Mesures de transfert de chaleur par convection instantanée Local dans un tuyau - débit unique et en deux phases
Summary
Ce manuscrit décrit des méthodes visant à mesurer les coefficients de transfert de chaleur par convection instantanée local dans un flux de tuyau unique ou en deux phases. Une méthode optique simple pour déterminer la longueur et la vitesse de propagation d’une bulle d’air allongée (Taylor) se déplaçant à une vitesse constante est également présentée.
Abstract
Ce manuscrit décrit étape par étape le processus de fabrication d’une section de test destiné à mesurer le coefficient de transfert de chaleur instantanée locale en fonction de la vitesse d’écoulement de liquide dans un tuyau transparent. Avec certaines modifications, l’approche est étendue à des flux de gaz-liquide, avec un accent particulier sur l’effet d’une bulle d’air (Taylor) allongée seule sur l’amélioration de transfert de chaleur. Une technique non invasive de la thermographie est appliquée à la pour mesure de la température instantanée d’une mince feuille métallique chauffée électriquement. La feuille est collée pour couvrir une fente étroite coupée dans le tuyau. L’inertie thermique de l’aile est assez petit pour détecter la variation de la température instantanée de clinquant. La section d’essai peut être déplacée le long du tuyau et est assez longue pour couvrir une grande partie de la couche-limite thermique croissante.
Au début de chaque série expérimentale, un état d’équilibre avec un flux constant d’eau débit taux et de la chaleur sur la feuille est atteint et sert comme référence. La bulle de Taylor est ensuite injectée dans la tuyauterie. Les variations de coefficient de transfert de chaleur due au passage d’une bulle de Taylor se propageant dans un tuyau vertical est mesurée en fonction de la distance du point de mesure du fond de la bulle de Taylor mobile. Ainsi, les résultats représentent les coefficients de transfert de chaleur locale. Plusieurs essais indépendants préformés dans des conditions identiques laisser accumuler suffisamment de données pour le calcul des résultats fiables sur le transfert de chaleur par convection transitoire moyenne ensemble. Afin d’effectuer cela dans un cadre de référence se déplaçant avec la bulle, l’emplacement de la bulle le long du tuyau doit être connu à tout moment. Description détaillée des mesures de la longueur et de la vitesse de translation des bulles Taylor par sondes optiques est présentée.
Introduction
De nombreuses études expérimentales du transfert de chaleur par convection, à l’aide de différentes techniques pour mesurer le mur et/ou la température du fluide dans une variété de configurations d’écoulement, ont été réalisées au cours des dernières décennies. Un des facteurs qui limite la précision des mesures de température dans les processus instables est la réponse lente des capteurs. Pour enregistrer la température de paroi instantanée locaux, l’appareillage de mesure doit tenir compte assez, rapidement alors que la surface où la température est enregistrée doit être en équilibre thermique avec le flux dépendant du temps. Ainsi, l’inertie thermique de la surface doit être suffisamment faible. Les échelles de temps concernées sont déterminées par les phénomènes hydrodynamiques qui causent le changement dans le transfert de chaleur par convection. Rapide temps de réponse est donc crucial pour l’enregistrement de la température fonction du temps en écoulement transitoire.
Pour répondre à ces exigences, une caméra infrarouge est utilisée pour enregistrer une section test auto-construit spécial qui permet une réponse rapide de la température à tout changement dans le flux. Une partie de la paroi du tube est coupée et remplacée par une feuille mince d’acier inoxydable. Une approche similaire a été utilisée par Hetsroni et al. 1, toutefois, la feuille, qu’ils ont utilisé était trop épaisse pour mesurer avec précision les changements de température instantanée et moyenne temporelle seulement les températures ont été présentés. Diminution de l’épaisseur de papier d’aluminium est considérablement amélioré le temps de réponse. 2 cette méthode a été appliquée en laboratoire pour mesurer les coefficients de transfert de chaleur par convection dans l’écoulement biphasé3,4 et phénomènes transitoires en monophasé tuyau débit5.
Une présentation schématique de la facilité d’écoulement biphasé est donnée à la Figure 1, des informations supplémentaires sur le périphérique d’entrée air unique trouvera dans Babin et al. 3
Enquête de transfert de chaleur par convection dans l’écoulement biphasé est très complexe en raison de la viscosimétrie transitoire et l’effet de la fraction de vide dans la section du tuyau. Par conséquent, de nombreuses études ont présenté seulement un coefficient de transfert thermique convectif moyen pour un régime d’écoulement donnée en fonction du débit spécifique des conditions6,7,8,9,10 , 11. Toutefois, les papiers de Donnelly et al. 12 et Liu et al. 13 représentent des exemples d’études de transfert de chaleur par convection local en deux phases.
La présente étude traite des mesures de transfert de chaleur autour d’une unique bulle (Taylor) allongée injectées stagnante ou liquide dans un tuyau d’écoulement. La bulle de Taylor se propage à une vitesse de translation constante14,15,16. La vitesse de propagation de bulle est déterminée à l’aide de sondes optiques méthode consistant en une source de lumière laser et la photodiode3,4.
La combinaison de la caméra IR et des sondes optiques permet des mesures du transfert de chaleur par convection instantanée local en fonction de la distance de Taylor bulle haut ou bas.
La température instantanée de mur peut être utilisée pour calculer le coefficient de transfert de chaleur par convection, het le nombre de Nusselt :
, (1)
où q est le flux de chaleur sur la feuille,- T,w et T∞ sont la température de la paroi et la température de l’eau, respectivement, k est la conductivité du liquide et D est le diamètre du tuyau. La température ambiante qui est couramment utilisée pour déterminer les coefficients de transfert de chaleur n’a pas été mesurée afin d’éviter l’introduction de toute ingérence à l’écoulement.
Protocol
Representative Results
Discussion
Étude expérimentale du transfert de la chaleur locale du débit tuyau transitoire est une tâche complexe qui nécessite des instruments de mesure haut de gamme et méthodes, ainsi qu’un centre expérimental de sur mesure, en particulier, une section d’essai spécialement conçus. Le présent protocole affiche une technique de thermographie qui est capable de mesurer fidèlement les changements temporels rapide en température de paroi et en taux de transfert de chaleur en raison des variations hydrodynamique de l?…
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le FNS Israël, subvention # 281/14.
Materials
| 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 |
References
- Hetsroni, G., Rozenblit, R., Yarin, L. P. A hot-foil infrared technique for studying the temperature field of a wall. Meas. Sci. Tech. 7, 1418 (1996).
- Babin, V. . Experimental investigation of the local heat transfer in gas-liquid slug flow. , (2015).
- Babin, V., Shemer, L., Barnea, D. Local instantaneous heat transfer around a raising single Taylor bubble. Int. J. Heat Mass Transfer. 89 (9), 884-893 (2015).
- Fershtman, A., Shemer, L., Barnea, Instantaneous heat transfer rate around consecutive Taylor bubbles. Int. J. Heat Mass Transfer. 95, 865-873 (2016).
- Fershtman, A., Shemer, L., Barnea, D. Transient convective heat transfer in a pipe due to impulsively initiated downward flow and/or heat flux. Int. J. Heat Mass Transf. 111, 1181-1191 (2017).
- Hetsroni, G., Hu, B. G., Yi, B. G., Mosyak, A., Yarin, L. P., Ziskind, G. Heat Transfer in Intermittent Air-Water Flow-Part I: Horizontal Tube. Int. J. Multiphase Flow. 24, 165 (1998).
- Hetsroni, G., Hu, B. G., Yi, B. G., Mosyak, A., Yarin, L. P., Ziskind, G. Heat Transfer in Intermittent Air-Water Flow-Part II: Upward Inclined Tube. Int. J. Multiphase Flow. 24, 188 (1998).
- Hetsroni, G., Mewes, D., Enke, C., Gurevich, M., Mosyak, A., Rozenblit, R. Heat transfer to two-phase flow in inclined tubes. Int. J. Multiphase Flow. 29, 173-194 (2003).
- Ghajar, A. J., Tang, C. C. Heat Transfer Measurements, Flow pattern maps and flow visualization for non-boiling two-phase flow in horizontal and slightly inclined pipe. Heat Transfer Eng. 28, 525 (2007).
- Franca, F. A., Banneart, A. C., Camargo, R. M. T., Goncalves, M. A. L. Mechanistic modelling of the convective heat transfer coefficient in gas-liquid intermittent flows. Heat Transfer Eng. 29, 984-998 (2008).
- Kim, D., Ghajar, A. J., Dougherty, R. L., Ryali, V. K. Comparison of 20 two phase heat transfer correlations with seven Sets of experimental data, including flow pattern and tube inclination effects. Heat Transfer Eng. 20, 15 (1999).
- Nicklin, D. J., Wilkes, J. O., Davidson, J. F. Two-phase flow in vertical tubes. Trans. Inst. Chem. Eng. 40, 61 (1962).
- Donnelly, B., O’Reilly Meehan, R., Nolan, K., Murray, D. B. The dynamics of sliding air bubbles and the effects on surface heat transfer. Int. J. Heat Mass Transfer. 91, 532-542 (2015).
- Liu, T., Pan, C. Infrared thermography measurement of two-phase boiling flow heat transfer in a microchannel. Applied thermal engineering. 94, 568-578 (2016).
- Dumitrescu, D. T. Stromung an einer Luftblase im senkrechten Rohr. Z. Ang. Math. Mech. 23, 139 (1943).
- Davies, R. M., Taylor, G. I. The mechanics of large bubbles rising through extended liquids and trough liquid in tubes. Proc. R. Soc. London, Ser. A. 200, 375 (1949).
