Misure di scambio di calore convettivo istantanea locale in un tubo - flusso singolo e due fasi
Summary
Questo manoscritto descrive metodi finalizzati a misura dei coefficienti di scambio di calore convettivo istantanea locale in un flusso di tubo monofase o bifase. Viene presentato un metodo ottico semplice per determinare la lunghezza e la velocità di propagazione di una bolla di aria (Taylor) allungata muove a una velocità costante.
Abstract
Questo manoscritto fornisce descrizione passo passo del processo produttivo di una sezione di test progettato per misurare il coefficiente di trasferimento di calore istantaneo locale in funzione della portata liquida in un tubo trasparente. Con alcuni emendamenti, l’approccio è esteso ai flussi di gas-liquido, con una particolare enfasi sull’effetto di una singola bolla di aria (Taylor) allungata su incremento dello scambio termico. Una tecnica non invasiva termografia è applicata per misurare la temperatura istantanea di un sottile foglio di metallo riscaldato elettricamente. La lamina è incollata per coprire una sottile fessura tagliata nel tubo. L’inerzia termica della lamina è abbastanza piccolo per rilevare la variazione nella temperatura istantanea lamina. La sezione di prova può essere spostata lungo il tubo ed è abbastanza a lungo per coprire una parte considerevole dello strato limite termico crescente.
All’inizio di ogni esecuzione sperimentale, uno stato di costante con un flusso d’acqua costante tasso e calore di flusso all’estruso è raggiunto e serve come riferimento. La bolla di Taylor viene quindi iniettata nel tubo. Le variazioni di coefficiente di trasferimento termico dovuto al passaggio di una bolla di Taylor di moltiplicazione in un tubo verticale viene misurata come funzione della distanza del punto di misura dalla parte inferiore della bolla Taylor commovente. Pertanto, i risultati rappresentano i coefficienti di trasferimento di calore locale. Più esecuzioni indipendenti preformati in condizioni identiche permettono di accumularsi dati sufficienti calcolare risultati affidabili di una media di ensemble sul trasferimento di calore convettivo transitoria. Per eseguire questa operazione in un quadro di riferimento in movimento con la bolla, la posizione della bolla lungo il tubo deve essere conosciuto in ogni momento. Descrizione dettagliata delle misure della lunghezza e della velocità traslazionale delle bolle Taylor dalle sonde ottiche è presentato.
Introduction
Numerosi studi sperimentali di trasferimento di calore convettivo, utilizzando diverse tecniche per misurare la parete e/o la temperatura del fluido in una varietà di configurazioni di flusso, sono stati effettuati durante gli ultimi decenni. Uno dei fattori che limita la precisione delle misurazioni di temperatura nei processi instabili è la risposta lenta dei sensori. Per registrare la temperatura di parete istantanea locale, l’apparecchiatura di misurazione deve rispondere abbastanza velocemente, mentre la superficie in cui è registrata la temperatura deve essere in equilibrio termico con il flusso del tempo-dipendente. Pertanto, l’inerzia termica della superficie deve essere sufficientemente piccolo. Le scale di tempo rilevante sono determinate dai fenomeni idrodinamici che causano il cambiamento nel trasferimento di calore convettivo. Veloce tempo di risposta è così cruciale per la temperatura dipendente dal tempo di registrazione nel flusso transitorio.
Per soddisfare questi requisiti, una telecamera a infrarossi viene utilizzata per registrare una sezione di prova speciale di fabbricati che consente una risposta veloce della temperatura a qualsiasi cambiamento nel flusso. Una parte della parete del tubo è tagliata e sostituita con una sottile lamina di acciaio inox. Un approccio simile è stato utilizzato da Hetsroni et al. 1, tuttavia, la pellicola che hanno usato era troppo spessa per misurare con precisione i cambiamenti di temperatura istantanea e soltanto le temperature medie sono state presentate. Diminuendo lo spessore della lamina migliorato considerevolmente il tempo di risposta. 2 questo metodo è stato applicato in laboratorio per misurare i coefficienti di scambio termico convettivo in flusso bifase3,4 e fenomeni transitori in monofase tubo flusso5.
Un layout schematico della struttura di flusso bifase è dato in Figura 1, ulteriori informazioni sul dispositivo di aspirazione di aria unico possono essere trovate Babin et al. 3
Indagine del trasferimento di calore convettivo in flusso bifase è molto complessa a causa del comportamento di flusso transitorio e l’effetto della frazione sub la sezione del tubo. Di conseguenza, molti studi hanno presentato solo un coefficiente di trasferimento di calore convettivo medio per un regime di flusso dato come una funzione di flusso specifico condizioni6,7,8,9,10 , 11. Tuttavia, le carte da Donnelly et al. 12 e Liu et al. 13 rappresentano esempi di studi di trasferimento di calore convettivo locale in due fasi.
Il presente studio si occupa di misure di trasferimento di calore intorno a una singola bolla allungata (Taylor) iniettato nella stagnante o liquido in un tubo corrente. La bolla di Taylor si propaga a una velocità costante traslazionale14,15,16. La velocità di propagazione della bolla viene determinata utilizzando il metodo sonde ottico costituito da una sorgente di luce laser e il fotodiodo3,4.
La combinazione della telecamera IR e delle sonde ottiche permette misurazioni del trasferimento di calore convettivo istantanea locale in funzione della distanza da Taylor bolla superiore o inferiore.
La temperatura di parete istantanea può essere utilizzata per calcolare il coefficiente di scambio termico convettivo, he il numero di Nusselt:
, (1)
dove q è il flusso di calore sull’estruso, Tw e T∞ sono la temperatura di parete e la temperatura acqua ingresso rispettivamente, k è la conducibilità del liquida e D è il diametro del tubo. La temperatura di massa che è comunemente usata per determinare i coefficienti di scambio termico non è stata misurata al fine di evitare l’introduzione di eventuali interferenze al flusso.
Protocol
Representative Results
Discussion
Indagine sperimentale del trasferimento di calore locale nel flusso tubo transitoria è un compito complicato che richiede strumenti di misura High-end e metodi, nonché un impianto sperimentale costruito su misura, in particolare, una sezione di test appositamente progettati. Il presente protocollo Visualizza una tecnica di termografia che è in grado di misurare fedelmente veloce temporali cambiamenti nella temperatura di parete e nella velocità di trasferimento di calore a causa delle variazioni sull’idrodinamica del…
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, grant n. 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).
