Metingen van lokale momentane convectieve warmteoverdracht in een pijp - één en twee fasen Flow
Summary
Dit manuscript wordt beschreven methoden gericht op het meten van de lokale momentane convectie warmte overdracht coëfficiënten in een stroom van één of twee fasen pijp. Een eenvoudige optische methode om te bepalen van de lengte en de snelheid van de voortplanting van een verlengde (Taylor)-luchtbel rijdt met een constante snelheid wordt ook gepresenteerd.
Abstract
Dit manuscript geeft stap voor stap beschrijving van het productieproces van een gedeelte van de test bedoeld voor het meten van de coëfficiënt van de overdracht lokale momentane warmte als functie van de vloeibare debiet in een transparante pijp. Met bepaalde amendementen, is de aanpak uitgebreid tot gas-vloeistof stromen, met een bijzondere nadruk op het effect van een enkele langwerpige (Taylor)-luchtbel op verhoging van de overdracht van warmte. Een niet-invasieve thermografie techniek wordt toegepast voor het meten van de momentane temperatuur van een dunne bladmetaal elektrisch verwarmd. De folie is gelijmd ter dekking van een smalle sleuf gesneden in de pijp. De thermische inertie van de folie is klein genoeg om het detecteren van de variatie in de temperatuur van de momentane folie. Het gedeelte van de test kan worden verplaatst langs de pijp en is lang genoeg om te dekken van een aanzienlijk deel van de groeiende thermische grenslaag.
Aan het begin van elke experimentele run, een steady-state met een constant water stroom tarief en warmte flux om de folie wordt bereikt en fungeert als de referentie. De zeepbel Taylor wordt vervolgens geïnjecteerd in de pijp. De warmte overdracht coëfficiënt schommelingen als gevolg van het verstrijken van een zeepbel van de Taylor teeltmateriaal in een verticale pijp wordt gemeten als functie van de afstand tussen het meetpunt vanaf de onderkant van de bewegende Taylor-zeepbel. De resultaten vormen dus de lokale warmte overdracht coëfficiënten. Meerdere onafhankelijke loopt voorgevormde onder identieke omstandigheden kunnen accumuleren voldoende gegevens om betrouwbaar ensemble-gemiddeld resultaten op de voorbijgaande convectieve warmteoverdracht te berekenen. Om dit in een referentiekader verplaatsen met de zeepbel, heeft de locatie van de zeepbel langs de pijp te allen tijde worden bekend. Gedetailleerde beschrijving van metingen van de lengte en de translationeel snelheid van de Taylor bubbles door optische sondes wordt gepresenteerd.
Introduction
Vele experimentele studies van de convectieve warmteoverdracht, met behulp van verschillende technieken voor het meten van de muur en/of de vloeistof temperatuur in een verscheidenheid van stroom configuraties, zijn uitgevoerd in de afgelopen decennia. Een van de factoren die de nauwkeurigheid van temperatuurmetingen in wankele processen beperkt is de trage reactie van de sensoren. Als u lokale momentane wandtemperatuur opnemen, moet de meetapparatuur reageren snel genoeg, terwijl het oppervlak waarop de temperatuur is opgenomen moet worden in thermisch evenwicht met de stroom van de tijd-afhankelijke. De thermische inertie van het oppervlak heeft dus voldoende klein. De relevante termijnen worden bepaald door de hydrodynamische verschijnselen die leiden de verandering in de convectieve warmteoverdracht tot. Snelle tijd reactie is dus van cruciaal belang voor het opnemen van de tijd-afhankelijke temperatuur in transiënte stroom.
Om te voldoen aan deze eisen, wordt een IR-camera gebruikt voor het opnemen van een speciale zelf vervaardigde test-sectie waarmee een snelle temperatuur reactie op wijzigingen in de stroom. Een deel van de muur van de pijp is afgesneden en vervangen door een dunne folie van roestvrij staal. Een soortgelijke aanpak werd gebruikt door Hetsroni et al. 1, echter de folie vroeger was te dik voor het nauwkeurig meten van wijzigingen van de momentane temperaturen en alleen tijd-gemiddelde temperaturen werden gepresenteerd. Verminderen van de folie-dikte verbeterd de reactie tijd aanzienlijk. 2 deze methode werd toegepast in het lab om convectie warmte overdracht coëfficiënten in twee fasen stroom3,4 en voorbijgaande verschijnselen in éénfasig pijp stroom5te meten.
Een schematische lay-out van de twee fasen flow-faciliteit is gegeven in Figuur 1, kan aanvullende informatie over het unieke lucht inlaat apparaat worden gevonden in Babin et al. 3
Onderzoek van de convectieve warmteoverdracht in twee fasen stroom is zeer complex te wijten aan het gedrag van de transiënte stroom en het effect van de ongeldig breuk in de doorsnede van de pijp. Daarom hebben veel studies alleen een gemiddelde Convectie hitte overdracht coëfficiënt voor een bepaalde stroom regeling gepresenteerd als een functie van de specifieke stroom voorwaarden6,7,8,9,10 , 11. echter de papieren door Donnelly et al. 12 en Liu et al. 13 staan voorbeelden van twee fasen lokale Convectie hitte overdracht studies.
De huidige studie behandelt warmte overdracht metingen rond een één langgerekte (Taylor)-zeepbel geïnjecteerd in stagnerende of stroomt vloeistof in een pijp. De Taylor-zeepbel zich voortplant in een constante translationeel snelheid14,15,16. De zeepbel propagatie snelheid is bepaald met behulp van optische sondes methode bestaande uit een laser-lichtbron en een fotodiode3,4.
De combinatie van de IR-camera en de optische sondes zorgt ervoor dat metingen van de lokale momentane convectieve warmteoverdracht als een functie van de afstand van de Taylor bubble boven- of onderkant.
De momentane wandtemperatuur kan worden gebruikt voor het berekenen van de coëfficiënt van de overdracht Convectie hitte, h, alsmede het getal van Nusselt:
, (1)
waar q is de warmtestroom naar de folie, Tw en T∞ zijn de wandtemperatuur en de temperatuur van het water inlaat respectievelijk k is de vloeibare geleidbaarheid en D is de diameter van de pijp. Het bulk-temperatuur die wordt gebruikt bij het bepalen van de warmte overdracht coëfficiënten werd niet gemeten om te voorkomen dat de invoering van een storing van de stroom.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentele onderzoek van de lokale warmteoverdracht in voorbijgaande pijp stroom is een ingewikkelde taak waarvoor high-end meetinstrumenten en methoden, alsmede een custom-built experimentele faciliteit, met name een sectie speciaal ontworpen test. Dit protocol wordt weergegeven op een thermografie techniek die kan snel tijdelijke veranderingen in wandtemperatuur en tarief van de overdracht van warmte als gevolg van de variaties in de stroom hydrodynamica getrouw te meten.
Een gedetailleer…
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Israël Science Foundation, subsidie # 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).
