強制対流表面沸騰時の蒸気体積率について
著者
松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
5
ページ
31-37
別言語のタイトル
VAPOR VOLUME FRACTIONS IN SUBCOOLES-BOILING
UNDER FORCED CONVECTION
強制対流表面沸騰時の蒸気体積率について
著者
松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
5
ページ
31-37
別言語のタイトル
VAPOR VOLUME FRACTIONS IN SUBCOOLES-BOILING
UNDER FORCED CONVECTION
強制対流表面沸騰時の蒸気体積率について
松 村 博 久
（受理昭和40年５月３１日） ＶＡＰＯＲＶＯＬＵＭＥＦＲＡＣＴＩＯＮＳＩＮＳＵＢＣＯＯＬＥＤ−ＢＯＩＬＩＮＧＵＮＤＥＲ ＦＯＲＣＥＤＣＯＮＶＥＣＴIＯＮ ＨｉｒｏｈｉｓａＭＡＴＳＵＭＵＲＡ Inalargerareaofsubcoolingofsubcooledboilingunderforcedconvection,itsvaporvohIme fractionismostlyneglected・However，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｋｎｏｗｔｈｅｖａｐｏｒｖｏｌumefractiongene‐r
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alongthｅｆｌｏｗingpathoftheconvection・ Theauthormeasuredthevaporvolumebymeansofanalysisofthepictureofboilingpheno-menonwithahigh-speedcamera，andobtainedthecorrelationfromitsexperimentalresults、Ｔｈｅ correlationthusobtainedinthee沖erimentrevealedtobewenagreeingmuchmoreextensively withtheirexperimentalvaluescomparedwiththeusualcorrelation． １ ． 緒 言 原子炉やボイラおよび熱交換器などの高熱負荷を受 ける蒸発管内では，液体とその沸騰により発生した蕪 気ほうとの二相の流動がみられる．この二相流におけ る蒸気と液体との含有割合は蒸気重量率または乾き度 および蒸気体積率またはボイド（Void）率などの表現 で示されている． 蒸気含有割合は圧力，熱負荷，流速およびサブクー リング（Subcooling）などの諸因子によって異なる が，圧力，流速およびサブクーリングの大きいほど蒸 気含有割合は減少し，また熱負荷の増加するに伴って 蒸気含有割合は大となる傾向にあることは容易に推察 できることである．一般にサブクーリングの小さい範 囲,特に液体温度が飽和温度にきわめて近い領域では， サブクーリングの減少に作って蒸気含有量が急激に増 加するが，サブクーリングの大きい範囲では伝熱面表 面近傍のみに蒸気ほうが存在し，流路の主流部にはほ とんど蕪気ほうの存在がみられない．そのためにサブ クーリングの大きいところでは蒸気含有量は無視され ることが多い．しかしながら，流路の圧力損失や熱伝 達などの詳細な研究を行なうにあたってはサブクール 領域（Subcoo1edregion)全般にわたっての蒸気含有 量を知る必要がある． 本報告では，圧力1.0atａのもとで熱負荷5.4×104 ∼40×105Kcal/m2h,流速0.15∼0.45ｍ/ｓおよびサ ブクーリング２７∼85°Ｃの実験範囲において，沸騰現 象を高速度カメラで撮影した写吏の解析により蒸気ほ う休秋の測定を行ない，その実験結果から整理式を導 いた．また，強制対流を伴う表面沸騰時の蒸気体稜を 実験的に求めたPoletavkinとShapkinl),Gri髄th， ClarkとRohsenow2）およびJordanとLeppert3） などの従来の結果との比較検討を行なった． ２．実験装置および実験方法 第１図は実験装置の概略図である・装置は流体を術 理する系と加熱用蒸気を供給する系とから椎成されて いる．流体系は,系内にさびの発生を防止するために， ステンレス鋼および防誘剤を塗布した材料で製作さ れ，弁類はすべて砲金製を用いている．流体には水道 水を純水製造装置に通した比抵抗が，０６J2ｃｍ以上の 純水を使用し，循環用ポンプで強制流動させる．流量 は調節弁で設定し，オリフィスに接続してあるマノメ ータで読みとる．流体温度は，2ＫＷの電熱線が入れ てある予熱器と熱交換器で任意に決定できる．一方の 蒸気系は，ボイラで発生した蒸気は気水分離器から測 定部に入り，さらに気水分離器兼凝縮量測定タンクを 通して外部に放出される．蒸気流量はボイラ出口の調 節弁により，蒸気圧力は圧力調節弁にて設定する．熱 負荷は凝縮量測定タンクの復水量および測定部出入口 に設置されている流体温度測定用熱電対の温度差によ り算出した『謀札入口 3２
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〃哩庖家哩、 一元タンク 予黒尋 〆 司 。 空 匿 一 一 ‐ 第 １ 図 実 験 装 置 概 略 図 − ＝ 測定部の詳細を第２図および第３図に示している． 第２図は流路断面図であり，蒸気流路のステンレス鋼 伝熱面①とアクリル樹脂製観測面②とで２１ｍｍ×１６ ｍｍの長方形流路をなし，観測面の三方からは肉眼観 察ならびに写真撮影ができるようになっている.アク リル樹脂板とステンレス鋼板との間には流体の漏れを 防ぐためにゴムパッキン④が入れてあり，押え金⑤で 均等に締めてある．また蒸気流路より外部への放熱を 防止するために，保温材③を金枠⑦とボルト⑥で支持 彊 仕 出 口 1. − 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ﹂ ー 』 _ , − １ﾖ
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鹿 児 馬 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ５ 号 ２§
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/9.4ＬＦＵ、 松 村 ： 強 制 対 流 表 面 沸 騰 時 の 蒸 気 体 積 率 に つ い て ４０ 贋 してある．第３図は測定部軸方向の断面図であり，全 長は600ｍｍとなっているが伝熱面長さは500ｍｍで ある． 沸騰時の蕪気ほうは高速度カメラにより伝熱面の垂 直方向から撮影し，撮影位置は理論計算により非沸騰 時の乱流速度境界層が完全に発達している測定部入口 から下流へ400ｍｍのところである．高速度写真のフ イルム送り速度は毎秒約3000駒とした． 実験は垂直伝熱而を用い，流体の流れ方向を上向き および蒸気の流れ方向を下向きとし，液体巾の含有空 気をあらかじめ脱気したのちに所要の流量，流体温度 および加熱条件に設定して，定常状態のもとで行なっ た． ４ ｄ Ｕ 魁 ３，ｋＣａ!/;ｎＭ 鍵員荷1.1ｘＩｏｓｋ叫,鳥FA ？101 雫 Ｊ へ ６ 辰 ２ ８ ４ ０ ０ ． ２ ０ ． ４ 0 . 6 0 . 8 １ ． ０ ，，ｍ冠ｔ 第 ５ 図 気 ほ う の 大 き さ の 分 布 ・ るので，ある程度以上の駒数をとれば統計的に大きな 誤差は生じない.ここでは検討の結果40分の１秒ごと の写真10駒をえらび出して，平均気ほう直径、を次 のように定義した．
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ただし，直径Ｄｉの気ほうが単位而秋当りに〃f佃 あることを示す． したがって,伝熱面単位而職当りの蒸気休職をＵｓと すると，，‘=告示両………(2)
第６図には圧力１．０atａにおける蒸気体積と熱負荷 の関係をサブクーリングおよび流速のパラメータで示 ３．実験結果および整理 蒸気体積は高速度カメラで撮影された写真の解析に より求めた．すなわち，写真の各駒に存在する気ほう 数と各気ほうの相当直径を測定することから，蒸気体 積は算出される． 最初に伝熱面表面１ｃｍ２に着目し，120分の１秒ご との各写真に存在する同一場所の気ほう数の変化を調 べた．その一例を第４図に示している．気ほう数の変 化には一定の周期はないが，時間の経過とともに増減を繰返している．その変化する気ほう数の平均値を時
間平均気ほう数両とする． 5０ま
3３ 節 ６ 図 蒸 気 休 職 の 実 験 値 １０' 、｡ 『０ ０ ○ i一の Ｑ 』‐<夕 ０ ０ ． ０ ５ ０ ． / 0 0 , 店 0 . 2 0 0 . 2 5 Ｉ ① ◇ ●一 ‘ ‘ ． … − １ １ Ⅷ
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ｻﾌﾂｰｿﾝｸ妃 . ． − ‘ 、 一 ・ ・ ・ ． ０ ． 幅 ○ ○ ◇ へ : 当 ３ 『 0 ． ４ ５ ⑤ 申 ｡ ． ｔ，ｓｃｃ 第 ４ 図 気 ほ う 数 の 変 化 次に各駒における気ほうの大きさの分布を調べてみ た．その一例として任意の写真３駒の気ほうの大きさの分布を第５図に示している．これによると名駒にお
ける気ほうの大きさの分布状態は似た傾向をもってい 0 ． ３ ０ ① （ Ｐ ‐ ① . 〆l 4xl『１０ｓ F Ａ !‐７２ ，−‘Ｉ ﾛ ﾛ 暴勇荷１．ｌｘ化雪ｋ"鈴A 筑 唾 ” ０ 噸 ｿ も ．『プ.？凸､レジ．Ｚ８９ｄ Ｆ 両 ロ ー ‐ Ｉ〔 鹿 児 局 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ５ 号 ｇ、 ざ している． 佐藤，松村と岡田4)の実験結果によると，近似的に 次の関係が得られている．
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万ccgL3鯨q84r論P………(4)
ここに， ９：熱負荷，Ｋcal/ｍ２ｈ ４蝿,,'):サブｸｰﾘﾝダ，｡ｃ α"：平均流速，ｍ/ｈ である． しかるに，(2)，（３）および（４）式から〃s･c9L8U;770.94聯8………(5)
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式が得られる． Ⅲ、 Ｉ(
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４．従来の結果との比較および考察 強制対流を伴う表面沸騰時の蒸気体積について，従 来の論文にはPoletavkinとShapkinl)，Gri価th， ClarkとRohsenow2）およびJordanとLeppert3） などの実験的研究がある．次にこれらの研究者の実験 結果および整理式との比較を行なってみる． Poletavkinらは圧力７∼41ata,熱負荷の最大値2.5 ×106Kcal/m2h,流速0.7∼11ｍ/ｓおよびサブクーリ ング３∼100℃の実験範囲で次の整理式を得ている． 3４雌
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0.？ 104 第 ７ 図 （ ７ ） 式 に よ る 整 理 法 Ｌ｜ 「 ’ １
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眉 松 村 ： 強 制 対 流 表 面 沸 騰 時 の 蒸 気 体 積 率 に つ い て ０．を と計算結果は負の値になる傾向を示している． Grifnthらは圧力３５，７０および１０５ａｔａのもとで 熱負荷0.8×106∼7×106Kcal/m2h,流速6.0∼9.0ｍ /ｓおよびサブクーリング５∼65℃の範囲で実験を行 ない,蒸気体積は撮影した写真の解析から求めている． その結果から次の実験式を得ている．（
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．．………･(13） ここに， ル：非沸騰時の熱伝達率，Ｋcal/ｍ２ｈＰＣ Ｂ：プラントル数，無次元 ９６：沸騰の熱負荷，Ｋcal/ｍ２ｈ 雄液体の熱伝導率，Ｋcal/mhPC である．第１２図には本実験値と（13）式からの計算値の比
較を示している．図によると総体的に実験値の方が計 算値より大きくでていることが認められる．Jordan らは圧力2.0∼2,2ａｔa,熱負荷0.81×106∼1.62×106 Kcal/m2h,流速1.2ｍ/ｓおよびサブクーリング１０∼ 60°Ｃで実験をし，蒸気体積はβ線透過法により求め ている．得られた実験結果と（13）式から算出した値 との比較を第１表に示している．これによるとサブク ーリングの小さい時は実験値と良く一致しているが， サブクーリングが大きくなるほど実験値と計算値の差 は大きくなっていく傾向にあることをJordanらは述 べている． 以上の観点から，筆者は従来の実験結果を利用して 高い圧力の範囲にも適用できる整理式を導いてみた． ㎡ 弓石 §生協﹄韮︵ご︲一︶ 一 丁’
一 1 ０ ■、 1 三 § と １ １ ０ ／ ０ 孤 必 ， ℃ 第９図PoletavkinとShapkinl）の整理法 １ ０ １ ０．２ 乙缶． 百づ 1 ６ ー 門 Ｉ 口． 、 １ ０ ｓ ■ 1 ０ ２ −２ b x I 6 5 が １ ０ − 』 Ｉ ＣⅨ｡ｘ 第１０図Griilithら2)の実験値と（12)式 の 計 算 値 と の 比 岐 、 0-1 第１１図Jordanら3）の実験値および本実験 値と（12）式の計算値との比較 値に較べてかなり小さく，また第11図のJordanらの 実験値ならびに本実験値は（12）式からの計算値と良 い一致を示しているとはいい難い.第１０図の圧力の高 い場合には計算値の方が実験値よりかなり大きくなっ ており,第11図の圧力の低い場合には実験値が小さい 2 X 1 0 . 、 １ ０ ． Ｉ Ｆ 0.4 ｆ ﾛ 3５ ｜ ￨ l I I O - z I p Ｉ Ｃ<岱璽'
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／ ／2ｘｍ１ 3６ (5)式は大気圧下における関係式なので圧力の影響を 考慮すると，
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ただし，／(P）は圧力の関数である． いま（14）式において圧力の影響を考慮せずに整理 したのが第13図である.これによると圧力の影響が明 白に表われている．これから次の整理式が求められる． 関係を第１４図に表わしているが,図中の実線で示して いる（15）式との比較はかなり良好な一致をみるにい たった． 第１表JordanとLeppert3）の実験値と （13）式からの計算値との比較i
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蒸 気 体 秋 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ５ 号 ① 計 算 値 cm3/cｍ２ 測 定 値 Cm3/Cｍ２ al/ｍ２１ ×1０ 0.81 1.62 0.81 1.62 0.81 1.62 0.81 1.62 ２Ｘ 1０１ 第１３図（７）式による整理法 ／ または，α
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第１４図（15）式による整理法 （７）式および（15）式において，自然対流表面沸騰 の場合にＵ;"→０と考えるとりs→c･となり矛盾が表わ れるが，自然対流の場合でもある一定の対流速度を有 しているのであって,その速度の検討を行なってみる． （15）式を書きなおして,自然対流表面沸騰時の対流 速度を強制対流の場合の相当速度とし，その相当速度 をＵ》&＊とすると，”
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この式からＤｕｋｅとSchrock5）の自然対流表面沸 騰の実験結果より相当速度を算出したのが第１５図で ある．図によると熱負荷の低い場合には相当速度はあ る一定値をとっているが，熱負荷が大きくなると急速 に相当速度は増加する傾向にある．このことはバーン アウト状態に近づくために伝熱面上での気ほうの挙動 が大きく作用することによると想像される．熱負荷の 小さい場合の相当速度の値はほぼ0.1ｍ/ｓであり，こ の値は伝熱面上の気ほうの離脱速度に等しいことを示 している． また飽和沸騰に近い場合の蒸気体積については実験 データがないので詳細にはわからないが，筆者の観察 結果によるとサブクーリングが5℃付近からサブクー l ｉ .?］ のＧＴｉ砿ｔｈら（105域J ｅ 〃 （ ７ ０ 〃 ） 中1 『 ０ 画 ① ' （ ３ ５ ． ） ②．or｡α減ら（２．ｏ′） ｏ 本 覚 抜 （ 1 . 0 ･ ） 侭 些 式 Ｅ 留 、’響
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２ 松 村 ： 強 制 対 流 表 面 洲 脇 時 の 蒸 気 休 職 率 に つ い て
