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 bifásico3,4 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 condições6,7,8,9,10 , 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 translação14,15,16. A velocidade de propagação da bolha é determinada usando o método de sondas ópticas, consistindo de uma fonte de luz laser e um fotodíodo3,4.
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, Tw 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
Representative Results
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.
<p class="j…Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pela Israel Science Foundation, grant # 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 |
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