Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung
Summary
Dieses Manuskript beschreibt Methoden zur Messung der lokalen momentane konvektive Wärmedurchgangskoeffizienten in einem ein- oder zweistufigen rohrströmung. Eine einfache optische Methode zur Bestimmung der Länge und der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer länglichen (Taylor)-Luftblase, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird ebenfalls dargestellt.
Abstract
Diese Handschrift enthält Schritt-für-Schritt-Beschreibung des Herstellungsprozesses einer Messstrecke entwickelt, um der lokalen momentane Wärmeübergangskoeffizient als Funktion der flüssigen Durchflussmenge in einem transparenten Rohr zu messen. Mit einigen Änderungen erstreckt sich der Ansatz auf Gas-Flüssigkeit fließt, mit Schwerpunkt auf die Wirkung von einem einzigen länglichen (Taylor) Luftblase auf Hitze-Transfer-Erweiterung. Eine nicht-invasive Thermographie-Technik wird angewendet, um die momentane Temperaturmessung aus einer dünnen Metallfolie, elektrisch beheizt. Die Folie wird geklebt, um einen schmalen Schlitz in das Rohr geschnitten zu decken. Die thermische Trägheit der Folie ist klein genug, um die Variation in die momentane Folie Temperatur zu erkennen. Im Testabschnitt entlang des Rohres bewegt werden kann und ist lang genug, um einen beträchtlichen Teil der wachsenden thermische Grenzschicht zu decken.
Am Anfang jeder einzelne Versuch eine Steady-State mit einem konstanten Wasser Flow Rate und Hitze Flussmittel auf die Folie erreicht und dient als Referenz. Die Taylor-Blase wird dann in das Rohr injiziert. Die Hitze Übertragung Koeffizient Variationen durch Zeitablauf eine Taylor-Blase Vermehrung in ein senkrechtes Rohr wird als Funktion des Abstandes von der Mess-Stelle von der Unterseite der beweglichen Taylor Blase gemessen. Somit stellen die Ergebnisse der örtlichen Wärmedurchgangskoeffizienten. Mehrere unabhängige Durchläufe vorgeformt unter identischen Bedingungen erlauben anfallende ausreichende Daten zuverlässig Ensemble gemittelte Ergebnisse auf die transiente konvektive Wärmeübertragung berechnen. Um dies in einem Bezugssystem bewegt sich mit der Blase durchzuführen, muss die Lage der Blase entlang des Rohres zu allen Zeiten bekannt sein. Detaillierte Beschreibung der Messung der Länge und der translatorische Geschwindigkeit Taylor Blasen durch optische Sonden wird vorgestellt.
Introduction
In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche experimentelle Studien der konvektive Wärmeübertragung, mit verschiedenen Techniken, um die Wand bzw. die Temperatur der Flüssigkeit in einer Vielzahl von Fluss-Konfigurationen, Messen durchgeführt. Einer der Faktoren, die die Genauigkeit der Temperaturmessung im instationären Prozesse begrenzt ist die langsame Reaktion der Sensoren. Um lokale momentane Wandtemperatur zu erfassen, muss die Messgeräte schnell genug reagieren, während die Oberfläche die Temperaturerfassung im thermischen Gleichgewicht mit der zeitabhängigen Strömung muss. Die thermische Trägheit der Oberfläche muss also klein genug sein. Die relevanten Zeitskalen richten sich nach der hydrodynamischen Phänomene, die die Änderung in die konvektive Wärmeübertragung führen. Schnelle Reaktionszeit ist somit entscheidend für die Aufnahme der zeitabhängigen Temperatur in Transiente Strömung.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, dient eine IR-Kamera, eine spezielle eigengefertigte Messstrecke aufzuzeichnen, die eine schnelle Temperatur-Antwort auf jede Änderung in den Fluss ermöglicht. Ein Teil der Rohrwand wird abgeschnitten und durch eine dünne Folie aus rostfreiem Stahl ersetzt. Ein ähnlicher Ansatz wurde von Hetsroni Et Al. verwendet. 1, die Folie, die sie benutzten war jedoch zu dick, um Änderungen der momentanen Temperaturen Messen und nur Zeit im Durchschnitt Temperaturen wurden vorgestellt. Verringerung der Dicke der Folie verbessert das Zeitverhalten erheblich. 2 dieses Verfahren wurde im Labor, um konvektive Wärmedurchgangskoeffizienten Zweiphasenströmung3,4 und Transienten Phänomene in einphasigen Rohr fließen5messen.
Ein schematischer Aufbau der Zweiphasenströmung Anlage in Abbildung 1angegeben wird, zusätzliche Informationen über das einzigartige Air Inlet Gerät Babin Et Al. finden Sie im 3
Untersuchung der konvektive Wärmeübertragung in zwei-Phasen-Strömung ist sehr komplex aufgrund der vorübergehenden Fließverhalten und die Wirkung der nichtig Bruch in den Rohrquerschnitt. Daher haben viele Studien nur eine durchschnittliche konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten für einen gegebenen Strömungsregime in Abhängigkeit von bestimmten Strömung Bedingungen6,7,8,9,10 vorgestellt , 11. jedoch die Papiere von Donnelly Et Al. 12 und Liu Et al. 13 stellen Beispiele für zwei-Phasen-lokale Konvektionswärme Übertragung Studien dar.
Die vorliegende Studie befasst sich mit Hitze-Transfer Messungen um eine einzelne längliche (Taylor) Blase injiziert stagniert oder Flüssigkeit in einem Rohr fließt. Die Taylor-Blase breitet sich in einer Konstanten translatorische Geschwindigkeit14,15,16. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Blase wird bestimmt mit optischen Sonden Methode bestehend aus Laser-Lichtquelle und Fotodiode3,4.
Die Kombination von der IR-Kamera und der optische Sonden erlaubt Messungen von der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung als Funktion des Abstandes vom Taylor Blase oben oder unten.
Die momentane Wandtemperatur kann verwendet werden, um den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten, hund die Nusselt-Zahl zu berechnen:
, (1)
wo q ist der Wärmestrom an der Folie, Tw und T∞ sind die Wandtemperatur und die Eintrittstemperatur Wasser bzw. k ist die flüssige Leitfähigkeit und D ist der Durchmesser des Rohres. Die Massentemperatur, das allgemein verwendet ist, um festzustellen, die Wärmedurchgangskoeffizienten wurde nicht gemessen, um vermeiden Störungen auf den Fluss.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentelle Untersuchung der lokalen Wärmeübertragung in transiente rohrströmung ist eine komplizierte Aufgabe, die High-End-Messgeräte und Methoden sowie eine maßgeschneiderte Versuchsanlage insbesondere erfordert eine speziell entwickelte Testabschnitt. Dieses Protokoll zeigt eine Thermographie-Technik, die schnelle zeitliche Veränderungen Wandtemperatur und Wärmeübertragungsrate aufgrund von Schwankungen im Fluss Hydrodynamik treu zu messen vermag.
Eine detaillierte Beschreibung …
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von der 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
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