Bezkontaktowe metody pomiaru temperatury powierzchni stosowane w badaniach wymiany ciepła w minikanałach

Transkrypt

1 ZIĘTALA Kinga 1 PIASECKA Magdalena 2 Bezkontaktowe metody pomiaru temperatury powierzchni stosowane w badaniach wymiany ciepła w minikanałach WSTĘP Rozwój współczesnej technologii dąży do miniaturyzacji nowoczesnych urządzeń w wielu dziedzinach życia, przykładowo w przemyśle, elektronice. Urządzenia emitują duże strumienie ciepła z związku z doprowadzeniem do nich energii oraz chłodzeniem ich podzespołów. Problemem rozwoju miniaturyzacji jest sposób chłodzenia maszyn, aby mogły bezpiecznie działać. Jednym ze skutecznych sposobów chłodzenia jest zastosowanie procesów wymiany ciepła, które przebiegają ze zmianą stanu skupienia. Wymiana ciepła w minikanałach jest coraz częściej stosowana w rozwiązaniach technicznych urządzeń, ponieważ dzięki niej możliwe jest uzyskanie dużego strumienia ciepła przy małej różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią grzejną a cieczą nasyconą. W literaturze można odnaleźć różne klasyfikacje kanałów. Jedną z najczęściej stosowanych jest klasyfikacja sformułowana przez Shaha i innych, według której minikanał to kanał o średnicy hydraulicznej (D h ) mniejszej niż 6 mm [21]. Kandlikar zaproponował inną klasyfikację w zależności od wielkości średnicy hydraulicznej, zgodnie z którą kanały dzielą się na: konwencjonalne (D h >3mm), minikanały (3 mm D h > 200 m), mikrokanały (200 m D h > 10 m), przejściowe mikrokanały (10 m D h > 1 m), przejściowe nanokanały (1 m D h > 0,1 m), nanokanały (0,1 m D h ) [9]. Stosowane minikanały charakteryzuje różna geometria (minikanały o przekroju prostokątnym, kołowym, czy mini przestrzenie np. pierścieniowe) oraz orientacja przestrzenna. Mechanizm wymiany ciepła w minikanałach jest zjawiskiem skomplikowanym, badanym od niedawna i nie do końca jeszcze poznanym. Złożoność metody polega na tym, że w tak małych przestrzeniach zachodzą inne procesy niż w większych kanałach. Te procesy przebiegają z dużą intensywnością i czasem są trudno zauważalne, trudne do zidentyfikowania. W minikanałach możliwe jest uzyskanie intensywnej wymiany ciepła, a także zredukowanie wymiarów urządzeń służących do przekazywania ciepła [12, 16]. Techniki pomiarów temperatury: za pomocą metody termowizji oraz termografii ciekłokrystalicznej pozwalają na pomiar pola temperatury badanej powierzchni. Zastosowanie tych technik wiąże się również z wieloma trudnościami. Jedną z nich jest potrzeba stosowania rozbudowanych stanowisk badawczych posiadających system do akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych. Problemem jest również niezbędne przeprowadzenie kalibracji. Kamera termowizyjna kalibruje się automatycznie po włączeniu, ale przed zastosowaniem techniki ciekłokrystalicznej wymagana jest kalibracji barwy powierzchni ciekłych kryształów względem odpowiadającej jej temperatury [16,22,23]. W prezentowanym artykule w badaniach wymiany ciepła w minikanałach będziemy porównywać wyniki badań otrzymane przez zastosowanie wyżej wymienionych bezstykowych metod pomiaru temperatury powierzchni grzejnej przy jednoczesnej obserwacji struktur przepływu dwufazowego w kanale. 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Inżynierii Środowiska Geomatyki i Energetyki, Katedra Sieci i Instalacji Sanitarnych, Kielce, Al lecia Państwa Polskiego 7. Tel.: , Fax: kzietala@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Mechaniki, Kielce, Al lecia Państwa Polskiego 7. Tel.: , Fax: tmpmj@tu.kielce.pl 11784

2 1 STANOWISKO BADAWCZE Z MODUŁEM POMIAROWYM Stanowisko badawcze to złożony system składający się z kilku modułów. Należą do niego: obieg główny (czyli obieg czynnika roboczego), obieg kalibracyjny, obieg zasilający, obieg akwizycji i przetwarzania danych pomiarowych. W głównym obiegu znajduję się podstawowy element całego układu, czyli moduł pomiarowy z minikanałami o przekroju prostokątnym (rysunek 1a). Z jednej strony modułu realizuje się jednoczesny pomiar pola temperatury powierzchni grzejnej metodą termografii ciekłokrystalicznej i metodą termowizji. Przez dwa minikanały, każdy o głębokości 1 mm, szerokości 24 mm i długości 360 mm, przepływa czynnik chłodniczy FC-72. Kanały znajdują się w położeniu pionowym, ale możliwe jest również inna orientacja przestrzenna. Na rysunku 1b pokazano schemat części składowych modułu pomiarowego. a) b) 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a Rys. 1. a) Schemat stanowiska badawczego wraz z jego głównymi obiegami:1-moduł pomiarowy z minikanałami, 2-obraz badań techniką ciekłokrystaliczną, 3-obraz badań techniką termowizyjna, 4-obraz struktur przepływu, 5,12-pompa przepływowa wirnikowa, 6-regulator ciśnienia, 7-wymiennik ciepła (rura w rurze), 8,13,16-filtry, 9-zespół rotametrów, 10,15-separatory powietrza, 11-przetworniki ciśnienia, 14-przepływowy podgrzewacz wody, 17-aparat cyfrowy lustrzanka, 18-aparat cyfrowy, 19- lampy halogenowe, 20-świetlówki LED, 21-stacja akwizycji danych pomiarowych, 22-komputer, 23- autotransformator, 24-spawarka inwertorowa, 25-bocznik, 26-amperomierz, 27-woltomierz, 28- kamera termowizyjna, b) części składowe modułu pomiarowego: 1a-pokrywa metalowa, 2a-płytka szklana z przekładką teflonową, 3a,5a-przekładka teflonowa, 4a-folia grzejna, 6a-płytka szklana z napyloną warstwą ciekłych kryształów na warstwie czarnej farby podkładowej, 7a-przekładka miedziana z naniesioną warstwą czarnej farby podkładowej, 8a-korpus metalowy z elektrodami Na rysunku 1b pokazano folię grzejną (4a) wykonaną ze stopu Haynes-230 firmy Haynes Int., która jest zasilana prądem stałym z autotransformatora z płynną możliwością regulacji natężenia prądu [16]. Powierzchnie minikanałów stanowi folia grzejna (4a). W jednym z minikanałów przykryto ją płytką szklaną (6a) z napyloną warstwą ciekłych kryształów na warstwie czarnej farby podkładowej (od strony folii), aby można było zaobserwować barwne zmiany temperatury powierzchni z wykorzystaniem techniki ciekłokrystalicznej. W drugim z minikanałów folia styka się z przekładką miedzianą z napyloną warstwą czarnej farby podkładowej (od strony szkła) o znanym współczynniku przewodzenia ciepła. W tej części modułu do pomiaru temperatury powierzchni grzejnej wykorzystuje się kamerę termowizyjną (IR). Pozostałymi elementami stanowiska badawczego są: dwa aparaty cyfrowe (w tym jeden lustrzanka), kamera IR oraz stacja akwizycji danych pomiarowych, które opisano w punkcie

3 Celem badania jest wyznaczenie lokalnego współczynnika przejmowania ciepła na styku folia grzejna - ciecz wrząca w kanale. Współczynnik ten będzie wyznaczony przy znanej temperaturze na zewnętrznej powierzchni grzejnej kanału (przy wykorzystaniu termografii ciekłokrystalicznej i techniki termowizji, co umożliwi porównanie wyników) i założonej liniowej zmianie temperatury płynu w kanale (pomiar następuje na wlocie i wylocie) po rozwiązaniu zagadnienia odwrotnego i wykonaniu odpowiednich obliczeń [17]. 2 BEZKONTAKTOWE TECHNIKI POMIARU POLA TEMOERATUR W BADANIACH WYMIANY CIEPŁA W MINIKANAŁACH 2.1 Technika termowizyjna Charakterystyka metody pomiarowej Termowizja to jedna z najbardziej uniwersalnych technologii, która stosuje detekcje promieniowania podczerwonego, czyli IR (infrared radiation). Technika ta pozwala na obserwację i rejestrację promieniowania podczerwonego emitowanego przez przedmioty zlokalizowane w otaczającym nas środowisku. Zebrane przez kamerę termowizyjną wartości emitowanego promieniowania podczerwonego umożliwiają stworzenie obrazu będącego odwzorowaniem rozkładu temperatury obserowanego obiektu [7,14]. Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1800 r. przez angielskiego astronoma Sir Williama Herschela ( ), które nazwał "niewidzialnym promieniowaniem". Promieniowanie cieplne emituje ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego (-273 C/0 K). Promieniowanie podczerwone jest promieniowaniem elektromagnetycznym i ma charakter cieplny. Widmo elektromagnetyczne, związane z promieniowaniem elektromagnetycznym, jest podzielone na pasma długości fal odróżniane za pomocą generowania i wykrywania promieniowania. Promieniowanie podczerwone we wszystkich pasmach widma elektromagnetycznego podlega tym samym prawom. Różnicą pomiędzy tymi pasmami jest różna długość fali, co obrazuje rysunek 2. W badaniach kamerami termowizyjnymi wykorzystuje się pasmo podczerwieni, które znajduje się pomiędzy pasmem światła widzialnego a pasmem mikrofalowych fal radiowych. Pasmo podczerwone dzieli się na mniejsze pasma określone umownie: bliska podczerwień (0,78-3 µm), średnia podczerwień (3-6 µm), daleka podczerwień (6-15 µm) i bardzo daleka podczerwień ( µm) [4,20]. Rys. 2. Podział promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali, opracowanie własne na podstawie [7,10] Ważnym pojęciem w tematyce promieniowania podczerwonego jest ciało doskonale czarne, które pochłania całość padającego na nie promieniowania, niezależnie od długości fali. W przypadku ciał rzeczywistych oprócz pochłaniania (absorpcji) promieniowania cieplnego występuje również emisyjność i odbicie. W badaniach termowizyjnych istotnym parametrem jest emisyjność obiektu, która określa stosunek promieniowania emitowanego z obiektu (ciała rzeczywistego) do promieniowania emitowanego z ciała doskonale czarnego o tej samej temperaturze. Współczynnik 11786

4 emisji zawiera się w przedziale od 0 do 1 i określa zdolność badanego obiektu do emitowania własnej energii. Pomiar jest dokładniejszy i mniej złożony, kiedy współczynnik ma wartości bliskie jedności. Trudne do badania są powierzchnie metaliczne lub chropowate. Do badania tych powierzchni używa się urządzeń o znanym współczynniku emisyjności. Kiedy nie znamy współczynnnika emisyjności danej powierzchni to możemy zastosować dwa rozwiązania. Jednym z nich jest naklejenie folii na powierzchnię obiektu o znanym współczynniku emisyjności. Innym rozwiązaniem, które będzie zastosowane w naszych badaniach jest pomalowanie obiektu cienką warstwą farby lub oleju o znanych parametrach. Dobra znajomość emisyjności ogranicza błędy pomiarowe oraz pozwala uzyskać wiarygodne wyniki przeprowadzanych badań [17,10]. Początkowo technikę termograficzną stosowano w wojskowych systemach operacyjnych podczas pierwszej wojny światowej. W późniejszych latach głównymi obszarami zastosowania kamer IR stały się takie dziedziny jak: technika wojskowa, medycyna, pożarnictwo, przemysł i budownictwo. Zasadniczy wpływ na to miało zmniejszenie kosztów produkcji urządzeń. W latach 90. XX w. producenci urządzeń termowizyjnych zaczęli produkować kompaktowe kamery termowizyjne, które posiadały zarówno przystępne ceny, jak i miały rozbudowane możliwości pomiarowe, rejestracyjne i wizualne. W ten sposób zwiększyła się sprzedaż oraz nastąpiło poszerzenie asortymentu termowizyjnego stosowanego do określonego celu [13,10] Charakterystyka i budowa kamery termowizyjnej Kamera termowizyjna to urządzenie, które jest stosowane do nieinwazyjnych badań termicznych, do pomiaru bezstykowego (NDTT). Czujnik kamery termowizyjnej przetwarza promieniowanie cieplne na wielkość fizyczną, czyli obrazy, a te z kolei są przekształcane drogą elektryczną na parametr temperatury badanej powierzchni. Kamera termowizyjna w przeciwieństwie do pirometru (bezstykowo mierzy temperaturę w danym punkcie) przedstawia rozkład temperatur na całej powierzchni badanego obiektu za pomocą termogramu [20]. W literaturze można odnaleźć różne kryteria podziału kamer termowizyjnych (IR). Jedną z klasyfikacji kamer IR jest podział na dwie podstawowe grupy: kamery termowizyjne monitoringu i kamery termowizyjne pomiarowe. Kamery monitoringu są najczęściej stosowane w wojsku do obserwacji w ciemności lub w trudnych warunkach atmosferycznych. Kamery termowizyjne pomiarowe używane są do zastosowań cywilnych w przemyśle, nauce, w badaniach laboratoryjnych do bezdotykowego pomiaru temperatury, a także do pomiaru temperatury względnej lub bezwzględnej. Kamery IR charakteryzuje wiele parametrów, a jednym z najważniejszych z nich jest subiektywna jakość obrazu postrzegane przez człowieka. Istnieją dwie metody umożliwiające oszacowanie prawdopodobieństwa detekcji orientacji, rozpoznania i identyfikacji termalnych anomalii generowanych przez skazy w obrazach materiałów MRTD (procedura pomiaru minimalnej różnicy temperatur) i MDTD (procedura minimalnej detekcji różnicy temperatur). Końcowe obrazy kamer IR są interpretowane przez ludzi, a to może wpływać na jakość obrazu i rozkład temperatury badanej powierzchni [2,3]. Badania wykonywane kamerami termowizyjnymi są dwuwymiarowe, czyli uzyskany obraz pozwala na podgląd obiektu. Obiekty podlegające badaniom w czasie rzeczywistym i rezultaty badań podawane są natychmiast. Po wykonaniu pomiaru kamerą IR obraz jest zapisywany na monitorze komputera w postaci rysunku w formacie JPG i przypisany do odpowiedniego termogramu [24]. Termogram (obraz ilustrujący rozkład temperatur na powierzchni badanego obiektu) jest rodzajem zdjęcia przedstawiającym powierzchnię obiektów, które otrzymane jest w określonym przedziale promieniowania elektromagnetycznego. Obraz kamery termowizyjnej powstaje poprzez wysyłanie i odbicie promieniowania podczerwonego niewidzialnego dla człowieka przez badany obiekt. Ta technika umożliwia uzyskanie w krótkim czasie powierzchniowego rozkładu temperatury. Do rejestrowania temperatur tą techniką nie jest potrzebne oświetlenie. Badania kamerami IR mogą być również wykonywane w nocy, ponieważ każdy obiekt wysyłający promieniowanie podczerwone jest widoczny na termogramie [19]. Kamera IR dostarcza wizualne zapisy obrazu, które są jakościową (obraz) i ilościową (temperatura) informacją dla głębszej znajomości cieplnych warunków i procesów 11787

5 termodynamicznych. Podczerwony aparat fotograficzny pozwala na statyczny pomiar i monitoring dynamicznych procesów, które są dokonywane w laboratoriach. Aby możliwe było dokładne przeanalizowanie i interpretacja zarejestrowanych termogramów wymagana jest dobra znajomość właściwości badanego obiektu, materiału, wpływ warunków klimatycznych oraz znajomość technik pomiarowych. Podczas badań kamerą termowizyjną ważnym zagadnieniem są źródła zakłóceń występujące w praktyce. Należą do nich: oddziaływanie promieni słonecznych na badany obiekt, gorące elementy grzejne np. grzejniki, światło lamp padające na badaną powierzchnię, nawiew powietrza, wpływ wilgoci na badany obiekt [24]. W badaniach wymiany ciepła w minikanale zastosowano kamerę termowizyjną Flir SC 640 firmy Flir system zilustrowaną na rysunku 3. Rys. 3. Budowa kamery termowizyjnej: 1-obiektyw, 2-aparat cyfrowy, 3- uchylny okular, 4-lampa, 5-monitor LCD, 6-uchwyt, 7-programowe przyciski, 8-wskaźnik laserowy 2.2 Termografia ciekłokrystaliczna Charakterystyka metody pomiarowej Termografia ciekłokrystaliczna (TLCS) to wygodna metoda, którą można stosować w badaniach wymiany ciepła podczas przepływu płynu, zarówno w makro jak i w minikanałach. Jest ona bezinwazyjną metodą pomiarową odwzorowującą rozkład temperatury na powierzchni ciała stałego lub w płynach w postaci barwnych map, obrazów. Za jej pomocą w łatwy sposób można odróżnić zimniejsze lub chłodniejsze obszary na badanych powierzchniach czy płynach. Wskazaną metodę wykorzystuje się od lat 60 XX wieku i jest ona jeszcze niedostatecznie poznana. Ciekłe kryształy znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach techniki, np. w badaniach wymiany ciepła w turbinach gazowych, w elektronice, w urządzeniach o przepływie płynów w minikanałach oraz w diagnostyce medycznej. Technika TLCS pozwala na wyznaczenie dwuwymiarowego jakościowego rozkładu pola temperatury, w którym temperatura zmienia się przestrzennie i czasowo. Ciekłe kryształy reagują na zmiany temperatur, w sposób ciągły zmienia się ich kolor. Wykorzystują one własność selektywnego odbicia światła od badanej powierzchni. W związku z tym pracują one w określonym zakresie temperatury zwanym pasmem aktywnym, który może zawierać się w zakresie od 273,5 K do 303 K [5] lub 240 K do 623 K [11]. Obrazy uzyskane za pomocą barwnej wizualizacji powierzchni powinny być uchwycone za pomocą urządzenia do przetwarzania obrazu, np. cyfrowej kamery wideo czy aparatu cyfrowego. Następnie obrazy przetwarza się przy zastosowaniu właściwego algorytmu w celu uzyskania odpowiedniego pola temperatury powierzchni grzejnej [1]. Przed rozpoczęciem badań z użyciem termografii ciekłokrystalicznej należy dobrać odpowiednią partię ciekłych kryształów. Dobór polega na tym, że mierzymy temperaturę danej powierzchni. Dla najniższej temperatury, jaka wystąpi na badanym obszarze dobieramy barwę czerwoną (barwę selektywnego odbicia). Wraz ze wzrostem temperatury barwa powinna zmieniać się od czerwonej przez żółtą, zieloną aż do osiągnięcia maksymalnej wartości temperatury, której jest przypisana barwa fioletowa (w paśmie widma widzialnego). Po przekroczeniu zakresu pasma aktywnego na badanej powierzchni można zauważyć jedynie barwę czarną, którą jest pokryte podłoże. Jak podają różne 11788

6 źródła literatury, metoda TLCS jest dość dokładna, gdyż przy zastosowaniu różnego rodzaju ciekłych kryształów można uzyskać dokładność pomiaru temperatury powierzchni rzędu 0,86 K [16,18] czy 0,1 K [8] Budowa i właściwości optyczne ciekłych kryształów Ciekłe kryształy to związki organiczne o skomplikowanej budowie, które wykazują fazę pośrednią pomiędzy fazą ciekłą a stałą. Posiadają zdolność płynięcia, napięcia powierzchniowego (charakterystyczną dla cieczy) posiadają uporządkowaną strukturę i zdolności anizotropowe (typowe dla ciał stałych, kryształów). Istnieje kilka rodzajów ciekłych kryształów, a najczęściej stosowane z nich to te, które przechodzą w stan ciekłokrystaliczny pod wpływem temperatury (termotropowe ciekłe kryształy). Dokładny ich opis można znaleźć w literaturze [1,6,15]. Ciekłe kryształy o odpowiedniej grubości warstwy natryskuje się na badaną powierzchnię. Ta warstwa nie może być zbyt cienka [8], ani zbyt gruba [16], bo może stwarzać niepożądane zmiany temperatury w poprzek warstwy. Warstwę ciekłych kryształów należy nałożyć na powierzchnię pomalowaną czarną farbą podkładową w celu lepszej wizualizacji barw. Przy białym oświetleniu ciekłe kryształy selektywnie odbijają monochromatyczne światło, którego długość fali jest równa skokowi struktury spiralnej. Długość fali odbitego światła zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Barwa światła widzialnego zależy od takich czynników jak np. kąt badania światła białego, oddziaływanie mechaniczne i w zakresie widzialnym zmienia się od czerwonej do fioletowej [8,16] Kalibracja barwy względem temperatury Aby możliwe było zastosowanie ciekłych kryształów do ilościowych pomiarów temperatury powierzchni grzejnej konieczna jest ich kalibracja. Kalibracja pozwala przypisać odpowiedniej barwie ciekłych kryształów jej temperaturę. Istotnymi kwestiami związanymi z kalibracją ciekłych kryształów jest rodzaj stosowanych metod, ich obrazowanie, kolorymetria, oświetlenie, grubość oraz starzenie ciekłych kryształów. Jak wspomniano wcześniej, grubość natryskiwania warstwy jest dość istotna, tak samo warunki oświetleniowe, które powinny być jednakowe podczas samego eksperymentu, jak i kalibracji ciekłych kryształów. Ciekłe kryształy, czyli związki organiczne ulegają starzeniu, jak każdy materiał, dlatego ważna jest ciągła weryfikacja ich własności przed rozpoczęciem właściwych badań. Według kolorymetrii (technika analityczna określania stężenia roztworów barwnych za pomocą obrazowego porównania intensywności barwy próbki badanej z intensywnością barwy wzorca) każdy kolor składa się z trzech barw podstawowych: czerwona (R), zielona (G), niebieska (B). W związku z tym, że zapis punktu temperatury powierzchni grzejnej (pojedynczy piksel) w postaci macierzy 3x1 jest uciążliwy, wprowadza się uproszczone modele barw, przykładowo HSI (H, hue - barwa; S, saturation - nasycenie, I, intensity - intensywność), który w pewnych szczególnych warunkach można zamienić w jednowymiarową macierz barw (temperaturze odpowiada konkretna barwa) [1,15,16,18]. W przeprowadzonych badaniach stała jest intensywność i nasycenie barwy, a zmianie ulega jedynie barwa hue, którą można zapisać w postaci: 3( G B) hue arctan (1) 2R G B gdzie: R - ilość barwy czerwonej, G - ilość barwy zielonej, B - ilość barwy niebieskiej. Szczegółowy opis toru kalibracyjnego realizowanego na stanowisku badawczym przedstawiono w literaturze [15, 16]

7 3 DWA TORY POMIAROWE DO POMIARÓW TEMPERATURY POWIERZCHNI GRZEJNEJ Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI TERMOWIZYJNEJ I TERMOGRAFII CIEKŁOKRYSTALICZNEJ Schemat stanowiska badawczego, na którym realizuje się jednocześnie dwa tory pomiarowe wykorzystujące termowizję i termografię ciekłokrystaliczna do detekcji pola temperatury powierzchni grzejnej, przedstawiono na rysunku 4. Elementami wspólnymi obu torów pomiarowych tego stanowiska są: aparat cyfrowy typu lustrzanka Canon EOS 550D do rejestrowania obrazu struktur przepływu płynu przepływającego przez minikanał, stacja akwizycji danych pomiarowych DaqLab 2005 wraz z odpowiednim oprogramowaniem komputerowym oraz dwie lampy halogenowe. Na rysunku 4a przedstawiono schemat toru pomiarowego wykorzystującego rejestrowanie zmian temperatury powierzchni grzejnej z zastosowaniem techniki termowizji. Główną częścią tego toru pomiarowego, oprócz elementów wymienionych wyżej, jest kamera termowizyjna typ SC640 firmy Flir z systemem pracującym w zakresie widmowym od 7,5 do 13 µm [24]. Obraz kamery IR zapisywany jest w systemie cyfrowym z częstotliwością obrazu 30 Hz. Kamera IR posiada dokładność odczytu ± 2 C lub ± 2% i jest przystosowana do zdalnego pomiaru w czasie rzeczywistym o rozdzielczości termicznej 0,06 C dla 30 C. To urządzenie jest wyposażone w oprogramowanie komputerowe, dzięki któremu możliwe jest uzyskanie wyników w pożądanej formie: otrzymujemy pomiar temperatury w określonym punkcie albo wzdłuż linii wykreślonej w dowolnym miejscu termogramu [24]. Na rysunku 4b pokazano schemat toru pomiarowego, na którym realizuje się identyfikację zmian temperatury powierzchni grzejnej z wykorzystaniem techniki ciekłokrystalicznej. Na tym schemacie (po za częściami wspólnymi obu torów pomiarowych) widnieją takie elementy, jak: aparat cyfrowy Canon PowerShot G-11 do wykonywania zdjęć obrazów kolorowych powierzchni z naniesioną warstwą ciekłych kryształów oraz system oświetlenia. Na oświetlenie powierzchni modułu pomiarowego z torem do badań termografii ciekłokrystalicznej składają się dwie świetlówki oraz dwie żarówki LED emitujące światło białe o barwie zimnej. a) b) Rys. 4. Schemat stanowiska pomiarowego do badań z użyciem: a) techniki termowizji b) termografii ciekłokrystalicznej 4 PRZYKŁADOWE WYNIKI Rysunek 5 prezentuje przykładowe wyniki pełnej serii pomiarowej podczas zwiększania (obrazy nr od 1 do 4) oraz zmniejszania strumienia ciepła (obrazy nr 5 i 6) doprowadzanego do powierzchni grzejnej, jako obrazy rozkładu barwy na badanej powierzchni grzejnej, uzyskane przy wykorzystaniu: techniki ciekłokrystalicznej (rys. 5a) i kamery termowizyjnej (rys. 5b) oraz obrazy struktur przepływu 11790

8 dwufazowego (rys. 5c). Na rysunku 6a przedstawiono zależności temperatury powierzchni grzejnej w funkcji odległości od wlotu do kanału, uzyskane dzięki zastosowaniu termografii ciekłokrystalicznej, a na rysunku 6b - lokalne współczynniki przejmowania ciepła wzdłuż przepływu płynu w kanale, wyznaczone metodą jednowymiarową [16]. Rys. 5. Obrazy zarejestrowane podczas przykładowej serii pomiarowej, głębokość kanału 1 mm, FC-72: a) obrazy powierzchni z warstwą ciekłokrystaliczną, b) obrazy powierzchni zarejestrowane kamerą termowizyjną, c) obrazy struktur przepływu dwufazowego; parametry eksperymentalne: a,b,c): prędkość przepływu płynu 0,12 m/s, ciśnienie na wlocie do kanału: ok. 135 kpa, niedogrzanie cieczy do temperatury nasycenia na wlocie do kanału 45 K; strumień ciepła: 1) 10,99 W/(m 2 K), 2) 14,04 W/(m 2 K), 3) 16,73 W/(m 2 K), 4) 20,20 W/(m 2 K), 5) 17,39 W/(m 2 K), 6) 14,12 W/(m 2 K) Rys. 6. Zależności: a) temperatury powierzchni grzejnej, otrzymana przy wykorzystaniu techniki ciekłokrystalicznej, b) współczynnika przejmowania ciepła, w funkcji odległości od wlotu do kanału WNIOSKI Bezkontaktowe metody zastosowane do pomiaru temperatury powierzchni grzejnej w minikanałach tj. termografia ciekłokrystaliczna oraz technika termowizyjna, pozwoliły na 11791

9 zgromadzenie pełnych danych niezbędnych do wyznaczenia lokalnych współczynników przejmowania ciepła przy wrzeniu w przepływie czynnika chłodniczego przez minikanał o przekroju prostokątnym. Metoda termografii ciekłokrystalicznej to dokładny, powtarzalny pomiar rozkładu temperatury powierzchni grzejnej. Jednak warunkiem jej zastosowania jest przeprowadzenie kalibracji barwy ciekłych kryształów oraz utrzymywanie stałych parametrów: oświetlenia i odległości między elementami układu optycznego, w okresie samych badań jak i kalibracji. Technika termowizji to uniwersalna technologii stosująca detekcje promieniowania podczerwonego, dzięki której tworzą się obrazy będące odwzorowaniem rozkładu temperatur obserowanego obiektu. Mimo, że jest mniej dokładna od termografii ciekłokrystalicznej, pozwala na statyczny pomiar i monitoring dynamicznych procesów, które zachodzą w minikanałach. Streszczenie W artykule przedstawiono bez stykowe metody pomiaru pola temperatury na powierzchni grzejnej wykorzystywane w badaniach wymiany ciepła przy wrzeniu podczas przepływu płynu chłodniczego przez minikanał. Omówiono szczegółowo dwie metody pomiaru temperatury: za pomocą termografii ciekłokrystalicznej oraz za pomocą pomiaru temperatury z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Na podstawie dostępnej literatury scharakteryzowano metodę termografii ciekłokrystalicznej, która jest jedną z precyzyjniejszych i wygodniejszych pomiarów dwuwymiarowego rozkładu temperatury. Natomiast metoda pomiaru kamerą termowizyjną to jedna z najbardziej uniwersalnych technologii pomiaru temperatury stosująca detekcje promieniowania podczerwonego. Pozwala ona na obserwację i rejestrację promieniowania podczerwonego, które emitują przedmioty zlokalizowane w otaczającym ją obszarze. Kamera termowizyjna za pomocą zebranych wartości emitowanego promieniowania podczerwonego przedstawia nie tylko barwne obrazy, ale również odwzorowuje rozkład temperatur obserwowanego obiektu. W pracy omówiono stanowisko badawcze, które wykorzystuje się w badaniach z zastosowaniem obu technik pomiarowych przy analizie procesów wymiany ciepła w minikanale. Przedstawiono przykładowe wyniki badań uzyskane z wykorzystaniem tych metod. Contactless methods of taking measurements in the temperature field applied in investigations on the heat transfer in the minichannel Abstract The article presents contactless methods of taking measurements in the temperature field on the heating surface when the cooling liquid flows through the minichannel. Two methods of temperature measurement are discussed in detail: using liquid crystals thermography and by the IR camera. Based on the available literature, liquid crystal thermography, one of the most precise and convenient temperature measurement technologies, was used for measuring two-dimensional temperature distribution. On the other hand, taking measurements by IR camera is one of the most universal methods of temperature measurement, when IR radiation is applied. It allows observing and recording IR radiation emitted by objects in the surrounding area. Thanks to the collected data on emitted infrared radiation the IR camera shows not only color images, but it also reflects the temperature distribution of the object under study. The paper discusses the workstation used for investigations employing both techniques for analysis heat transfer in the minichannel. Sample study results obtained by the applications of the two methods are presented. Praca powstała w ramach projektu NCN, nr umowy UMO-2013/09/B/ST8/ Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2013/09/B/ST8/ BIBLIOGRAFIA 1. Abdullah N., Talib A. R. A., Jaafar A. A, Salleh M. A. M., Chong W.T., The basics and issues of Thermochromic Liquid Crystal calibrations, Experimental Thermal and Fluid Science 34, 2010, pp Chrzanowski K., Park S. N., Evaluation of thermal cameras for non-destructive thermal testing applications, Infrared Physics & Technology 42, 2001, pp

10 3. Chrzanowski K., Testing thermal imagers. Practical guidebook, Warszawa Gade R., Moeslund T. B., Thermal cameras and applications: a survey, Machine Vision and Applications 25, 2014, pp Hay J.L., Hollingsworth D.K., Calibration of micro-encapsulated liquid crystals using hue angle and a dimensionless temperature, Experimental Thermal and Fluid Science 18, 1998, pp Janik J., Ciekłe kryształy, Foton 94, Jura J., Adamus J., Zastosowanie termografii do oceny izolacyjności cieplnej budynku, Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym 2, 2013, pp Kakade V.U., Lock G.D., Wilson M, Owen J.M., Mayhew J.E., Accurate heat transfer measurements using thermochromic liquid crystal. Part 1: Calibration and characteristics of crystals, International Journal of Heat and Fluid Flow 30, 2009, pp Kandlikar S. G., Grande W.J, Evolution of microchannel flow passages-thermohydraulic performance and fabrication technology, Heat Transfer Engineering 24 (1), 2003, pp Karwat T., Termowizja - zasady ogólne, środowisko pomiarowe, budowa kamer, przykłady zastosowania, Izolacje 5, 2008, pp Kasagi N., Moffat R.J., Hirata M., Liquid crystals. Handbook of flow visualization, ed. W. Yang, Hemisphere Public Corporation, Mehta B., Abhimanyu D., Khandekar S., Estimation of laminar single-phase heat transfer coefficient in the entrance region of a square minichannel using infra-red thermography Proceedings of the 21 National & 10 ISHMT-ASME Heat and Mass Transfer Conference, IIT Madras, India, 2011, pp Minkina W. A., Rutkowski P., Wild W. A., Podstawy pomiarów termowizyjnych, Pomiary, Automatyka Kontrola 1, 2000, pp Nowak H., Wpływ oddziaływania cieplnego promieniowania środowiska zewnętrznego na wyniki termowizyjnych badań budynków, Budownictwo i Architektura 3, 2013, pp Piasecka M., Determination of the temperature field using liquid crystal thermography and analysis of two-phase flow structures in research on boiling heat transfer in a minichannel, Metrology and Measurement Systems 2, 2013, pp Piasecka M., Monografia. Wrzenie w przepływie na rozwiniętych powierzchniach minikanałów, Kielce Piasecka M., Pastuszko R., Wyznaczanie pól temperatury przy zastosowaniu termografii ciekłokrystalicznej oraz kamery termowizyjnej w badaniach wymiany ciepła w minikanałach, Pomiary Automatyka Kontrola 6, 2005, pp Piasecka M., Wykorzystanie termografii ciekłokrystalicznej do detekcji pola temperatury w badaniach wymiany ciepła podczas przepływu płynu chłodniczego w minikanale, Logistyka 6, Pichniarczyk P., Zduniewicz T., Wykorzystanie w budownictwie metody termowizji w podczerwieni, Izolacje 7/8, Piotrowski J., Buchczik J., Illewicz W., Pomiary. Czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fizycznych i składu chemicznego, WNT, Warszawa Shah M.M., Chart correlation for saturated boiling heat transfer: equations and further study, ASHRAE Transactions, 1982, pp Sobierska E., Kulenovic R., Mertz R., Groll M., Experimental results of flow boiling of water in a vertical microchanne, Experimental Thermal and Fluid Science 31, 2006, pp Sobierska E., Kulenovic R., Mertz R., Heat transfer mechanism and flow pattern during flow boiling of water in a vertical narrow channel - experimental results, International Journal of Thermal Sciences 46, 2007 pp User s manual ThermaCam B640, P640, SC640, Publ. No Rev.a 201-ENGLISH (EN),