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−6−
垂直壁面近傍におかれた水平円管群の 核沸騰熱伝達特性について
土田 一・藤島幸樹＊ ・細田宣彦＊
HeatTransferinNucleateBoilingofthe HorizontaltwocylindersinaNarrowSpacing
HajimeTsucHIDA,KoukiFuJIsHIMA,NorihikoHosoDA
（昭和62年10月31日受理）
Heattranferinnucleateboilingthehorizontal twocylinderswasexperimentallyinves‑
tigatedundertheconditionofthenarrowspacings・ Thetestcylinders,whichwerevertically situatedintandematdistance(c),weremountedbetweentwoveriticalplates inapool of● saturatedFreon‑11.Theclearance(s)betweentheplatesandthecylinderswasfromO.2mm toco,andcfromO､5mmto30mm・ ThisstudyhasbeenmadeatheatfluxvaryingfromlO3●
〜1.4×104W/m2
1 ． はじめに
主な記号
C:供試伝熱管相互の間隔 D:供試伝熱管直径 L:有効伝熱部長さ Q:供給熱量 q:伝熱面熱流束 qc :限界熱流束
S:垂直平板と供試伝熱管とのすきま Tw :供試伝熱管表面温度
Ts :試験液体(R‑11)飽和温度 ATsat :過熱度=Tw‑Ts a：熱伝達率
近年，省エネルギーあるいは熱エネルギーの有効 利用が重要視されている。特に，相変化を伴い， し かも限定された空間内におかれた伝熱面の沸騰熱伝 達特性を解明することは，熱交換器等の伝熱促進あ るいは高熱負荷除熱などを考えると重要である。
従来より，沸騰空間が伝熱面相互あるいは伝熱面 を覆う隔壁面によって限定された特に狭い空間にお ける沸騰では，通常のプール沸騰に比較し沸騰状況 が異なるため， その沸騰伝熱に大きな差異が生ずる ことが知られている。甲藤ら')は，水平上向き円形伝 熱面に対して円形干渉板を,S.C.Yaoら2)9藤田ら3）
は，矩形垂直平板伝熱面に対し非加熱ガラス板を近 づけ， また，石橋･西川ら4)は同心垂直二重円筒を用 いるなど， それぞれ伝熱面形状および供試流体は異 なるものの，伝熱面近傍の沸騰空間を制限した場合 の沸騰熱伝達特性について報告している。
本報では，密集形管群の核沸騰熱伝達性に関して の基礎的研究として，垂直壁面近傍におかれた，列 2段からなる水平円管群をモデルにとりあげ，狭い 空間内での円管群の核沸騰熱伝達特性について，円 管相互の間隔および円管群と垂直壁面とのすきまを それぞれ変化させ，沸騰様相との関連で定性的考察 を行い， その伝熱特性を明らかにしようとするもの
である。
｜
2． 実験装置および方法
本実験装置の概略を図1に示す。試験容器①は 幅170mm,高さ250mm,奥行180mmの直方体 で，伝熱管はフランジに片持ちで固定され，伝熱 管表面より発生した蒸気は凝縮器④で凝縮され，
予熱管⑤を通って試験容器内にほぼ飽和状態で戻 される。なお,伝熱管の下方約30mmのところに，
被加熱流体フロン系冷媒R‑11の温度測定のため の銅一コンスタンタン熱電対が取り付けられてい る。図2は，本実験に使用した伝熱管の詳細を示 す。伝熱管は，外径18mm内径12mm,有効伝熱 部長さ100mmの銅管で，円管表面は0/4番エメ
リー紙にて研磨し， 内部に埋め込まれたカート 寧横械工学科第19期卒業生
秋田高専研究紀要第23号
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ﾛ■
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垂直壁面近傍におかれた水平円管群の核沸騰熱伝達特性について
リ ･ソジヒータによI)間接電気加熱で伝熱面熱流束 を与える。 また，銅管の管壁には銅一コンスタン タン熱電対が軸方向中央まで4対挿入されてい て、 これらの平均温度よ')伝熱管表面温度を算出
した。なお，伝熱管は熱電対挿入のための孔加工 都合上2分割し， その接合面はハンダにより接合 されている。図3は，試験部について示したもの で， 2本の供試伝熱管(A,B管）および垂直平板 はガイド板により指示されている。ここで，垂直 平板およびガイド板は，ベークライト製である。
また，ガイド板は供試伝熱管より発生した蒸気泡 の円管軸方向への流出を阻止している。なお，供 試伝熱管A管の両側にはダミー管2本が設置さ れていて，ガイド板と垂直平板とのねじれおよび 傾きの矯正と補助ヒータとしての役割を兼ねてい
る。
実験は， 2本の供試伝熱管と垂直平板とのすき まsを0.2,0.4,0.5,1,5mmおよび と変化させ，
伝熱管相互の間隔cが0.5, 5, 30mmの場合につ いて，供試伝熱管AおよびBを等温壁とし，大気 圧下・飽和沸騰の条件で行った。
①innerboilingvessel
②window
③auxiliaryheater
④condenser
⑤preheatingtube
⑥fun
⑦bufferplat
図1 実験装置
■■■ＦＩ一■日日Ｉ
3． 実験結果と考察
蜜 3． 1 単独円管の核沸騰熱伝達特性
核沸騰熱伝達は，伝熱面の表面条件等により大 きく左右される。 したがって，管群を構成する各 供試伝熱管がそれぞれ単独で同じ伝熱特性を有す ることの確認と，管群効果を評価する場合の基礎 となる単独円管の伝熱特性を知るため，各伝熱管 についてフ。−ル飽和自由沸騰の実験を行った。
①heatingsurface thermocouple
②cartridgeheater@packing
図2 供試伝熱管
ｌＩＩＩｌＩＩＩｌＩＬ■■■■■■１■■■■■■■■■ ぴ８６４謡匡会さ１
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②dummytube
③guideplate
④verticalPlate
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図4 供試伝熱管（単独円管）の伝熱特性
図3 試験部
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昭和63年2月
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土田一・藤島幸樹・細田宣彦
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図5 沸騰曲線
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図6 沸騰曲線
秋田高専研究紀要第23号
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−9−
唾直壁面近傍におかれた水平円管群の核沸騰熱伝達特性について
図4は,A管およびB管の各供試伝熱管の結果 を横軸に西川ら51の実用簡易式から求められた熱 伝達率の計算値 、縦軸に本実験より得られた熱 伝達竿αをと )図示したものである。本実験範囲 内では， 2本の伝熱管ともほぼ同様な熱伝達特性 を示していることがわかる。 また，西川らの計算 値と比較すると全般的に計算値よりも'1､さい結果 となっているが， 2本の伝熱管とも‑20%以内に まとまっている。
3．2水平円管群に垂直平板を近づけた場合の 核沸騰熱伝達特性
3．2． 1 沸騰曲線と沸騰様相
図5および6は， 各円管間隔において円管群と 垂直平板とのすきまを変化させ得られた沸騰曲線 で， それぞれA,B両管について示してある。な お,図中の破線は単独円管の自由沸騰曲線である。
図5は，円管間隔c=0.5mmについて示したも のでA管の場合，過熱度△Tsa(が比較的小さい領 域では，単独円管に比較しいずれのすきまsにお いても熱伝達が良く，すきまsが狭くなるほど伝 熱面熱流束qは増加し熱伝達が向上している。し かし△Tsa《が大きくなるにしたがいqの値は単独 円管の結果に近づき,S≦1.Ommでは△Tsa(が19 20K近傍を境にsよI)qの値は異なるものの 単独円管の結果よI)熱伝達が低下し，特にs≦0.5 mmでは伝熱面熱流束が飽和し，伝熱管表面温度 のみが増加している。また, s=1mmにおいても qの値が飽和する傾向がみられる。なお, Sが5 mmおよび｡。 （垂直平板がない状態）の場合は，
過熱度が増しても単独円管の結果とほぼ同一と なっている。
他方, B管の場合,A管の場合とほぼ同様な傾 向を示しているが，特に小さい過熱度域において 沸騰曲線の勾配はs≦0.5mmで小さ<,同一過 熱度におけるqは,A管の場合よりqは高い値と なり熱伝達が向上し,S≦0.4mmで顕著となって いる。 また，高過熱度域において,A管同様s≦
0.5mmでqが飽和する現象がみられる。
図6は, c=5mmの場合でA, B両管ともに c=0．5mmの場合のほぼ同様な傾向を示してい る。しかし,A管の場合9 S三5mmにおいてその 沸騰曲線はc=0.5mmの場合とは異なり，単独円 管の結果とほぼ同一となっている。 また，高過熱 度域においてA管はs=0.2, 0.4mm, B管では s=0.2mmと極めて狭いすきまで伝熱面熱流束の 飽和現象が現れている。
なお,c=30mmの場合については,AおよびB 管ともにc=5mmの場合とほぼ同様な沸騰曲線
となっている。
図7は，本実験における核沸騰の様相をビデオ で撮影し， これをもとにスケッチした図である。
ここでは， その代表例として円管間隔c=5mm, s=0.2mmおよびs=0.5mmの場合について示 した。
比較的低い過熱度△Tsatが5K近傍において，
s=0.2mmの場合,A管伝熱面よI)局所的に発生 した蒸気が合体し， この合体泡が一時的に下方面 を覆い円管と垂直平板の狭いすきま内を間欠的に 浮上し，さらにB管下面の垂直平板近くを覆い再 びすきま内を浮上する。また, B管の上面の垂直 平板近傍で比較的活発な気泡の発生がみられる。
一方, s=0.5mmの場合,A,B両管のような蒸気 泡の一時的な滞留はみられず，円管群と垂直平板 のすきま内をスムーズに浮上している。
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土田一・藤島幸樹・細田宣彦
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過熱度が20K近傍の高過熱度域においては，
s=0.2mmの場合,A管の下面はほぼ蒸気で覆わ れているものの比較的速い周期で液体と接触し沸 騰， さらに伝熱管表面に付着した液滴が蒸気とと もにA,B両管の間に押し上げられ,A管上面で 激しく沸騰している。一方,B管下面はA管から の飛散液滴が多量に付着し沸騰蒸発しているもの の，伝熱管表面には部分的にではあるが乾いた面 があらわれている。しかし,s=0.5mmの場合,s＝
0.2mn]の沸騰様相とは異なり,A管全面より激 しく蒸気泡が発生するものの伝熱管表面を蒸気が 覆うまでにはいたらず，円管群と垂直平板とのす きま内を非常にはやい速度で浮上する。 また,A, B管のすきま内は蒸気泡と液体とが共存してい て,A管から発生した蒸気泡とともに引き上げら れた液体がB管に付着し沸騰蒸発している。な お, s=0.2nlrnの場合のような伝熱管表面上の部
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図8 sによるqの変化
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分的な乾き面の存在は認められない。
3．2．2伝熱面熱流束qのすきまsによる影響 図8は，円管群と垂直平板のすきまsによるA, B両管の伝熱面熱流束qの変化を,c=5mmの場 合について示したものである。
ATsatが10K近傍以下では, Sが から1mm 近傍まではA,B両管ともqに大きな変化はみら れないが, Sの減少に伴いqは徐々に増加しs=0.
2mm近傍で最大となるとのことは, 3．2．1の沸 騰様相でも述べたように，低過熱度域においてA, B両管とも部分的に蒸気泡に覆われていて，蒸気 泡の間欠的な上方への浮上とそれに伴う新鮮な液 体の円管すきま内への侵入すなわち気液交換機構 により, s=0.2mm近傍で熱伝達が最大となって いると考えられる。
ATsatが15K近傍においては,A,B両管ともに 自立的な核沸騰が行なわれているためsによる変 化はほとんど認められないが, ATsatが20K近傍 になるとsが狭くなるにつれqが徐々に減少し，
sが0.5mm近傍から急激に減少している。
また9 Sが特に狭い0.2mm近傍で,ATsatが10K 近傍以下においてA,B両管の差が大きく ,A管
に比較しB管の熱伝達が向上しているが，
ATsat>15KではA管とB管のqの値が逆転す る現象がみられる。
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図7−b沸騰様相
秋田高専研究紀要第23号
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図9 sによるqの変化
１１
伝達率よI)若干低い値となっているが，ほぼ同様 な結果となっている。すなわち, S≦0.5mmの狭 いすきま内では,A,B両管ともに"maX近傍での 沸騰状況は3．2．2でも述べたが， それぞれの伝熱 管からの自立的な核沸騰が続けられており，特に，
B管ではA管から発生した気泡による強制対流 および蒸気泡がすきま内を浮上する際の増速によ る影響がなくなるものと考えられる。 しかし，傾 向としてαmaxは，沸騰空間が狭くなるにしたがい qの小さい領域で存在しており，沸騰空間が極め て限定された場合の核沸騰がah,axにおよぼす影 響は大きいことがわかる。
3．2・4 すきまsによる限界熱流束qcの変化 沸騰曲線において, S≦0.5mmで伝熱面流束q がある値で飽和し，伝熱管表面温度のみ増加する 現象がみられたが， この熱流束を本実験での限界 熱流束qcとすると9 Sによるqcの変化は図11に 示したようになる。
円管間隔が狭いc=0.5mmの場合において,A 管およびB管ともにsが広くなるにしたがいqc はほぼ直線的に増加しているが,A管に比較しB 管の勾配が大きくなっており,qcに対するSの影 響が顕著となっている。このことは,沸騰様相に おいても明らかな相違がみられる｡1‑す;なわち, S=:=
0.2mmの極めて狭いすきまにおいては,B管の場
なお，円管間隔cが0.5mmおよび30mmの場 合においてもc=5mmとほぼ同様な傾向となっ てお') ，図9に示したように,ATsa(が21K近傍 以下において円管間隔cによる核沸騰熱伝達特性 への大きな影響はみられない。
ここで，比較的低い過熱度域において． B管の qの値がA管よ )大きく熱伝達の向上が顕著と なっていたが， これは,A管から発生した蒸気泡 による強制対流効果と， さらには，円管と垂直平 板のすきまを蒸気泡が通過する際の増速効果によ るものと考えられる。 また，高い過熱度域におい て,A管とB管のqの値が逆転する要因として，
A管およびB管とも伝熱面のおよそ半分が蒸気 で覆われているものの,A管では伝熱面が漏れて いて， この部分でも沸騰蒸発が行われている。一 方, B管では伝熱面の一部が乾き， ドライアウト に近い状況となっているためと考えられる。
3．2．3最大熱伝達率について
本実験範囲内において, Cによらず主にsが0.5 mm以下の場合で,A,B両管に熱伝達率の最大値 が存在する。この最大熱伝達率amaxと伝熱面熱流 束qの関係を図10に示す。なお，図中の実線は単 独円管の熱伝達率と伝熱面熱流束の関係を示した
ものである。
いずれの場合の最大熱伝達率も，単独円管の熱
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1
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土田一・藤島幸樹・細田宣彦
は，円管間隔cによらず,A,B両管ともすきまs の減少とともに熱伝達が向上する。しかし,ATsa[
が高い領域では, Sが比較的広い1mm以上にお いて単独円管の結果とほぼ同様となるか, Sが0．5 mm以下では単独円管の熱伝達より低下する。
(2) ATsa(が15K近傍以下では, A管からの上 昇気泡流の影響でB管の熱伝達が促進される。し かし,ATsatが15K近傍以上においては, Sが0.4 mm以上で△Tsa!の増大とともに熱伝達の低下が みられるものの,A管およびB管に熱伝達の差は ほとんと．なくなる。
(3) A管およびB管いずれの場合においても，
Sが0.5mm以下で熱伝達率の最大値αmaxが存在 し，沸騰空間の大きさによI)Qfmaxの値は異なる が，単独円管の結果とほぼ同様となる。
（4） 限界熱流束qcは，円管間隔が極めて狭い 0.5mmの場合,特にB管において，すきまsによ る影響が顕著である。 しかし,A管の場合，すき まsの広がりとともに限界流束qcの増加はゆる やかとなI),本実験範囲内では, B管ほど大きな 変化はみられない。
（5） 過熱度△Tsatが21K近傍以下において，円 管間隔cによるA,B両管の伝熱特性への影響は
みられない。
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図11 sによるqcの変化
合，伝熱管表面の大部分が蒸気で覆われ，下方か らの液体の供給もなく， その伝熱面は乾燥状態と なる。一方,A管の場合，伝熱管表面は蒸気で覆 われているものの，乾き面は少なく , B管と同様 な状態にいたるまでにはざらに高いqが必要と なるためと考えられる。しかし, Sが0.3mm近傍 を境にsの広がりとともに沸騰様相は異なり, B 管のqcがA管よりも高い値となっている。
また，本実験範囲内でc=5rnnlおよび30mm の場合においても, Sが極めて狭い場合でqcが存 在し，特にA管では, Cの広がりに伴いqcも増加 しており,c=5nlnlにおいてはc=0.5mmの場合 とほぼ同じ直線の傾きとなっている。しかし,Sの 広がりとともにqcの増加は緩慢となっている。
なお，図には，著者ら6)が3列1段の水平円管群 上方に水平平板を近づけた場合(c=0.5mm, s=
0.2mm)について行った結果も示しているが，本 実験のA管の場合と限界熱流束qcの値は異なる
ものの，ほぼ同様な傾向となっている。
参考文献
1） 甲藤ほか2名，平行水平2円板間の狭い空間 における核および遷移沸騰， 日本機械学会論 文集， 42巻361号, p.2854‑2861, (昭和51.9) 2) S.C.YaoandY.Chang,Poolboilingheat
trasfer inaconfinedspace, Int. J.Heat MassTransfer,vol. 26,No．6,pp.841‑848,
1983.
3） 藤田ほか4名，狭い間隙における核沸騰熱伝 達，第22回日本伝熱シンポジウム講演論文 集， 34‑36頁， （1985‑5）
4） 石橋・西川，狭い空間における沸騰熱伝達, 日本機械学会論文集,33巻245号,121亡129 頁， （昭42‑1）
5） 西川ほか3名，核沸騰におけるフロン系冷媒 の熱伝達係数について，冷凍一第53巻607 号， （昭53‑5）
6） 土田ほか3名，壁面近傍におかれた円管群の 核沸騰熱伝達特性,第23回日本伝熱シンポジ
ウム講演論文集, 157‑159頁, (1986‑5)
4． ま とめ
垂直壁面近傍におかれた1列2段からなる水平 円管群の核沸騰熱伝達特性に関して，垂直平板と 円管群のすきまsおよび円管間隔cを変化させた 場合の2本の供試円管(A,B)の伝熱特性につい て，沸騰様相との関連で検討を行った。得られた 主な結果を以下に示す。
(1)加熱度△Tsatが比較的低い領域において
秋田高専研究紀要第23号
聯劇』
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05mm 5mm 30mm
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