Mediciones de transferencia de calor convectivo instantánea Local en una pipa - flujo bifásico y solo
Summary
Este manuscrito describe métodos para medir coeficientes de transferencia de calor convectivo instantánea local en un flujo de tubería simple o dos fases. También se presenta un sencillo método óptico para determinar la longitud y la velocidad de propagación de una burbuja de aire (Taylor) alargada moviéndose a una velocidad constante.
Abstract
Este manuscrito ofrece descripción paso a paso el proceso de fabricación de una sección de prueba diseñada para medir el coeficiente de transferencia de calor instantánea local en función de la tasa de flujo de líquido en un tubo transparente. Con algunas modificaciones, el enfoque se extiende a los flujos de gas y líquido, con particular énfasis en el efecto de una sola burbuja de aire alargada (Taylor) en mejora de la transferencia de calor. Una técnica no invasiva de la termografía se aplica para medir la temperatura instantánea de una delgada hoja de metal calentada eléctricamente. La lámina se pega para cubrir una ranura angosta en el tubo. La inercia térmica de la hoja es lo suficientemente pequeña como para detectar la variación de la temperatura instantánea de la hoja. La sección de prueba se puede mover a lo largo de la tubería y es suficiente para cubrir una parte considerable de la capa de límite termal creciente.
Al comienzo de cada corrida experimental, un estado estacionario con un flujo constante del agua flujo ritmo y calor a la lámina es alcanzado y sirve como referencia. La burbuja de Taylor entonces se inyecta en el tubo. Las variaciones de coeficiente de transferencia de calor por el paso de una burbuja de Taylor propagar en un tubo vertical se mide como función de la distancia del punto que mide desde la parte inferior de la burbuja móvil de Taylor. Así, los resultados representan los coeficientes de transferencia de calor local. Múltiples carreras independientes realizados en condiciones idénticas permiten acumulados datos suficientes para calcular los resultados promedio de conjunto fiables sobre la transferencia de calor por convección transitoria. Para llevar a cabo esto en un marco de referencia en movimiento con la burbuja, la localización de la burbuja a lo largo de la tubería debe conocerse en todo momento. Se presenta la descripción detallada de las medidas de la longitud y la velocidad de traslación de las burbujas de Taylor por sondas ópticas.
Introduction
Numerosos estudios experimentales de transferencia de calor por convección, usando diferentes técnicas para medir la pared o la temperatura del fluido en una variedad de configuraciones de flujo, se han realizado durante las últimas décadas. Uno de los factores que limita la precisión de las mediciones de temperatura en procesos inestables es la lentitud de la respuesta de los sensores. Para registrar temperatura de pared instantánea local, el equipo de medición tiene que responder rápido, mientras que la superficie en que se registra la temperatura debe estar en equilibrio térmico con el flujo dependiente del tiempo. Así, la inercia térmica de la superficie tiene que ser lo suficientemente pequeñas. Las escalas de tiempo relevantes son determinadas por los fenómenos hidrodinámicos que causan el cambio en la transferencia de calor por convección. Rápido tiempo de respuesta es crucial para la grabación de la temperatura dependiente del tiempo de flujo transitorio.
Para cumplir estos requisitos, una cámara de infrarrojos se utiliza para grabar una sección de pruebas especiales de producción propia que permite una respuesta rápida de la temperatura a cualquier cambio en el flujo. Una parte de la pared del tubo es cortada y substituida por una hoja fina de acero inoxidable. Un acercamiento similar fue utilizado por Hetsroni et al. 1, sin embargo, la lámina que utiliza era demasiado gruesa para medir con precisión los cambios de temperatura instantánea y temperaturas promedio de tiempo sólo se presentaron. Disminuye el grosor de la hoja mejora considerablemente el tiempo de respuesta. 2 se aplicó este método en el laboratorio para medir coeficientes de transferencia de calor por convección en flujo bifásico3,4 y fenómenos transitorios en monofásico tubería flujo5.
Un diseño esquemático de la instalación del flujo bifásico se da en la figura 1, puede encontrarse información adicional en el dispositivo de entrada de aire única en Babin et al. 3
Investigación de la transferencia de calor por convección en flujo bifásico es muy compleja debido al comportamiento del flujo transitorio y el efecto de la fracción de vacío en la sección transversal de la tubería. Por lo tanto, muchos estudios solamente han presentado un coeficiente de transferencia de calor por convección promedio para un régimen de flujo dada como una función de flujo condiciones6,7,8,9,10 , 11. sin embargo, los papeles por Donnelly et al. 12 y Liu et al. 13 representan ejemplos de estudios de transferencia de calor por convección local dos fases.
El presente estudio se ocupa de las mediciones de transferencia de calor alrededor una burbuja alargada (Taylor) solo inyecta en estancamiento o fluido en una tubería. La burbuja de Taylor se propaga en una velocidad de traslación constante14,15,16. La velocidad de propagación de burbuja se determina usando el método de sondas ópticas que consisten en una fuente de luz láser y un fotodiodo3,4.
La combinación de la cámara de infrarrojos y de las sondas ópticas permite realizar mediciones de la transferencia de calor convectivo instantánea local en función de la distancia desde la parte superior de la burbuja de Taylor o inferior.
La temperatura instantánea de la pared puede utilizarse para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección, hy el número de Nusselt:
, (1)
donde q es el flujo de calor a la lámina, Tw y T∞ son la temperatura de la pared y la temperatura del agua de entrada respectivamente, k es la conductividad del líquido y D es el diámetro de la tubería. No se midió la temperatura a granel que se utiliza comúnmente para determinar los coeficientes de transferencia de calor con el fin de evitar la introducción de cualquier interferencia al flujo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Investigación experimental de transferencia de calor local en el flujo de la pipa transitoria es una tarea complicada que requiere instrumentos de medición de alta calidad y métodos, así como un centro experimental a la medida, en particular, una sección de prueba especialmente diseñados. El presente Protocolo muestra una técnica de termografía que es capaz de medir fielmente rápido temporales cambios en la temperatura de la pared y en velocidad de transferencia de calor debido a variaciones en la hidrodinámica…
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por la Fundación de ciencia de Israel, beca # 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
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