Some Experimental Results of Free Convection From Horizontal Heated Wires Below Atmospheric Pressure

Abstract

The cooling of horizontal wires by natural convection of air is investigated. Experiments are carried out with the use of an apparatus designed for thermal testing of electric cables for aerospace vehicles. Two wire diameters are considered: D = 0.155 mm and 0.593 mm with a length of about 2.45 m. Air pressure is varied from the atmospheric value down to 0.4 mbar, to which corresponds a Knudsen number ranging from 2·10−4 up to 2 while the Rayleigh number covers ten order of magnitude, from 10−10 up to 1. On the basis of the value of the Knudsen number, three regimes of heat transfer are identified: free convection in fully continuum fluid regime, the combined free molecule conduction close to the wire surface and free convection in the remaining space and the conductive regime at low pressure, when the rarefied gas is nearly quiescent. An attempt is also made to correlate the heat transfer results in all three regimes.

Determinación experimental de la transferencia de calor por convección en hilos finos en atmósferas enrarecidas

“…Milano realiza trabajos experimentales sobre convección en hilos horizontales a bajas presiones (Milano, 2010). Los experimentos se realizaron en una instalación para pruebas térmicas de cables eléctricos para el ámbito aeroespacial.…”

“…También es un hecho que existen muy pocos resultados experimentales publicados en el intervalo del régimen de transición, como los de Kyte para hilos verticales y los de Milano (Milano, 2010) y Gao (Gao et al, 2018) para hilos horizontales. Milano intentó correlacionar sus resultados experimentales en el régimen de transición con una ecuación analítica, pero finalmente no mostró resultados concluyentes.…”

“…En algunos trabajos experimentales publicados (Collis & Williams, 1954;Kyte et al, 1953;Milano, 2010), las pérdidas de calor por conducción se desprecian, bien por considerarse lo suficientemente pequeñas o bien por adaptar el experimento para reducir los efectos de borde (Kyte et al, 1953). Esta hipótesis puede ser aceptable para presiones cercanas a ambiente, pero la importancia relativa de las pérdidas por conducción se incrementa a medida que baja la presión.…”

“…Basándose en esta estimación, en los experimentos de este trabajo se tienen pérdidas por conducción menores del 3 % respecto de 𝑄 ̇ para todas las configuraciones de hilo en presiones > 10 mbar, sin embargo, las pérdidas se incrementan rápidamente, llegando a ser > 10 % para presiones más bajas (véase el apartado 7.2). Estos valores son similares a los calculados por Milano (Milano, 2010) cuyo modelo de conducción tridimensional arroja pérdidas de hasta el 6 % sobre el calor total disipado.…”

“…Tras analizar los resultados de los experimentos, se ha considerado que esto no ha afectado a las medidas, ya que no se han producido desviaciones en las tendencias de los datos a una misma presión para el intervalo de temperaturas estudiado (las posibles desviaciones de la tendencia serían apreciables a altas temperaturas, por una mayor flecha). Además, estas tendencias son similares a las publicadas por otros autores (Collis & Williams, 1954;Gao et al, 2018;Kyte et al, 1953;Madden & Piret, 1951;Milano, 2010), que en su mayoría no tienen en cuenta la deformación del hilo incluso alcanzando temperaturas mayores que en las de este trabajo. Particularmente, Kyte en sus hilos verticales y Milano en sus hilos horizontales son los únicos que mantienen los hilos tensos en tiempo real durante sus experimentos, pero no se aprecian diferencias en la tendencia de los resultados comparándolos con otros autores y con los resultados experimentales de este trabajo, por lo que el efecto de un posible pandeo se puede considerar despreciable.…”