鉄粉酸化反応層の熱特性に関する研究 (シート状反応層の熱解析)

鉄粉酸化反応層の熱特性に関する研究 (シート状反応層の熱解析)

村田圭治安 中畑仁志村 荒 賀 浩 一 * 小 松 幸 雄 州 安

Thermal c h a r a c t e r i s t i c s  i n  a  l a y e r  o f  c o r r o d i n g  i r o n  powder 

Keiji 1¥征JRATA，Hitoshi NAKAHATA， Koichi ARAGA， Yukio KOMATSU 

This paper presents an analytical investigation on the thennal characteristics in  a layer of an exothennic powder  mixture  that  is  utilized  in  body wanners， hot  compresses  and so  on.  The research  objective  is  to  develop  a  manufacturing  method that  enables  the  exothermic  temperature  to  be  con仕olledin  order  to  prevent  cases  of  low‑temperature bums. The authors analyze numerically variation over time of the temperature dis仕ibutionand the  generated heat in a layer of the exothennic powder mixture. Although the analytical and experimental results are in  accordance qualitatively

， 

the analysis overestimates dependence of temperature distribution on time. 

Keyword Corrosion， Iron Powder， Porous media， Chemical reaction， Numerical analysis 

1  .はじめに

熱特性を実験的に調べた(2) 式(2)は反応速度がを発熱体 金属の腐食酸化反応に伴う反応熱を携帯用カイロや温 粉末層が単位体積あたり単位時間当たりに反応する酸素 シップ等の熱源として利用する技術はよく知られており のモル数と定義した場合の反応速度式である.

金属が鉄の場合，主たる反応は

Fe + 3/2H₂0 + 3/40₂→ Fe (OH) 3↓ +  402kJ/rnol  (1) 

であるとされている.これらの技術は特に温熱治療の分野 で世界的に需要が大きく，就寝時にも連続して使用できる 安全性が強く求められている.しかしながら近年，発熱温 度が設定値を大きく超えて低温火傷を起こす事例が数多 く生じている.著者らは，発熱体粉末の発熱温度を精度よ く制御するためにはシート状に積層した発熱体粉末層の 熱特性を充分に把握する必要があると考え，前固までに食 塩水を保持させたパーミキュライト(保水剤)を鉄粉や活 性炭粉末(触媒)と混合して試験用発熱体粉末とし，反応 によって失われる酸素量から反応速度を測定して反応速 度式の作成(1)およびシート状に積層した発熱体粉末層の

* 近 畿 大 学 工 業 高 等 専 門 学 校 総 合 シ ス テ ム 工 学 科 機 械 系

牢*近畿大学工業高等専門学校 専 攻 科 生 産 シ ス テ ム 工 学 専 攻

***FJテック熊野研究所

×

2 b 3 4 8 ( 会 )1

(2)  ここで，ゐはパーミキュライトに吸収させた食塩水量を 鉄粉全量が完全に水酸化第二鉄へと反応するのに必要な 食塩水量で除して無次元化した値であり ，Xは反応率で反 応した鉄粉の割合を Tは反応温度をそれぞれ表している.

今回，式 (2)を用いてシート状に積層した発熱体粉末層の 熱流動解析を行い，実験結果と比較‑検討したのでここに 報告する.

2  .解析モデルおよび基礎式

図 lに座標系と解析モデルを示す.主な仮定，基礎式，

初期条件および境界条件は以下のとおりである.

主な仮定

1)発熱体粉末層は多孔質体と見なせる.

寸1ム

円ノ臼

2)発熱体粉末層内では局所熱平衡が成り立ち，発熱体 粉末とガスの局所温度は等しい.

3)発熱体粉末層の厚さは十分に薄く，諸量は時間tと厚 さ方向座標xの関数である.

4)発熱体粉末層内での水蒸気濃度は小さく，ガスは酸 素と窒素の2成分からなる.

恥M

存 ザ 保

= 慣 例 一 以 式 +

魁 酌 同 一

b

‑運動方程式(修正Darcy則(3)) 

2 字引竺)=一千‑仰い ^{1 ‑} 学

^‑pge

+ま(ぺ(~)}+ま{IÆ!(~)}

(4) 

‑エネルギー保存式

す{抑 +P

s

C

s

( l ‑ e ) 同 + ま ^{( P C}

^puT)

= ま い お + 科

^2Ah

‑化学種O₂の保存式

ま ( 附 ) + か ^{u ) =} ま ( 同

^e

ま ) ‑ r M o

‑状態式 P=pRT 

式(3)，(5)， (6)における反応速度がには実験式(2)を用い た.有効熱伝導率んと有効拡散係数えはそれぞれ式(8) および式(9)により算出した(4)(5) 

A~-E

A :   =E+ l /

^Jr

+ ; / 3 (

λ'g Iλ

J+rRep 

P r ω  

子

^=ε+YD Rep Sc  (9) 

E 

式(8)右辺第3項および式(9)右辺第2項は，ガスが粒子に 衝突することによって生じる混合効果を表しており ，Iお

よび、おは経験定数で?と0.1，YLFl/12とした(5)

初期条件および境界条件

x 

Twニ36⁰C cooling plate 

Fig.l Analytical model 

(3) 

t=O 

u ( x

，

O )   = 

^0， 

T ( x

，

O )   =  T o ' w ( x

，

O )   = 

^0， 

p(x，O)=~

R_N2To 

u(O

， t) 

=  0

， 

T(O

， t) 

=  T

_w' 

x=L 

(5) 

(4)f 作 。 一 九 ) +

^{hDP(WH20 ‑WH20，O T v}  

ハυ

一 一

L X 

¥1

11

11

ノu一χ

︑ ︒ 一 ︑ ︒

/f

il

l‑

t¥

 

(6) 

(7) 

3 

.計算結果および考察

式(3)‑‑‑‑(7)を適宜無次元化した後コントロールボリュ ーム法によって差分化し，SIMPLE法(SemiImpl ici t Method  for Pressure Li出edEqua t i on)を用いて数値的に解いた.

図2は計算結果の一例で，縦軸は冷却壁への放熱熱流束と 温度，横軸は経過時間である.ここで，有----~は粉末層内 温度で粉末層下面温度を九粉末層下面から高さ 3mm， 6  mm， 9mm上部をそれぞれ，T， z ， 7; ~，周囲温度を z とし た.比較のため，図 3に実験によって得た結果(2)を示す.

但し，横軸のスケールの違いに注意を要する.

計算条件は以下のとおりである.周囲温度

z

^および冷

却壁の温度えは，それぞれ25oC， 36  oCで一定，粉末層 全体の初期温度は周囲温度に等しく穴x，O)=， 粉末層内7o の酸素濃度の初期値は w(x，O)=O粉末層上面の酸素濃度 はw(L，

t )  

=町=0.233とした.また，粉末層の空隙率を ε=0.3 とした.

‑22‑

計算結果と実験結果は定性的に見れば，概ね一致したもの 1600... 1...

・... . ・ . . .

...55  の，定量的には，必ずしも一致しているとは言い難い結果

1400ト

ι 、

^{T  ‑=150} 

となった.これは今回，計算の簡略化のため，気相中の水

蒸気の影響を無視し計算を行った.そのため，特に高温状 ^{1200 同本~7' ‑=1}45  態時に酸素濃度が高い状態に維持され，発熱量が大きくな

主

I 2  40 iooo3 

り過ぎたことが考えられる.また，今回の計算では反応率

800  35z 

を大きく見積もり過ぎているため，反応時間に違いが出た

~ 30 ...^内....  ことも考えられる.今後，モデルの変更も含めて，解析手 600 

法を検討していく. 400  T 

25 

4  .おわりに

200  20 

今回，発熱体粉末層の熱流動解析を行った.計算結果と 0

0..・・・...・・・

^E

・

^E

・ 3 r

実験結果は概ね一致したものの，定性的に見れば，必ずし

o 

300  600  900  1200  150  t [s] 

も一致しているとは言い難い結果となった.今後，モデル

の変更も含め解析手法を検討し発熱体粉末層の熱特性の Fig.2 Analytical results  予測法を確立する.

参考文献

(1)村田ら，日本機械学会熱工学コンファレンス2007講演

論文集(2007ー11). 1200 ~'-_、 T  ‑=145 

(2)村田ら，日本機械学会東海支部2009講演論文集(2009

zooo ド ミ ^J

^{I j 4 0吋}

(3)  Vafai， K. and Tien， C. L.，  Int. J.  Heat Mass Transfer， 

qF800 町J~，J一 JL4z

^{1J‑ 35E ‑}

24(1981)， 195‑203.  600

  ，

 

‑ 1 ~ '-T~30

^...内.... 

(4)伝熱工学資料，日本機械学会， (1986)，91・94. i 

下で下

1 J 2 5 (5) Tien， C. L. and Hunt， M. L，.  Chem. Eng. Process. 21(1987)， 

a 

53‑63.  200  20 

0

・ .

2000  40006000  8000  11^官0官.p

。

t [s] 

Fig.3 Experimental results 

nt

u 

nL