凝縮時の熱伝達に関する研究 (第1報) : 水平下向
きの滑面における凝縮熱伝達
著者
石神 重男, 田中 義弘, 玉利 ?一, 松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
6
ページ
37-48
別言語のタイトル
Studies on the heat transfer by condensation
(Report I) : Heat Transfer by Condensation on
a Smooth and Horizontal Downword Surface
凝縮時の熱伝達に関する研究 (第1報) : 水平下向
きの滑面における凝縮熱伝達
著者
石神 重男, 田中 義弘, 玉利 ?一, 松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
6
ページ
37-48
別言語のタイトル
Studies on the heat transfer by condensation
(Report I) : Heat Transfer by Condensation on
a Smooth and Horizontal Downword Surface
ＳｈｉｇｅｏｌＳＨＩＧＡＭＩ，ＹｏｓｈｉｈｉｒｏＴＡＮＡＫＡ， ＭａｓａｋａｚｕＴＡＭＡＲＩａｎｄＨｉｒｏｈｉｓａＭＡＴＳＵＭＵＲＡ
神 重 男 ， 田 中 義
利 賢 一 ， 松 村 博
（受理昭和41年５月３１日）弘久
石玉
STUDIESONTHEHEATTRANSFERBYCONDENSATION（Reportｌ） HeatTransferbyCondensationonaSmooth andHorizontalDownwordSurface凝 縮 時 の 熱 伝 達 に 関 す る 研 究 （ 第 １ 報 ）
水平下向きの滑面における凝縮熱伝達
Theheattransferbydropwiseandnlmwisecondensationofsaturatedsteamonasmooth andhorizontaldownwordsurfaceareinvestigatedexperimentally，ａｎｄtheresultsareobtained asfollows： （１）Thecoefncientsofheattransferbydropwiseandfilmwisecondesationarealmost independentofthemagnitudeofheatHux，ｔｈｅＨｏｗｒａｔｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｗａｔｅｒａｎｄｔｈｅtemperature differenceofsaturatedsteamandcondensingsurface． （２）Ｔｈｅｃｏｅ価cientsofheattransferbydropwisecondensatlononhorizontaldownword surfaceareafewtimessmallerthanthatonverticalorinclinedsurface． 鉛直あるいは傾斜伝熱面における凝縮熱伝達のさい には凝縮液滴が落下する時の掃除作用なる現象が加わ っている．木研究は，水平下向きのなめらかな伝熱面 を用いて凝縮液滴の掃除作用の影響を除去して実験的 に臓縮熱伝達率を調べたもので，その結果および考察 を 述 べ る . １ ． 緒 言 蒸気の凝縮時における熱伝達について従来すでに多 くの研究がなされている．すなわち膜状凝縮に関して は1916年にNusselt1）の報告以来，Schmidtら2)， Grigull3)，Bromley4)，Rohsenow5)，Sparrowと Gregg6）および馬淵7)などの実験的ならびに理論的研 究がある．また滴状凝縮に関しては1930年にSchmidt ら8)が鉛直伝熱面上に初めて水蒸気を滴状凝縮させた 実験結果に始まり，Ｄｒｅｗら9)，Nagleら10)，Gnamll） Fitzpatrickら12)，SheａとKrasel3)，Hampsonl4)， WestwaterとWelchl5）などの実験的研究および FaticaとKatzl6）ならびに菅原と岐美17)などの理論 的解析が報告されている．しかしながら，液体の蒸発 や蒸気の凝縮現象などのごとき相変化を伴う熱伝達 は，多くの影響因子を包含している複雑な伝熱機構で あるため，いまだ全面的に満足な結論がえられていな い．とくに従来の研究は鉛直あるいは傾斜している伝 熱面における凝縮熱伝達が主体に取扱われていて，水 平伝熱面での凝縮熱伝達の研究はほとんどみあたら ない． ２ ． 実 験 装 置 お よ び 実 験 方 法 実験装置の概略を図１に示す．給水タンク①よりボ イラ②に供給された水は重油バーナ③で加熱され，発 生した蒸気は導管⑤より蒸気過熱器⑦を通って蒸気室 ⑨にはいる．蒸気量は調節弁⑥で制御され，蒸気圧力 はマノメータ⑬で計測し，蒸気温度はベックマン温度 計⑭にて測定する．蒸気導管および蒸気室はその周囲 を保温材で包み外部への放熱を防止してある．また冷 却水は水量調節弁⑮を通って冷却水流路に導入され， 導管⑰をへて堰⑬より流出する．流量は前もって検定 してある堰のフック⑲の読みで測定する．測定部本体 は蒸気室⑨，伝熱板⑩および凝縮水受器⑪などから構 成されており，測定部における冷却水温度および伝熱 仮温度の測定には直径０．２５ｍｍの銅一コンスタンタ① 給 水 タ ン ク ④ 煙 突 ⑦ 過 熱 器 ⑩ 伝 熱 板 ⑬ マ ノ メ ー タ ⑯ 冷 却 水 量 調 節 弁 ⑲ 冷 却 水 量 測 定 用 フ ッ ク ⑳ 切 替 ス イ ッ チ ⑮ 蓄 電 池 3８
Ｉ
一﹃一︲奇一一一町。函握﹃﹄。垂一一一一Ｊ’
一−一ふい一ｉ一一一︲一州 ↓一房、一一つ葛’１﹂毛 ↓一︵一．串︶’一・ 壱附座﹄﹄碍諏に︾ 図 ２ 測 定 部 本 体 詳 細 図 3雛 1２０ ２５３− 520 ン熱電対⑳を用いて，電位差はポテンシオメータ⑳な らびに検流計⑳によって測定した． 図２に測定部本体の詳細図を示す．図にみられるよ うに冷却水流路は幅３７ｍｍおよび高さ１３ｍｍの長 方形断面をしており，伝熱板に対する水路両壁には厚 さ６．５ｍｍの断熱用塩化ビニール板がはりつけてあ る．伝熱面における蒸気の凝縮状態を肉眼観察あるい は写真撮影するため，蒸気室には下部の２個所および 側壁の１個所の合計３個所に約160ｍｍ×100ｍｍの 透明なガラス窓を設けてある． 伝熱板の詳細を図３に示す．伝熱板は銅製で幅４０ ｍｍおよび全長351ｍｍであるが，前端から169ｍｍ は流路の助走区間であり，測定部は助走区間のあとに 120ｍｍとってある．伝熱板蒸気側表面には測定部 (120ｍｍ×40ｍｍ）とその前後面との凝縮液の混合を さけ，測定面の凝縮液滴の採取を正確にするために測 定部軸方向の両端に幅３ｍｍおよび深さ３ｍｍの三角 溝を設けてある．測定部の入口端から２０，６０および ／／ 図 １ 実 験 装 置 柵 ② ポ イ ラ ⑤ 蒸 気 導 管 ③ ガ ス バ ー ナ ⑪ 凝 縮 水 受 器 ⑭ ベ ッ ク マ ン 温 度 計 ⑰ 冷 却 水 導 街 ⑳ 熱 電 対 ⑳ ポ テ ン シ オ メ ー タ ⑳ 標 準 電 池 略 図 ③ 重 油 バ ー ナ ⑥ 蒸 気 量 調 節 弁 ⑨ 蒸 気 室 ⑫ メ ス ビ ュ レ ッ ト ⑮ 蒸 気 排 出 弁 ⑬ 冷 却 水 量 測 定 用 堰 ⑳ 熱 電 対 用 冷 接 点 ⑳ 検 流 計 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号 一 ラ 『油１７k流動 ブノｌｆｌｌ 一﹃一︲奇一一一可。函握﹃﹄。垂一一一一Ｊ１
毛ｌ蔚肱一ｉ一一一︲一掃 ↓一房、一一つ葛’１﹂毛 ↓一︵−．ｓ︶｜、︾捧露︾
断熱川畑化ビニーノ１ ， ノ 石 神 ・ 田 中 ・ 玉 利 ・ 松 村 ： 凝 縮 時 の 熱 伝 達 に 関 す る 研 究 166 魅 熱 恢 図 ５ 冷 却 水 用 熱 電 対 設 置 詳 細 図 図５は冷却水温度測定用熱電対の設置場所および取 付け状態を示す．冷却水温度測定用熱電対は伝熱板測
定部の入口と出口に相当する冷却水流路中に各３本設
置し，各熱函対は絶縁用にアラルダイト接着剤を塗布 して素焼管に入れ，歯科用セメントで固定してある． １．２‘穴,深さ２０ 戸 【｣つ 冷 却 水 流 助 方 向 一 一 冷 却 水 側 351 ｰ Ｖ ‐ 衿 一 滴 Ｘ 工 言 6 - 1 ｉ " 蒸 気 側 Lr＞ 室優 １２０ 一 一 一 一 一 １ ２ ０ l i ll
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州ｌ︲。︾︲１Ｖ 川１
１ １１
１ lFI llI 卜20劃←４０→k←４５−シﾄ15,ルー５９−二 ３ ３画至
ｌ ﾄ 亀 105ｍｍの３個所には蒸気側および冷却水側の伝熱板 表面から１．５ｍｍのところに直径１．２ｍｍおよび深 さ２０ｍｍの孔をあけて，伝熱板表面温度算出用の熱 電対が入れてある．伝熱板温度測定用熱電対の設置状 態を図４に示す．それぞれの熱電対はアラルダイト接 着剤で絶縁被覆し，伝熱板の中心部に接点をもって いる．雲
索焼管 ニール板 『分封1沖 !+h--熱砿対 図 ３ 伝 熱 板 詳 細 図 3９ 路 甲雲
雲
…郷『＝層熱機
一 一 一 一 一 一 一 二 ＝ h ー寺
冷 却 水 路 企枠 断 熱 用 塩 化 ビ ﾆ ｰ ﾙ 蕪 気 仙 図 ４ 伝 熱 板 熱 電 対 設 置 詳 細 図 塩 化 ビ ニ域
I
ロ
．
また熱電対の先端を流路の高さ方向に変えるため，素 焼管を自山に上下できるように０−リングで支持して ある． 伝熱面の表面は０６のエメリペーパでよく研磨し， さらに稀塩酸で洗ったのち水で清浄にして使用した． 滴状凝縮の実験では水洗後乾かしてから滴状凝縮促進 剤としてオレイン酸を一面にうすく塗布した．実験を 長時間続けると表面に塗布したオレイン酸が洗い流さ れるので適当な時間経過後同様の表面処理を行なっ た．また膜状凝縮の場合は伝熱板表面がよごれると膜 状の一部が滴状に変わるので，そのようなことのない ようにしばしば表面処理を繰返して行なった. つぎに実験方法を簡単に述べる．冷却水流量調節弁 で所要の流量に制御したのち，蒸気排出弁は開放にした状態で蒸気を測定部本体に送る．測定部本体内の空
気は送入された蒸気とともに排出弁から外部へ放出される．蒸気により測定部本体が加熱され，蒸気温度が
所定の温度になるのを待ち，排出弁を閉じる．蒸気は
過熱器で過熱度０．５∼0.7℃の乾き蒸気にし，蒸気室
内の圧力は大気圧以上１０ｍｍＡｑに保たれる．以上の 調整が終り，伝熱板冷却水側の熱電対による温度指示が定常に達してから測定を開始する．測定期間中は蒸
気圧力，蒸気温度および冷却水流量を一定に保持する脈 4０ 8４ および熱負荷0.70×105∼3.3×105kcal/ｍ２ｈの範囲で 行なった． ように注意した． 実験は冷却水入口温度１８∼24°Ｃにおいて，冷却水 流量0.30×103∼2.2×103kg/ｈ（流速0.20∼1.3ｍ/s） 3．実験結果および整理 1０５ ０ ２ ０ ４ ０ ６ ０ ８ ０ １ ０ ０ １ ２ ０ 測定部入口からの距離，’nm 図 ７ 伝 熱 板 表 面 温 度 の 定 義 蒸気温度，伝熱板の蒸気側表面温度ならびに冷却水 側表面温度および冷却水温度の測定部における温度分 布の一例を図６に示している．図によると下流に行く Ｐ
閏
9６ ４ ０ ８ ０ 測定部入口からの距離,。、、 図 ６ 温 度 分 布 の 一 例 9５ ９４ Ｐ堂
9
２
tps 狛 9０一'一o一
2５ − ？ 8８ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号 7０ 剛 6０ 1２０ 、 HＯ １００ ８ １ ２ １ ６ 。 ２ ０ ＧＷ，ｋg/ｈ 伝 熱 板 表 面 温 度 と 冷 却 水 流 量 の 関 係００９８
Ｐ声昌一︽、身 国 ２４×102 ４ F１ Ⅱ 図 ８ 一 一 ｉ錐W水１世度 上ps，上ｐｗ，℃ ○ ① 滴 状 ' 誰 ｉ ｉ ｉ △ ▲ 脱 状 雌 縮 Ｐ ｑ皇１千
∼ ｜ ‐ 令却水入:-:温度 18-,.24ｑＣ−−§−
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▲∼ 滴 状 凝 縮 冷 却 水 鼠 3 6 0 k g 八 蒸気温度:蓋蒜斎惹一
一一 一︲。 耐蓋I師温度’
一一 tpl＝ 堂
Ｏ〆０ 石 神 ・ 田 中 ・ 玉 利 ・ 松 村 ： 凝 縮 時 の 熱 伝 達 に 関 す る 研 究 1 ２ 4１ 2０ 3.0 ここに， ０ ２ 至冨・竜即茎晶。○ 1.0 一 ×１０２ 2４ 以上の３方法の中の（２）式の冷却水温度上昇から
求める方法は，本実験の測定部長さが短いために冷却
水流量が多い場合は測定誤差が大きいので，ここでは
採用しなかった．また前に述べたように実験結果の凝
縮水量の絶対値が正確でないので，凝縮水量から求め
る方法は参考にする程度にし，ここでは（１）式から
算出した熱負荷を用いることにした．
図１０は（１）式から算出した熱負荷9fおよび（３）
式から算出した熱負荷ｑｃを冷却水流量に関して示し
ている．図において図９の説明で述べたように実際の
凝縮水量より測定した凝縮水量がいくらか小さいた砧
に，凝縮水量からの熱負荷が伝熱板内の温度勾配からの熱負荷よりいくぶん低めにでていることが明確とな
４ ８ １ ２ 、 １ ６ ２ ０ ２ ４８ 1６ ４ Ｇｗ，ｋg/ｈ 図 ９ 凝 縮 水 量 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 乱：測定部伝熱板表面砿，ｍ２ Ｃ〃：冷却水の比熱，kcal/ｋｇｏＣ Ｇｃ：凝縮水量，ｋg/ｈ Ｇ１り：冷却水流量，ｋg/ｈ ９ｃ：凝縮水量から算出した熱負荷，kcal/ｍ２ｈ ９ｔ：伝熱板内温度勾配から算出の熱負荷， kcal/ｍ２ｈ ９，〃：冷却水温度上昇から算出した熱負荷， kcal/ｍ２ｈ γ：蒸発の潜熱，kcal/ｋｇ ｒｐｓ：伝熱板の蒸気側表面温度，・Ｃ ｒｐ〃：伝熱板の冷却水側表面温度，ｏＣ ｒ“：冷却水の測定部入口温度，。Ｃ ハリ。：冷却水の測定部出口温度，℃ ６ ： 伝 熱 板 の 厚 さ ， ｍ ス：伝熱板の熱伝導率，kcal/ｍｈｏＣ である．に従って冷却水温度は上昇するので，これに伴って伝
熱板の表面温度もいくらか増加していることがわか
る．伝熱板表面の温度分布はこのようであるが，これを図７に示すように測定部の平均値をとって代表させ
た．すなわち伝熱板の蒸気側表面温度rps，冷却水側表面温度ｒ力〃である．恥，ﾉｶ〃と冷却水流量Ｇ〃との
測定結果を図８に示す．冷却水流量が増加すると蒸気
側および冷却水側ともに表面温度は下がるが，蒸気側
表面と冷却水側表面との温度差は次第に大きくなって
いる．膜状凝縮の場合は滴状凝縮に比較して表面温度
は低いが同じような傾向がみられる．図９には凝縮水量Ｇ暇と冷却水流量Ｇ〃との関係を
示す．冷却水流量が増すとともに凝縮水量も大となる
が，滴状凝縮に較べて膜状凝縮の場合の凝縮水量は少
ない．凝縮水量の測定では滴状凝縮および膜状凝縮の
いずれの場合にも伝熱面測定部より外側へ凝縮水がわ
ずかながら流出することがさけられなかった．このた
めに凝縮水量の絶対値は測定値よりいくぶん大きな値
であることが推察される．熱負荷の算出法には次の三つの方法が考えられる．
ｉ）伝熱板内の温度勾配から求める方法
欧
=
÷
(
'
,
‘
-
'
"
）
…
…
…
…
（
１
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ｉｉ）冷却水の温度上昇から求める方法，
‘
鋤
=
等
(
恥
｡
一
動
,
)
c
縦
…
…
…
…
(
2
)
iii）凝縮水量から求める方法，，鰹=子……(3)
瓶｣;￨l水人￨ｉ柵皮 １８缶２４Ｙ Ｌ 一 ー ． − 一Cｒ ︿蛍孟 一 ︵ＭＨパ﹀一一
③ 一 ●い一
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二
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‘ ｜ ｏ 鯛
： ● 膜一号
一 ③ 一『 ’ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号 ０ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ (}｢一 4.0×10。 ３ ［︷討昌︾﹃剣ｇ一﹄ず ０ ウ ワＪ 割日へ﹃毎。里ハゴ 舟 2.0 1．０ ○ ⑨ 滴 状 凝 縮 △ ▲ 膜 状 凝 縮 ０ ４ ８ ×1０２ １２ 1６ 2０ 2４ Ｇｗ，ｋg/ｈ 図 １ ０ 熱 負 荷 の 比 較 ｘＩＯ５ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ ､０ 4２ H １ ○ ０ 凸 ０ 1 ．0 Ｈ ４ ×102 Ｇｗ，ｋg/l’ 図 １ １ 熱 負 荷 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 1２ １６ 2０ 2４ っ て い る ． 負荷の増加する割合と伝熱板蒸気側表面温度の低下す る割合の比がほとんど等しいことを表わしている．な
お滴状凝縮の蒸気側熱伝達率は膜状凝縮のそれと較べ
てほぼ４倍も大きいことが認められる．蒸気温度と伝熱板蒸気側表面温度の差を４Ｔとし図
１３にｊＴと熱負荷９の関係を，図１４に４Ｔと蒸気 側熱伝達率ａｓの関係を示している．図１３および図 １４に示すようにｊｒを座標軸にとると，滴状凝縮の場 合と膜状凝縮の場合とは明確に区別できる．滴状凝縮 図１１は熱負荷９と冷却水流量Ｇ”の関係であるが， 図８から明白なように冷却水流量の増加にともなって 熱負荷は大となり，膜状凝縮に比較して滴状凝縮の方 が同じ冷却水流量において熱負荷が大きくなってい る冷却水流量Ｇ”と蒸気側熱伝達率ａｓの関係を図 １２に示しているが，滴状凝縮および膜状凝縮ともに 冷却水流量には関係なく蒸気側熱伝達率は一定値を示 している．このことは冷却水流量が大となるに伴う熱。馴吟糾一’一
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滴状3誰尚 膜状雌縮 一8
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図１２ 石 神 ・ 田 中 ・ 玉 利 ・ 松 村 ： 凝 縮 時 の 熱 伝 達 に 関 す る 研 究 ０ １ ０ ２ ０ ３ ０ ４ 4０ １ ０ 2 ０ ３ ０ △T,℃ 図１４蒸気Ⅲ￨｣熱伝達率と温度差の関係 （ 4．０ ○ 滴 状 就 紺
ｊ００
１。×３２
Ｐ二“日、・−３里㎡さ ④｜膜状縦縮_
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：
○ ○： ’ ８
’ 、 Ｕ○９１。
Ｃ ｏ ｌ ｏ ＯＬノ 1．０ ×１０＄ 2０ 2４ ８ １ ２ １ ６ ＧＷ,ｋg小 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 Ｈ ４ ４ ． 者 察従来の研究には水平下向平面伝熱面での凝縮時の熱
伝達についての実験結果がほとんどないので，ここでは鉛直伝熱面での実験結果などと筆者らの実験結果と
の比較考察を行なってみる． Ｘ１０ｄ 2 ， １．０ 4３ 3.0 ０ ２ Ｐ二曲Ｅ、−３二手、句 ■． Ｂ画 画 ｢､ ３ 日﹄一句○二 0 ｝ ＱＯ ０ ２ Ｐ空融︹昌君具需吻忍 １.【Ｉ ○ 滴 状 唖 縮 辻１０$ ０ １ ． ０ ２ ． ０ 3 , 0 ４ ． ０ 《１，kcal/m2h 図１５蒸気側熱伝達率と熱負荷の関係 0 ． に較べて膜状凝縮は伝熱面にできる凝縮液の膜によっ て伝熱抵抗が大となるために同じ９の値に対し温度差 が増加する．また熱負荷？と蒸気側熱伝達率ａｓの関係を図１５に示す．図から滴状凝縮および膜状凝縮い
づれの場合も熱負荷９が変化しても蒸気側熱伝達率は ほぼ一定値をとることがわかる．ただし滴状凝縮にお いては熱負荷の増加につれて蒸気側熱伝達率はわづか に大きくなる傾向ともみられるが，本実験の範囲内で は明りょうでないので一定線で示した． U ， △Ｔ，。Ｃ 図１３熱負荷と温度差の関係 ｘｍ４ 3.0⋮。．●卸河醍
・︾や↑一群︾ 々﹀・一ｏ ﹃一○ ｜︽︺二二
ｏ 挽 承 挺 堀 ●控状;罷抽隙
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１.Ｃ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号 4４ ０ １ ０ ２ ０ ３ ０ △Ｔ１℃ 図１９蒸気佃ﾘ熱伝達率と温度差の関係 ×1０５ ＸＴｎＳ 4．０ 4,0 ０ ． ５ 1 . 0 1 . 5 2 . 0 Uw，m/s 図１６熱負荷と冷却水流速の関係 2.5
穀
０ ３ ︻︷副Ｅ、﹄一尾○茎毎壱 ０ ３ 二型Ｅへ﹃屋。里瞬亭 ● ④ 滴状 ０ ０ 砧 ○一 一０ ２ Westwater 韮稀ら 2.0 画 ヅノ Ｏｑｗ． 1.0Ｌ／
｜△ ｊａｌ雫。︲︲。 ｏ 誰 者 ら われたもので，その差異が滴状凝縮のばあい顕著にあ らわれるものと考えられる．４Ｔとａｓの関係が図１９ であるが滴状におけるａｓの値はｊＴの増加とともに 筆者らの値とWestwaterの値は開いて行くが，一方 Westwaterの値は筆者らと膜状凝縮の値に近づくこ とが推定できる．このことは鉛直管の場合ｊＴの増加 とともに凝縮液の掃除作用が増大し，実質は膜状凝縮 に近くなることを示すものであろう． 図２０は熱負荷ｇと蒸気側熱伝達率ａｓの関係につい て従来の研究者の滴状凝縮の実験結果の比較を示した ものである．田中ら'8)および筆者らの実験結果を除い たほかはすべて鉛直伝熱面を使用した実験結果であ る．図に示されているように実験値は各研究者によっ て大きな差があるが，凝縮時の熱伝達は蒸気の温度， 圧力，流速および不凝縮ガスの混在などの蒸気側の条 ０ 4０ 4０ ｘｌＯＳ 猿1ｊ､ △ ▲ １．５ 一 ／ (も，Ｙ 0 ０ ． ５ １ ． ０ 1 . 5 ２ ． ０ 2 , 5 Ｕｗ,ｍや 図１７蒸気側熱伝達率と冷却水流速の関係 図１６は冷却水流速Ｕｋ,と熱負荷９の関係であるが， 圧力０．９atａにおける鉛直円管を用いてのＧ"α"711)の 実験結果と筆者らの結果とは同じ傾向を表わしてい る．冷却水流速Uhjと蒸気側熱伝達率ａｓとの関係は 図１７に示している．Ｇｎａｍの実験結果が筆者らの結 果の６倍近くも大きくなっているが，これはＧｎａｍ の場合蒸気温度と伝熱板蒸気側表面温度の差が1.0∼ 2.5°Ｃであり，筆者らの場合に較べて温度差が非常に 小さいことから鉛直,伝熱面と水平下向き伝熱面の蒸気 側熱伝達率の差異が表われていることが認められる． 蒸気温度と伝熱板蒸気側表面温度の差４Ｔと熱負荷 gの関係および”と蒸気側熱伝達率ａｓとの関係につ いて，Westwaterら'5）の実験結果と筆者らの実験結 果との比較が図１８および図１９である．膜状凝縮の場 合はWestwaterらと同じ傾向を示しているが，滴状 凝縮の場合はいくぶん異った傾向を表わしている．こ れはWestwaterらの実験が鉛直伝熱面を用いて行な 『 〃 “;ｆ ｆ 【 0 １ ０ 2 0 ３ ０ △T，℃ 図 １ ８ 熱 負 荷 と 温 度 差 の 関 係 ０ １ 鼻二一・画︻ど弓口茎阜四句 0.5 0合５ ０ １ Ｐニ融︹ミ胃ｇ茎↑めど Ｘ103 ｌｐ。ｂ： ９ｑ
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２ ８ 一一一一一 蹴 祇 ｛ 込 緬 ｡Ｃｎｎｍ ｃ 液 街 らベ ン ジ ル メ ル カ ブ タ ン ’ １ ． ０ ０ 石 神 ・ 田 中 ・ 玉 利 ・ 松 村 ： 凝 縮 時 の 熱 伝 達 に 関 す る 研 究 高さ１８６０ 外径３２， 外径７５， 岐美ら'7〉 らの実験値とほぼ一致していることがわる．これは伝 熱板高さがわづか７６ｍｍで掃除作用が目立たないた め水平板に近い値となったものであろう．なお図２０ に示してある各研究者の実験条件概要の一覧を表１に 示してある． 以上の結果から水平下向き伝熱面での蒸気側熱伝達 率は鉛直伝熱面に較べて非常に小さい．いいかえると 鉛直伝熱面での蒸気側熱伝達率が良好な理由として は，凝縮液滴の落下時に伝熱面に附着している成長中 の凝縮液滴を集合して掃除する作用が大きな役割をは たしていることが認められる．ただしWestwaterら の実験結果からわかるように，凝縮液滴の掃除作用の 影響も凝縮水量が増加してくると伝熱面表面は水膜に おおわれた状態となるので,鉛直伝熱面の上部の一部 を除いては実質は膜状凝縮状態となるために蒸気側熱 伝達率は急激に低下すると認められる．
次に鉛直あるいは傾斜している伝熱面上における滴
状凝縮時の熱伝達率を表わす理論式としてFatiCaら16）
は次の仮定のもとに（４）式を誘導している． ｉ）凝縮液滴の表面および内部の温度は一様で ある． ｉｉ）凝縮液滴で包覆されていない伝熱面の部分では X1n5 ２０ 促 進 剤 の 種 類 a-aNagleら b-bGnam c-cFitzpatrickj 【1--〔ｌＳｈｅａ‘､フ ｅ−ｃ岐美ら f-fWestwnterf g-gIII中ら・ '１−１】ヘＩＹ荷ｩ,。 eFaticaら oHnmpsonら ５ １ ︶。二“Ｅへ［句。誤房明己 長 さ ４ ８ ０ １ オ レ イ ン 『 1.Ｕ 幅 ６ 外 径 0．５ Ｋ 1 １ X10 ０ １ ． ０ ２ ． ０ 3 . 0 4 . 0 (]，ｋｃａｌ『m2h 図２０蒸気側熱伝達率と熱負荷の関係件，伝熱面および促進剤の種類などの伝熱面表面状態
ならびに冷却水の温度’流速などの冷却水側の条件に
関係するために，条件の差によりこのように広範囲の
値がでているものと推察される・またFaticaら16)の実
験値で蒸気側熱伝達率の最も低い６の値は，銅板に凝
縮促進剤としてオレイン酸を塗布してあるもので，こ
の値は鉛直伝熱板を使用しているにもかかわらず筆者
表 １ 従 来 の 研 究 者 の 実 験 条 件 一 覧 1 ０ １ オ レ イ ０，高さ２１０，厚さ 酸一酸 1．３５ 1．００ 菌２５，高さ７６ 1．００ ク ロ ム 板 ニ ッ ケ ル 板 ク ロ ム 板 銅 板 ニ ッ ケ ル 板 銅 板 １ ． ２．鉛
直
,
i
：
Faticaら16） ５ ， ６ ． 田中ら'8） 蒸 気 圧 力 (ata） 仮 熱 伝 ノノ ス テ ア リ ン 酸 〃 オ ー レ ィ ン 酸 ス テ ア リ ン 酸 オ レ イ ン 酸 〃 研 究 者 0．９０ 法 （ ｍ 、 ）形 状 ｜ 寸
鉛直ク。ムメッキ銅管｜高さ6１０
ｗｅstwaterら１５） ２７，厚さ４３ １８０，厚さ１１０ オ レ イ ン 酸 を ボ イ ラ 給 水 中 へ 直 接 混 入｜鉛直,鋼管
Ｇｎａｍｌ１）F
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オ レ イ ン 酸 Nagleら10） 鉛 直 ， 銅 管 鉛 直 ， 銅 板 外径１９ 幅１０，高さ 幅７６，高さ 16,内径１３ 水 平 ， 黄 銅 管 〃 " 内 径 ２ ５ ， 高 さ ８ １ ０ １ グ リ ー ス 高さ１３０ 鉛 直 ， 六 四 黄 銅 板 Hampsonら14)’〃 4５ 却却 １１ 幅幅 1．００ 1．００ S h e ａ ら 1 3 ） ｜ 鉛 直 ， 銅 板 高さ１００高さ６００Ｉ
鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号／
熱抵抗を無視できる． iii）凝縮液滴が伝熱面を包覆する面積割合，すな わち付着面積比は時間的に一定である． ｉｖ）凝縮液滴の分布は一様である． ｖ）凝縮液浦の形状は球冠をなし，すべて同じ大 きさをしている．易-南=:"〕…“
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ただし， 4０ ここに， Ａ‘：単位面積当りの凝縮液滴による包覆面積 Ｄ：凝縮液滴の伝熱面付若部分の直経 Ｄ,鵬：凝縮液滴の限界付着直径 ＵＯ：冷却率 γ：単位面積当りの凝縮液滴体積 吟：単位面積当りの凝縮液滴最大体積 り ： 凝 縮 液 滴 の 体 積 α‘：凝縮液滴を通しての熱伝達率 ａｓ：蒸気側熱伝達率 α蝿：冷却水側熱伝達率 ６ ： 伝 熱 板 の 厚 さ β ： 凝 縮 液 滴 の 接 触 角 ス α ： 凝 縮 液 滴 の 熱 伝 導 率 ス カ ： 伝 熱 板 の 熱 伝 導 率 である．またＦ(のおよび､/1(のは凝縮液滴の接触角の 関数であり，この値はFaticaらによると図２１の通り である． ここで（４）式を水平下向き伝熱面上における滴状 凝縮時の熱伝達率に応用してみる．図２２に示すよう に水平下向き伝熱面上の凝縮液滴の重量と表面張力と の関係から，凝縮液滴の伝熱面離脱時の限界付着直径 をＤ"ｚとすると， １ １／
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ここに， Ｕ"‘：凝縮液滴の最大体積 ｒ ： 凝 縮 液 滴 の 比 重 量 (7)式から へ／
7ｍｓｉｎ６｜
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伝 熱 板 １錨宿液滴 図 ２ ２ 水 平 下 向 き 面 上 の 凝 縮 滴 蒸 気 側 １ １▽
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石神・田中・玉利・松村：凝縮時の熱伝達に関する研究 4７ 参 考 文 献1）WNusselt：Ｚ・ＶＤＩ，６０，２７（1916∼7)，
541.2）BSchmidt＆others：Tech,Mech･Thermo‐
dynamik,１，２(1930∼2)，５３． ３）Ｕ､Grigull：ForschGeb､Ing.‐Wesen.，１３， １（1942)，４９， ４）Ｌ､Ａ・Bromley：Indust､Engng､Che、.,４４， １２(1952∼12)，2966. 5）Ｗ・MRohsenow：Trans，ＡＳＭＥ，７８，８ （1956∼11)，1645. ０ ２ ． ０ 4 . 0 6 , 0 ８ ． ０ Uo‘kcal,.m21,℃ 図2３（14）式と実験値の比較図23には蒸気側熱伝達率ａｓと冷却率Ｕｂとの実験
結果および（14）式を示している．凝縮液滴の付着面
積比すなわち単位面積当りの凝縮液滴包覆面砿鋤は，
Faticaらによると鉛直伝熱面では０．４５と報告されて いるが，筆者らの水平下向き伝熱面で観察したところ ではFaticaらの値よりやや小さいようである．図には（14）式において付着面積比が0.45,0.35および
0.30の場合を実線で表わしてあるが，（14）式と筆者
らの実験結果とは定性的にほぼ一致しているけれども
定量的には良き一致を示していない．これは理論式に
いくつかの仮定が取入れられているためであり，理論
的解析をもう少し厳密に行なうには蒸気の凝縮機構の
｡ ： 凝 縮 液 滴 の 表 面 張 力 である． （10）式に（11）式を代入すると，〃
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伴
謡
…
…
…
…
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2
）
ゆえに，（４）式に（９）式および（12）式を代入する ことにより， ６ ． む す び木研究に際し，実験に協力をえた仮屋崎侃，牧田九
十九，鯵坂等および上加世、司郎の諸君に感謝しま
す．なお木報告の一部は日本機械学会九州支部佐世保
地方講演会（昭和40年５月28日）にて講演を行なった
ことを付記する． １．０(
上
芳
L
)
U
ｂ
｡…･……｡(13） ａｓ＝二 微視的観察が必要である．この問題は今後の研究に待 つことにする． いま，水平下向面での凝縮液滴の接触角は筆者らの観察結果によると銅板に促進荊としてオレイン酸を用
いた場合95∼105度であった．ここではβを100度と
すると図２１より，Ｆ(のは7.5,八のは２．７である．凝縮液滴の温度を100℃と仮定すると，（13）式は次
式のようになる．(
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．……….．(14） ５ ． 結 論水平下向き伝熱面における蒸気の凝縮時の熱伝達率
を実験的に調べたところ，本実験範囲については滴状
凝縮および膜状凝縮ともに蒸気側熱伝達率は冷却水流
量，蒸気温度と伝熱板蒸気側表面温度の差および熱負
荷にほとんど関係なくほぼ一定値をとることがわかっ
た．そして滴状掘縮の蒸気側熱伝達率は膜状凝縮の場
合に比較して約４倍も大きいことを示した．また従来の鉛直伝熱面における滴状凝縮の熱伝達率
の値は，水平下向き伝熱面での滴状凝縮の熱伝達率に
較べると３∼６倍の高い値であった．このことは鉛直
あるいは傾斜している伝熱面での凝縮液滴の掃除作用
の効果が非常に大きいことを表わしていることが認め
られた．理論的解析を完全にするにはさらに微視的研
究が必要である． Ｘ104００３２
Ｐ二雨Ｅ、﹃３二・ｍ己 Ｏ・‐ ○葱孝
4８ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ６ 号 ６）EMSparrow＆Ｊ､Ｌ・Gregg：Trans． ＡSIV歴,SeriesC,８１，１(1959∼2)，１３． ７）馬淵：日本機械学会論文集．２６，１６８（1960∼ ８)，１１３４． ８）２）と同じ． ９）Ｔ．Ｂ．Ｄｒｅｗ＆others：Trans.Ａmer・Inst・ ChemEngr.,３１，４（1935∼12)，605. 10）Ｗ・ＭＮａｇｌｅ＆others：Trans.Ａmer､Inst・ ChemErgr.，３１，４(1935∼12)，593.
