Medições de transferência de calor convectiva instantânea Local em uma tubulação - fluxo único e duas fases

Resumo

Este manuscrito descreve métodos vistos medir os coeficientes de transferência de calor convectiva instantânea local em um fluxo de tubulação única ou em duas fases. Também é apresentado um método óptico simples para determinar o comprimento e a velocidade de propagação de uma bolha de ar alongada (Taylor) se movendo a uma velocidade constante.

Resumo

Este manuscrito fornece descrição passo a passo do processo de fabricação de uma seção de teste para medir o coeficiente de transferência de calor instantâneo local em função da taxa de fluxo de líquido em uma tubulação transparente. Com algumas alterações, a abordagem é estendida aos fluxos de gás-líquido, com uma ênfase particular sobre o efeito de uma bolha de ar (Taylor) alongada único no aprimoramento de transferência de calor. Uma técnica não-invasiva de Termografia é aplicada para medir a temperatura instantânea de uma folha fina de metal aquecida electricamente. A folha é colada para cobrir um entalhe estreito corte no tubo. A inércia térmica da película é pequena o suficiente para detectar a variação da temperatura instantânea da folha. A seção de teste pode ser movida ao longo da tubulação e é tempo suficiente para cobrir uma parte considerável da crescente camada limite térmica.

No início de cada execução experimental, um estado estável com um fluxo constante de água de fluxo taxa e calor para a folha é atingido e serve como referência. A bolha de Taylor então é injetada na tubulação. As variações de coeficiente de transferência de calor devido à passagem de uma bolha de Taylor em um tubo vertical de propagação é medida como função da distância entre o ponto de medição do fundo da bolha do Taylor em movimento. Assim, os resultados representam os coeficientes de transferência de calor local. Várias execuções independentes pré-formado em idênticas condições permitem acumulados dados suficientes calcular resultados fiáveis ensemble-em média, sobre a transferência de calor convectiva transitória. Para executar isso em um quadro de referência movendo-se com a bolha, o local da bolha ao longo do tubo deve ser conhecido em todos os momentos. Descrição detalhada das medições do comprimento e da velocidade translacional das bolhas Taylor por sondas ópticas é apresentada.

Introdução

Numerosos estudos experimentais de transferência de calor convectiva, usando diferentes técnicas para medir a parede e/ou a temperatura do fluido em uma variedade de configurações de fluxo, foram realizados durante as últimas décadas. Um dos fatores que limita a precisão das medições de temperatura em processos instáveis é a lenta resposta dos sensores. Para gravar a temperatura local parede instantânea, o equipamento de medição tem que responder rápido o suficiente, enquanto a superfície na qual a temperatura é registrada tem que estar em equilíbrio térmico com o fluxo do tempo-dependente. Assim, a inércia térmica da superfície deve ser suficientemente pequeno. As escalas de tempo relevantes são determinadas pelos fenômenos hidrodinâmicos que causam a mudança na transferência de calor convectiva. Resposta em tempo rápido é, portanto, crucial para a temperatura dependente do tempo de gravação no fluxo transiente.

Para atender a esses requisitos, uma câmera IR é usada para registrar uma seção especial fabricados pelo próprio teste que permite uma resposta rápida da temperatura a qualquer alteração no fluxo. Uma parte da parede do tubo é cortada e substituída por uma folha fina de aço inoxidável. Uma abordagem semelhante foi usada por Hetsroni et al . ¹, no entanto, a folha que eles usaram foi muito grossa para medir com precisão as alterações de temperatura instantânea e temperaturas de tempo-em média, apenas foram apresentadas. Diminuindo a espessura da folha melhorou a resposta em tempo consideravelmente. ² este método foi aplicado no laboratório para medir coeficientes de transferência de calor convectiva no fluxo bifásico^3,4 e fenômenos transitórios em fase única tubulação fluxo⁵.

Um layout esquemático da instalação de duas fases do fluxo é dada na Figura 1, obter informações adicionais sobre o dispositivo de entrada de ar original podem ser encontradas em Babin et al ³

Investigação de transferência de calor convectiva em fluxo de duas fases é muito complexa devido ao comportamento de fluxo transiente e o efeito da fração de vazio, a secção de tubo. Portanto, muitos estudos apresentaram apenas um coeficiente de transferência de calor convectiva médio para um regime de fluxo determinado como uma função de fluxo específico condições^{6,7,8,9,10 , 11}. no entanto, os papéis por Donnelly et al . ¹² e Liu et al . ¹³ representam exemplos de estudos de transferência de calor convectiva local em duas fases.

O presente estudo aborda as medidas de transferência de calor em torno de uma única bolha (Taylor) alongada injetado estagnada ou líquido em uma tubulação de fluxo. A bolha de Taylor se propaga em uma velocidade constante de translação^14,15,16. A velocidade de propagação da bolha é determinada usando o método de sondas ópticas, consistindo de uma fonte de luz laser e um fotodíodo^3,4.

A combinação de câmera do IR e das sondas ópticas permite medições de transferência de calor convectiva instantânea local como uma função da distância da Taylor bolha topo ou no fundo.

A temperatura instantânea de parede pode ser usada para calcular o coeficiente de transferência de calor por convecção, he o número de Nusselt:

, (1)

onde q é o fluxo de calor para a folha, T_w e T_∞ são a temperatura da parede e a temperatura da água de entrada, respectivamente, k é a condutividade do líquido e D é o diâmetro da tubulação. A temperatura de massa que é comumente utilizada para determinar os coeficientes de transferência de calor não foi medida a fim de evitar a introdução de qualquer interferência com o fluxo.

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

Protocolo

1. teste de seção para a medição da temperatura instantânea

1. Processo de seção de teste de fabricação (Figura 2)
   1. Corte um segmento de um tubo de pelo menos 70 cm de comprimento.
      Nota: A espessura do diâmetro e a parede da seção de teste deve ser idêntica do tubo usado na instalação experimental.
   2. Use uma máquina de trituração para cortar 4 janelas estreitas adjacentes ao longo da tubulação na seção de teste, cada janela é de 6 mm de largura e 80 mm de comprimento com uma abertura de 25 mm entre windows consecutivos.
   3. De um 12 µm folha de aço fina, corte cmlong e 12 mm de 40-60 tiras largas.
      Nota: A película será usada para selar as janelas no tubo de ensaio. O aço inoxidável deve ser revestido com duas listras de ouro que marcam uma pequena distância das extremidades da película e a ser usado para soldar os fios de alimentação para aquecer a folha, veja a Figura 2.
   4. Medir a resistência elétrica da folha que usando um ohmímetro.
   5. Coloque a folha dentro do tubo, seguindo os passos descritos abaixo.
      1. Crie uma base para inserir a folha na seção de teste, feita de um tubo rígido com um diâmetro exterior igual do diâmetro interno do tubo de teste. Para o efeito, cortar um 20 milímetros de largura e cerca de 80 cm tempo parte da parede do tubo
      2. Cubra a base com graxa antes de colocar a folha sobre ele, para permitir que a base desconectando a folha numa fase posterior.
      3. Coloque a folha sobre a base e alise-o. Pegue um pano com álcool e limpe a folha de qualquer excesso de graxa.
      4. Aplique o adesivo sobre a periferia da folha e os três segmentos da película de correspondente para a localização das pontes entre as janelas consecutivas.
         Nota: O adesivo tem que ser forte com um período de endurecimento inicial de pelo menos 20 minutos para garantir tempo suficiente para o processo de fixação da folha; epóxi DP 460 é usado.
      5. Introduza cuidadosamente a base com a folha na seção de teste com a folha virada para cima para o windows.
         Nota: Este processo deve ser feito por duas pessoas.
      6. Certifique-se que a folha está alinhada com as janelas, as listras de ouro devem ser na borda das duas janelas externas. Quando a folha é colocada corretamente e cobre as janelas, link a base do tubo de teste em cada extremidade, usando uma pinça.
      7. Cuidadosamente Introduza um pneu de bicicleta dobrada interna do tubo sob a base, Unte o pneu se necessário. Infle o pneu. Durante a inflação observe o adesivo se espalhando por todo o papel alumínio e alcançando a base.
         Nota: A pressão aplicada pelo pneu inflado deve garantir que o adesivo amarrará a parede interna do tubo e a folha. Isto também irão moldar a folha com a curvatura do tubo e reduzir qualquer interferência possível ao fluxo devido a folha ou o adesivo.
      8. Com um pano, limpe qualquer adesivo em excesso que atingiu as aberturas da janela.
      9. Deixe o adesivo seco por 24 h. esvaziar o pneu, extraia-o e abra os grampos.
      10. Desconecte a base da folha e tubulação nas etapas a seguir:
          1. Toque suavemente cada extremidade da base para sentir que é mais fácil desconectar e comece desconectando o efeito.
          2. Use um rolo longo ou um objeto semelhante para desconectar a base original gradualmente, mova lentamente o tubo até a base inteira é desconectada e a folha permanece em segurança sem danos ao tubo.
             Nota: Este processo deve ser feito com cuidado, a fim de proteger o selo; Se o selo está arruinado uma nova unidade de tubos de teste de transferência de calor deve ser feita.
          3. Verifica que o tubo é selado, fechando uma das extremidades do tubo e o tubo de enchimento com água.
   6. Limpe o excesso de graxa do lado interno da tubulação com água e sabão.
   7. Ligue os cabos de aquecimento elétrico por soldagem para as listras douradas sobre a folha.
      Nota: Para proteger a folha nessas manchas, é aconselhável primeiro um chip pequeno cooper Hiperligação da folha e depois soldar o fio para isso.
   8. Com um adesivo térmico Conecte um termopar tipo T para o fundo de cada janela. Estes termopares serão usados mais tarde no processo de calibração de câmera do IR.
      Nota: As leituras de temperatura desde os termopares são registradas e gravadas por um PC usando um conversor A/D.
   9. Pintura de pulverizador do lado exterior da película com um spray preto esteira a fim de maximizar a emissividade.
2. Aplicação de fluxo de calor para frustrar
   1. Ligue os cabos de aquecimento elétrico da borda da película para uma fonte de alimentação de DC.
   2. Defina a corrente elétrica para que a folha vai chegar a uma temperatura desejada.
      Nota: Não chegar a uma temperatura que possa comprometer o tubo. Para o plexiglás o limite é de cerca de 45 ° C. No entanto, certifique-se que a folha suficiente para que permaneça temperatura da folha pelo menos alguns graus sobre a temperatura de água de entrada, mesmo durante o estado de arrefecimento devido às mudanças transientes esperado no fluxo de calor.
   3. Calcular o fluxo de calor aplicado Q = I²R onde I é a corrente aplicada, e R é a resistência elétrica da folha.
      Nota: A transferência de calor do lado de exterior da folha que está aberto ao ar é insignificante em comparação com a transferência de calor para água dentro do tubo².
   4. Conecte um interruptor elétrico controlável de PC dentre os fios de fluxo de calor a fim de controlar o calor fluxo impulsivo iniciação e desligamento.
3. Câmera IR
   Nota: especificações detalhadas da câmera IR usado no laboratório podem ser vistas no Ferhstman^3,4. A câmera é conectada a um PC e controlada por um computador.
   1. Se possível, conecte a câmera do IR para um conjunto de trilhos, permitindo o movimento tridimensional da câmara facilmente colocá-lo em diferentes posições ao longo da seção de teste.
   2. Ligue a câmera IR alguns minutos antes de realizar qualquer medição, os sensores internos levar tempo para esfriar até a temperatura desejada.
   3. Coloque a câmera IR a poucos centímetros da superfície dentro da distância focal da câmara para permitir a focagem.
      Nota: Dependendo da resolução da câmera certifique-se de que a área medida não é menor do que um único pixel. É preferível ter a área de superfície medida, consistindo em um número de pixels.
   4. Definir o foco da câmera do IR.
   5. Processo de calibração de câmera IR:
      1. Aplica o fluxo de calor como afirmado em 1.2 e espere até um estado de constante térmico é atingido, ou seja, uma vez que os termopares colocados na temperatura constante registro da folha. Medir a temperatura ambiente na proximidade da instalação experimental com um termopar.
         Nota: Esta temperatura será usada como a temperatura refletida da superfície. Para um valor elevado da superfície emissividade, este parâmetro é quase insignificante.
      2. Digite a temperatura ambiente como parâmetro da câmera IR da temperatura refletida.
      3. Para cada janela na folha, compare a temperatura registrada pela câmera IR para a gravação do termopar de uma janela. Ajuste a propriedade de emissividade da câmera IR até a gravação de temperatura da câmara de IR é igual a temperatura registrada pelo termopar.
         Nota: Isto pode ser feito para vários valores de fluxo de calor; no entanto, a emissividade não é sensível a esta distância relativamente baixa temperatura. Nas gravações experimentais, o valor médio de emissividade foi 0,98.

2. medições de velocidade de translação bolha Taylor e seu comprimento

1. Sonda óptica
   Nota: a sonda óptica inclui uma fonte de luz laser e um fotodíodo. Quando a secção inteira do tubo contém água, o feixe de laser é apontado para o fotodiodo, fazendo com que o circuito a ser fechado. Quando o feixe de laser atinge a bolha de ar, ele é empurrado do fotodíodo e abre o circuito. Assim, um sinal binário é obtido, indicando se a sonda óptica é na frente de uma bolha de ar ou de uma lesma líquida.
   1. Para conectar o sensor ao cartão A/D, construa o seguinte circuito (Figura 3).
   2. Ligar o laser, aponte para o diodo. Verifique se a entrada digital do circuito A/D de software. Se o laser atinge o diodo, em seguida, o circuito é fechado e um sinal positivo deve aparecer.
      Nota: Certifique-se que o diodo é sensível à saída do comprimento de onda do laser. Dados dos sensores ópticos são registrados à taxa de 1 kHz.

3. o procedimento

1. Conectar-se a seção de teste para as instalações experimentais, por flanges ou registros de tubulação.
2. Conecte os fios eléctricos de aquecimento para a fonte de energia e os termopares para qualquer gravador de temperatura computadorizado.
3. Coloque a câmera IR em frente a seção de teste no local desejado.
4. Certifique-se de que a câmera é focada sobre a película; Isto é mais fácil fazer com o fluxo de calor na.
5. Aplicar o fluxo de calor (1.2) e executar o processo de calibração de câmera do IR (1.3.5).
6. Coloque os dois ópticos sondas ao longo do tubo de teste
   Nota: Se possível, coloque uma sonda óptica no local da câmera do IR; Isto irá permitir a sincronização entre a medição de temperatura e o local da bolha, como a bolha não é visível para a câmera do IR. Se não for possível, certifique-se de deslocar os resultados no tempo em conformidade com a velocidade da bolha e a distância entre a câmera do IR e a sonda óptica.
   1. Verifique se o feixe de laser na verdade atinge o diodo e produz uma leitura positiva.
7. Ligue a bomba de água e definir a taxa de fluxo desejada. Aplica o fluxo de calor ajustando a corrente da fonte de alimentação.
8. Espere até que seja atingida uma temperatura de estado estacionário. Execute o programa de computador para registrar a temperatura da parede de um fluxo de tubo monofásico.
   Nota: Para isolar o efeito da bolha Taylor sobre o coeficiente de transferência de calor convectiva, é essencial para medir primeiro o coeficiente de transferência de calor convectiva no fluxo monofásico em um fluxo de calor e a taxa de fluxo idênticos como as experiências de duas fases. Recomenda-se executar isto antes de cada evento individual.
9. Execute o programa de computador, que controla a injeção de bolha.
   Nota: Este programa deve primeiro injetar uma única bolha Taylor simultaneamente medir a temperatura da parede usando a câmera do IR e gravar os sinais binários das duas sondas ópticas. Estas duas medidas devem ser sincronizadas para evitar deslocamentos de tempo adicional entre as gravações.
10. Entre as execuções, defina o atraso de tempo suficiente para garantir que o sistema é voltar para as condições iniciais, ou seja, a temperatura de parede retorna ao seu valor inicial de estado estacionário monofásico.
    Nota: É possível que a temperatura da parede do fluxo monofásico estado estacionário aumentará nos casos em que um fluxo de calor elevado na continuamente. Isto deve ser evitado por fechar o fluxo de calor e fazer uma pausa nos experimentos.

4. processamento de dados

1. Calcule o coeficiente de transferência de calor para condições monofásico de estado estacionário, com base na EQ. 1.
   Nota: Este coeficiente é independente do tempo. Ele irá ser usado como um fator de normalização na sequela.
   1. Para cada evento individual gravado sob dadas condições, calcular comprimento das bolhas Taylor e sondas de velocidade translacional, dividindo a distância entre o óptico, L, pelo intervalo de tempo de período de chegada a dica tempo para cada sensor óptico:   , onde t_L1 e t_L2 são os tempos de chegada de ponta a bolha para a parte inferior e superiores sensores ópticos, respectivamente.
   2. Use a velocidade de translação da bolha Taylor para calcular o comprimento de bolha multiplicando-a duração do circuito aberto de uma das sondas ópticas.
2. Calcular o coeficiente de transferência de calor local instantânea para dois fase de fluxo deve ser feito como seguindo:
   Nota: Apesar de todo o processo experimental é informatizado, o comprimento e a velocidade de translação de bolhas Taylor não permanecem exatamente constantes em cada execução experimental. Portanto, no instante em que a bolha atinge o ponto de medição varia. As sondas ópticas e a câmera do IR têm diferente frame taxas, 30 e 1000 Hz respectivamente.
   1. Usando a sonda óptica localizada nas imediações da câmera do IR, registro o momento da chegada de ponta a bolha.
   2. Este sinal de gatilho fornece a referência de tempo para a gravação de câmera do IR.
      Nota: Ensemble médio processo é necessário para obter o coeficiente de transferência de calor convectiva em função da distância da parte inferior da bolha no ponto de medição, z, onde z= 0 corresponde à parte inferior da bolha. Este parâmetro deve ser normalizado pelo diâmetro da tubulação D.
   3. Defina uma resolução para z/D. Todos os valores de dados gravados para cada evento individual (correspondente a condições idênticas) abrangidos pela faixa de resolução espacial prescrita e devem ser em média para obter um único valor representativo da temperatura a que distância da parede da bolha no fundo.
      Nota: Esta resolução espacial deve ser decidida com base na frequência de gravação da câmera do IR e sobre a velocidade de translação da bolha da Taylor. Neste estudo, foi tirada entre 0,15-0,3.
   4. Calcule o coeficiente de transferência de calor em função da distância da bolha ponta/fundo usando a EQ. 1.
   5. Normalize o coeficiente de transferência de calor instantâneo local duas fases do coeficiente constante monofásica.
      Nota: Essa proporção representa uma melhoria na taxa de transferência de calor convectiva devido à passagem da bolha em relação ao fluxo monofásico.

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

Resultados

Um exemplo dos sensores ópticos saída de registros é apresentado na Figura 4 para uma única bolha de Taylor subindo em um tubo vertical preenchido com água estagnada. A grande queda inicial representa a abertura do circuito devido a ponta de bolha de Taylor, enquanto a posterior muito mais curto gotas após o aumento para o valor inicial devido à passagem da cauda alongada bolhas, representam as bolhas dispersas na esteira líquida por trás da bolha de...

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

Discussão

Investigação experimental local de transferência de calor em fluxo transiente tubular é uma tarefa complicada que requer instrumentos de medição high-end e métodos, bem como uma instalação experimental custom-built, em particular, uma seção de teste especialmente concebidos. O presente protocolo mostra uma técnica de Termografia que é capaz de medir fielmente rápido temporais mudanças na temperatura da parede e taxa de transferência de calor devido a variações na hidrodinâmica de fluxo.

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

Materiais

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