気ほう吹き込み時の液体の伝熱

気ほう吹き込み時の液体の伝熱

著者

玉利 ?一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

4

ページ

7-15

別言語のタイトル

STUDIES ON HEAT TRANSFER OF FLUID WHEN AIR

BUBBLES ARE BLOWN INTO IT

気ほう吹き込み時の液体の伝熱

著者

玉利 ?一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

4

ページ

7-15

別言語のタイトル

STUDIES ON HEAT TRANSFER OF FLUID WHEN AIR

BUBBLES ARE BLOWN INTO IT

気 ほ う 吹 き 込 み 時 の 液 体 の 伝 熱

玉 利 賢

（受理昭和39年５月３０日） ＳｒＵＤＩＥＳＯＮＨＥＡＴＴＲＡＮＳＦＥＲＯＦＦＬＵＩＤＷＨＥＮＡＩＲ ＢＵＢＢＬＥＳＡＲＥＢＬＯＷＮＩＮＴＯＩＴ ＭａｓａｋａｚｕＴＡＭＡＲＩ lnthephenomenonofheattransferfｒｏｍｔｈｅｗａｌｌｏｆａｓｏｌｉｄｂｏｄｙｔｏＨｕｉｄ，theexistenceof twophaseboundarylayer，ｔｈａｔｉｓ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｉｒｐｈａｓｅｉｎｔｈｅHuidphaseisthematter freqUentlyexperiencedintheneldsofmechanicalengineeringandchemicalengineering・ Theauthorperformedafewbasｉｃｅ幼erimentsontheeffectsupontheheattransferby blowingairbubblesinｔｏ〃9z"（fluid)−distilledwater-inordertoascertainthestirringeffectin thecourseofheattransferbetweenaverticalboardheatingsurfaceandthefluidcontacting withtheboard・Theresultobtainedisasfollows： １）BlowingairbubblesintotheHuidgreatlyinBuencesupontheheattransfer、Especially theratioofitsincreaseisconsiderablyfarremarkablecomparedwiththeexperimentalresult withahorizontalboardheatingSurface、 ２）Ｔｈｅｆｏｒｍｓｏｆｂｌｏｗｉｎｇ−ｉｎｏｆａｉｒｂｕｂｂｌesareingenerallikelytobeclassiEedintofour typesofaspheretype，abelltype，aprecessiontypeandatandemtypewhichareapproximately similartopmducedbUbblesatthetimeofnuclealboiling． １ ． は し が き 固体壁から液体への伝熱現象で二相境界層，すなわ ち,液相中に気相が存在する状態は沸騰現象,その他機 械工学ならびに化学工学の多くの分野においてしばし ば経験する事柄で，いままでに数多くの研究')2)3)4)5） がなされているが，なお多くの未解決点が残されて いる．例えば，沸騰時の伝熱機構においては発生気ほ うの生長，離脱に伴う境界層の機械的かく乱に基づく 熱伝達（気ほうのかく乱効果による伝熱）と発生気ほ うの囲りの液体がその気ほう中に蒸発現象をともない 潜熱を送り込むことによる熱伝達（潜熱の輸送効果に よる伝熱）とが考えられるが，これらの問題に対する 論議はいまなお各方面で盛んである． 本報告は，垂直平板伝熱面を使用しこれと接する液 体の間の熱伝達において，液中に空気ほうを吹き込ん でその伝熱現象に関する二三の基礎実験と考察を行な い，これにより相変化をともなわない液体の熱伝達に おいて気ほうかく乱の効果を明らかにしようと試みた ものである．ここに気ほう吹き込みがその熱伝達増進 の可能性に大きく影響することを認めたので以下に述 べる．

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① 恒 温 そ う② 加 熱 器 ③ 空 気 吹 込 用 ノ ズ ル ④ 冷 却 水 ⑤ 空 気 調 整 用 ニ ー ド ル 弁 ⑥ ベ ビ コ ン プ レ ッ サ ⑦ マ ノ メ ー タ ③ 定 電 圧 調 整 器 ⑨ か く は ん 器 用 モ ー タ ⑩ 冷 接 点 ⑪ ミ リ ボ ル ト メ ー タ ⑫ 電 力 計 ⑬ ス ラ イ ダ ッ ク ､瞳④

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○寸肺 § ○．十 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ４ 号 ① 恒 温 そ う ⑦ 空 気 吹 込 用 ガ ラ ス 導 管 ② 実 験 容 器 ． ③ 電 力 供 給 用 導 線 ③ 加 熱 器 ⑨ 熱 電 対 ④ プ ー リ ⑩ 熱 電 対 ⑤ か く は ん 器 ⑪ 冷 却 管 ⑥ 温 度 計 第 ２ 図 実 験 装 置 （ 容 器 ） た．温度の測定は，直径0.3ｍｍの銅一コンスタンタ ン熱電対を使用した．空気の吹き込みは，べビコンプ レッサから空気調整用ニードル弁を経て圧縮空気を空 気吹込用ガラス導管（第２図⑦すなわち詳細図第３ 図）に送り直径0.9ｍｍのノズル（第３図）から水中 に吹き込む．この空気吹込用ノズルには，第３図に示 ２ ． 実 験 の 方 法 １ ） 実 験 装 置 実験に使用した装置全体の概略系統図を第１図に示 す．‘恒温そうならびに実験容器の詳細は第２図に示 す．三而に観測用ガラス窓をもち，純水を流した角型 の実験容器に加熱器を装備して恒温そうに挿入する． この恒温そう上部には冷却管を設け，さらに，十分か くはんした．加熱器は実験容器内の水中に伝熱面が鉛 直になるように保持し，伝熱而正面のそう断面がほぼ 一辺140ｍｍの正方形になるようにした．なお，実験 にさいしては水面からの放熱を少なくするため実験容 器にあらかじめ蓋を設けた．伝熱而熱負荷は，加熱器 内の電熱コイルを流れる電力を可変抵抗器で加減調節 して電力計で計った．実験中の電圧変動による熱負荷 の不安定'性をあらかじめ考慮して定電圧調整器を設け ｉＩｒｒＦ。。 ぎぅ 第 ３ 図 空 気 吹 込 用 ガ ラ ス 導 管 すような注射針を使用しその先端部を封じて針の上側 面に0.9ｍｍの穴１個を設け，空気ほうが正しく上方 に吹き出すように配慮した．空気吹込みの位置は，伝 熱面下端，伝熱面の巾方向の中央を通り面に垂直な線 上で伝熱面からの距離どを５∼50ｍｍの範囲に変化さ せた．熱負荷９は，1600∼7500Kcal/m2h,吹込空気 量Ｑは，0.21∼20.75Ｎｃｍ３/seｃの範囲で，熱負荷９ お よ び 吹 込 空 気 量 Ｑ 一 定 の も と に 伝 熱 面 か ら の 距 離どを変えて一系列の実験を行なった．整理にあたっ ては，熱負荷９として加熱器の電力に熱損失の修正を ほどこした値を用いた．また吹込空気量として，吹 込導管出口の温度，圧力状態を標準状態に換算した鯉値 を 採 用 し た ． 温 度 境 界 層 の 状 態 は ， シ ュ リ ー レ ン 法 による写真撮影および肉視観察でしらべた．また実験 容器内の液体全体の流動状況も合せて調べるためメチ レンブルーを流して観察した．吹込空気ほうの形状 (気ほう直径，発生頻度，および週期等を含む）は， 電磁オッシログラフの光学匝Iを改良した暗画を使用し てオッシロペーパに記録した．一方ストロボライトを 使用して気ほうの挙動を肉視観察した． ２）加熱器の構造 加熱器の構造を第４図に示す.加熱器は板厚0.5ｍｍ の洋白板で高さ250ｍｍ，巾８０ｍｍ,厚さ４３ｍｍに 箱状に囲み内部に三重の隔壁をもうけた．‘伝熱板の裏 側にシャモット粘土製熱板と抵抗発熱体としてコイル 状のニッケルクロム線を挿入し，この熱板のすぐ裏面 か ら 順 次 第 ４ 図 に 示 す よ う に ， 雲 母 板 ， ア ス ベ ス ト 板，ガラス綿，および空気室等を設けて伝熱面以外か らの熱の損失防止のため熱的に十分絶縁した．伝熱面 は，200×50×5ｍｍの矩形銅板を用い，伝熱面表面

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１ ） 容 器 内 液 体 の 温 度 分 布 群器内液体の況度分布が境界層の外''''1である温度分 布をもち一様性を示さない場合においては，熱伝達係 数αを求めるにあたり液体の温度００としてどの点の 淵,1度を代表他として選ぶべきかということが問題であ る6)7)．娘粁呼は，伝熱Ihiに対して上卜．方li'｣(J'方向)， 恥直方向（苑〃Ir1｣)，ならびに左ｲfの方lfl」（z方向）の 実験容器内の液体の温度分布を移動熱電対を用いて測 定した．第５側に空気を吹き込まない場合(a）および 空気を吹き込んだ場合(b）の測定結果の例を示す．各 測定方向のＷｌｌｌ度分布に対して(a)の場合はかなりの侃 度勾配が兄うけられるが，（b）の場合にはほとんど一 様な温度分布を示す．このことから，（b）の場合は気 ほうのかく乱により液体の況度分布が 杵しく均一化さ れたものと判断される．しかし加熱器下部，すなわち 伝熱面下端（第５図の０点）から下方の液体の温度分 布は（a)，（b）いずれの場合においてもほとんど一様 堂 ｌ−ｑ − ｂ − Ｃ ＞ｄ − ｅ − ｆ 扇 ○ｍ ○物 堂

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Ｆｒ■ 1０ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ４ 号 の み 乱 れ る ． ま た 吹 込 位 置 が 伝 熱 面 に 次 第 に 近 づ く につれて温度境界層の乱れの範囲は次第に下方に広が りその厚さも薄くなってくる．ど＝10ｍｍでは，つい に全体として温度境界層は乱れを生じ，その層の厚さ も 極 め て 薄 く な り 熱 伝 達 の 良 好 な こ と が わ か る ． 一 般に同一空気吹込位置（例えばさ＝50ｍｍ）で熱負荷 ９ が 小 さ い 場 合 に は ， 吹 込 空 気 量 Ｑ が 少 な い 範 囲 においては空気を吹き込むと境界層の全域にわたって 乱れを生ずるが，その乱れはあまり大きくない．熱負 荷９を蛸すと空気吹込みにより温度境界暦の上部は特 に乱れを生ずるが，境界層全体の乱れを観察してみる と熱負荷が小さい時に比較してはげしくなっているこ な温度分布を示すため熱伝達係数αの計算にあたっ ては伝熱面の巾方向に対して中央（z＝0)，伝熱面か らの距離（伝熱面に対する垂直距離）ｘ＝５ｍｍの位 置で，伝熱面下端から下方に３０ｍｍの点（ｙ＝−３０ mm)の液体の温度を代表温度βひとして採用した．な お図中のβｊはジャケットの温度を示す． ｚ）境界層の流動様相 温度境界層シュリーレン写典の例として熱負荷９＝ 7500Kcal/ｍ２ｈ一定，吹込空気量Ｑ＝1.87Ｎｃｍ３／ seｃ一定のもとに，吹込位置Ｅをいろいろ変化させ た場合を第６図に示す．一般に吹込空気量Ｑ一定 で，吹込位置噂を変化させると，吹込位置が伝熱面 から遠い場合（どが大きい時）は境界層はその上部 とがわかる． ＜ 誼 弓 ＜ ; Ｉ ‐

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第 ７ 図 Ｎｃｍ３/ｓｅｃＯ Ｉｎｍ 第 ６ 図

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１．８７１．８７１．８７ ３ ０ ２ ０ １ ０ (9＝7500Kcal/m2h） Ｑ Ｆ ３）吹込空気ほうの形状 吹込空気ほうをその形状のみから観察すると，ほ ぼ核沸騰時の発生気ほうと同様の諸型式を示し次の４ 種類に大別8)することができるようである．すなわ ち,第７図のように球型気ほう（Ａ),鐘型気ほう(Ｂ)， 親子型気ほう（Ｃ)，串型気ほう（Ｄ）に分類される． この各々の気ほうはさらに連続ほうと不連続ほうに分 けられる，熱負荷９＝4550Kcal/m2h，吹込位置ど＝ 30ｍｍで吹込空気量Ｑをいろいろに変えて実験を行 ○ ○ ○ ○ ○

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第８膳￨(i）気ほうの写真(:二$淵cal/m2h）

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では単一気ほう（Ａ･Ｂ型）が似られ，吹込み空気量

が比較的多い範棚,第８図(ii)（Ｑ＝9.44,20.00, ２ 幸 に 無 関 係 に 一 定 で あ る こ と を 永 し て い る ， す な わ ち か く乱効果がますにつれて〃は５/４から１に近ずく傾 １塁 罰屯 (ｂ）Ｑ＝0.94（Ｎｃｍ３/sec） ¥＆ 鷲､-群’ ー．.Ｆ；鱗1爵…’罪蜂デー…‐急‘畢電“：…i：‐‐芯 晒 【 a 弾 獅 ﾛ & 6 t § 葱 § 軸 ↑ず 里６ 凸矛

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‘ ７ 2 ２ ０ “ 第 ９ 図 ９ と ４ ８ と の 関 係 20.75Ｎｃｍ３/sec)では複合気ほう（ＣＤ）とな って表われていることがわかる． ４）熱伝達係数 吹込空気量Ｑが多い場合と少ない場合に ついて，熱負荷９と温度差４β＝(βp−６０）との 関係を第９図および第１０図に示す．一般に， 9ccj67zであることから自由対流熱伝達時の脳 流の場合においては，〃＝5/４であることがわ かっているが，木装置での実験でも同じ傾Ii,ｊ (図のNolnjectionの線：S1ope＝5/４に相当） であった。この自由対流（層流）の状態のもと で こ れ に 空 気 ほ う を 吹 き 込 ん だ 場 合 に は ， 吹 込位置寺＝10ｍｍで〃＝１（図のSlope＝1）の 値をとる．このことは熱伝達係数αが熱負荷９ ８ 一劃 ２ d弓 I l O I

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(ｄ）Ｑ＝９.“（Ｎｃｍ３/sec） 1２ 鳶 効 果 の ほ と ん ど な い こ と を 示 し て い る 。 し か し 空気吹込:敵Ｑが大きい場合(例えば,第１０図） にはそのかく乱の効果は．拝しく，ど＝50ｍｍの ところでさえn曲対流（層流）熱伝達時の〃＝ 5/４の線からかなりはなれて勾配も５/４よりわ ずかに小さい値を示す．すなわちこの距離でも なお相当型の熱伝達の改牌，つまり増進がある ことがわかる． 液体の対流の起動力として，温度差による浮 ﾉJと気ほうかく乱の影稗が考えられるが，この 点については以前に水.､ド平板伝熱面で気ほう存 在の場合5)の検討が行なわれ，次のような考え 方 で 現 象 が 明 ら か に 説 明 さ れ る こ と が 示 さ れ た．すなわち浮力をＤ(I，かくはんﾉ1Jを、αと 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ４ 岩 → 時 Ⅲ 第 １ ０ 図 ９ ． と ． ４ ０ と の 関 係 ＝ 写 − ， 戸 〃 β ■ 』 毎 卿 寺 ﾗf翁 卿 が、鍬“ 漁癖 雌 ' 雫 聯 f 繭 … ､ 裡 踊 麺 d ｇ 千

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第１１図α/α０と吹込位置との関係 1.0 気 ほ う を 吹 き 込 む と 熱 伝 達 係 数 は 水 平 平 板 伝 熱 面 で の 増加よりさらに詳しいことが明確にあらわれている． これは水平平板伝熱ｌｌｌｉでは気ほう上昇とともに気ほう は伝熱ｌＩ１ｉより遠ざかりかく乱効果が減少するのに対し て，皿!&1:､ド板伝熱瓶では気ほうの上ｹILに対して伝熱面 からの距離はあまり変化せず気ほうかく乱効果が減衰 し な い た め と 思 わ れ る ． し か し な が ら 第 １ １ 図 の 場 合，ど＝20ｍｍ附近ではα/αoの上外は多少鈍くなり どく１０ｍｍになると低ﾄﾞの傾向をﾉ｣くし，特に吹込空 気辻が多い場合には目立って低卜する．これは伝熱面 に接近して吹き込み，特に吹込空気並が多くなると 伝熱ｌｍが空気の膳で艇われる結果となり，空気膜によ る熱しゃ断の影響が気ほうかく乱の効采を上廻るため 熱伝達係数αが減少するものと思われる．事実，第 １２図にぶすごとくＱ＝20.75Ｎｃｍ３/sec,ど＝５ｍｍで は伝熱IiIiは空気膜に樫われていることがわかる． し空気ほうを吹き込まない場合と吹き込んだ場合の熱 伝達係数をそれぞれα０ならびにαとすれば， 刀J･ 竹１ α0つＣＤ〃αcc（Ｄｊ十Ｄα）．….…．（１） 竹Ｚ α/αOCC（l＋Ｄα/Ｄ《！）……｡.．（２） 上式の右辺の第２項がＱに比例すると仮定すれば 、， α/αOCC（l＋ＣＱ） となる．ここにｃは比例定数，〃zは定数である． この考え方を，水実験の場合に適合してみると，第 ９Ｍ，第１０図において，勾配が５/４あるいは５/4に 近い状態では，｡＞Ｄ‘I，すなわち浮力ＤｄがⅡ§例的に 大きいとすると，（１）式からαCCD〃となり〃'＝l/４ つまり〃＝5/４となる．この場合αoc46I/４であるこ とから日由対流（脳流）熱伝達，またはこれにきわめ て近い状態として｜･分理解される．勾配がｌの場合 は，Ｄ‘zくり“すなわちかくはんﾉ」、“がⅡ;倒的に入き いとすると説明がつく． 熱伝達係数の増加率α/α0に対する吹込位置どの関 係を熱負荷一定のもとで整理した紬1,￨とが第１１Ｍで ある．｜叉'''１に水平､￨と板伝熱1ｍについての結果9)を破線 で$;1-1入した．この￨､xlから吹込位置の彩紳はさらに{Ⅲら かである．すなわち眠直平仮伝熱liIiを用いて水''1に空 。で、万 吹込空気堂Ｑが気ほうかく乱効果にいかに影響す るかを洲くるため（３）式のα/α０とＱとの関係を第 １３図（a)･(b)･(c)･(d）に示す．一般に吹込空気量が 増 加 す る と そ の か く 乱 効 果 が 大 き く な る こ と を 示 し ている．第１１図では熱負荷一定の場合を示したが， ５０ ○①△臼▽ 4,5 1３ 第 １ ２ 図 空 気 1 次 込 実 験 外 側 写 真

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飛 直 平 板 伝 熱 而 を 用 い て ， こ れ に 接 す る 液 体 （ 純 水）巾に気ほう（空気ほう）を吹き込んで，これが熱 鋤伝達におよぼす影響について研究した結果次の結論を えた． （１）垂直平板伝熱而を用いて水中に空気ほうを吹 き込んだ場合には，水平平板伝熱面での実験結果と同 様，気ほうかく乱の効果により熱伝達係数は増加する がその噌加の割合ははるかに著しい． （２）空気の吹込位置が伝熱面側に近ずくにつれて 熱伝達係数は次第に増大する． （３）吹込空気量が比較的多い場合，吹込位置が伝 熱 而 に 近 ず く に つ れ て あ る 距 離 ま で は 熱 伝 達 係 数 は 増加するが，さらに近ずくと熱伝達係数はかえって 低 下 の 傾 向 を 示 す ． こ れ は 吹 き 込 ん だ 空 気 ほ う が 伝 熱 4５ ▽▽ 琴 ． Ｕ −Ｌー

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第 １ ４ 図 α / α ０ と 熱 負 荷 と の 関 係 ３３ ０ ３ ｆ、ｘ︶

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玉 利 ： 気 ほ う 吹 き 込 み 時 の 液 体 の 伝 熱 1５ 面上を膜状に覆い熱しゃ断の作用をするためとみら れる． （４）熱負荷が比較的大きい場合においては，吹込 空気量が少ない時は，気ほうかく乱効果はあまりあら われない．吹込空気量が多くなりある量以上になると 急にかく乱効果は著しくなる．すなわち熱伝達係数は 増大する． （５）吹込空気ほうの形状はオッシロ写真の結果か ら判断して，核沸騰時の発生気ほうとほぼ同様の四つ の型式，すなわち球型，鐘型，親子型，串型に分類で きる傾向にある． 最後に本研究に種々御助言と御援助を賜った九州大 学工学部西川兼康教授ならびに鹿児島大学工学部石神 重男教授に対し厚く御礼申し上げるとともに，熱心に 実験に協力された浜崎和則，安井元の両君（昭和39年 ３月卒業)，研究室の上加世田司郎君に謝意を表する． 文 献 1）昭38.11.28．日本機械学会第７１４回講演会(熱． 熱力学部門委員会企画）において識演（長崎）： 九大工学集報第３７巻，１号，Ｐ、５２． ２）Ｆ､Ｃ、Gunther，EKreith，Pro9.Rept､Ｎｏ． ４−１２０JetProp，Lab.,Calif、Inst、Tech.,March， 1950. 3）Ｓ､Ｇ､Bankoff,Ｊ､Ｐ､Mason,Ｊ,AIchE'８，１， １９６２．３０． ４）Ｆ．Ｏ．Mixon．Ｗ,Ｙ・Chon．Ｋ､Ｏ･Beatty， ＣＥＰ、Ｓｙｍｐ，Series，５６，３０，１９６０，７５． ５）山県・平野・西川・外４名：日本機械学会論文 集，第１９巻，第８４号，Ｐ、４． ６）Saunders，Proc，Roy、ＳＯＣ.，Ａ，172,1939, Ｐ、５５． ７）Lorenz，Zeitschr．ｆ･techPhysik，Ｎｒ、９． １９３４，Ｓ、６２， ８）山県・平野・西川・松岡：九州大学記要Vol． ＸＶ，Ｎｏ．１，Ｐ、１１４． ９）山県・平野・西川・外３名：九大工学集報，第 ２６巻，第１号，Ｐ、２１． ∼ 声 ∼ 戸 ∼ 声 一 戸 一 歩 ∼ 冷 里 歩 Ｌ ザ 、 ご ∼ 舌 一 一 一 律 ∼ 戸 一