Quantifying interfacial parameters of upward and downward annular flow condensation from high-speed visualization

Abstract

Com o objetivo de investigar a estrutura do filme de líquido na condensação de R-134a no regime anular nos arredores do ponto de reversão do escoamento, foi desenvolvida uma técnica experimental baseada no uso de LEDs e câmera de alta velocidade. A seção de testes utilizada consiste em um trocador de calor tubular transparente com escoamento em contra-corrente. O tubo interno possui um diâmetro de 5 mm e o comprimento total do trocador é de 950 mm. O efeito dos seguintes parâmetros foi avaliado: fluxo mássico de refrigerante, taxa de condensação (título de vapor na saída da seção de testes), inclinação da seção de testes e sentido do escoamento. Utilizou-se uma técnica de análise baseada em uma série de processos morfológicos (erosão, dilatação e binarização) aplicados a quadros individuais de sequências de vídeos em alta velocidade, visando a obtenção de um vetor de alturas interfaciais em função do tempo que representa a evolução temporal das ondas de perturbação inerentes ao fenômeno. A velocidade média da frente de ondas detectáveis pelo algoritmo desenvolvido foi calculada através de correlação cruzada. Amplitude e frequências destas ondas nos regimes observados (anular, anular-agitado e estratificado) foram determinadas através de uma combinação de técnicas de processamento digital de sinais e estimação estatística. Estimação de densidade de núcleo (KDE) foi empregada no cálculo da função de densidade de probabilidade (PDF) bidimensional (amplitude-frequência) das estruturas, o que leva, em última instância, à frequência característica fundamental das perturbações. As análises contribuíram para a melhor entendimento da distinção entre regimes interfaciais movidos pelo cisalhamento e pela gravidade.

Abstract : With the aim of investigating the flow structure of the liquid film during condensation of R-134a in the annular flow regime in the vicinity of the point of flow reversal, a LED-based high-speed visualization technique has been developed and applied. The test section consists of a transparent counter-current flow tubular heat exchanger, in which the refrigerant flow can be set upward or downward. The diameter of the inner tube is 5 mm and the total length of the heat exchanger is 950 mm. The effect of the following parameters was evaluated: refrigerant mass velocity, condensation rate (vapor quality at the test section outlet), inclination angle of the test section, and flow direction. A technique based on a series of morphological processes (erosion, dilation, and binarization) applied to individual frames from the acquired video sequences was employed, aiming to obtain an array of time-resolved interfacial heights, representing the temporal evolution of the disturbance waves inherent to the flow. The average velocity of the wave fronts detected by the developed algorithm was calculated with a cross-correlation function. Amplitude and frequency of the waves in the observed flow regimes (annular, churn-annular and stratified) were measured through a combination of signal processing and statistical estimation techniques. Kernel density estimation (KDE) was employed to obtain the joint probability density function (PDF) (amplitude-frequency) of the structures, ultimately leading to the fundamental characteristic frequency disturbance. The analyses provided insight on the distinction between shear- and gravity-driven film flow regimes.