Målinger af lokale øjeblikkelige konvektive varmetransport i et rør - enkelt- og 2-faset strøm
Summary
Dette manuskript beskriver metoder med henblik på måling af de lokale øjeblikkelige konvektive varme overførsel koefficienter i en enkelt eller to faser røret flow. En simpel optisk metode til at bestemme længden og formering hastigheden af en aflang (Taylor) luftboble bevæger sig med en konstant hastighed er også præsenteret.
Abstract
Håndskriftet indeholder trin for trin beskrivelse af fremstillingsprocessen af en test afsnit designet til at måle den lokale øjeblikkelige varme overførsel koefficient som en funktion af flydende flow i et gennemsigtigt rør. Med visse ændringsforslag, er metoden udvidet til gas-væske strømme, med særlig vægt på virkningen af en enkelt aflange (Taylor) luftboble på varme overførsel ekstraudstyr. En non-invasiv termografi teknikken anvendes til at måle den øjeblikkelige temperatur i en tynd metal folie opvarmes elektrisk. Folien er limet til at dække et smalt slot skåret i røret. Den termiske inerti i folien er lille nok til at opdage variationen i den øjeblikkelige folie temperatur. Afsnittet test kan flyttes langs røret og nok lang til at dække en betydelig del af den voksende termisk grænselag.
I begyndelsen af hver eksperimentelle run, en stationær tilstand med en konstant vand flow sats og varme flux at folien er nået og tjener som referencen. Taylor boble er derefter sprøjtet ind i røret. Varme overførsel koefficient variationer på grund af passage af en Taylor boble formerings i et lodret rør måles som funktion af afstanden mellem målepunkt fra bunden af den bevægelige Taylor boble. Resultaterne udgør således, de lokale varme overførsel koefficienter. Flere uafhængige kører præfabrikerede identiske betingelser tillade akkumulere tilstrækkelige data til at beregne pålidelige ensemble-gennemsnit resultater på de forbigående konvektive varmeoverførsel. For at kunne udføre dette i en referenceramme, bevæger sig med boblen, har placeringen af boble langs røret at være kendt på alle tidspunkter. Detaljeret beskrivelse af målinger af længden og translationel hastigheden af Taylor bobler af optiske sonder præsenteres.
Introduction
Talrige eksperimentelle undersøgelser af konvektive varmeoverførsel, ved hjælp af forskellige teknikker til at måle væg og/eller flydende temperatur i en bred vifte af flow konfigurationer, er blevet udført i løbet af de sidste årtier. En af de faktorer, der begrænser nøjagtigheden af temperaturmålinger i usikker processer er den langsomme svar af sensorer. For at registrere lokale øjeblikkelige vægtemperatur, har måleudstyr til at reagere hurtigt nok, mens den overflade, hvor temperaturen er indspillet må være i termisk ligevægt med tidsafhængig flow. Således har den termiske inerti i overfladen skal være tilstrækkeligt lille. De relevante tidsskalaer bestemmes af de hydrodynamiske fænomener, der kan medføre ændringen i den konvektive varmeoverførsel. Hurtig tid svar er således afgørende for optagelse tidsafhængig temperatur i forbigående flow.
For at opfylde disse krav, bruges en IR-kamera til at optage en særlig selv fremstillede test sektion, der giver mulighed for en hurtig temperatur svar til nogen ændring i strømmen. En del af rørvæggen er afskåret og erstattet med en tynd stål folie. En lignende fremgangsmåde blev brugt af Hetsroni et al. 1, men folien de brugte var for tyk til at præcist at måle ændringer i øjeblikkelige temperatur og kun tid i gennemsnit temperaturer blev præsenteret. Faldende folie tykkelse forbedret tid reaktion betydeligt. 2 denne metode blev anvendt i laboratoriet for at måle konvektive varme overførsel koefficienter i to faser flow3,4 og forbigående fænomener i enfasede røret flow5.
En skematisk layout af den tofasede flow facilitet er vist i figur 1, kan yderligere oplysninger om unikke air inlet enheden findes i Babin et al. 3
Undersøgelse af konvektive varmetransport i to faser flow er meget komplekse på grund af forbigående flow adfærd og effekten af ugyldige brøkdel i røret tværsnit. Derfor, mange undersøgelser har kun fremlagt en gennemsnitlig konvektive varme overførsel koefficient for et givet flow regime som en funktion af specifikke flow betingelser6,7,8,9,10 , 11. men papirerne af Donnelly et al. 12 og Liu et al. 13 repræsenterer eksempler på to faser lokale konvektive varme overførsel undersøgelser.
Den nuværende undersøgelse omhandler varme overførsel målinger omkring en enkelt aflange (Taylor) boble sprøjtes ind stillestående eller strømmende væske i et rør. Taylor boble udbreder i en konstant translationel hastighed14,15,16. Boble formering hastighed bestemmes ved hjælp af optisk sonder metode består af en laser lyskilde og fotodiode3,4.
Kombinationen af IR-kamera og af de optiske sonder giver mulighed for målinger af den lokale øjeblikkelige konvektive varmeoverførsel som funktion af afstanden fra enten Taylor boble øverst eller nederst.
Den øjeblikkelige vægtemperatur kan bruges til at beregne den konvektive varme overførsel koefficient, Hansenog Nusselt nummer:
, (1)
hvor q er den varme flux til folie, Tw og T∞ er væggen temperatur og vand starttemperatur k er henholdsvis den flydende ledningsevne og D er rør diameter. Bulk temperaturen, som er almindeligt anvendt til at bestemme de varme overførsel koefficienter blev ikke målt for at undgå at indføre enhver indblanding i strømmen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eksperimentelle undersøgelser af lokale varmetransport i forbigående røret flow er en kompliceret opgave, der kræver avancerede måleinstrumenter og metoder, samt en specialbygget eksperimentelle facilitet, navnlig en specialdesignet test sektion. Denne protokol viser en termografi teknik, der er i stand til trofast måle hurtigt tidsmæssige ændringer i vægtemperatur og varme overførselshastighed på grund af variationer i flow hydrodynamik.
En detaljeret beskrivelse af fremstillingspr…
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af 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 |
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).
