de graxa.
      4. Aplique o adesivo sobre a periferia da folha e os três segmentos da película de correspondente para a localização das pontes entre as janelas consecutivas.
         Nota: O adesivo tem que ser forte com um período de endurecimento inicial de pelo menos 20 minutos para garantir tempo suficiente para o processo de fixação da folha; epóxi DP 460 é usado.
      5. Introduza cuidadosamente a base com a folha na seção de teste com a folha virada para cima para o windows.
         Nota: Este processo deve ser feito por duas pessoas.
      6. Certifique-se que a folha está alinhada com as janelas, as listras de ouro devem ser na borda das duas janelas externas. Quando a folha é colocada corretamente e cobre as janelas, link a base do tubo de teste em cada extremidade, usando uma pinça.
      7. Cuidadosamente Introduza um pneu de bicicleta dobrada interna do tubo sob a base, Unte o pneu se necessário. Infle o pneu. Durante a inflação observe o adesivo se espalhando por todo o papel alumínio e alcançando a base.
         Nota: A pressão aplicada pelo pneu inflado deve garantir que o adesivo amarrará a parede interna do tubo e a folha. Isto também irão moldar a folha com a curvatura do tubo e reduzir qualquer interferência possível ao fluxo devido a folha ou o adesivo.
      8. Com um pano, limpe qualquer adesivo em excesso que atingiu as aberturas da janela.
      9. Deixe o adesivo seco por 24 h. esvaziar o pneu, extraia-o e abra os grampos.
      10. Desconecte a base da folha e tubulação nas etapas a seguir:
          1. Toque suavemente cada extremidade da base para sentir que é mais fácil desconectar e comece desconectando o efeito.
          2. Use um rolo longo ou um objeto semelhante para desconectar a base original gradualmente, mova lentamente o tubo até a base inteira é desconectada e a folha permanece em segurança sem danos ao tubo.
             Nota: Este processo deve ser feito com cuidado, a fim de proteger o selo; Se o selo está arruinado uma nova unidade de tubos de teste de transferência de calor deve ser feita.
          3. Verifica que o tubo é selado, fechando uma das extremidades do tubo e o tubo de enchimento com água.
   6. Limpe o excesso de graxa do lado interno da tubulação com água e sabão.
   7. Ligue os cabos de aquecimento elétrico por soldagem para as listras douradas sobre a folha.
      Nota: Para proteger a folha nessas manchas, é aconselhável primeiro um chip pequeno cooper Hiperligação da folha e depois soldar o fio para isso.
   8. Com um adesivo térmico Conecte um termopar tipo T para o fundo de cada janela. Estes termopares serão usados mais tarde no processo de calibração de câmera do IR.
      Nota: As leituras de temperatura desde os termopares são registradas e gravadas por um PC usando um conversor A/D.
   9. Pintura de pulverizador do lado exterior da película com um spray preto esteira a fim de maximizar a emissividade.
2. Aplicação de fluxo de calor para frustrar
   1. Ligue os cabos de aquecimento elétrico da borda da película para uma fonte de alimentação de DC.
   2. Defina a corrente elétrica para que a folha vai chegar a uma temperatura desejada.
      Nota: Não chegar a uma temperatura que possa comprometer o tubo. Para o plexiglás o limite é de cerca de 45 ° C. No entanto, certifique-se que a folha suficiente para que permaneça temperatura da folha pelo menos alguns graus sobre a temperatura de água de entrada, mesmo durante o estado de arrefecimento devido às mudanças transientes esperado no fluxo de calor.
   3. Calcular o fluxo de calor aplicado Q = I²R onde I é a corrente aplicada, e R é a resistência elétrica da folha.
      Nota: A transferência de calor do lado de exterior da folha que está aberto ao ar é insignificante em comparação com a transferência de calor para água dentro do tubo².
   4. Conecte um interruptor elétrico controlável de PC dentre os fios de fluxo de calor a fim de controlar o calor fluxo impulsivo iniciação e desligamento.
3. Câmera IR
   Nota: especificações detalhadas da câmera IR usado no laboratório podem ser vistas no Ferhstman^3,4. A câmera é conectada a um PC e controlada por um computador.
   1. Se possível, conecte a câmera do IR para um conjunto de trilhos, permitindo o movimento tridimensional da câmara facilmente colocá-lo em diferentes posições ao longo da seção de teste.
   2. Ligue a câmera IR alguns minutos antes de realizar qualquer medição, os sensores internos levar tempo para esfriar até a temperatura desejada.
   3. Coloque a câmera IR a poucos centímetros da superfície dentro da distância focal da câmara para permitir a focagem.
      Nota: Dependendo da resolução da câmera certifique-se de que a área medida não é menor do que um único pixel. É preferível ter a área de superfície medida, consistindo em um número de pixels.
   4. Definir o foco da câmera do IR.
   5. Processo de calibração de câmera IR:
      1. Aplica o fluxo de calor como afirmado em 1.2 e espere até um estado de constante térmico é atingido, ou seja, uma vez que os termopares colocados na temperatura constante registro da folha. Medir a temperatura ambiente na proximidade da instalação experimental com um termopar.
         Nota: Esta temperatura será usada como a temperatura refletida da superfície. Para um valor elevado da superfície emissividade, este parâmetro é quase insignificante.
      2. Digite a temperatura ambiente como parâmetro da câmera IR da temperatura refletida.
      3. Para cada janela na folha, compare a temperatura registrada pela câmera IR para a gravação do termopar de uma janela. Ajuste a propriedade de emissividade da câmera IR até a gravação de temperatura da câmara de IR é igual a temperatura registrada pelo termopar.
         Nota: Isto pode ser feito para vários valores de fluxo de calor; no entanto, a emissividade não é sensível a esta distância relativamente baixa temperatura. Nas gravações experimentais, o valor médio de emissividade foi 0,98.

2. medições de velocidade de translação bolha Taylor e seu comprimento

1. Sonda óptica
   Nota: a sonda óptica inclui uma fonte de luz laser e um fotodíodo. Quando a secção inteira do tubo contém água, o feixe de laser é apontado para o fotodiodo, fazendo com que o circuito a ser fechado. Quando o feixe de laser atinge a bolha de ar, ele é empurrado do fotodíodo e abre o circuito. Assim, um sinal binário é obtido, indicando se a sonda óptica é na frente de uma bolha de ar ou de uma lesma líquida.
   1. Para conectar o sensor ao cartão A/D, construa o seguinte circuito (Figura 3).
   2. Ligar o laser, aponte para o diodo. Verifique se a entrada digital do circuito A/D de software. Se o laser atinge o diodo, em seguida, o circuito é fechado e um sinal positivo deve aparecer.
      Nota: Certifique-se que o diodo é sensível à saída do comprimento de onda do laser. Dados dos sensores ópticos são registrados à taxa de 1 kHz.

3. o procedimento

1. Conectar-se a seção de teste para as instalações experimentais, por flanges ou registros de tubulação.
2. Conecte os fios eléctricos de aquecimento para a fonte de energia e os termopares para qualquer gravador de temperatura computadorizado.
3. Coloque a câmera IR em frente a seção de teste no local desejado.
4. Certifique-se de que a câmera é focada sobre a película; Isto é mais fácil fazer com o fluxo de calor na.
5. Aplicar o fluxo de calor (1.2) e executar o processo de calibração de câmera do IR (1.3.5).
6. Coloque os dois ópticos sondas ao longo do tubo de teste
   Nota: Se possível, coloque uma sonda óptica no local da câmera do IR; Isto irá permitir a sincronização entre a medição de temperatura e o local da bolha, como a bolha não é visível para a câmera do IR. Se não for possível, certifique-se de deslocar os resultados no tempo em conformidade com a velocidade da bolha e a distância entre a câmera do IR e a sonda óptica.
   1. Verifique se o feixe de laser na verdade atinge o diodo e produz uma leitura positiva.
7. Ligue a bomba de água e definir a taxa de fluxo desejada. Aplica o fluxo de calor ajustando a corrente da fonte de alimentação.
8. Espere até que seja atingida uma temperatura de estado estacionário. Execute o programa de computador para registrar a temperatura da parede de um fluxo de tubo monofásico.
   Nota: Para isolar o efeito da bolha Taylor sobre o coeficiente de transferência de calor convectiva, é essencial para medir primeiro o coeficiente de transferência de calor convectiva no fluxo monofásico em um fluxo de calor e a taxa de fluxo idênticos como as experiências de duas fases. Recomenda-se executar isto antes de cada evento individual.
9. Execute o programa de computador, que controla a injeção de bolha.
   Nota: Este programa deve primeiro injetar uma única bolha Taylor simultaneamente medir a temperatura da parede usando a câmera do IR e gravar os sinais binários das duas sondas ópticas. Estas duas medidas devem ser sincronizadas para evitar deslocamentos de tempo adicional entre as gravações.
10. Entre as execuções, defina o atraso de tempo suficiente para garantir que o sistema é voltar para as condições iniciais, ou seja, a temperatura de parede retorna ao seu valor inicial de estado estacionário monofásico.
    Nota: É possível que a temperatura da parede do fluxo monofásico estado estacionário aumentará nos casos em que um fluxo de calor elevado na continuamente. Isto deve ser evitado por fechar o fluxo de calor e fazer uma pausa nos experimentos.

4. processamento de dados

1. Calcule o coeficiente de transferência de calor para condições monofásico de estado estacionário, com base na EQ. 1.
   Nota: Este coeficiente é independente do tempo. Ele irá ser usado como um fator de normalização na sequela.
   1. Para cada evento individual gravado sob dadas condições, calcular comprimento das bolhas Taylor e sondas de velocidade translacional, dividindo a distância entre o óptico, L, pelo intervalo de tempo de período de chegada a dica tempo para cada sensor óptico:   , onde t_L1 e t_L2 são os tempos de chegada de ponta a bolha para a parte inferior e superiores sensores ópticos, respectivamente.
   2. Use a velocidade de translação da bolha Taylor para calcular o comprimento de bolha multiplicando-a duração do circuito aberto de uma das sondas ópticas.
2. Calcular o coeficiente de transferência de calor local instantânea para dois fase de fluxo deve ser feito como seguindo:
   Nota: Apesar de todo o processo experimental é informatizado, o comprimento e a velocidade de translação de bolhas Taylor não permanecem exatamente constantes em cada execução experimental. Portanto, no instante em que a bolha atinge o ponto de medição varia. As sondas ópticas e a câmera do IR têm diferente frame taxas, 30 e 1000 Hz respectivamente.
   1. Usando a sonda óptica localizada nas imediações da câmera do IR, registro o momento da chegada de ponta a bolha.
   2. Este sinal de gatilho fornece a referência de tempo para a gravação de câmera do IR.
      Nota: Ensemble médio processo é necessário para obter o coeficiente de transferência de calor convectiva em função da distância da parte inferior da bolha no ponto de medição, z, onde z= 0 corresponde à parte inferior da bolha. Este parâmetro deve ser normalizado pelo diâmetro da tubulação D.
   3. Defina uma resolução para z/D. Todos os valores de dados gravados para cada evento individual (correspondente a condições idênticas) abrangidos pela faixa de resolução espacial prescrita e devem ser em média para obter um único valor representativo da temperatura a que distância da parede da bolha no fundo.
      Nota: Esta resolução espacial deve ser decidida com base na frequência de gravação da câmera do IR e sobre a velocidade de translação da bolha da Taylor. Neste estudo, foi tirada entre 0,15-0,3.
   4. Calcule o coeficiente de transferência de calor em função da distância da bolha ponta/fundo usando a EQ. 1.
   5. Normalize o coeficiente de transferência de calor instantâneo local duas fases do coeficiente constante monofásica.
      Nota: Essa proporção representa uma melhoria na taxa de transferência de calor convectiva devido à passagem da bolha em relação ao fluxo monofásico.

Representative Results

Um exemplo dos sensores ópticos saída de registros é apresentado na Figura 4 para uma única bolha de Taylor subindo em um tubo vertical preenchido com água estagnada. A grande queda inicial representa a abertura do circuito devido a ponta de bolha de Taylor, enquanto a posterior muito mais curto gotas após o aumento para o valor inicial devido à passagem da cauda alongada bolhas, representam as bolhas dispersas na esteira líquida por trás da bolha de Taylor. O deslocamento do tempo entre as saídas das duas sondas ópticas é evidente e é devido à distância entre as duas sondas ao longo da tubulação. Neste experimento, as sondas são espaço por 0,09 m. calcular a velocidade de translação por resultados da EQ. 3 em U_t= 0,23 m/s; de acordo com Dumitrescu¹³ para uma bolha de Taylor em um tubo vertical com água estagnada de propagação:

O comprimento de bolha Taylor é medido multiplicando a velocidade de translação a duração da passagem da bolha alongada:

que corresponde a L_B = 3.54D.

Os resultados representativos do ensemble-a média do coeficiente de transferência de calor convectiva local devido à passagem de um Taylor tempo único 3,5 D bolha subindo na água estagnada em um tubo vertical é plotada na Figura 5. Os resultados são apresentados em um quadro de referência movendo-se com a parte inferior da bolha, portanto os valores negativos até z/D=-3.5 correspondem à região de bolha, onde uma película fina separa entre a parede da bolha e tubo. Os resultados de coeficientes convectivos de fluxo bifásico são normalizados pelo valor do coeficiente de fluxo monofásico. É evidente que o máximo incremento no coeficiente de transferência de calor convectiva é atingido alguns diâmetros para trás no fundo da bolha e pode ser tanto quanto duas vezes maiores em comparação com o fluxo monofásico com a mesma taxa de fluxo. Além disso, o efeito da bolha Taylor sobre a temperatura da parede tem um efeito prolongado, permanecendo essencial até centenas de diâmetros para trás a Taylor bolha inferior. Isto é atribuído ao velório atrás da bolha. Esses resultados servem como uma clara demonstração do crescente interesse em fluxo de duas fases, como um mecanismo de resfriamento.

Figura 1. Layout esquemático da instalação experimental com medições de transferência de calor de seção do teste. Detalhes da seção de entrada de ar e água são apresentados em inserção da. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Um layout esquemático da seção teste. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 . O circuito elétrico do sensor óptico de ligação entre o diodo e o cartão da / D ligado ao PC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4 . O sensor óptico de gravação para uma bolha de Taylor subindo na água estagnada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Normalizado de coeficientes de transferência de calor local ao longo de uma unidade única bala para o líquido estagnado (q= 2100 W/m²). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Investigação experimental local de transferência de calor em fluxo transiente tubular é uma tarefa complicada que requer instrumentos de medição high-end e métodos, bem como uma instalação experimental custom-built, em particular, uma seção de teste especialmente concebidos. O presente protocolo mostra uma técnica de Termografia que é capaz de medir fielmente rápido temporais mudanças na temperatura da parede e taxa de transferência de calor devido a variações na hidrodinâmica de fluxo.

É apresentada uma descrição detalhada do processo de fabricação da seção de teste. O passo crítico na preparação da instalação está substituindo uma parte da parede do tubo por uma folha fina de aço inoxidável. A folha é aquecida por uma corrente elétrica; sua face interna está aberta para o campo de fluxo dependente do tempo, enquanto o lado externo é filmado por uma câmera IR detectando, assim, qualquer mudança na temperatura instantânea da folha. A resposta temporal da película de constitui a única limitação desta técnica. O material e a espessura da película devem ser selecionados para garantir suficientemente rápido tempo de resposta em comparação com os tempos característicos dos fenômenos considerados.

O método aplicado permite a transferência de calor baseado em câmera instantânea IR medições em relação a bolha de Taylor em movimento conforme determinado por meios ópticos. Um conjunto com média de procedimento ao longo de inúmeras realizações do experimento para qualquer determinadas condições operacionais aplicados no presente estudo garante a obtenção de resultados confiáveis. A proposta técnica pode ser usada para a caracterização da transferência de calor transiente local em fluxos multifásicos e único.

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