円錐状の凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わり の 膜沸騰熱伝達の実験

長崎大学工学部研究報告 第

41

巻 第

76

号 平成

23

年

1

月

円錐状の凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わり の 膜沸騰熱伝達の実験

山田 ^∗ ・ 豊田 香^∗∗ ・ 茂地 徹^∗ ・ 桃木 悟^∗∗∗ ・ 山口朝彦^∗

Experiments on Film Boiling Heat Transfer around a Vertical Finite-Length Cylinder with a Convex Conical Bottom

by

Takashi YAMADA

^∗

, Kaoru TOYODA

^∗∗

, Toru SHIGECHI

^∗

Satoru MOMOKI

^∗∗∗

and Tomohiko YAMAGUCHI

^∗

The film boiling heat transfer around a vertical silver cylinder with a convex conical bottom was investigated experimentally for quiescent water at atmosphereric pressure. The experiments have been carried out by a transient method, i.e., quenching method. The diameter of test cylinder is 32mm and the total length is 48mm with 32mm length of vertical part. The test cylinder was heated to about 600˚C in an electric furnace and then cooled in saturated and subcooled water with the immersion depth of about 100mm. The degree of liquid subcooling was varied from 0 to 30K. The film boiling heat transfer increased in terms of heat flux by 220% with 30K increase in liquid subcooling at a wall superheating of 300K. The wall superheating and heat flux at the lower limit of film boiling increased with an increase in liquid subcooling.

Key Words : Film Boiling, Vertical Cylinder, Convex Concal Bottom, Heat Transfer, Lower Limit of Film Boiling

1. _{ま え がき}

有限物体ま わ り の 膜沸騰は金属の 焼入れ， 材料の 製 造工程， 原子炉の 炉芯の 緊急冷却等で 生じ る ． 液体中 で 冷却さ れる 有限物体ま わ り の 膜沸騰に 関し て ， 現象 の 観察や実験データ の 蓄積は伝熱の メ カ ニ ズ ム を 研究 し 熱伝達特性を 予測する た め に 不可欠で あ る ． 著者ら はこ れま で に 大気圧下の イ オ ン 交換水を 用い た 飽和状 態およ びサ ブ ク ール状態で ， 円柱の 形状と し て ，

(1)

底 面と 上面が 水平な 形状の 円柱^1,2)，

(2)

底面が 半球状の 凸面で 上面が 水平な 形状の 円柱 ^3∼5)，

(3)

底面が 水平 で 上面が 半球状の 凸面を 有する 円柱⁶⁾およ び

(4)

底面 と 上面が 半球状の 凸面を 有する 円柱⁷⁾を 用い て 実験を 行い ， 有限垂直銀円柱ま わ り の 膜沸騰現象の 詳細な 観 察と 実験データ の 蓄積を 図る と と も に 前述の

(1)

と

(2)

の 形状を 有する 円柱に 対し て は 理論解析を 行い ， 取得 平成

22

年

12

月

15

日受理

∗ 機械シ ス テ ム 工学講座

(Department of Mechanical Systems Engineering)

∗∗ 舞鶴工業高等専門学校

(Maizuru National College of Technology)

∗∗∗ 生産科学研究科

(Graduate School of Science and Technology)

し た 壁面熱流束の 測定値を ±

15%

以内で 相関で き る 伝 熱整理式を 作成し て い る ^1∼5)．

本研究で は， 円柱の 上面が 水平で 底面が 円錐状の 凸 面を 有する 場合の 有限垂直円柱ま わ り の 飽和並びに サ ブ ク ール膜沸騰熱伝達の 伝熱特性に 関し て 知見を 得る た め に 垂直円柱ま わ り の 現象観察を 行う と と も に 冷却 曲線を 実測し ， そ れに 基づい て 沸騰曲線を 確定し た の で そ の 結果に つい て 報告する ． ま た ， 膜沸騰領域と 遷 移沸騰領域の 境界点

(

膜沸騰下限界点

)

に おけ る 伝熱面 過熱度と 壁面熱流束の 測定値に つい て も 報告する ．

2. 実験装置お よ び 実験方法

Fig.1

は本研究で 使用し た 実験装置の 概略図で あ る ． 装置は 沸騰槽， 供試円柱加熱装置， 昇降装置， 温度測 定装置およ び沸騰現象観察装置か ら 構成さ れて い る ．

１３

山田 ·^{豊田 香}·^{茂地 徹}·^{桃木 悟}·^{山口 朝彦}

沸 騰 槽 は ス テ ン レ ス 製 で ，

450mm(L)

×

450mm(W)

×

750mm(H)

の 大き さ を 有する 直方体の 容器で あ る ． 沸 騰 槽 の 側 面 お よ び 底 面 の そ れ ぞ れ の 中 央 部 に 沸 騰 現 象の 目視観察や写真およ びビ デオ 撮影が で き る よ う に

4

つの 観察窓が 設け ら れて い る ． 沸騰槽の 底面の コ ー ナ ー 付 近 に 実 験 水

(

大 気 圧 下 の イ オ ン 交 換 水

)

を 昇 温 さ せる た め

2kW

容量の 浸漬型加熱器を

2

個設置し て い る ． こ の 加熱器で 発生する 気泡が 供試円柱周囲の 実 験水を 乱さ な い よ う に ， 沸騰槽の 内側に 透明な ガ ラ ス 箱

[300mm(L)

×

300mm(W)

×

600mm(H)]

を 設 け て 二 重 水槽に し て い る ． 実験中の 水温は 温度制御装置に よ っ て 一定に 保た れて い る ．

Fig.2

は 本実験で 使用し た 供試円柱の 断面図を 示し た も の で ， 供 試 円 柱 の 直 径

D

は

32mm

， 全 長

L

T は

48mm

， 円柱の 垂直部分の 長さ

L

は 円柱直径に 等し い

32mm

で あ る ． こ の 供試円柱の 底面は 円錐状に 加工さ れ て お り ， 材 質 に は 酸 化 防 止 と 高 熱伝 導率

(

常 温 に て 約

410[W/(m

·

K)])

の 理由か ら 純度

99.99%

の 銀を 使用 し た ． 供試円柱の 冷却時の 温度履歴は ， 円柱の 中心軸 上 に 円 柱 上 面 よ り

32mm

の 位 置 ま で 挿 入 さ れ て い る シ ース 径

1mm

の

K

型熱電対で 測定さ れる ． 円柱の 温 度は 横河·^{ヒ ュ ーレ ッ ト} ·^{パッ カ ード}

(

株

)

製の データ 集 録

/

制御ユ ニッ ト

(YHP3852A)

に よ り

0.25

秒の サ ン プ リ ン グ 間隔で 計測さ れる ．

4 3

9 8

12

12 5 2

10

13 14 15

YHP 3852A

VA

11 6

1 7

1. Test cylinder 2. Boiling bath 3.Lifting device 4. Temperature controller 5. Power controller 6. Heater 7. Glass box 8. K-type thermocouple 9. K-type thermocouple 10. Data acquisition/con- trol unit 11. Electric furnace 12. Video camera 13. Video cassette recorder 14. Digital AV mixer 15. Video monitor

Fig.1 Schematic of experimental apparatus

1. cylinder

2. K-type sheath thermocouple (φ1mm)

3. supporting stainless tube (φ4mmxφ3mm) g

3

1 2 L

D D 2

L_T

Fig.2 Test cylinder

実験前の 表面条件を 一定に する た め に 供試円柱表面 に 金属研磨材を 塗り ， バ フ 研磨に て 鏡面仕上げし ， ア ルコ ールで 洗浄し た ． 供試円柱は 垂直の 姿勢で シ リ コ ニッ ト 電気炉に よ っ て 約

600˚C

ま で 加熱さ れ た 後， 昇 降装置を 介し て 静止し た 大気圧下の 水中へ供試円柱の 凸底面の 円錐底部の 位置が 水面よ り

100mm

の 深さ と な る ま で 静か に 浸漬さ れ冷却さ れる ． な お， 冷却中の 垂直円柱ま わ り の 沸騰の 様相を 目視， 高速ビ デオ およ び写真撮影に よ り 観察し た ．

3. 伝熱面温度と 熱流束の測定

供試円柱の 材質に は熱伝導率の 高い銀を 使用し て い る の で ， 円柱の 温度は 集中定数系， つま り ， 空間的に 一様に 冷え て い く と 仮定する ． 従っ て ， 伝熱体の 中心 温度は 伝熱体の 表面温度と 等し く ， 全表面平均の 熱流 束

q

は 次式に よ っ て 与え ら れる ．

q = ρc V A

„

−

dT dτ

«

(1)

こ こ に ，

T

は 円 柱 温 度 ，

τ

は 経 過 時 間 ，

c

は 比 熱

(=234.5J/(kg

·

K))

，`

−

dT /dτ

´ は 冷 却 速 度 ，

ρ

は 密 度

(=10490kg/m

³

)

，

A

は 供試円柱の 全伝熱面積，

V

は 体 積で あ り ，

A

と

V

は そ れぞ れ次式で 与え ら れる ．

A =

„

πD

²

4

«

+ πDL +

√

2π

„

D 2

«2

(2) V =

„

πD

²

4

«

L + 1

3 π

„

D 2

«3

(3)

ち な みに ， 上式で 与え ら れる 供試円柱の 全伝熱面積

A

は

51.6cm

²， 体積

V

は

30.0cm

³と な り ， 体積と 全伝熱面 積の 比

V /A

は

5.81mm

と な る ． 本実験で 採用し た 銀製 の 円柱の 場合に は ， 膜沸騰時の ビ オ ー数が 飽和膜沸騰 で は

0.02

以下， サ ブ ク ール膜沸騰で は

0.04

以下と 評価 で き る の で ， 集中定数系の 仮定は 妥当な も の で あ る と 考え る ．

本研究で は 膜沸騰下限界点を 冷却速度|

dT /dτ

|^{が 最} 小と な る 点と 定め ， そ の と き の 過熱度

∆T

minと 熱流束

q

minを そ れぞ れ次式の よ う に 評価する ．

∆T

min

=

`

T

−

T

sat´˛

˛`

−^dT_dτ

´˛

˛min

(4) q

min

= ρc V

A

„

−

dT dτ

«˛

˛

˛

˛min

(5)

こ こ に ，

T

satは 実験水の 飽和温度で あ る ．

4. _{膜沸騰の様相}

1/8000

秒·^絞り

F4

で 撮影し た 円錐状の 凸底面を 有 する 垂直銀円柱の 表面を 覆う 蒸気膜の 生成か ら 崩壊に 至る 沸騰の 様相を

Fig.3

およ び

Fig.4

に 示す．

Fig.3

は飽

１４

円錐状の 凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験

(a) τ =0sec, T

≈

600˚C (b) τ=20sec, T

≈

495˚C (c) τ =30sec, T

≈

450˚C

(d) τ=55sec, T

≈

345˚C (e) τ =80sec, T

≈

265˚C (f) τ =100sec, T

≈

230˚C Fig.3 Photographs of film boiling around a vertical cylinder with a convex conical bottom for ∆T

sub

=0K

(a) τ =0sec, T

≈

600˚C (b) τ =8sec, T

≈

505˚C (c) τ =12sec, T

≈

465˚C

(d) τ=16sec, T

≈

430˚C (e) τ =18sec, T

≈

410˚C (f) τ =21sec, T

≈

380˚C Fig.4 Photographs of film boiling around a vertical cylinder with a convex conical bottom for ∆T

sub

=30K

１５

山田 ·^{豊田 香}·^{茂地 徹}·^{桃木 悟}·^{山口 朝彦}

和膜沸騰

(∆

Tsub

=0K)

の 場合で ，

Fig.4

はサ ブ ク ール膜 沸騰

(∆

Tsub

=30K)

の 場合で あ る が ， こ こ に 示す

∆

Tsub

は 液体サ ブ ク ール度で ， 実験水の 飽和温度と 実験水の 温度と の 差，

∆

Tsub

=T

sat

- T

∞と し て 定義さ れ る ． ま た ，

Fig.3

およ び

Fig.4

に パ ラ メ ータ と し て 示す

τ

は 冷 却経過時間で あ る ． 円柱の 円錐底面最下端部が 水面下

100mm

の 位置に な る ま で 浸漬さ れ， 固定さ れた 状態に おけ る 蒸気膜の 様相の 写真観察結果か ら 以下の こ と が 明ら か に なっ た ．

Fig.3

に 示す飽和膜沸騰

(∆

Tsub

=0K)

の 場合， 浸漬直後

[Fig.3(a)(

伝熱面温度約

600˚C)]

の 円 柱の 全面を 覆う 蒸気膜は厚く 不安定で 気液界面はおお き な 脈動を 伴った 乱れた 状態に あ る ． 浸漬後約

20

秒を 経過し て 伝熱面温度が

500˚C

前後に な る と ，

Fig.3(b)

に 示すよ う に 円柱底面の 円錐部分の 乱れは 弱く なっ て リ ン グ 状の し わ が 出現し 波状界面を 有する 蒸気膜に 移行 する ．リ ン グ 状の し わは円錐底面下部から 円錐面に 沿っ て 上昇する が ， 円柱の 垂直側面部分に あ る 蒸気と 合流 し て 消滅する ． 一方， 円柱の 垂直側面に 形成さ れて い る 蒸気膜の 気液界面は安定し た 波状界面に 移行せず乱 れた 様相を 呈し て いる ．ま た ，円柱上面も 垂直側面の 様 相と 同様な 乱れた 様相で あ る が ， 界面か ら おおき な 塊 の 気泡が 連続的に 離脱し て い る ．

Fig.3(c)

か ら

Fig.3(e)

で 観察さ れる 様相は

Fig.3(b)

と 同様で あ る が ， 伝熱面 温度の 低下と と も に 垂直側面およ び上面の 蒸気膜の 乱 れは弱く なって い る も の の 他の 供試円柱^1∼7)で 形成さ れる 安定し た 蒸気膜は形成さ れて いな い．

Fig.3(f)

は浸 漬後約

100

秒の 蒸気膜崩壊後の 伝熱面温度

230˚C

の 核 沸騰の 様相で あ る ． 蒸気膜の 崩壊は

Fig.3(e)

と

Fig.3(f)

の 間で 発生し て い る が ， 蒸気膜崩壊の 起点は 目視観察 に よ る と 円錐底面と 垂直側面と が 接続さ れる 付近で あ り ， こ れ は 円錐面に 沿っ て 上昇する 蒸気が 垂直側面下 端部の 蒸気に 合流する こ と に よ り 蒸気の 流れが 一瞬淀 む箇所で あ る と こ ろ と 概ね一致し て い る ． 蒸気膜の 崩 壊は 円柱全面に 急速に 伝播する ．

一方，

Fig.4

に 示すサ ブ ク ール膜沸騰

(∆

Tsub

=30K)

の 場 合 に は ，

Fig.3

に 示 し た 飽 和 膜 沸 騰 の 様相 と は 顕 著に 異なっ て い る こ と が

Fig.3(a)

と

Fig.4(a)

の 伝熱面 温度が 同じ 約

600˚C

の 観察結果よ り 明ら か で あ る ． こ れ は 実験水が

70˚C

の サ ブ ク ール 水で あ る た め ， 飽和 水に 比べて 供試円柱の 伝熱面ま わ り で 発生する 蒸気の 生成量が 少な い こ と に よ る も の で あ る ．

Fig.4(a)

の 円 錐底面の 最下端部が 水面下約

100mm

の 位置に な る よ う に 浸漬さ れ固定さ れた 直後の 垂直円柱ま わ り の 膜沸 騰の 様相は 概ね平滑な 界面状態に なっ て おり ， 円錐状 の 凸底面およ びそ れに 接続さ れる 円柱側面の 垂直部分 は ， 安定し た 薄い 蒸気膜で 気液界面に はリ ン グ 状の し わ が 形成さ れて い る こ と が わ か る ． ま た ， 円柱上面も 安定し た 薄い 蒸気膜で 覆わ れて い る が ， 気液界面か ら 小さ な 気泡が 離脱する た め 僅か な が ら 乱れが あ る ． 浸

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30

T [oC] -dT/dτ [K/sec]

τ [sec]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆T_sub= 0K lower limit of

film boiling

water temp.(100 ^oC) temperature cooling rate

(a) ∆T

sub

= 0K

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30

T [oC] -dT/dτ [K/sec]

τ [sec]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆T_sub=10K lower limit of

film boiling

water temp.(90 ^oC) temperature cooling rate

(b) ∆T

sub

=10K

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30

T [oC] -dT/dτ [K/sec]

τ [sec]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆Tsub=20K lower limit of

film boiling

water temp.(80 ^oC) temperature cooling rate

(c) ∆T

sub

=20K

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30

T [oC] -dT/dτ [K/sec]

τ [sec]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆Tsub=30K lower limit of

film boiling

water temp.(70 ^oC) temperature cooling rate

(d) ∆T

sub

=30K

Fig.5 Cooling curve and cooling rate curve

１６

円錐状の 凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験

漬 後

8

秒 か ら

18

秒 に 至 る 沸 騰 の 様 相

[Fig.4(b)

か ら

Fig.4(e)]

に 大き な 変化は 見ら れず円錐状の 凸底面およ びそ れに 接続さ れる 垂直側面の 下端側は平滑な 界面と なって いる ． し か し ， 垂直側面の 上端側の 蒸気膜の 気液 界面に は リ ン グ 状の し わ が 出現し て い る ． 円柱上面か ら は 小さ な 気泡が 間欠的に 離脱し て い る ．

Fig.4(f)

は 浸漬し て

21

秒経過し た 伝熱面温度約

380˚C

に おけ る 蒸気膜崩壊後の 遷移沸騰の 様相で そ の 後， 核沸騰へ移 行する ． 円錐状の 凸底面およ び垂直側面に 出現し て い る リ ン グ 状の し わ は他の 供試円柱^1∼7)の 場合で も 同様 に 観察さ れて い る ． 蒸気膜崩壊の 起点は ， 飽和の 場合 と は異な り 垂直円柱上端部の 角の 部分か ま た は円錐底 面最下端部

90

^o の 鋭角部分で あ り 一定し て い な い が ， 蒸気膜の 崩壊は 円柱全面に 急速に 伝播する ． サ ブ ク ー ル膜沸騰に おい て 蒸気膜崩壊の 起点が 一定し て い な い 要因と し て 凸底面最下端部が

90

^o の 鋭角と なっ て い る 有限垂直円柱ま わ り に 形成さ れる 蒸気膜の 不安定性が 挙げら れる ．

5. _{結果と 考察}

5.1 冷却曲線お よ び 冷却速度曲線

Fig.5

は 供試円柱を 大気圧下で 飽和水中およ びサ ブ ク ール水中へ浸漬冷却し た 場合の 円柱軸心上の 上面よ り

32mm

の 位 置 に お け る 温 度

T

と 冷 却 時 間

τ

の 関 係 を 示 し た 冷 却 曲 線

(

太 線

)

と 冷 却 速 度 曲 線

(

細 線

)

の 実 測値の 一例で ，

Fig.5(a)

は

∆T

sub

=0K(

実験水温度

100

℃

)

の 場合，

Fig.5(b)

は

∆T

sub

=10K(

実験水温度

90

℃

)

の 場 合 ，

Fig.5(c)

は

∆T

sub

=20K(

実 験 水 温 度

80

℃

)

の 場 合 ，

Fig.5(d)

は

∆T

sub

=30K(

実 験 水 温 度

70

℃

)

の 場 合を 示し て い る ． 図中の 各曲線上に は•^{印の 記号が 付} さ れ て い る が ， こ れ は 冷却速度

(

−

dT /dτ )

が 最小と な る 点で 第

3

節で 述べた よ う に 本研究で はこ の 点を 膜沸 騰の 下限界と 定義し て い る ． こ れ ら の 図よ り ，•^印で 示す膜沸騰下限界点の 時刻に おけ る 円柱温度

T

minは 液 体 サ ブ ク ー ル 度

∆T

subが 増 大 す る に つ れ て

233˚C

，

286˚C

，

337˚C

，

394˚C

と 高く なっ て い る ． ま た ， 後述 す る 膜 沸 騰 領 域 の 沸 騰 曲 線 で 縦 軸 に 示 す 壁 面 熱 流 束

q

を 評 価 す る 際 に 重 要 な パ ラ メ ー タ と な る 冷 却 速 度

(

−

dT /dτ )

は液体サブ ク ール度

∆T

subが 増大する に つれ て 大き く なって いる ．ち な みに ，冷却時間が

20

秒時の 冷 却速度

(

−

dT /dτ )

は ，

∆T

sub

=0K

の 場合に は

5.0K/sec

，

∆T

sub

=10K

の 場合に は

6.9K/sec

，

∆T

sub

=20K

の 場合に は

7.9K/sec

，

∆T

sub

=30K

の 場合に は

8.8K/sec

で あ る ．

Fig.6

は本実験で 取得し た 全測定値を ， 座標の 縦軸に 無次元温度

(T

−

T

^∞

)/(T

i−

T

^∞

)

， 横軸に 冷却時間

τ[s]

を と っ て 表し た 冷却曲線で あ る ．

T

iは 測定開始時

(τ =0)

の 伝熱面温度，

T

^∞は大気圧下の 実験水温度で あ る ． 液 体サ ブ ク ール度

∆T

subを パラ メ ータ と し た 各冷却曲線 は 供試円柱の 伝熱面温度が 実験水の 温度

T

∞へ漸近す

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 20 40 60 80 100 120 140 (T - T∞)/(Ti - T∞) [-]

τ [sec]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder lower limit of

film boiling

∆T_sub= 0K

∆Tsub= 5K

∆Tsub=10K

∆Tsub=15K

∆T_sub=20K

∆T_sub=25K

∆T_sub=30K

Fig.6 Cooling curves

10 20 30 40 50 60 70 8090 100 200

100 150 200 300 400 500

q [kW/m2 ]

∆Tsat [K]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

lower limit of film boiling

∆T_sub=30K

∆T_sub=25K

∆T_sub=20K

∆T_sub=15K

∆T_sub=10K

∆T_sub= 5K

∆T_sub= 0K

Fig.7 Boiling curves

0 100 200 300 400 500

100 150 200 300 400 500

h [W/(m2• K)]

∆^Tsat [K]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆Tsub=30K

∆T_sub=25K

∆Tsub=20K 0

100 200 300 400 500

100 150 200 300 400 500

h [W/(m2• K)]

∆^Tsat [K]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm silver cylinder

∆T_sub=15K

∆Tsub=10K

∆T_sub= 5K

∆Tsub= 0K

Fig.8 Average heat transfer coefficient

る 過程を 無次元化し て 描い て い る ． ま た ， 図中の 各冷 却曲線上の•印の 記号は 膜沸騰の 下限界点を 示し て い る ． こ の 図よ り ， 液体サ ブ ク ール 度が 増大する に 従っ て ，•印で 示し た 膜沸騰の 下限界点に 達する 時間は 短 く な り ， 冷却曲線の 勾配が 大き く なって いる こ と が わか る ． 本研究は 膜沸騰領域を 対象と し て い る の で ， 次節 に 示す沸騰曲線の 考察に は 供試円柱の 冷却開始

(τ =0)

か ら •印の 記号で 示し た 下限界点ま で の データ を 対象 する ．

１７

山田 ·^{豊田 香}·^{茂地 徹}·^{桃木 悟}·^{山口 朝彦}

5.2 _{膜沸騰領域の沸騰曲線}

Fig.7

は膜沸騰領域の 沸騰曲線を ， 液体サブ ク ール度

∆T

sub

=0K, 5K, 10K, 15K, 20K, 25K

およ び

30K

を パラ メ ータ と し て 示し た も の で ，

Fig.6

に 示し た 冷却曲線の データ を も と に 式

(1)

よ り 求めた も の で あ る ． こ の 図よ り ， 壁面熱流束

q

は 液体サ ブ ク ール度

∆T

subが 大き く な る に 従っ て 高く な る と と も に•印の 記号で 示し た 膜 沸騰の 下限界点で の 壁面熱流束が 高過熱度側へ移動し て おり ， 遷移沸騰領域への 移行は 高い 壁面熱流束で 生 じ る こ と が わ か る ． 飽和膜沸騰熱伝達に おけ る 壁面熱 流束は，

475K

の 高過熱度か ら

150K

の 低過熱度に おい て 約

80kW/m

²か ら 約

40kW/m

²の 値を と り ， サ ブ ク ー ルさ れた 膜沸騰領域の 壁面熱流束は飽和状態の 壁面熱 流束よ り ， 伝熱面過熱度

∆T

sat

=300K (∆T

sat

=T

W

-T

sat

)

に おい て ，

∆T

sub

=5K

の 場合に は 約

23%

，

∆T

sub

=10K

の 場 合 に は 約

60%

，

∆T

sub

=15K

の 場 合 に は 約

80%

，

∆T

sub

=20K

の 場合に は 約

90%

，

∆T

sub

=25K

の 場合に は約

200%

，

∆T

sub

=30K

の 場合に は約

220%

増大し ， 液 体サ ブ ク ール度が 膜沸騰熱伝達に 強く 影響し て い る こ と が わ か る ． ち な みに ， 伝熱面過熱度

∆T

sat

=300K

に おけ る 飽和状態の 壁面熱流束は 約

58kW/m

²で あ る ．

5.3 _{膜沸騰領域の熱伝達率}

Fig.8

は 膜沸騰領域の 平均熱伝達率

h(=q/∆T

sat

)

と 伝熱面過熱度

∆T

satの 関係を 液体サ ブ ク ール度

∆T

sub

を パ ラ メ ー タ と し て 示 し た も の で あ る ． こ の 図 よ り ， 平均熱伝達率

h

は液体サ ブ ク ール度

∆T

subが 大き く な る と 増大し ， 伝熱面過熱度

∆T

satが 大き く な る と 低下 する こ と が わ か る ． 飽和膜沸騰熱伝達に おけ る 平均熱 伝達率は，

475K

の 高過熱度か ら

150K

の 低過熱度に お い て 約

170W/(m

²·

K)

か ら 約

270W/(m

²·

K)

の 値を と り ， サ ブ ク ールさ れた 膜沸騰領域の 平均熱伝達率は ， 壁面 熱流束と 同様に 伝熱面過熱度

∆T

sat

=300K

に 対し て ，

∆T

sub

=5K

の 場合に は約

23%

，

∆T

sub

=10K

の 場合に は 約

60%

，

∆T

sub

=15K

の 場 合 に は 約

80%

，

∆T

sub

=20K

の 場 合 に は 約

90%

，

∆T

sub

=25K

の 場 合 に は 約

200%

，

∆T

sub

=30K

の 場合に は 約

220%

増大し ， 液体サ ブ ク ー ル度が 膜沸騰領域の 熱伝達率に 強く 影響し て い る こ と が わ か る ． ち な みに ， 伝熱面過熱度

∆T

sat

=300K

に お け る 飽和状態の 平均熱伝達率は 約

193W/(m

²·

K)

で あ る ．

5.4 膜沸騰下限界点に お け る 伝熱面過熱度

Fig.9

は

Fig.7

に 示し た 沸騰曲線上の•^印点

(

膜沸騰下 限界点

)

の 伝熱過熱度

∆T

minを 縦軸に ， 液体サ ブ ク ー ル 度

∆T

subを 横 軸 に と り 測 定 値 を 整 理 し た も の で あ る ．

Fig.9

に 示すよ う に ， 本実験範囲の•^{印で 示す測定} 値の

∆T

minは液体サ ブ ク ール度に 強く 依存し ， 液体サ ブ ク ール度が 大き く な る に 従っ て 増大し て い る ． 実線

100 150 200 250 300 350 400

0 5 10 15 20 25 30

∆Tmin [K]

∆T_sub [K]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm vertical cylinder

+5%

-5%

∆Tmin=133+5.41∆Tsub experiment correlation

Fig.9 Relationship between ∆T

min

and ∆T

sub

20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 5 10 15 20 25 30

qmin [kW/m2]

∆T_sub [K]

water at 0.1MPa D=32mm, L_T=48mm vertical cylinder

+5%

-5%

q_min=39+3.02∆Tsub experiment correlation

Fig.10 Relationship between q

min

and ∆T

sub

はこ れら の 測定値を 最小二乗法で 補間し た

1

次曲線

[

式

(6)]

よ り 計算さ れ た 値で あ り ， 膜沸騰下限界点に おけ る 伝熱面過熱度

∆T

minの 測定値を ±

5%

程度で 整理で き る ．

∆T

min

= 133 + 5.41∆T

sub

[K] (6)

式

(6)

よ り 明ら か な よ う に ， 円錐状の 凸底面を 有する 垂直円柱の 場合の 飽和に おけ る 膜沸騰下限界点に おけ る 伝熱面過熱度は

133K

で あ り ， こ の 値は こ れ ま で 著 者ら が 行って き た

4

種類の 供試円柱，

(1)

底面と 上面が 水平な 形状の 円柱^1,2)，

(2)

底面が 半球状の 凸面で 上面 が 水平な 形状の 円柱^3∼5)，

(3)

底面が 水平で 上面が 半 球状の 凸面を 有する 円柱⁶⁾およ び

(4)

底面と 上面が 半 球状の 凸面を 有する 円柱⁷⁾に 対する 値と 概ね一致し て おり ， 膜沸騰下限界点の 伝熱面過熱度に 及ぼす伝熱面 形状の 影響は ほ と ん ど 無い ． し か し ， サ ブ ク ール膜沸 騰に おい て は 伝熱面形状の 影響が 顕著に 表れて い る ．

5.5 膜沸騰下限界点に お け る 壁面熱流束

Fig.10

は

Fig.7

に 示し た 沸騰曲線上の•^印点

(

膜沸騰 下限界点

)

の 壁面熱流束

q

minを 縦軸に ， 液体サ ブ ク ー ル 度

∆T

subを 横 軸 に と り 測 定 値 を 整 理 し た も の で あ る ．

Fig.10

に 示すよ う に ， 本実験範囲の•^{印で 示す測} 定値の

q

minは液体サ ブ ク ール度に 強く 依存し ， 液体サ ブ ク ール度が 大き く な る に 従っ て 増大し て い る ． 実線 はこ れら の 測定値を 最小二乗法で 補間し た

1

次曲線

[

式

(7)]

よ り 計算さ れた 値で あ り ， 膜沸騰下限界点に おけ

１８

円錐状の 凸底面を 有する 有限垂直円柱ま わ り の 膜沸騰熱伝達の 実験

る 壁面熱流束

q

minの 測定値を±

5%

程度で 整理で き る ．

q

min

= 39 + 3.02∆T

sub

[kW/m

²

] (7)

式

(7)

よ り 明ら か な よ う に ，円錐状の 凸底面を 有する 垂 直円柱の 場合の 飽和に おけ る 膜沸騰下限界点の 壁面熱 流束は

39kW/m

²で ， こ の 値は先に 取得し た

4

種類の 供 試円柱^1∼7)の 場合よ り 高い結果と なって おり ，飽和およ びサ ブ ク ール膜沸騰に おい て 円柱形状の 影響が 表れて い る ． ち な みに ， 飽和膜沸騰に おけ る 下限界点の 壁面 熱流束は ， 底面と 上面が 水平な 形状の 円柱^1,2)で ア ス ペク ト 比

(

円柱長さ

/

円柱直径

)

が

1

の 場合は

30kW/m

²，

(2)

底面が 半球状の 凸面で 上面が 水平な 形状の 円柱^3∼5) の 場合は

34kW/m

²，

(3)

底面が 水平で 上面が 半球状の 凸面を 有する 円柱⁶⁾の 場合は

30kW/m

²，

(4)

底面と 上 面が 半球状の 凸面を 有する 円柱⁷⁾の 場合は

31kW/m

² で あ る ．

6. _結論

円錐状の 凸底面を 有する 銀製の 供試円柱を 垂直の 姿 勢で 大気圧下の 静止し た 飽和およ びサ ブ ク ールの 水中 に 浸漬し て 冷却し た 際の 膜沸騰熱伝達に 関し て 実験を 行い ， 本実験範囲で 以下の こ と が 明ら か に なっ た ．

(1)

飽和膜沸騰領域の 壁面熱流束は 高過熱度か ら 低過

熱度に 向け て

80kW/m

²か ら

40kW/m

²の 範囲に あ る ．

(2)

飽和膜沸騰領域の 熱伝達率は 高過熱度か ら 低過熱 度に 向け て

170W/(m

²·

K)

か ら

270W/(m

²·

K)

の 範 囲に あ る ．

(3)

膜沸騰領域の 壁面熱流束は 液体サ ブ ク ール度が 高 く な る 程増大し ，

5K

か ら

30K

の 液体サ ブ ク ール度 に おい て 伝熱面過熱度

300K

で

23%

か ら

220%

程度 の 増加が 得ら れた ．

(4)

膜沸騰領域の 平均熱伝達率は 液体サ ブ ク ール度が 高く な る 程増大し ， 伝熱面過熱度が 大き く な る と 低下する

(5)

膜沸騰の 下限界点は 液体サ ブ ク ール度が 高く な る 程， 高過熱度側に 移動し ， 遷移沸騰領域への 移行は 高い 熱流束で 生じ る ．

(6)

膜沸騰下限界点の 伝熱面過熱度およ び壁面熱流束 の 測定値を±

5%

程度で ， 液体サ ブ ク ール度に 対す る

1

次の 補間式で 相関で き る ．

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