Målinger av lokale øyeblikkelig konvektive varmeoverføring i et rør - enkelt og tofaset
Summary
Dette manuskriptet beskriver metoder å måle de lokale øyeblikkelig konvektive varme overføring koeffisientene i en enkelt eller tofasede rør strøm. En enkel optisk metode å avgjøre lengden og overføring hastighet av en langstrakt (Taylor) luftboble flytte på en konstant hastighet er også presentert.
Abstract
Dette manuskriptet gir steg for steg beskrivelse av produksjonsprosessen for en test utviklet for å måle den lokale øyeblikkelige varme overføring koeffisienten som en funksjon av flytende infusjonshastigheten i et gjennomsiktig rør. Med visse endringer, er tilnærmingen utvidet til gass-væske renner, med særlig vekt på effekten av en enkelt langstrakt (Taylor) luftboble på varme overføring ekstrautstyr. En ikke-invasiv termografi teknikk er brukt for å måle øyeblikkelig temperaturen av en spinkle metallisk foil oppvarmet elektrisk. Folien er limt for å dekke et smalt spor i røret. Den termiske tregheten til folien er liten nok til å oppdage variasjonen i umiddelbar folie temperaturen. Delen test kan flyttes langs røret og er lenge nok til å dekke en betydelig del av den voksende termisk grenselag.
På begynnelsen av hver eksperimentelle kjøring, en steady-state med en konstant vann flow rate og varme forandring til folie er oppnådd og fungerer som referanse. Taylor boblen er deretter sprøytes inn i røret. Varme overføring koeffisienten variasjoner på grunn av passering av en Taylor boble overføres i et vertikalt rør måles som funksjon av avstanden måler punktet fra bunnen av bevegelige Taylor boblen. Dermed representerer resultatet lokale varme overføring koeffisienter. Flere uavhengige kjører utført under like kan akkumulere tilstrekkelig data til å beregne pålitelige ensemble-gjennomsnitt resultater på forbigående konvektive varmeoverføring. For å utføre dette i referanse flytte med boble, har plasseringen av boblen langs røret kjent hele tiden. Detaljert beskrivelse av målinger av lengden og translasjonsforskning hastigheten av Taylor bobler av optisk sonder presenteres.
Introduction
Mange eksperimentelle studier av konvektive varmeoverføring, bruke ulike teknikker for å måle veggen og/eller flytende temperatur i en rekke flyt konfigurasjoner, er utført i løpet av de siste tiårene. En av faktorene som begrenser nøyaktigheten av temperaturmålinger i ustø prosesser er langsom svaret sensorer. For å registrere lokale øyeblikkelig veggen temperatur, må måle utstyret svare raskt nok, mens overflaten der temperaturen er registrert må være i termisk likevekt med tidsavhengige strømmen. Dermed har den termiske tregheten til overflaten tilstrekkelig liten. De relevante tidsskalaer bestemmes av etter fenomener som forårsaker endring i konvektive varmeoverføring. Rask tid reaksjon er dermed avgjørende for opptak tidsavhengige temperaturen i forbigående flyt.
For å møte disse kravene, brukes et IR-kamera til å registrere en spesiell selvtillit produseres test delen som lar en rask temperatur respons på endringer i flyten. En del av rør veggen er avskåret og erstattet med en tynn rustfritt stål folie. En lignende fremgangsmåte ble brukt av Hetsroni et al. 1, men folien de brukte var for tykk å måle endringer av øyeblikkelig temperaturer og gjennomsnittlige temperaturer bare ble presentert. Redusere folie tykkelsen forbedret tid svaret betraktelig. 2 denne metoden ble brukt i laboratoriet å måle konvektive varme overføring koeffisienter i tofaset flyt3,4 og midlertidig fenomener i enfase pipe flyt5.
Et skjematisk oppsett av tofaset flyt er gitt i figur 1, finnes tilleggsinformasjon på unike luft inntak enheten i Babin et al. 3
Undersøkelse av konvektive varmeoverføring i tofaset flyt er svært kompleks forbigående flyt virkemåten og effekten av ugyldig brøk i rør tverrsnittet. Derfor har mange studier bare presentert en gjennomsnittlig konvektive varme overføring koeffisient for et gitt flyt regime som en funksjon av spesifikk strømmen forhold6,7,8,9,10 , 11. men avisene av Donnelly et al. 12 og Liu et al. 13 representerer eksempler på tofaset lokale konvektive varme overføring studier.
Studien avtaler med varme overføring målinger rundt en enkelt langstrakt (Taylor) boble injisert i stagnerende eller flytende væske i et rør. Taylor boblen forplanter seg i en konstant translasjonsforskning hastighet14,15,16. Boble overføring hastighet bestemmes ved hjelp av optisk sonder metoden består av en laser lyskilde og photodiode3,4.
Kombinasjonen av IR kameraet og optisk sonder kan målinger av lokale øyeblikkelig konvektive varmeoverføring som en funksjon av avstanden fra enten Taylor boblen øverst eller nederst.
Øyeblikkelig veggen temperaturen kan brukes til å beregne konvektive varme overføring koeffisient, hog hvor Nusselt:
, (1)
der q er varme fluks til folie, Tw og T∞ er veggen temperaturen og den vanntemperaturen k er henholdsvis flytende ledningsevne D er rør diameter. Bulk temperaturen som er vanlig å finne varme overføring koeffisienter ble ikke målt for å unngå å innføre noen forstyrrelser i flyten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eksperimentell undersøkelse av lokale varmeoverføring i midlertidig rør flyt er en komplisert oppgave som krever high-end måleinstrumenter og metoder, samt et spesialbygd Eksperimentsenter, spesielt en spesialdesignet test del. Nåværende protokollen viser en termografi teknikk som kan måle trofast rask tidsmessige endringer i veggen temperatur og varme overføringshastighet på grunn av variasjoner i flyt hydrodynamikk.
En detaljert beskrivelse av produksjonen av delen test presenteres….
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av 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).
