氣―液系流動層に關する研究
加
藤
康
夫
1
流 動 に つ い て
1．緒 言
気一液系流動腎に関する研究は現在まで見当らな い。ガスー液系反応、ガス撹絆による液一固定系反応 及び液一液系反応、触媒を用いるガスー液系反応等を 流動層にて行う場合の基礎研究として、空気一水系流 動層の流動状態、流動高さ及び圧損失等を決定した。2．実験装置及び測定法
空足 → ガ 、 「 ラ ス 管 彰 ア メ 1 タ 1 ξ艮保拷瓶 ・・ 刺7‘ス ∫ Fig．1 蓼i 置 田各 図 実験装置の略図をFig．1に示す。室気は室気圧縮機 により塗り出され、オリフイスAで計量されてから装 置に入る。液保持板には、30メツシユの金網二枚の間 に粟粒を厚さ10mm填めたものと、60メツシユの金網 を用いた場合がある。静圧孔Cは液保持板の約40mm 下に1mmの孔をあけ、静圧；OミマノメgeターDに作用 するようにした。測定部分には、内径31mmφ、長さ 500mmtpのガラス管と内径46 mmφ、長さ600mmの ガラス管二種類を用いた。3．流 動 状 態
Fig・2（内1￥． 31mrn中ガラス管）、 Fig．3（内径46mm φガラ管）は、夫々、液を一定の高さに入れて、室気 流速をthAegに変化させた場合の流動高さL〔cm〕と塞 気流速u〔cm／sec〕との関係を点綴し、その上に観察 による流動状態を大別したのである。17
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4 3 空気流速L，・〈．〔αn！匁c〕 Fiきξ．2 汐筒動｝伏態区分 （内径31mm・pガラス管） 室気議選 u〔己η／Seo〕Fig．3流動状態区分
（内径45mm（pガラス管） 観察により流動状態を次の如く大別する。a）室気 流速極めて小さいときは、室気は軍独の気泡とたつて 上昇し、室気琉速が増すにつれて次第に気泡が連続す るようになり液の中を上昇する。限界塞気流速は5cm ／secである△b）吹に気泡が管内に充満し、一一一il9な気 泡のみの流動状態になり、室気流速に相応した安定な 高さを示す。室気流速5∼17cm／secの範囲。 c）更に 流速を増すと、不安定なスラツギソグ状態になり、流 動高さが減少し、静圧測定用マノメータ｛が振動す る。室気流速17へ35cm／secの範囲。 d）次に、烈し い沸騰状態を呈し、流速と共に烈しくなる。室気流速 35∼80cm／secの範囲。 e）更に流速を増すと液滴窮昭和29年7月
山梨大学工学部研究報告
第 5 号 生じ、流出流動状態に移行する。この実験範囲内に於 いては管径の影響うごあり、管の太い方が状態区分に関 係する空気流速の値が幾分大きくなつている。4．流 動 高sさ
縦軸に（L／Lo）（Le／D）へ＾5をとり、横軸に（u2／ 2gD）をとるとFig． 4の如くなるo il紅・
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Fig．4 （L／Lo）（Le／D）∩・35と（uL’／29D）との関係 b）の気泡流劫碗囲では、一つの線になり、次の実 験iぐが成立する。 （L／Lo）；19（u2／29つ）（Lo／D）−e・3「） d）の沸騰状態については、液高の上限ど下限との 間に巾をもつが、室気琉速に殆んど関係なく一定で、 次の実瞼式が成立する。 （L／Lo）＝（3∼4）（Lo／D）−0355．歴 損 失
訂紅・＝・5．3
L−．一．“一一．一一b一
0 10 20 30 40 50 60 10 90 90 ｝00 空 気 ラ言しLl “ （c va ls｛ c〕 Fig・5 総圧降ドと室気流速との関係 全圧降下て△P）Tは、金網を通つて泡を生成するた めの圧降下、（△P）St液柱Loによる差圧（△P）L及び 流動に於ける圧降下（△P）との総和であるから、亥の 関係式が成立する。 （△P）T＝（△P）s十（△P）L十（△P） 図中の記号を、○印でかこんだ、u ＝＝Oの値は、流 動開始直前の総圧を示す。流動を始めると、一度差圧 が減少し、再び増して、大略一定 の値を示すから、（△P）は無幌し てよいと考えられる。即ち、 （△P）T＝（△P）s十（△P）Lとなるo 金網の場合には（△P）sは泡の生成 による圧降ドと考えられる。液保 持板に、30メツシユの金網二枚の 間に、粟を厚さ10mm墳めたも のを用いた場合には、（△P）iはu の変化によつて増減する。かかる 保持板を用いる場合には、乾燥状 態に於ける圧降ドでなく漁潤状熊の（△P）sとuとの 関係を用いなければならない。6．結
嘗 察気一一一7k系流動層の流動状熊並に状熊区分を観察に より行つた。これ等は、主として室気流速に支配され て、流動開始前の液の高さにはあまり関係しない。 流動高さについて、吹の実験式を得た。（8°C） 気泡流動範囲 （u2／2gD）＝3×10−3∼4×10−2 （L／L・）＝・・9（卦）1’37（L・／D）一 沸騰状態i範囲 （u2／2gD）＝O．2Pl上 （L／Lo）＝（3∼4）（Lo／D）一｛’・3r） 流動による圧損失は、液桂の高さ、泡の生残に要す る圧損失、済保持板の圧損失に比して無硯し得る。 ｝2 Fig．5は、液保持板に60メツシユの金網を用いた 場合の総圧降ド、（△P）T、〔cmH20〕と塞気流速、 u 〔cm／sec〕との関係を示ず△各線は、各々流動開始直 前の液の高さLoについての値である。 使 用 記 号 D：管の内径 〔cm〕 g：重力加速度 〔cm／sec2〕 L：流動高さ 〔cm〕 LO：流動開始直前の液の高さ 〔cm〕 U：察気流速一〔cm／sec〕 18気一液系流動層に関する研究
‖伝熱について
1．緒 言
化学反応を行うに、反応容器内の温度分布が均一 で、所望の温度であれば、主反応生成物のみを得るこ とも可能であるが、温度分布が不均一であると、副反 応生成物が生ずる。淵度を…定に保つためには、傳熱 係数が大きい程容易である。特に、発熱或は吸熱の烈 しい反応に於いては、傳熱係数の大小が極めて重要な 問題になる。2Pち、反応容器内の境膜傅熱係数を大き くすることは、勿論必要であるが、更に熱媒体側の境 膜傳熱係数を大きくすることも必要である。これらの 必要性により、気一液系流動層の傳熱係数につlv・て研 究した。2．装置及び測定法
鮪対 1 赫、気→ fK糟から 一w
一 一 → 永 ↓ ↓ h 水 i純的 ←タト鯉 Fig．1 傳熱係数測定装置略図 装置の略図をFigぼに示す。博熱係数測定部分は、内径32mmφ、傳熱長さ295mm、肉厚3mmの黄銅管
の外側を直径120mmφの蒸気套で覆い、更に、熱損 失を防ぐためその外側を直径160mmφの蒸気套で覆 つた△内套には、12個の蒸気通路をあけた。凝縮水 が、内套から外套に、或は、外套から内套に流入しな い様にしたo 管壁の温度を測定するため、上下各々25mmのとこ ろまで溝をほり、銅コソスタソタン熱電対を入れて、 その先端を管壁に牛鰻付けした、更に、銅コソスタソ タソ線が水蒸気に触れない様に、線を溝に埋めて、そ の上を0・3mmの銅板で被覆し牛鰻付けした。 スクリーソ上の液高を一一定に保つために、水を溢流 させて液高を一定にした水槽を金網のすぐ上部にゴム 管で連結し、蒸発量を補給するようにした。この水槽 Hを上下することにより、液高を変化することが出來 るo 流動開始の液高を一定に保ち、室気流速を変化させ て、各条件に於ける水蒸気温度、上下管壁温度、流動 層内の卒均温度を銅コソスタソタン熱電対を用い、パ イロメーターで測定した。又その条件の博熱凝縮量を も測定した。3．結果及び考察
総括傳熱係数及び境膜博熱係数を夫々次の式で計算 した。 総括傳熱係数 〔kcal／m2 hr°C〕 Uは総括傳熱係数、〔kcal／m2 hr°C〕、 h、は水蒸気凝縮境膜博熱係数、〔kcal／m2 hr°C〕、 hfは流動暦内の境膜傳熱係数、〔kcal／M2 hr°C〕、 Qは傳熱量、〔kcal／hr〕、Aは装置の傳熱面積、〔m2〕、 tsは水蒸気の温度、 〔OC〕、 twは管壁の卒均温度、 〔°C〕、tfは流動暦内の卒均温度、〔°○△ Fig・2は、総括傳熱係数、 Uと室気流速u〔cm／sec〕 との関係を示す。Fig．3は、水蒸気凝縮境膜停熱係数 hsと凝縮量r〔kg／mhr〕との関係を示す。 Fig．4は、 流動層内の境膜簿熱係数、hf，と室気流速Uとの関係 を示す。 U＝＝Q／A（ts 一一’ tf） 〔kca1／m2 hr°C〕 水蒸気測境膜傳熱係数 hs＝Q／A（ts−tw） 〔kcal／m2 hr°C〕 流動暦内境膜傳熱係数 hf＝Q／A（tw−tf） ここに、 lOOOO−J@ば
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