מדידות של העברת החום הולכת חום מקומי מיידי בתוך צינור - יחיד, דו-שלבית זרימה

Summary

כתב יד זה מתאר שיטות שמטרתה מדידת מקדמי העברה מקומית נקודתית חום הולכת חום בתוך זרם צינור בודד או שני שלבים. גם מוצגת שיטה אופטי פשוטה כדי לקבוע את האורך ואת את מהירות התפשטות של בועת אוויר מוארך (טיילור) נע במהירות קבועה.

Abstract

כתב יד זה מספק תיאור צעד אחר צעד של תהליך הייצור של מקטע המבחן נועד למדוד את מקדם העברת חום מיידי המקומי כפונקציה של קצב זרימת הנוזל בתוך צינור שקוף. עם תיקונים מסוימים, הגישה מורחב קולח גז נוזלי, עם דגש על ההשפעה של בועת אוויר (טיילור) בודד מוארך על שיפור העברת החום. שיטה לא פולשנית הדמאה תרמית חלה כדי למדוד את טמפרטורת מיידי רדיד מתכת דק מחוממים בחשמל. מסכל מודבק לכסות חריץ צר לחתוך בצינור. האינרציה התרמית של רדיד האלומיניום הוא קטן מספיק כדי לזהות את הווריאציה הטמפרטורה בנייר כסף מיידי. סעיף מבחן ניתן להעביר לאורך הצינור, ארוך מספיק לכסות חלק ניכר של שכבת הגבול תרמי הולך וגדל.

בתחילת כל הפעלה ניסיונית, מצב יציב עם מים קבוע זרימת זרם בקצב וחום כדי לסכל מושגת ומשמש ההפניה. הבועה טיילור אז מוזרק לתוך הצינור. הווריאציות מקדם העברת חום עקב המעבר של בועה טיילור הפצת בתוך צינור אנכי נמדד כ פונקציה של המרחק של הנקודה מדידה מהחלק התחתון של הבועה טיילור נע. לכן, התוצאות מייצגים את מקדמי העברת חום מקומי. מספר הרצפים עצמאית שהופעתם בהם בתנאים זהים לאפשר צבירת מספיק נתונים לחישוב תוצאות אמינות בממוצע-אנסמבל על העברת חום הולכת חום ארעית. כדי לבצע זאת בתוך מסגרת התייחסות לנוע עם הבועה, המיקום של הבועה לאורך הצינור צריך להיות מוכר בכל עת. תיאור מפורט של מדידות של האורך ואת המהירות translational הבועות טיילור על ידי הגששים אופטי מוצג.

Introduction

מחקרים ניסויים רבים של העברת החום הולכת חום, תוך שימוש בטכניקות שונות כדי למדוד את קיר ו/או טמפרטורת נוזל במגוון תצורות זרימת, בוצעו במהלך העשורים האחרונים. אחד הגורמים המגבילים את הדיוק של מדידות טמפרטורה בתהליכים לא יציב הוא התגובה האיטית של החיישן. כדי להקליט טמפרטורה מקומית קיר מיידי, ציוד מדידה יש להגיב מספיק מהר, ואילו השטח שבו הטמפרטורה תוקלט חייב להיות בשיווי משקל תרמי עם הזרם תלויי-זמן. לפיכך, האינרציה התרמית של המשטח חייב להיות מספיק קטן. הזמן המכוסה קשקשי נקבעים לפי התופעות hydrodynamic הגורמות לשינוי ותזוזת החום הולכת חום. הזמן מהיר תגובה חיונית ובכך הקלטה הטמפרטורה תלויי-זמן בזרם ארעי.

כדי לעמוד בדרישות אלה, מצלמת אינפרא-אדום משמש לרישום לבחינה מתוצרת עצמית סעיף זה מאפשר תגובה מהירה בטמפרטורה כל שינוי בזרימת. חלק החומה צינור לחתוך והוחלף תשובה מכשילה מפלדת דק. בגישה דומה היה בשימוש על ידי חצרוני. et al. ¹, עם זאת, רדיד האלומיניום שהם השתמשו היה עבה מדי כדי למדוד במדויק את השינויים של טמפרטורות מיידי, רק זמן ממוצע הטמפרטורות הוצגו. הפחתת עובי נייר וציוניו השתפרו באופן משמעותי את זמן התגובה. ² שיטה זו הוחל במעבדה כדי למדוד חום הולכת חום העברת זרימה דו-שלבית^3,4 והקבוע תופעות ארעי חד-פאזי צינור זרימה⁵.

פריסה סכמטי של המתקן דו-שלבית זרימה ניתנת באיור1, פרטים נוספים על המכשיר כניסת אוויר ייחודי ניתן למצוא בבין. et al. ³

חקירה של העברת החום הולכת חום בזרימה דו-שלבית מורכב מאוד בשל התנהגות ארעית הזרימה ואת ההשפעה של השבר חלל הצינור חתך הרוחב. לכן, מחקרים רבים רק הציגו למקדם של העברת חום הולכת חום ממוצע משטר זרימה נתונה כפונקציה של זרם מסוים התנאים^{6,7,8,9,10 , 11}. לעומת זאת, המסמכים על-ידי. דונלי et al. ¹² ו ליו. et al. ¹³ מייצגים דוגמאות של שני שלבים חום הולכת חום מקומי העברת מחקרים.

המחקר הנוכחי עוסק מדידות העברת חום סביב בודד מוארך (טיילור) בועה מוזרק קיפאון או זורם נוזל בתוך צינור. הבועה טיילור מפיצה ב^15,14,16מהירות translational מתמדת. מהירות התפשטות בועה נקבע בשיטה הגששים אופטי המורכב מקור אור לייזר ופוטודיודה^3,4.

השילוב של מצלמת האינפרא אדום ושל את הגששים אופטי מאפשר מדידות של העברת חום מקומי הולכת חום מיידי כפונקציה של המרחק טיילור בועה העליון או התחתון.

הטמפרטורה קיר מיידי יכול לשמש כדי לחשב את מקדם העברת חום הולכת חום, h, ואת מספר Nusselt:

, (1)

כאשר q הוא שטף חום כדי לסכל, T_w T_∞ הטמפרטורה קיר הינם טמפרטורת המים כניסת בהתאמה, k הוא מוליכות נוזלי ו- D הוא לפי קוטר הצינור. לא נמדדה הטמפרטורה בצובר המשמש בדרך כלל לקביעת מקדמי העברת חום כדי להימנע מהחדרה כל הפרעה לזרימה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. לבדוק את מקטע עבור מדידות טמפרטורה מיידי

1. תהליך הייצור של סעיף מבחן (איור 2)
   1. לחתוך קטע צינור לפחות 70 ס מ באורך.
      הערה: קוטר וקיר עובי סעיף מבחן צריך להיות זהה לזה של הצינור בשימוש במתקן ניסיוני.
   2. השימוש מכונת הטחינה לחתוך 4 חלונות צרים סמוכים לאורך הצינור בסעיף מבחן, כל חלון רחב 6 מ מ, 80 מ מ ארוך עם פער של 25 מ מ בין חלונות רצופים.
   3. מ 12 מיקרומטר דק מפלדת רדיד, 40-60 cmlong ו- 12 מ מ רחב רצועות לחתוך.
      הערה: נייר הכסף ישמש כדי לאטום את החלונות בצינור הבדיקה. פלדת צריך להיות מצופה שני פסים זהב לסמן במרחק קטן מקצות רדיד האלומיניום, נועדו לשמש כדי לרתך את החוטים אספקת כוח כדי לחמם את רדיד האלומיניום, ראה איור 2.
   4. למדוד רדיד האלומיניום באמצעות מד התנגדות התנגדות חשמלית.
   5. מניחים את נייר הכסף בתוך הצינור השלבים המתוארים להלן.
      1. ליצור בסיס להכנסת מסכל לתוך סעיף מבחן עשוי צינור קשיח עם הקוטר החיצוני שווה לזה של הקוטר הפנימי של צינור הבדיקה. לשם כך, לחתוך, 20 מ מ רחב ו כ 80 ס מ זמן חלק החומה צינור
      2. המעיל הבסיס עם גריז לפני הצבת מסכל על זה, כדי לאפשר התנתקות הבסיס מ מסכל בשלב מאוחר יותר.
      3. מניחים את נייר הכסף על הבסיס ולשטח אותו. לקחת מטלית עם אלכוהול ולנקות את רדיד האלומיניום של כל השומן העודף.
      4. ליישם את הדבק בפריפריה רדיד במקטעים שלושה של רדיד האלומיניום המתאים למיקום של הגשרים בין החלונות רצופים.
         הערה: הדבק חייב להיות חזק עם תקופה התקשות הראשונית לפחות 20 דקות על מנת להבטיח זמן מספיק רדיד מצורף תהליך; אפוקסי DP 460 משמש.
      5. להוסיף בזהירות הבסיס עם מסכל לתוך סעיף מבחן בנייר פונה כלפי מעלה לעבר החלונות.
         הערה: תהליך זה צריך להיעשות על ידי שני אנשים.
      6. ודא רדיד האלומיניום מיושר עם windows, הפסים זהב צריך להיות בקצה שני חלונות חיצוניים. לאחר מסכל ממוקם כראוי, מכסה את החלונות, לקשר את הבסיס לצינור מבחן בסוף כל באמצעות מלחציים.
      7. בזהירות הכנס צמיג הפנימי אופניים מקופלים לתוך הצינור תחת הבסיס, משמנים את הצמיג במידת הצורך. מנפח את הצמיג. בתקופת האינפלציה להתבונן שהדבק מתפשט מסכל ופנייה הבסיס.
         הערה: למידת הלחץ המופעל על ידי הצמיג המנופח יבטיח כי הדבק יקשור את הדופן הפנימית של הצינור, את רדיד האלומיניום. זה גם לעצב את נייר הכסף למבנה המעוגל של הצינור ולהפחית כל הפרעות אפשריות לזרימה את רדיד האלומיניום או הדבק.
      8. עם מטלית, נקה כל דבק עודף זה, הגיע אל פתחי החלונות.
      9. תן היבשה דבק על ה 24 Deflate הצמיג, לחלץ אותו ולפתוח את המלחציים.
      10. נתק את הבסיס רדיד, צינור בשלבים הבאים:
          1. בעדינות לגעת בכל קצה של הבסיס להרגיש באיזה קל להתנתק ולהתחיל ניתוק מהכיוון הזה.
          2. השתמש גלגלת ארוך או חפץ דומה כדי לנתק את הבסיס המקורי בהדרגה, לאט לתוך הצינור עד הבסיס כולו מנותק מסכל ניזוקה בבטחה על הצינור.
             הערה: תהליך זה צריך להיעשות בזהירות על מנת להגן על החותם; אם החותם נהרס חדשה חום העברת המבחן צינור יחידת צריכה להיעשות.
          3. בדוק כי הצינור חתום על ידי סגירת קצה אחד של הצינור נמלא את הצינור מים.
   6. נקה את המשחה עודף מהצד הפנימי של הצינור עם מים וסבון.
   7. חבר את החוטים חימום חשמלי על ידי ריתוך על הפסים הזהב על מסכל.
      הערה: כדי להגן על מסכל באותם מקומות, הוא הציע קודם לקשר שבב קטן קופר מסכל ולאחר מכן להלחים את החוט אליו.
   8. עם דבק תרמי להתחבר עם צמד תרמי T-type התחתון של כל חלון. צמדים תרמיים אלה ישמשו מאוחר יותר בתהליך כיול מצלמה אינפרא-אדום.
      הערה: טמפרטורות של צמדים תרמיים נרשם, נרשם על ידי מחשב באמצעות ממיר A/D.
   9. צבע ספריי הצד החיצוני של רדיד האלומיניום עם תרסיס mat שחור על מנת למקסם את אמיסיביות.
2. החלת שטף חום לסכל
   1. חבר את החוטים חימום חשמלי מקצה רדיד האלומיניום אל ספק כוח DC.
   2. הגדר הזרם החשמלי כך רדיד האלומיניום מגיעים לטמפרטורה הרצויה.
      הערה: לא להגיע לטמפרטורה זה יכול לפגום את הצינור. עבור פלקסיגלס הגבול הוא בערך 45 מעלות צלזיוס. עם זאת, יש להקפיד לחמם את רדיד האלומיניום מספיק כדי להבטיח טמפרטורה רדיד האלומיניום יישאר לפחות כמה מעלות מעל טמפרטורת המים כניסת, אפילו במהלך המדינה קירור בעקבות השינויים ארעי צפוי בזרם.
   3. לחשב את שטף חום מיושם Q = אני²R כאשר הוא הזרם חלה ו- R הוא ההתנגדות החשמלית של מסכל.
      הערה: העברת החום של הצד החיצוני של מסכל פתוח לאוויר הוא זניח בהשוואה ל העברת חום למים בתוך צינור².
   4. לחבר מתג חשמל לשליטה PC לאחד החוטים שטף חום על מנת לשלוט החניכה אימפולסיבי שטף חום, כיבוי.
3. מצלמת IR
   הערה: ניתן לראות פרטים נתונים היסטוריים של מצלמה אינפרא-אדום נעשה שימוש במעבדה^3,Ferhstman⁴. המצלמה היא המחובר למחשב ונשלט על ידי מחשב.
   1. במידת האפשר, לחבר את מצלמת IR לקבוצה של מסילות המאפשרים תנועה תלת מימדי של המצלמה בקלות למקם אותו לעבר עמדות שונות לאורך סעיף מבחן.
   2. תדליק את המצלמה IR כמה דקות לפני ביצוע המדידות הקיימות, חיישני לקחת זמן להתקרר לטמפרטורה הנדרשת.
   3. מקם את המצלמה IR כמה סנטימטרים מפני השטח בתוך מרחק המוקד של המצלמה כדי לאפשר התמקדות.
      הערה: בהתאם לרזולוציה המצלמה להיות בטוח כי השטח הנמדד אינו קטן מפיקסל בודד. עדיף לקיים את פני השטח הנמדד המורכב מספר פיקסלים.
   4. כוון את הפוקוס של מצלמת האינפרא אדום.
   5. תהליך הכיול של מצלמה אינפרא-אדום:
      1. החל שטף חום כאמור 1.2 ולחכות עד למצב יציב תרמית, כלומר ברגע ייעוד שונה המוטלות על הטמפרטורה קבועה הרשומה בנייר כסף. למדוד את טמפרטורת הסביבה בקרבת המתקן ניסיוני עם צמד תרמי.
         הערה: טמפרטורה זו ישמש בתור משתקף הטמפרטורה של פני השטח. ערך גבוה של פני השטח אמיסיביות, פרמטר זה הוא כמעט זניח.
      2. הזן את טמפרטורת הסביבה כפרמטר של המצלמה IR לטמפרטורה משתקף.
      3. לכל חלון ביותר ברדיד אלומיניום, להשוות את הטמפרטורה שהוקלט על ידי מצלמת האינפרא אדום להקלטה של צמד תרמי של החלון. התאם את המאפיין אמיסיביות של מצלמת האינפרא אדום עד הקלטה טמפרטורה של מצלמת האינפרא אדום שווה להטמפרטורה שהוקלט על ידי צמד תרמי.
         הערה: ניתן לבצע זאת על מספר ערכי שטף חום; עם זאת, אמיסיביות אינו רגיש בטווח הזה בטמפרטורה נמוכה יחסית. בהקלטות ניסיוני, הערך הממוצע של אמיסיביות היה 0.98.

2. מדידות של טיילור בועה מהירות Translational והאורך שלה

1. בדיקה אופטית
   הערה: המכשיר האופטי כולל מקור אור לייזר פוטודיודה. כאשר כל חתך הרוחב של הצינור מכילה מים, קרן הלייזר מכוון את פוטודיודה גורם המעגל סגור. כאשר קרן הלייזר פוגע בועת האוויר, היא היא מה מ פוטודיודה ופותחת את המעגל. לפיכך, אות בינארי מתקבל, המציין אם המכשיר האופטי הוא מול בועת אוויר או של קליע נוזלי.
   1. כדי ליצור חיבור בין החיישן לכרטיס ה-A/D, בניית המעגל הבא (איור 3).
   2. להפעיל את הלייזר, תכוון דיודה. בדוק את קלט דיגיטלי של מעגל A/D תוכנה. אם הלייזר פוגע "דיודה" בגלל, לאחר מכן המעגל נסגר, איתות חיובי אמורה להופיע.
      הערה: ודא כי "דיודה" בגלל רגישות לפלט אורך הגל של הלייזר. הנתונים של החיישן האופטי נרשם בקצב של 1 קילו-הרץ.

3. ניתוח ניסיוני

1. להתחבר סעיף מבחן מתקן ניסיוני, flanges או pipe רשומות.
2. לחבר את חוטי החשמל של חימום למקור כוח, את ייעוד שונה כדי מקליט טמפרטורה ממוחשב כלשהו.
3. הציבו מצלמת האינפרא אדום לפני סעיף מבחן על המיקום הרצוי.
4. לוודא כי המצלמה מתמקדת מסכל; . זה קל יותר לעשות עם שטף חום על...
5. החל שטף חום (1.2) ולבצע תהליך כיול מצלמה אינפרא-אדום (1.3.5).
6. מקום שני אופטי רגשים לאורך הצינור מבחן
   הערה: אם אפשר, מקם רגש אופטי אחד במיקום של מצלמת האינפרא אדום; פעולה זו תאפשר סנכרון בין מדידת הטמפרטורה ואת המיקום של הבועה, כפי הבועה אינה גלויה למצלמה IR. אם אינה אפשרית, הקפד להעביר את התוצאות בזמן בהתאם המהירות בועה, המרחק בין מצלמת האינפרא אדום המכשיר האופטי.
   1. בדוק כי קרן הלייזר אכן פוגע "דיודה" בגלל התשואות קריאה חיובית.
7. הפעלת משאבת המים ולהגדיר את קצב הזרימה הרצויה. החל שטף חום על ידי התאמת הנוכחי של הזרם.
8. המתן עד לטמפרטורה מצב יציב מושגת. לבצע את תוכנית מחשב כדי להקליט את הטמפרטורה קיר של זרימה צינור חד-פאזי.
   הערה: על מנת לבודד את השפעת הבועה טיילור במקדם העברת חום הולכת חום, זה חיוני כדי למדוד קודם את מקדם העברת חום הולכת חום בזרימה חד-פאזי-שטף החום וקצב הזרימה זהה כמו הניסויים שני שלבים. מומלץ לבצע את זה לפני כל אירוע בודד.
9. הפעל את התוכנית מחשב השולטת הזריקה הבועה.
   הערה: תוכנית זו צריך קודם להזריק בועה טיילור יחיד בו זמנית למדוד את הטמפרטורה קיר באמצעות מצלמת ה-IR ואז להקליט את אותות בינאריים של שני רגשים אופטי. אלה שתי מדידות יסונכרנו כדי למנוע זמן נוסף משמרות בין ההקלטות.
10. בין שלשול, להגדיר השהיית זמן מספיק על מנת להבטיח כי המערכת חזרה לתנאים ראשונית, כלומר הטמפרטורה קיר החזרת הערך מצב יציב יחיד בשלב הראשוני.
    הערה: זה אפשרי כי הטמפרטורה קיר של הזרם מצב יציב חד-פאזי יגדל במקרים בהם זרימה בחום גבוה על ללא הרף. זה יש להימנע על ידי סגירת שטף חום לוקח הפסקה בניסויים.

4. עיבוד נתונים

1. חשב את מקדם העברת חום תנאים מצב יציב חד-פאזי בהתבסס על הציוד 1.
   הערה: מקדם זה אינו תלוי זמן. זה ישמש כגורם תהליך בסרט ההמשך.
   1. עבור כל אירוע בודדים שנרשם תחת בהתחשב בתנאים, לחשב האורך של הבועות טיילור ו translational מהירות על-ידי חלוקת המרחק האופטי רגשים, L, מאת מרווח הזמן תקופתי על ההגעה עצה זמן כל חיישן אופטי:   , t_L1 ו- t_L2 איפה הזמנים על קבלת עצה בועה התחתון, העליון חיישנים אופטיים, בהתאמה.
   2. השתמש מהירות translational של הבועה טיילור כדי לחשב את אורך בועה על ידי הכפלת זה משך הזמן של המעגל הפתוח של אחד הגששים אופטי.
2. חישוב המקדם העברת חום מקומי מיידי עבור שניים שלב זרימה צריך להיעשות כדלקמן:
   הערה: למרות התהליך הניסויי כולו ממוחשב, האורך והמהירות translational הבועות טיילור לא יישאר קבוע בדיוק על כל הפעלה ניסיונית. לכן, ברגע שבו הבועה מגיעה לנקודה מדידה משתנה. את הגששים אופטי למצלמה IR יש מסגרת שונה שיעורי, 1000 ו-30 הרץ בהתאמה.
   1. באמצעות המכשיר האופטי ובקרבת למצלמה IR, שיא מיידית של קבלת עצה בועה.
   2. האות על ההדק הזה מספק את ההפניה זמן עבור ההקלטה מצלמה אינפרא-אדום.
      הערה: אנסמבל תהליך ממוצע נדרש על מנת לקבל את מקדם העברת חום הולכת חום כפונקציה של המרחק מהחלק התחתון בועה אל נקודת מדידה, z, איפה z= 0 מתאים לתחתית בועה. יש אפשרות לנרמל את פרמטר זה על ידי לפי קוטר הצינור D.
   3. הגדר רזולוציה עבור z/D. כל נתוני ההקלטות הערכים עבור כל אירוע בודד (תואם לתנאים זהים) בטווח שנקבע רזולוציה מרחבית ולא צריך להיות בממוצע כדי לקבל ערך נציג יחיד של הטמפרטורה קיר מהטווח הזה מהבועה התחתון.
      הערה: רזולוציה מרחבית זו צריך להיות החליטה מבוססת על התדירות הקלטה של מצלמת האינפרא אדום ועל המהירות translational הבועה טיילור. במחקר זה, זה צולם בין 0.15-0.3.
   4. חשב את מקדם העברת החום כפונקציה של המרחק בין הבועה העצה/התחתון באמצעות הציוד 1.
   5. לנרמל את מקדם ההעברה דו-שלבית חום מיידי המקומי על ידי המקדם קבוע חד-פאזי.
      הערה: יחס זה מייצג שיפור קצב העברה הולכת חום חום עקב המעבר בועה בהשוואה לזרימה חד-פאזי.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

דוגמה של החיישן האופטי פלט רשומות מוצג באיור 4 עבור בועה טיילור יחיד עולה בתוך צינור אנכי מלאים במים עומדים. הירידה הגדול הראשונית מייצג הפתיחה של המעגל בגלל הטיפ בועה טיילור, בזמן מאוחר יותר הרבה טיפות קצר בעקבות עליית הערך הראשוני עקב המעבר של הזנב בועו?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

חקירה נסיונית של העברת החום המקומי בזרם ארעי צינור היא משימה מסובכת הדורשת מכשירי מדידה באיכות גבוהה, שיטות, כמו גם מתקן ניסיוני לפי הזמנה, בפרט, הפרק שתוכנן במיוחד. בפרוטוקול הנוכחי מציג שיטה הדמאה תרמית המסוגלת בנאמנות מדידת השינויים מהר טמפורלית קיר הטמפרטורה, קצב העברת חום בשל הבדלים ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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