Mätningar av lokala momentana konvektiv värmeöverföring i ett rör - singel och två faser flöde
Summary
Detta manuskript beskriver metoder som syftar till att mäta de lokala momentana konvektiv värmeövergångstal i en enda eller två faser rörströmning. En enkel optisk metod att bestämma längd och förökning hastigheten av en långsträckt (Taylor) luftbubbla flyttar på en konstant hastighet presenteras också.
Abstract
Detta manuskript ger steg för steg beskrivning av processen för tillverkning av ett test avsnitt utformat för att mäta den lokala momentana värme överföring koefficienten som en funktion av flytande flödet i ett genomskinligt rör. Med vissa ändringsförslag förlängs metoden till vätske-flöden, med särskild tonvikt på effekten av en enskild långsträckt (Taylor) luftbubbla på värme överföring förbättring. En icke-invasiv Termografi-teknik används för att mäta en tunn metallfolie som värms elektriskt momentan temperatur. Folien är limmade för att täcka en smala springan skär i röret. Den termiska trögheten hos folien är liten nog att upptäcka variationen i momentana folie temperaturen. Avsnittet test kan flyttas längs röret och är tillräckligt lång för att täcka en betydande del av växande termisk gränsskikt.
I början av varje experimentella körning, ett stabilt tillstånd med en konstant vatten flödet klassar och värme flux att folien uppnås och serverar som referens. Taylor bubblan injiceras sedan in i röret. Värme överföring koefficienten variationer på grund av passagen av en Taylor bubbla förökningsmaterial i ett vertikalt rör mäts som funktion av avståndet från mätpunkten från botten av rörliga Taylor bubblan. Således representerar resultaten de lokala värmeövergångstal. Flera oberoende körningar förformade under identiska förhållanden kan ackumulera tillräckliga data för att beräkna tillförlitliga ensemble-genomsnitt resultat på övergående konvektiv värmeöverföring. För att utföra detta i en referensram som flyttar med bubblan, har platsen för bubblan längs röret känt hela tiden. Detaljerad beskrivning av mätningar av längden och translationell hastigheten av Taylor bubblor av optiska prober presenteras.
Introduction
Många experimentella studier av konvektiv värmeöverföring, använder olika tekniker för att mäta de vägg och/eller vätska temperatur i en mängd olika konfigurationer för flöde har utförts under de senaste decennierna. En av de faktorer som begränsar noggrannheten av temperaturmätningar i ostadig processer är långsamma svar av sensorer. För att spela in lokala momentana väggtemperatur, har mätutrustningen att svara snabbt nog, medan ytan där temperaturen skall registreras måste vara i termisk jämvikt med tidsberoende flödet. Således, den termiska trögheten av ytan måste vara tillräckligt små. De relevanta tidsskalor bestäms av de hydrodynamiska fenomen som orsakar ändringen i konvektiv värmeöverföring. Snabba svar är således avgörande för inspelning tidsberoende temperaturen i övergående flöde.
För att möta dessa krav, används en IR-kamera att spela in ett specialprov egentillverkade avsnitt som tillåter en snabb temperatur svar någon förändring i flödet. En del av rörväggen är avskuren och ersättas med en tunn folie i rostfritt stål. Ett liknande tillvägagångssätt användes av Hetsroni et al. 1, men folien de använde var för tjock för att noggrant mäta förändringar av momentana temperaturer och endast tid i det genomsnittliga temperaturer presenterades. Minska tjockleken folie förbättrats tid svaret. 2 denna metod tillämpades i labbet för att mäta konvektiv värmeövergångstal i två faser flöde3,4 och övergående fenomen i enfas pipe flöde5.
En Schematisk layout i anläggningen two-phase flöde ges i figur 1, kan ytterligare information om unika luft inlopp enheten hittas i Babin o.a. 3
Undersökning av konvektiv värmeöverföring i två faser flödet är mycket komplex på grund av beteendet övergående flöde och effekten av ogiltiga fraktionen i röret tvärsnitt. Därför många studier har endast lagt fram en genomsnittlig Konvektiv värme överföring koefficienten för ett visst flöde regimen som en funktion av specifika flöde villkor6,7,8,9,10 , 11. men tidningarna av Donnelly o.a. 12 och Liu et al. 13 utgör exempel på två faser lokala Konvektiv värme överföring studier.
Den aktuella studien behandlar värme överföring mätningar runt en enda långsträckt (Taylor) bubbla injiceras i stillastående eller rinnande vätska i ett rör. Taylor bubblan propagerar i en konstant translationell hastighet14,15,16. Bubbla förökning hastigheten bestäms med hjälp av optiska prober metod bestående av en laser ljuskälla och fotodiod3,4.
Kombinationen av IR-kameran och de optiska proberna tillåter mätningar av lokala momentana konvektiv värmeöverföring som en funktion av avståndet från antingen Taylor bubbla toppen eller botten.
Den momentana väggtemperatur kan användas för att beräkna Konvektiv värme överföring koefficienten, hoch antalet Nusselt:
, (1)
där q är värmeflödet till folien, Tw och T∞ är väggtemperatur och inlopp vattentemperaturen k är respektive flytande ledningsförmåga och D är rördiametern. Bulk temperaturen som vanligtvis används för att bestämma värmeövergångstal mättes inte för att undvika att införa eventuella störningar i flödet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentell undersökning av lokala värmeöverföring i övergående rörströmning är en komplicerad uppgift som kräver avancerade mätinstrument och metoder, samt en specialbyggd experimentanläggning, i synnerhet en specialdesignad test avsnitt. Detta protokoll visar en Termografi-teknik som klarar mäta troget snabbt tidsmässiga förändringar i väggtemperatur och värme överföringshastighet på grund av variationer i flöde hydrodynamik.
En detaljerad beskrivning av processen fö…
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av Israel Science Foundation, grant nr 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).
