Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, eine Thermografietechnik vorzustellen, die eine gut konzipierte Teststrecke verwendet, um die lokalen momentanen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten in einer ein- oder zweiphasigen Rohrströmung genau zu messen. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige offene Fragen bei der transienten konvektiven Wärmeübertragung in ein- und mehrphasigen Strömungen zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie nicht-invasiv ist und schnelle Schwankungen der Wandtemperatur messen kann, die sich aus zeitabhängigen Strömungen ergeben.

Dieses Verfahren wird von Avram Balas und Yakov Levi, Technikern aus unserem Labor, vorgeführt. Beginnen Sie mit einem Rohrsegment, das 70 Zentimeter oder mehr lang ist. Sein Durchmesser und seine Wandstärke sollten mit dem Rohr der Versuchsanlage übereinstimmen.

Fräsen Sie vier nebeneinander liegende schmale Fenster entlang des Rohrs. Jedes Fenster ist sechs Millimeter breit und 80 Millimeter lang. Der Abstand zwischen den Fenstern beträgt 25 Millimeter.

Nehmen Sie als nächstes 12 Mikrometer dünne Edelstahlfolie und schneiden Sie einen langen, dünnen Streifen ab. Um das Schweißen der Heizdrähte zu erleichtern, wird das Band an jedem Ende des Bandes mit Gold beschichtet. Fahren Sie fort, indem Sie den elektrischen Widerstand der Folie mit einem Messgerät messen.

Besorgen Sie sich nun ein starres Rohr, das in das Rohr passt. Der Außendurchmesser des Rohrs sollte dem Innendurchmesser des Rohrs entsprechen. Schneiden Sie ein langes Segment des starren Rohrs aus, um einen Bogen zu erstellen.

Dieser lange Bogen, die Basis, passt in das Rohr und stützt und schützt die Folie. Um die Folie in die Testsektion zu legen, bestreichen Sie die Basis mit Fett, um die spätere Ablösung der Folie zu erleichtern. Legen Sie dann die Folie auf die Basis, um sie in die Testsektion zu übertragen.

Glätten Sie die Folie und verwenden Sie ein Tuch und Alkohol, um überschüssiges Fett zu entfernen. Tragen Sie anschließend Klebstoff auf die Folienperipherie auf, damit er am Rohr haftet. Identifizieren Sie außerdem die Bereiche, die den Brücken zwischen den Fenstern am Rohr entsprechen, und tragen Sie Klebstoff auf diese auf.

Wenn fertig, richten Sie die Basis so aus, dass die Folie in die gleiche Richtung wie die Fenster der Testsektion zeigt. Setzen Sie dann die Basis vorsichtig in die Testsektion ein. Stellen Sie sicher, dass die Folie mit den Fenstern ausgerichtet ist.

Vergewissern Sie sich, dass sich jeder Goldstreifen an einer Kante eines Außenfensters befindet. Sobald die Folie an Ort und Stelle ist, klemmen Sie die Basis an jedes Ende des Rohrs. Besorgen Sie sich als Nächstes einen Fahrradschlauch, der so gefaltet ist, dass er in das Rohr passt.

Führen Sie das Rohr vorsichtig in das Rohr unter der Basis ein. Wenn Sie fertig sind, pumpen Sie den Reifen auf. Beobachten Sie, wie sich der Klebstoff beim Aufpumpen über die Folie verteilt und die Basis erreicht.

Verwenden Sie ein Tuch, um überschüssigen Klebstoff in den Fensteröffnungen zu entfernen. Nach 24 Stunden Trocknung den Reifen ablassen und herausziehen. Öffnen Sie die Klammern, die die Basis und das Rohr zusammenhalten.

Testen Sie jedes Ende der Basis, um zu entscheiden, welche Seite leichter zu trennen ist. Verwenden Sie dann eine lange Rolle und beginnen Sie am leichteren Ende. Platzieren Sie die Rolle zwischen der Basis und dem Rohr und bewegen Sie sie langsam in das Rohr, bis die gesamte Basis getrennt ist.

Die Folie sollte unbeschädigt auf der Rohrinnenseite verbleiben. Um die Dichtung zu testen, schließen Sie ein Ende des Rohrs. Füllen Sie dann das Rohr mit Wasser und prüfen Sie, ob es undicht ist.

Fahren Sie fort, nachdem Sie die Verstopfung des Rohrs gelöst und das Innere gereinigt haben. Verbinden Sie elektrische Heizdrähte mit den goldenen Streifen auf der Folie. Schließen Sie auch Thermoelemente vom Typ T-Typ an der Unterseite jedes Fensters an.

Zum Schluss sprühen Sie die Außenseite der Folie mit einem schwarzen Matt ein. Stellen Sie nun die Versuchsstrecke in die Versuchsanlage. Verbinden Sie die Rohre mit Flanschen.

Bevor Sie fortfahren, füllen Sie das System mit Wasser. Fahren Sie fort, um einen Computer für die Steuerung und Datenerfassung einzurichten. Verbinden Sie dann die Heizdrähte von der Folie mit einer Gleichstromversorgung.

Platzieren Sie anschließend eine computergesteuerte Infrarotkamera an einem Fenster der Teststrecke. Platzieren Sie es zur Kalibrierung einige Zentimeter von der Oberfläche der Teststrecke entfernt. Messen Sie die Umgebungstemperatur mit einem Thermoelement, das in die Nähe des Experiments gehalten wird.

Fokussieren Sie anschließend die Kamera auf ein Fenster der Teststrecke, um deren Temperatur zu messen. Passen Sie den Emissionsgrad der IR-Kamera so an, dass die Kamera und die vom Thermoelement am Rohrfenster gemessene Temperatur übereinstimmen. Bereiten Sie die Kamera einzurichten und die optischen Sonden vorzubereiten.

Jede Sonde besteht aus einem Laser und einer Fotodiode, die an den Datenerfassungsrechner angeschlossen werden soll. Schalten Sie den Laser ein und richten Sie den Strahl auf die Diode. Vergewissern Sie sich, dass der Computer ein positives Signal aufzeichnet.

Platzieren Sie eine optische Sonde entlang des Prüfrohrs, das nun mit Wasser gefüllt ist. Der endgültige Aufbau ist in diesem Schaltplan dargestellt. Der Messbereich befindet sich zusätzlich zum regulären Setup.

Der Computer steuert neben der Datenerfassung von der Kamera, Thermoelementen und optischen Sonden auch die Synchronisation der Blaseninjektion und der Wandtemperaturmessung mit der Kamera. Legen Sie nun die gewünschten Bedingungen für das Experiment fest und führen Sie eine einphasige Referenzmessung des Rohrdurchflusses durch. Injizieren Sie danach eine Taylor-Blase in das Setup, für eine zweiphasige Durchflussmessung.

Dies ist ein Beispiel für den optischen Sensorausgang für eine einzelne Taylor-Blase, die in einem vertikalen Rohr aufsteigt, das mit stehendem Wasser gefüllt ist. Der anfängliche Abfall stellt die Öffnung des Sensorkreises aufgrund der Taylor-Blasenspitze dar. Der Anstieg steht für das Verschwinden der Blase.

Spätere kürzere Tropfen stellen Blasen im flüssigen Nachlauf hinter der Taylor-Blase dar. Die Verzögerung der Merkmale in der unteren Kurve ist darauf zurückzuführen, dass sich die Sensoren in unterschiedlichen Positionen befinden. Dieses Diagramm stellt die durchschnittlichen Ergebnisse des lokalen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten dar, der auf den Durchgang einer einzelnen Taylor-Blase zurückzuführen ist, die in stehendem Wasser in einem vertikalen Rohr aufsteigt.

Die Ergebnisse des konvektiven Koeffizienten der Zweiphasenströmung werden durch den Einphasen-Strömungskoeffizienten normiert. Der Abstand zwischen der Bewegung des Blasenschwanzes in einem Bezugssystem mit der Taylor-Blase wird durch den Rohrdurchmesser normiert. In diesem Video wurden Messungen der lokalen momentanen Wärmeübertragung und der Butzenströmung gezeigt.

Die Methode kann Informationen über die Wärmeübertragung liefern und die Einphasenströmung im Untersuchungsstadium sowie über komplexere Zweiphasenströmungen untersuchen. Einmal gemeistert, kann die Herstellung des Testrohrs in wenigen Stunden erledigt sein. Wenn Sie dieses Verfahren bei transienten Strömungen versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, den gesamten Prozess zu automatisieren, um wiederholte Ergebnisse zu gewährleisten, die später für einen Zusammenbau-Mittelungsprozess verwendet werden können.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein Wärmeübertragungstestrohr herstellt, das eine quantitative Untersuchung der konvektiven Wärmeübertragung in Rohrströmungen ermöglicht. Vergessen Sie nicht, dass diese Technik der konvektiven Wärmeübertragungsmessung auf viele Strömungskonfigurationen erweitert werden kann, wobei zusätzliche Geräte wie optische Eingabeaufforderungen und Hochgeschwindigkeitskameras verwendet werden.