מדידות של העברת החום הולכת חום מקומי מיידי בתוך צינור - יחיד, דו-שלבית זרימה
Summary
כתב יד זה מתאר שיטות שמטרתה מדידת מקדמי העברה מקומית נקודתית חום הולכת חום בתוך זרם צינור בודד או שני שלבים. גם מוצגת שיטה אופטי פשוטה כדי לקבוע את האורך ואת את מהירות התפשטות של בועת אוויר מוארך (טיילור) נע במהירות קבועה.
Abstract
כתב יד זה מספק תיאור צעד אחר צעד של תהליך הייצור של מקטע המבחן נועד למדוד את מקדם העברת חום מיידי המקומי כפונקציה של קצב זרימת הנוזל בתוך צינור שקוף. עם תיקונים מסוימים, הגישה מורחב קולח גז נוזלי, עם דגש על ההשפעה של בועת אוויר (טיילור) בודד מוארך על שיפור העברת החום. שיטה לא פולשנית הדמאה תרמית חלה כדי למדוד את טמפרטורת מיידי רדיד מתכת דק מחוממים בחשמל. מסכל מודבק לכסות חריץ צר לחתוך בצינור. האינרציה התרמית של רדיד האלומיניום הוא קטן מספיק כדי לזהות את הווריאציה הטמפרטורה בנייר כסף מיידי. סעיף מבחן ניתן להעביר לאורך הצינור, ארוך מספיק לכסות חלק ניכר של שכבת הגבול תרמי הולך וגדל.
בתחילת כל הפעלה ניסיונית, מצב יציב עם מים קבוע זרימת זרם בקצב וחום כדי לסכל מושגת ומשמש ההפניה. הבועה טיילור אז מוזרק לתוך הצינור. הווריאציות מקדם העברת חום עקב המעבר של בועה טיילור הפצת בתוך צינור אנכי נמדד כ פונקציה של המרחק של הנקודה מדידה מהחלק התחתון של הבועה טיילור נע. לכן, התוצאות מייצגים את מקדמי העברת חום מקומי. מספר הרצפים עצמאית שהופעתם בהם בתנאים זהים לאפשר צבירת מספיק נתונים לחישוב תוצאות אמינות בממוצע-אנסמבל על העברת חום הולכת חום ארעית. כדי לבצע זאת בתוך מסגרת התייחסות לנוע עם הבועה, המיקום של הבועה לאורך הצינור צריך להיות מוכר בכל עת. תיאור מפורט של מדידות של האורך ואת המהירות translational הבועות טיילור על ידי הגששים אופטי מוצג.
Introduction
מחקרים ניסויים רבים של העברת החום הולכת חום, תוך שימוש בטכניקות שונות כדי למדוד את קיר ו/או טמפרטורת נוזל במגוון תצורות זרימת, בוצעו במהלך העשורים האחרונים. אחד הגורמים המגבילים את הדיוק של מדידות טמפרטורה בתהליכים לא יציב הוא התגובה האיטית של החיישן. כדי להקליט טמפרטורה מקומית קיר מיידי, ציוד מדידה יש להגיב מספיק מהר, ואילו השטח שבו הטמפרטורה תוקלט חייב להיות בשיווי משקל תרמי עם הזרם תלויי-זמן. לפיכך, האינרציה התרמית של המשטח חייב להיות מספיק קטן. הזמן המכוסה קשקשי נקבעים לפי התופעות hydrodynamic הגורמות לשינוי ותזוזת החום הולכת חום. הזמן מהיר תגובה חיונית ובכך הקלטה הטמפרטורה תלויי-זמן בזרם ארעי.
כדי לעמוד בדרישות אלה, מצלמת אינפרא-אדום משמש לרישום לבחינה מתוצרת עצמית סעיף זה מאפשר תגובה מהירה בטמפרטורה כל שינוי בזרימת. חלק החומה צינור לחתוך והוחלף תשובה מכשילה מפלדת דק. בגישה דומה היה בשימוש על ידי חצרוני. et al. 1, עם זאת, רדיד האלומיניום שהם השתמשו היה עבה מדי כדי למדוד במדויק את השינויים של טמפרטורות מיידי, רק זמן ממוצע הטמפרטורות הוצגו. הפחתת עובי נייר וציוניו השתפרו באופן משמעותי את זמן התגובה. 2 שיטה זו הוחל במעבדה כדי למדוד חום הולכת חום העברת זרימה דו-שלבית3,4 והקבוע תופעות ארעי חד-פאזי צינור זרימה5.
פריסה סכמטי של המתקן דו-שלבית זרימה ניתנת באיור1, פרטים נוספים על המכשיר כניסת אוויר ייחודי ניתן למצוא בבין. et al. 3
חקירה של העברת החום הולכת חום בזרימה דו-שלבית מורכב מאוד בשל התנהגות ארעית הזרימה ואת ההשפעה של השבר חלל הצינור חתך הרוחב. לכן, מחקרים רבים רק הציגו למקדם של העברת חום הולכת חום ממוצע משטר זרימה נתונה כפונקציה של זרם מסוים התנאים6,7,8,9,10 , 11. לעומת זאת, המסמכים על-ידי. דונלי et al. 12 ו ליו. et al. 13 מייצגים דוגמאות של שני שלבים חום הולכת חום מקומי העברת מחקרים.
המחקר הנוכחי עוסק מדידות העברת חום סביב בודד מוארך (טיילור) בועה מוזרק קיפאון או זורם נוזל בתוך צינור. הבועה טיילור מפיצה ב15,14,16מהירות translational מתמדת. מהירות התפשטות בועה נקבע בשיטה הגששים אופטי המורכב מקור אור לייזר ופוטודיודה3,4.
השילוב של מצלמת האינפרא אדום ושל את הגששים אופטי מאפשר מדידות של העברת חום מקומי הולכת חום מיידי כפונקציה של המרחק טיילור בועה העליון או התחתון.
הטמפרטורה קיר מיידי יכול לשמש כדי לחשב את מקדם העברת חום הולכת חום, h, ואת מספר Nusselt:
, (1)
כאשר q הוא שטף חום כדי לסכל, Tw T∞ הטמפרטורה קיר הינם טמפרטורת המים כניסת בהתאמה, k הוא מוליכות נוזלי ו- D הוא לפי קוטר הצינור. לא נמדדה הטמפרטורה בצובר המשמש בדרך כלל לקביעת מקדמי העברת חום כדי להימנע מהחדרה כל הפרעה לזרימה.
Protocol
Representative Results
Discussion
חקירה נסיונית של העברת החום המקומי בזרם ארעי צינור היא משימה מסובכת הדורשת מכשירי מדידה באיכות גבוהה, שיטות, כמו גם מתקן ניסיוני לפי הזמנה, בפרט, הפרק שתוכנן במיוחד. בפרוטוקול הנוכחי מציג שיטה הדמאה תרמית המסוגלת בנאמנות מדידת השינויים מהר טמפורלית קיר הטמפרטורה, קצב העברת חום בשל הבדלים ?…
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, גרנט # 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).
