Name: measurements of local instantaneous convective heat transfer in a pipe - single and two-phase flow
Uploaded: 2018-04-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 25 s
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Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, grant n. 281/14.

1. sezione di prova per misure di temperatura istantanea
<ol><li>Processo di fabbricazione del sezione di test (Figura 2)
	<ol>
<li>Tagliare un segmento di un tubo almeno 70 cm di lunghezza. Nota: Il diametro e spessore della sezione di prova dovrebbe essere identico a quello del tubo utilizzato nell'impianto sperimentale.</li>
		<li>Utilizzare una fresatrice per tagliare 4 finestre strette adiacenti lungo il tubo nel tratto di prova, ogni finestra è di 6 mm di larghezza e lunghezza 80 mm con un gap di 25 mm tra windows consecutivi.</li>
		<li>Da una lamina in acciaio inox sottile di 12 µm, taglio cmlong 12 mm e 40-60 nastri larghi. Nota: La lamina servirà per sigillare le finestre nel tubo di prova. L'acciaio inossidabile devono essere spalmato con due strisce d'oro che segnano una piccola distanza dalle estremità della lamina e devono essere utilizzati per saldare i fili di alimentazione per riscaldare la lamina, Vedi Figura 2.</li>
		<li>Misurare la resistenza elettrica del foglio di alluminio con un ohmetro.</li>
		<li>Posizionare il foglio all'interno del tubo seguendo la procedura descritta di seguito.<ol>
<li>Creare una base per l'inserimento del foglio in sezione test composta di un tubo rigido con un diametro esterno pari a quello del diametro interno del tubo di prova. A tal fine, tagliare un 20 mm di larghezza e circa 80 cm lungo parte della parete del tubo</li>
			<li>Ricoprire la base con del grasso prima di posizionare il foglio su di esso, per permettere di scollegare la base dal foglio in una fase successiva.</li>
			<li>Posizionare il foglio sulla base e appiattirla. Prendete un panno con alcol e pulire la pellicola dal grasso in eccesso.</li>
			<li>Applicare l'adesivo alla periferia di stagnola e sui tre segmenti del foglio corrispondente alla posizione dei ponti tra le finestre consecutivi. Nota: L'adesivo deve essere forte, con un periodo di indurimento iniziale di almeno 20 minuti al fine di garantire un tempo sufficiente per il processo di allegato di stagnola; epossidico DP 460 è usato.</li>
			<li>Inserire delicatamente la base con la pellicola in sezione test con il foglio rivolto verso l'alto verso le finestre. Nota: Questo processo dovrebbe essere fatto da due persone.</li>
			<li>Assicurarsi che la pellicola è allineata con le finestre, le strisce d'oro dovrebbero essere al bordo delle due finestre esterne. Una volta che la pellicola sia posizionata correttamente e copre le finestre, è possibile collegare la base al tubo di prova ogni fine utilizzando una fascetta.</li>
			<li>Con attenzione inserire un pneumatico interno bicicletta piegata nel tubo sotto la base, se necessario, ingrassare il pneumatico. Gonfiare il pneumatico. Durante l'inflazione osservare l'adesivo diffondere attraverso la lamina e raggiungere la base. Nota: La pressione esercitata dal pneumatico gonfiato dovrebbe garantire che l'adesivo si legherà alla parete interna del tubo e la lamina. Questo sarà anche forma la lamina per la curvatura del tubo e ridurre eventuali interferenze al flusso dovuto la pellicola o l'adesivo.</li>
			<li>Con un panno, eliminare l'eccesso di collante che ha raggiunto le aperture delle finestre.</li>
			<li>Lasciare che l'adesivo secco per 24 h. Deflate pneumatico, estrarlo e aprire i morsetti.</li>
			<li>Scollegare la base dalla stagnola e tubo nei passaggi seguenti:<ol>
<li>Toccare delicatamente ogni estremità della base a sentire quale estremità è più facile da staccare e iniziare la disconnessione da tale fine.</li>
				<li>Utilizzare un rullo lungo o un oggetto simile per scollegare la base originale gradualmente, muoversi lentamente nel tubo fino a quando l'intera base è disconnesso e il foglio rimane intatto in modo sicuro sul tubo. Nota: Questo processo dovrebbe essere fatto con attenzione al fine di proteggere il sigillo; Se la guarnizione è rovinata una nuova unità di calore trasferimento test tubo opportuno.</li>
				<li>Controllare che il tubo è sigillato chiudendo un'estremità del tubo e il tubo di riempimento con acqua.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
		<li>Pulire il grasso in eccesso dal lato interno del tubo con acqua e sapone.</li>
		<li>Collegare i cavi di riscaldamento elettrico mediante saldatura a strisce dorate sulla lamina. Nota: Per proteggere la lamina in questi punti, è consigliabile innanzitutto il collegamento un chip piccolo cooper per la pellicola e poi saldare il filo ad esso.</li>
		<li>Con un adesivo termico collegare una termocoppia tipo T alla parte inferiore di ogni finestra. Queste termocoppie verranno utilizzate più avanti nel processo di calibrazione fotocamera IR. Nota: Le letture di temperatura dalle termocoppie sono registrate e registrate da un PC utilizzando un convertitore A/D.</li>
		<li>Vernice spray lato esterno dell'estruso con uno spray nero opaco al fine di massimizzare l'emissività.</li>
	</ol></li>
	<li>L'applicazione di flusso di calore per sventare
	<ol>
<li>Collegare i cavi di riscaldamento elettrico dal bordo del foglio per un rifornimento di corrente continua.</li>
		<li>Impostare la corrente elettrica in modo che la lamina raggiunge una temperatura desiderata. Nota: Non raggiungono una temperatura che poteva danneggiare il tubo. Per Plexiglass il limite è di circa 45 ° C. Tuttavia, assicurarsi di lamina di abbastanza per assicurare che temperatura del film resti almeno un paio di gradi sopra la temperatura di ingresso acqua, anche durante lo stato di raffreddamento dovuto i cambiamenti transitori previsti nel flusso di calore.</li>
		<li>Calcolare il flusso di calore applicato Q = ho2R dove I è la corrente applicata e R è la resistenza elettrica del foglio di alluminio. Nota: Il trasferimento di calore dal lato esterno del foglio di alluminio che è aperto all'aria è trascurabile rispetto al trasferimento di calore all'acqua all'interno del tubo2.</li>
		<li>Collegare un interruttore elettrico controllabile di PC ad uno dei fili di flusso di calore al fine di controllare il calore flusso impulsivo iniziazione e l'arresto.</li>
	</ol></li>
	<li>Macchina fotografica di IR Nota: dettagliate specifiche della fotocamera IR utilizzata in laboratorio possono essere visto in Ferhstman3,4. La fotocamera è collegata ad un PC e controllata da un computer.<ol>
<li>Se possibile, collegare la telecamera IR a un set di rotaie Abilitazione movimento tridimensionale della fotocamera di posizionarlo facilmente in diverse posizioni lungo la sezione test.</li>
		<li>Accendere la fotocamera IR pochi minuti prima di effettuare qualsiasi misurazione, sensori interni prendere tempo per raffreddare alla temperatura richiesta.</li>
		<li>Posizionare la telecamera IR a pochi centimetri dalla superficie all'interno della distanza focale della fotocamera per attivare la messa a fuoco. Nota: A seconda della risoluzione fotocamera assicurarsi che l'area misurata non è più piccolo di un singolo pixel. È preferibile avere la superficie misurata composto da un numero di pixel.</li>
		<li>Impostare lo stato attivo della telecamera IR.</li>
		<li>Processo di calibrazione fotocamera IR:<ol>
<li>Applicare il flusso di calore come indicato in 1.2 e attendere finché non viene raggiunto uno stato di stabilità termico, cioè una volta le termocoppie messo sulla temperatura costante record di stagnola. Misurare la temperatura ambiente in prossimità l'impianto sperimentale con una termocoppia. Nota: La temperatura riflessa della superficie fungerà da questa temperatura. Per un alto valore di emissività superficiale, questo parametro è quasi trascurabile.</li>
			<li>Immettere la temperatura come parametro della telecamera IR temperatura riflessa.</li>
			<li>Per ogni finestra nell'estruso, confrontare la temperatura registrata dalla telecamera IR per la registrazione della termocoppia di tale finestra. Regolare la proprietà di emissività della telecamera IR fino a quando la registrazione di temperatura della telecamera IR è uguale alla temperatura registrata dalla termocoppia. Nota: Questo può essere fatto per diversi valori di flusso di calore; Tuttavia, l'emissività non è sensibile a questa gamma relativamente bassa temperatura. Nelle registrazioni sperimentali, il valore medio di emissività era 0,98.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>2. misurazioni di velocità traslazionale bolla di Taylor e la sua lunghezza
<ol><li>
Sonda ottica Nota: la sonda ottica comprende una sorgente di luce laser e un fotodiodo. Quando l'intera sezione trasversale del tubo contiene acqua, il raggio laser è puntato verso il fotodiodo causando il circuito chiuso. Quando il raggio laser colpisce la bolla d'aria, si è dato una gomitata da fotodiodo e apre il circuito. Così, si ottiene un segnale binario, che indica se la sonda ottica è davanti a una bolla d'aria o di un liquido lumaca.<ol>
<li>Al fine di collegare il sensore alla scheda A/D, costruire il circuito seguente (Figura 3).</li>
		<li>Accendere il laser, puntarlo verso il diodo. Controllare l'ingresso digitale del circuito A/D software. Se il laser colpisce il diodo, allora il circuito è chiuso e dovrebbe apparire un segnale positivo. Nota: Assicurarsi che il diodo è sensibile all'uscita di lunghezza d'onda del laser. I dati dei sensori ottici sono registrati al tasso di 1 kHz.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. procedura sperimentale
<ol><li>Collegare la sezione test per l'impianto sperimentale, di flange o record di tubo.</li>
	<li>Collegare i cavi elettrici di riscaldamento per l'alimentazione e le termocoppie a qualsiasi registratore di temperatura computerizzato.</li>
	<li>Posizionare la telecamera IR davanti la sezione di test nella posizione desiderata.</li>
	<li>Assicurarsi che la fotocamera è focalizzata sulla lamina; Questo è più facile da fare con il flusso di calore su.</li>
	<li>Applicare il cambiamento continuo di calore (1,2) ed eseguire il processo di calibrazione fotocamera IR (1.3.5).</li>
	<li>Posizionare le due ottiche sonde lungo il tubo di prova Nota: Se possibile, posizionare una sonda ottica nella posizione della telecamera IR; Questo permetterà la sincronizzazione tra la misurazione della temperatura e la posizione della bolla, come la bolla non è visibile alla telecamera IR. Se non è possibile, assicurarsi di spostare i risultati nel tempo, di conseguenza la velocità della bolla e la distanza tra la telecamera IR e la sonda ottica.<ol>
<li>Controllare che il raggio laser colpisce il diodo infatti e produce una lettura positiva.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Attivare la pompa dell'acqua e impostare la portata desiderata. Applicare flusso di calore regolando la corrente di alimentazione.</li>
	<li>Attendere fino a quando si raggiunge una temperatura di stato stazionario. Eseguire il programma per computer per registrare la temperatura di parete di un flusso di tubo monofase. Nota: Al fine di isolare l'effetto della bolla Taylor al coefficiente di trasferimento di calore convettivo, è assolutamente necessario misurare prima il coefficiente di scambio di calore convettivo in corrente monofase ad un flusso di calore e tasso identico flusso come gli esperimenti in due fasi. Si consiglia di eseguire questa operazione prima di ogni singolo evento.</li>
	<li>Eseguire il programma di computer che governa l'iniezione di bolla. Nota: Questo programma dovrebbe innanzitutto iniettare una singola bolla di Taylor e poi simultaneamente misurare la temperatura di parete usando la macchina fotografica di IR e registrare i segnali binari delle due sonde ottiche. Queste due misure devono essere sincronizzate al fine di evitare variazioni di tempo aggiuntivo tra le registrazioni.</li>
	<li>Tra le esecuzioni, impostare il ritardo di tempo sufficiente a garantire che il sistema è tornato alle condizioni iniziali, cioè la temperatura di parete ritorna al valore iniziale monofase stazionario. Nota: È possibile che la temperatura della parete del flusso stazionario monofase aumenterà nei casi in cui un flusso di calore elevato è il continuo. Questo dovrebbe essere evitato chiudendo il flusso di calore e prendendo una pausa negli esperimenti.</li>
</ol>4. elaborazione dei dati
<ol><li>Calcolare il coefficiente di trasferimento termico per le condizioni di stato stazionario monofase basato su EQ. 1. Nota: Questo coefficiente è indipendente dal tempo. Servirà come un fattore di normalizzazione nel sequel.<ol>
<li>Per ogni singolo evento registrato sotto determinate condizioni, calcolare la lunghezza delle bolle Taylor e sonde di velocità traslazionale dividendo la distanza tra l'ottica, L, dall'intervallo di tempo dell'arrivo punta tempo per ogni sensore ottico:  <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57437/57437eq2.jpg"> </img>, dove tL1 e tL2 sono i tempi dell'arrivo bolla punta verso il basso e superiore sensori ottici, rispettivamente.</li>
		<li>Utilizzare velocità traslazionale di bolla di Taylor per calcolare la lunghezza di bolla moltiplicandolo per tutta la durata del circuito aperto di una delle sonde ottiche.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Calcolare il coefficiente di trasferimento di calore locale istantanea per flusso a due fasi dovrebbe essere fatto come segue: Nota: Anche se l'intero processo sperimentale è informatizzata, la lunghezza e la velocità traslazionale delle bolle Taylor non rimangono esattamente costante a ogni esecuzione sperimentale. Di conseguenza, l'istante in cui la bolla raggiunge il punto di misura varia. Le sonde ottiche e la telecamera IR hanno diversi frame tassi, rispettivamente di 30 e 1000 Hz.<ol>
<li>Usando la sonda ottica situata nelle vicinanze della telecamera IR, record l'istante di arrivo di punta la bolla.</li>
		<li>Questo segnale di trigger fornisce il riferimento temporale per la registrazione di macchina fotografica di IR. Nota: Processo di media ensemble è necessaria al fine di ottenere il coefficiente di trasferimento di calore convettivo in funzione della distanza dal fondo bolla al punto di misurazione, z, dove z= 0 corrisponde alla parte inferiore di bolla. Questo parametro dovrebbe essere normalizzato tramite il diametro del tubo D.</li>
		<li>Impostare una risoluzione per z/D. Tutti i dati registrati valori per ogni singolo evento (corrispondenti a condizioni identiche) rientrano nell'intervallo prescritto risoluzione spaziale e devono essere calcolata la media per ottenere un singolo valore rappresentativo della temperatura di parete a quella distanza dalla bolla nella parte inferiore. Nota: Questa risoluzione spaziale dovrebbe essere decisa in base alla frequenza di registrazione della telecamera IR e sulla velocità traslazionale della bolla Taylor. In questo studio, è stata scattata tra 0.15-0.3.</li>
		<li>Calcolare il coefficiente di scambio termico in funzione della distanza fra la punta/fondo bubble con EQ. 1.</li>
		<li>Normalizzare il coefficiente di trasferimento di calore istantaneo locale in due fasi per il coefficiente costante monofase. Nota: Questo rapporto rappresenta un miglioramento nella velocità di trasferimento di calore convettivo dovuto al passaggio di bolla rispetto al flusso monofase.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Hetsroni, G., Rozenblit, R., Yarin, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hot-foil+infrared+technique+for+studying+the+temperature+field+of+a+wall.">A hot-foil infrared technique for studying the temperature field of a wall.</a> Meas. Sci. Tech. 7, 1418 (1996).</li><li>Babin, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental investigation of the local heat transfer in gas-liquid slug flow. , (2015).</li><li>Babin, V., Shemer, L., Barnea, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+instantaneous+heat+transfer+around+a+raising+single+Taylor+bubble.">Local instantaneous heat transfer around a raising single Taylor bubble.</a> Int. J. 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Multiphase Flow. 24, 188 (1998).</li><li>Hetsroni, G., Mewes, D., Enke, C., Gurevich, M., Mosyak, A., Rozenblit, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+to+two-phase+flow+in+inclined+tubes.">Heat transfer to two-phase flow in inclined tubes.</a> Int. J. Multiphase Flow. 29, 173-194 (2003).</li><li>Ghajar, A. J., Tang, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+Transfer+Measurements,+Flow+pattern+maps+and+flow+visualization+for+non-boiling+two-phase+flow+in+horizontal+and+slightly+inclined+pipe.">Heat Transfer Measurements, Flow pattern maps and flow visualization for non-boiling two-phase flow in horizontal and slightly inclined pipe.</a> Heat Transfer Eng. 28, 525 (2007).</li><li>Franca, F. A., Banneart, A. C., Camargo, R. M. T., Goncalves, M. A. 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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...

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:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57437/57437eq1.jpg">, (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.

<table><tbody><tr><td>Infra red camera</td><td>Optris</td><td>PI-1450</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouples A/D card&amp;nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>NI cDAQ-9714.</td><td></td></tr><tr><td>Labview program</td><td>National Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Epoxy DP-460</td><td>3M Scotch-weld</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

measurements of local instantaneous convective heat transfer in a pipe - single and two-phase flow

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.

Un esempio di sensori ottici di uscita record è presentato nella Figura 4 per una singola bolla di Taylor in aumento in un tubo verticale riempito con acqua stagnante. La prima grande discesa rappresenta l'apertura del circuito per la punta di bolla di Taylor, mentre la successiva molto più brevi gocce dopo l'ascesa al valore iniziale dovuto al passaggio della coda allungata bolle, rappresentano le bolle disperse sulla scia di liquido dietro la bolla di Tay...

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Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

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.

Misure di scambio di calore convettivo istantanea locale in un tubo - flusso singolo e due fasi

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

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Engineering

7.1K Views.  Tel-Aviv University. 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.

Video: Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

Echo Particle Image Velocimetry

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 Consequently, a prerequisite for understanding, predicting, and controlling fluid flows is the capability to measure the velocity field with adequate spatial and temporal resolution.2 For velocity measurements in optically opaque fluids or through optically opaque geometries, echo particle image velocimetry (EPIV) is an attractive diagnostic technique to generate "instantaneous" two-dimensional fields of velocity.3,4,5,6 In this paper, the operating protocol for an EPIV system built by integrating a commercial medical ultrasound machine7 with a PC running commercial particle image velocimetry (PIV) software8 is described, and validation measurements in Hagen-Poiseuille (i.e., laminar pipe) flow are reported.
For the EPIV measurements, a phased array probe connected to the medical ultrasound machine is used to generate a two-dimensional ultrasound image by pulsing the piezoelectric probe elements at different times. Each probe element transmits an ultrasound pulse into the fluid, and tracer particles in the fluid (either naturally occurring or seeded) reflect ultrasound echoes back to the probe where they are recorded. The amplitude of the reflected ultrasound waves and their time delay relative to transmission are used to create what is known as B-mode (brightness mode) two-dimensional ultrasound images. Specifically, the time delay is used to determine the position of the scatterer in the fluid and the amplitude is used to assign intensity to the scatterer. The time required to obtain a single B-mode image, t, is determined by the time it take to pulse all the elements of the phased array probe. For acquiring multiple B-mode images, the frame rate of the system in frames per second (fps) = 1/&delta;t. (See 9 for a review of ultrasound imaging.)
For a typical EPIV experiment, the frame rate is between 20-60 fps, depending on flow conditions, and 100-1000 B-mode images of the spatial distribution of the tracer particles in the flow are acquired. Once acquired, the B-mode ultrasound images are transmitted via an ethernet connection to the PC running the PIV commercial software. Using the PIV software, tracer particle displacement fields, D(x,y)[pixels], (where x and y denote horizontal and vertical spatial position in the ultrasound image, respectively) are acquired by applying cross correlation algorithms to successive ultrasound B-mode images.10 The velocity fields, u(x,y)[m/s], are determined from the displacements fields, knowing the time step between image pairs, &Delta;T[s], and the image magnification, M[meter/pixel], i.e., u(x,y) = MD(x,y)/&Delta;T. The time step between images &Delta;T = 1/fps + D(x,y)/B, where B[pixels/s] is the time it takes for the ultrasound probe to sweep across the image width. In the present study, M = 77[&mu;m/pixel], fps = 49.5[1/s], and B = 25,047[pixels/s]. Once acquired, the velocity fields can be analyzed to compute flow quantities of interest.

An echo particle image velocimetry (EPIV) system capable of acquiring two-dimensional fields of velocity in optically opaque fluids or through optically opaque geometries is described, and validation measurements in pipe flow are reported.

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

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Ingegneria

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex interactions occurring at the interface between gas-phase flames and condensed-phase fuels. The current research provides a technique to explore the dynamic relationship between a combustible condensed fuel surface and gas-phase flames in laminar boundary layers. Experiments have previously been conducted in both forced and free convective environments over both solid and liquid fuels. A unique methodology, based on the Reynolds Analogy, was used to estimate local mass burning rates and flame heat fluxes for these laminar boundary layer diffusion flames utilizing local temperature gradients at the fuel surface. Local mass burning rates and convective and radiative heat feedback from the flames were measured in both the pyrolysis and plume regions by using temperature gradients mapped near the wall by a two-axis traverse system. These experiments are time-consuming and can be challenging to design as the condensed fuel surface burns steadily for only a limited period of time following ignition. The temperature profiles near the fuel surface need to be mapped during steady burning of a condensed fuel surface at a very high spatial resolution in order to capture reasonable estimates of local temperature gradients. Careful corrections for radiative heat losses from the thermocouples are also essential for accurate measurements. For these reasons, the whole experimental setup needs to be automated with a computer-controlled traverse mechanism, eliminating most errors due to positioning of a micro-thermocouple. An outline of steps to reproducibly capture near-wall temperature gradients and use them to assess local burning rates and heat fluxes is provided.

We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.

Metodologia sperimentale per la stima della locale Calore flussi e masterizzazione Tariffe a Steady limite laminare Fiamme strato di diffusione

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Pool-Boiling Heat-Transfer Enhancement on Cylindrical Surfaces with Hybrid Wettable Patterns

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern. Hybrid wettable patterns were produced by coating superhydrophilic SiO2 on a masked, hydrophobic, cylindrical copper surface. Using de-ionized (DI) water as the working fluid, pool-boiling heat-transfer studies were conducted on the different surface-treated copper cylinders of a 25-mm diameter and a 40-mm length. The experimental results showed that the number of interlines and the orientation of the hybrid wettable pattern influenced the wall superheat and the HTC. By increasing the number of interlines, the HTC was enhanced when compared to the plain surface. Images obtained from the charge-coupled device (CCD) camera indicated that more bubbles formed on the interlines as compared to other parts. The hybrid wettable pattern with the lowermost section being hydrophobic gave the best heat-transfer coefficient (HTC). The experimental results indicated that the bubble dynamics of the surface is an important factor that determines the nucleate boiling.

Pool-boiling heat-transfer experiments were carried out to observe the effects of hybrid wettable patterns on the heat-transfer coefficient (HTC). The parameters of investigation are the number of interlines and the pattern orientation of the modified wettable surface.

Enhancement Pool-ebollizione di trasferimento del calore su superfici cilindriche con i modelli ibridi bagnabili

In this study, pool-boiling heat-transfer experiments were performed to investigate the effect of the number of interlines and the orientation of the ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Disgiungere forza di Coriolis e rotante galleggiabilità effetti sul calore pieno campo il trasferimento di proprietà di un canale rotante

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Testing the Heat Transfer Efficiency of a Finned-tube Heat Exchanger

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Heat exchangers transfer heat from one fluid to another fluid. Multiple classes of heat exchangers exist to fill different needs. Some of the most common types are shell and tube exchangers and plate exchangers1. Shell and tube heat exchangers use a system of tubes through which fluid flows1. One set of tubes contains the liquid to be cooled or heated, while the second set contains the liquid that will either absorb heat or transmit it1. Plate heat exchangers use a similar concept, in which plates are closely joined together with a small gap between each for liquid to flow1. The fluid flowing between the plates alternates between hot and cold so that heat will move into or out of the necessary streams1. These exchangers have large surface areas, so they are usually more efficient1.
The goal for this experiment is to test the heat transfer efficiency of a finned-tube heat exchanger (Figure 1) and compare it to the theoretical efficiency of a heat exchanger without fins. The experimental data will be measured for three different flow rates of monoethylene glycol (MEG). Two different water flow rates for each MEG flow rate will be used. Using the Wilson plot method the heat transfer coefficients will be determined from the experimental data. Additionally, the Reynold&#39;s number and the amount of heat transferred will be compared for flow with and without the fins to evaluate heat transfer efficiency.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10437/10437fig1.jpg" /> 
Figure 1: Finned-tube Heat Exchanger. 1) MEG outlet temperature 2) water inlet temperature 3) MEG inlet temperature 4) water outlet temperature 5) water meter 6) MEG accumulation sight glass/cylinder.

Heat Transfer Efficiency Test of a Finned-tube Heat Exchanger

Verifica dell'efficienza del trasferimento di calore di uno scambiatore di calore a tubi alettati

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Heat exchangers transfer ...

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria chimica

Piping Networks and Pressure Losses

Source: Alexander S Rattner, Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
This experiment introduces the measurement and modeling of pressure losses in piping networks and internal flow systems. In such systems, frictional flow resistance from channel walls, fittings, and obstructions causes mechanical energy in the form of fluid pressure to be converted to heat. Engineering analyses are needed to size flow hardware to ensure acceptable frictional pressure losses and select pumps that meet pressure drop requirements.
In this experiment, a piping network is constructed with common flow features: straight lengths of tubing, helical tube coils, and elbow fittings (sharp 90&#176; bends). Pressure loss measurements are collected across each set of components using manometers - simple devices that measure fluid pressure by the liquid level in an open vertical column. Resulting pressure loss curves are compared with predictions from internal flow models.

Pressure Losses in Piping Networks and Internal Flow Systems

Reti di tubazioni e perdite di carico

Source: Alexander S Rattner, Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
This experiment ...

Ingegneria meccanica

Quenching and Boiling

Source: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari, and Mahdi Nabil; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Controlled heating followed by rapid cooling is an important element of many materials processing applications. This heat-treating procedure can increase material hardness, which is important for cutting tools or surfaces in high wear environments. The rapid cooling stage is called quenching, and is often performed by immersing materials in a fluid bath (often water or oil). Quenching heat transfer can occur due to forced convection - when the action of rapidly moving material through coolant drives the heat transfer process, and due to free convection - when the reduced density of hot fluid near the material surface causes buoyancy-driven circulation and heat transfer. At high material temperatures, the coolant can boil, leading to increased heat transfer effectiveness. However, when extremely hot materials are quenched, they can be blanketed in relatively low thermal conductivity coolant vapor, leading to poor heat transfer.
In this experiment, quenching heat transfer will be measured for a heated copper cylinder, which is representative of small heat-treated parts. The transient sample temperature profile will be measured during quenching and compared with theoretical results for free convection heat transfer. Boiling phenomena will also be investigated qualitatively.

Quenching, Boiling, Convection and Nusselt Number

Raffreddamento ed ebollizione

Source: Alexander S Rattner, Sanjay Adhikari, and Mahdi Nabil; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, ...

Heat Exchanger Analysis

Source: Alexander S Rattner and Christopher J Greer; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Heat exchangers transfer thermal energy between two fluid streams, and are ubiquitous in energy systems. Common applications include car radiators (heat transfer from hot engine coolant to surrounding air), refrigerator evaporators (air inside refrigerator compartment to evaporating refrigerant), and cooling towers in power plants (condensing steam to evaporating water and ambient air). The objective of this experiment is to introduce experimental measurement (rating) and modeling procedures for heat exchangers.
In this experiment, a water-to-water tube-in-tube heat exchanger will be constructed, and evaluated. Temperature and flow rate measurements will be employed to determine the heat transfer rate (Q) and overall conductance (UA). The measured heat exchanger UA will be compared with predicted values for the geometry and operating conditions.

Rating and Modeling Procedures for Heat Exchangers

Analisi dello scambiatore di calore

Source: Alexander S Rattner and Christopher J Greer; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, ...

Measuring Turbulent Flows

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations that require instruments with high time-resolution for their appropriate characterization. Hot-wire anemometers have a short enough time-response to fulfill this requirement. The purpose of this experiment is to demonstrate the use of hot-wire anemometry to characterize a turbulent jet.
In this experiment, a previously calibrated hot-wire probe will be used to obtain velocity measurements at different positions within the jet. Finally, we will demonstrate a basic statistical analysis of the data to characterize the turbulent field.

Measuring Turbulent Flows Using Hot-Wire Anemometers

Misurazione di flussi turbolenti

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows ...

Mass Conservation and Flow Rate Measurements

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of this experiment is to demonstrate the calibration of a flow passage as a flowmeter using a control volume (CV) formulation [1, 2]. The CV analysis focuses on the macroscopic effect of flow on engineering systems, rather than the detailed description that could be achieved with a detailed differential analysis. These two techniques should be considered complementary approaches, as the CV analysis will give the engineer an initial basis on which route to pursue when designing a flow system. Broadly speaking, a CV analysis will give the engineer an idea of the dominant mass exchange in a system, and should ideally be the initial step to take before pursuing any detailed design or analysis via differential formulation.
The main principle behind the CV formulation for mass conservation is to replace the details of a flow system by a simplified volume enclosed in what is known as the control surface (CS). This concept is imaginary and can be defined freely to cleverly simplify the analysis. For instance, the CS should &#39;cut&#39; inlet and outlet ports in a direction perpendicular to the dominant velocity. Then, the analysis would consist of finding the balance between the net mass flux through the CS and the rate of change of mass inside the CV. This technique will be demonstrated with the calibration of a smooth contraction as a flowmeter.

Control Volume Analysis for Mass Conservation and Calibration of a Flow Passage

Conservazione di massa e misure di portata

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of ...