凝縮時の熱伝達に関する研究 (第2報) : 水平下向きの焼結合金面における凝縮熱伝達

凝縮時の熱伝達に関する研究 (第2報) : 水平下向

きの焼結合金面における凝縮熱伝達

著者

石神 重男, 松村 博久

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

7

ページ

1-8

別言語のタイトル

Studies on the heat transfer by condensation

(Report 2) : heat transfer by condensation on

the downward surface of a sintered alloy plate

horizontally placed

凝縮時の熱伝達に関する研究 (第2報) : 水平下向

きの焼結合金面における凝縮熱伝達

著者

石神 重男, 松村 博久

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

7

ページ

1-8

別言語のタイトル

Studies on the heat transfer by condensation

(Report 2) : heat transfer by condensation on

the downward surface of a sintered alloy plate

horizontally placed

凝縮時の熱伝達に関する研究（第２報）

水平下向きの焼結合金面における凝縮熱伝達

石 神 重 男 * ， 松 村 博 久 * ＊

（受理昭和４１年１１月３０日）

ＳｍＤｍＳＯＮＴＨＥＨＥＡＴＴＲＡＮＳＦＥＲＢＹＣＯＮＤＥNSATION(Report２）

HeatTransferbyCondensationontheDownwardSurface ofaSinteredA11oyPlateHorizontallyPlaced． ShigeolSHIGAMI＊ａｎｄＨｉｒｏｈｉｓａＭＡＴＳＵＭＵＲＡ*＊ TheinHuenceofthedifferencebetwｅｅｎａｓｍｏｏｔｈａｎｄａｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｏｎｔｈeheattransfer bycondensationofsaturatedsteamaremvestigatedexperimentally・Aboutaroughsurfacean experimentonamethodforlongcontinuationofdropwlsecondensationismade， Theresultsareobtainedasfollows： （１）Ｔhecoe団cientsofheattransferbydropwlseandiilmwisecondensationhavenocon‐ spicuousdifferencerespectivelybetweenasmoothandaroughsurfaceintheregionofthis experiment．

（２）Thesurfaceofsinteredalloyhavingenoughcondensingpromoterkeepsupthe

dropwisecondensationforaloｎｇｔiｍｅ． 1 ． 緒 言 凝縮時における熱伝達率は膜状凝縮よりも滴状凝縮 の場合が数倍も良好なので，滴状凝縮の状態を持続さ せる研究が従来より行なわれている．Schmidtら1)は 各種の金属材料を鏡面仕上げすれば，その面上では滴 状凝縮を起すと報告しており，Ｄｒｅｗら2)および Emmons3)は材料表面の研磨の仕方には無関係であ り，凝縮促進剤なしでは滴状凝縮は生じないと述べて いる．また，勝田ら4)は滴状凝縮において凝縮面はあ らい方が単位時間にたいする凝縮水量は多く，しかも 凝縮液滴の限界直径は大きくなることを調べている． このようにそれぞれの報告によって相異するのは，材 料表面の清浄度合，凝縮促進剤の種類および凝縮促進 剤の塗布厚さなどが滴状凝縮の形成および持続時間に 影響を与えるものと考えられる．

前報において，筆者ら5)は滑面を有する水平下向き

の銅製伝熱面を用いた場合の滴状凝縮ならびに膜状凝

縮にたいする熱伝達の実験的研究を行なった．その結

果によると，滴状および膜状の凝縮時における蒸気側 熱伝達率は冷却水流量，蒸気と伝熱板蒸気側表面との ＊鹿児島大学工学部機械工学第二学教室・教授 *＊鹿児島大学工学部機械工学第二学教室．講師 温度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，蒸気側熱伝達率は膜状凝縮に比較して滴状

凝縮の場合が約４倍も大きいことなどがわかった．

本報告は，含油焼結合金を伝熱面とすれば滴状凝縮

が長期間保持でき，凝縮面として有効であろうという

ことを予期して，水平下向きの多孔質焼結合金面を凝

縮面とし，これに凝縮促進剤を含ませた場合と含ませ

ない場合について，滴状および膜状凝縮時の熱伝達の 実験的研究を行なった．実験結果にたいしてはおもに 熱伝達におよぼす凝縮面の表面あらさの影響および凝

縮促進剤の含有量による滴状凝縮の持続効果について

検討した． ２．実験装置および実験方法

実験装置ならびに実験方法はその大部分が前報5)と

同様であり，前報にこれらの詳細な説明を行なってい るので，ここでは概要を述べる． 図１は実験装置の概略図である．ボイラで発生した 水の蒸気は過熱器を通って蒸気室にはいる．蒸気量は 調節弁で制御し，蒸気圧力はマノメータの水柱ではか り，蒸気温度はベックマン温度計にて測定する．また 冷却水は水量調節弁から測定部本体の冷却水路をへて せきより流出する．測定部本体は蒸気室，冷却水路，

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伝熱板および凝縮水受器などから構成されている．測

定部における冷却水温度および伝熱板温度の測定には

直径0.25ｍｍの銅一コンスタンタン熱電対を用い，

電位差はポテンシオメータと検流計にて測定した．

伝熱板の詳細は図２に示す.伝熱板は組成が銅約９０

％，亜鉛約10％の黄銅系焼結合金製であり，見掛け

比重量は6800kg/ｍ３および空隙率は約20％である．

伝熱板の冷却水上流端から140ｍｍは流路の助走区

間とし，測定部はその下流に120ｍｍとってある． 測定部の冷却水上流端から15,60および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２．０ ｍｍのところに直径１．２ｍｍおよび深さ２０．５ｍｍの 孔を側方からあけ，そこに伝熱板表面温度検出用の熱 電対が設置してある．

伝熱板はこれを石けん液で約10時間，つぎに水で

約５時間しや沸して脱油乾燥したもの（以下は脱油状 態という）について，つぎのような処理を行なった． 熱 電 対 3 ． 予 備 実 験 3.1．焼結合金板の熱伝導率

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鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ７ 号 膜状凝縮の場合は伝熱板蒸気側表面を稀塩酸で洗って 水で清浄にし，滴状凝縮の場合は水洗後表面をよく乾 燥させてから凝縮促進剤としてのオレイン酸を表面に うすく塗布した．また，滴状凝縮の持続実験では伝熱 板蒸気側表面にオレイン酸をうすく塗布した場合と伝 熱板をオレイン酸の中に浸し，多孔質伝熱板の空隙に オレイン酸を0.1969r/cm3(0.218ｃｍ8/cm3）含有さ せた場合の二種類とした． 実験は蒸気過熱度が0.5∼0.7℃,蒸気室内の圧力が 大気圧より１０ｍｍＡｑだけ大きくして定常状態のもと で行なった．実験範囲は冷却水入口温度15∼19℃,冷 却水流量0.36×103∼2.2×103kg/ｈ(冷却水流速0.24 ∼1.3ｍ/s）および熱負荷1.0×105∼3.1×105kcal／ ｍ２ｈである． 測 定 区 間 一 卦 医 一 助 走 区 間 Ⅱ

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ただし， ルー320［l＋3.75×１０−４(20-頭")］ ここに， Ｅ：板の両表血の温度差による起電力，"し Ｔ;"：板の平均温度，℃ ｊＴ：板の両表而の温度差，℃ ６：板の厚さ，ｍ 恥熱伝導率，kcal/ｍｈｏＣ 添字；ｃ：標準試料 ｐ：焼結合金 脱油焼結合金板の熱伝導率の測定結果を表’に示 す．この結果から，ここでは焼結合金板の熱伝導率の 値として９３ｋcal/ｍｈ℃を用いることにする．この値 と表２に示す各種黄銅の熱伝導率6)を比較してみると ほぼ妥当な値と思われる． 黄 銅 の 種 類 、 八 3.2．蒸気凝縮面の表面あらさ 焼結合金製伝熱板および前報で使用した銅製伝熱板 の蒸気凝縮面の表面あらさは，触針法電気式あらさ測

定機により測定した．結果は図５および表３に示して

’１:． １２３ 焼結合九W〈 標 準 試 料 一 ＞ 水 図 ４ 測 定 部 詳 細 図 測定装置の概略を図３に，測定部の詳細を図４に示 す．熱伝導率の測定は比較法で行ない，標準試料には 熱伝導率が２０°Ｃにおいて320kcal/ｍｈ。Ｃである長さ 130ｍｍ，幅５０ｍｍおよび厚さｌＯｍｍの銅板を用い た．標準試料と脱油焼結合金板を重ね合せ，その加熱 側と冷却側には厚さ１．０ｍｍの銅板を補助におき，熱 電対ひきだし用の溝は補助銅板に持たせて熱負荷の均 一をはかった．またそれぞれの板はグリセリンの薄い 膜で接着してある．測定方法は熱負荷を与える電圧お よび電流をボルト・スライダにより調節し，冷却用の 水量を流量調節弁により調節して行なった．標準試料 および脱油焼結合金板のそれぞれの両表面の温度差は 定常状態になった時,直径０．２ｍｍの銅一コンスタン タン熱電対を用いてポテンシオメータと検流計で読み とった． 図４の実験装置から明らかなように，標準試料およ び脱油焼結合金板を通過する熱量は等しいので，それ ぞれの板の両表面温度差と熱伝導率の関係は， 表 1 焼 結 合 金 板 の 熱 伝 導 率 の 測 定 結 果 92.9 93.0 92.7 熱伝導率，kcal/ｍｈｏＣ l00oC 0.295 0.300 0.304 表２各種黄銅の熱伝導率6） 石神・松村：凝縮時の熱伝達に関する研究（第２報）

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４ 1ＶＯザh, 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ７ 号 3.3．焼結合金板の空隙率 焼結合金板を石けん液で約１０時間，その後水で約 ５時間しや洲して脱油乾燥したものから，つぎの方法 にて空隙率を算出してみた． ０ ． １ ｍ ｍ 図 ６ 焼 結 合 金 板 表 面 の 顕 微 鏡 写 真 の 一 例 声 画 ０ ． ５ “ ” 超 璽 覗 呂 霊 壷 塵 皿 司 星 個 ( ａ ） 軸 方 向 （ ｂ ） 横 方 向 （ ２ ） 焼 結 合 金 板 図 ５ 蒸 気 凝 縮 面 の 表 面 あ ら さ の 測 定 例 7.0浬 0.4〃 _{'､ﾍﾉ､い』』Ａ八ﾉｗ､ﾉ熱入ｺﾆ5Ｗ1,L,〆管￥．ｗ１ｗ〆} ( ｂ ） 横 方 向 ( ａ ） 軸 方 向 ( １ ） 銅 板

(空隙率〕‐需維慈蝋鰐)-砦

＝0.218 以上の結果から，空隙率は約20％とした．

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（ １ ） 見 掛 け 比 重 量 か ら 求 め る 方 法 伝 熱 板 は 組 成 が銅約90％，亜鉛約10％の焼結合金であることより， 九一黄銅（銅90％，亜鉛'0％）の比重量が8800kg／ ｍ３なので， (空隙率） −(九一黄銅の比重量)−(脱油焼結合金板の比重量）

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８８００ （２）オレイン酸を含有させた量から求める方法 体積７１．５ｃｍ3の脱油焼結合金板の空隙に含有させ たオレイン酸の量は１５．６ｃｍ3であったことから， 表 ３ 蒸 気 凝 縮 面 の 表 面 あ ら さ の 測 定 結 果 0.4浬 6.0〃 銅焼 Ⅲ!又 合 令 芝 板 いる．焼結合金製伝熱板の表面あらさは銅製伝熱板の 表面あらさの約15倍である．銅製伝熱板の表面は０６ のエメリペーパで鏡面仕上げがしてあるのにたいし て，焼結合金製伝熱板の表面は図６に示す顕微鏡写真 の一例をみるとわかるように，種々の形と大きさの空 隙が存在している． 0.5〃 7.0〃

1．０ ５ 4０ ０ １０ ２ ０ ３ ０ △Ｔ，℃ 図 １ ２ 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 温 度 差 の 関 係 ０ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ へ Ｌ Ｕ Ｇｗ，ｋg/ｈ 図 ９ 熱 負 荷 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 図１０は蒸気側熱伝達率ａｓと冷却水流量の関係， ０ ×１０２ １．０ 図１１は熱負荷と淵度差（蒸気温度と伝熱板蒸気側表 面温度の差）４Ｔの関係，図１２は蒸気側熱伝達率と温 度差の関係および図１３は蒸気側熱伝達率と熱負荷の 1００ 7０ ∼ ９ ０ ×１０１

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塁等Ｅ︷ご茎駒句 6０ 5０ ｘｌＯ２ 1．０ 一 ０ 図７ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ ＧＷ，ｋg/ｈ 滴 状 凝 縮 に お け る 伝 熱 板 表 面 温 度 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 ×１０２ ０ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ ＧＷ,kg/h 図１０蒸気側熱伝達率と冷却水流量の関係 9０ ×１０５ Ｐ ８ ０ _4.0 石神・松村：凝縮時の熱伝達に関する研究（第２報） ０ １ ０ ２ ０ ３ ０ △Ｔ，℃ 図 １ １ 熱 負 荷 と 温 度 差 の 関 係 ま畠︺いぬａ↑

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ニベ日へ一国。雪辱ワ 4０ 6０ 5０ 4０ _×１０２ ０ 図８ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ ＧＷ，ｋg/ｈ 膜 状 凝 縮 に お け る 伝 熱 板 表 面 温 度 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 １．０ る． 熱負荷の算出は前報と同様に凝縮水量から算出した のは参考にして伝熱板内の温度勾配から求めた．図９ は冷却水流量にたいする滴状凝縮および膜状凝縮の熱 負荷９を示す． ×１０４ 4.0

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関係について滴状凝縮と膜状凝縮の両方をいっしょに 示している．図から明白なように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，蒸気と伝熱 板蒸気側表面の温度差および熱負荷にほとんど関係な くほぼ一定値をとっている．また，滴状凝縮時の蒸気 側熱伝達率は膜状凝縮に比較して約４倍も良好であ る． 4.2．滴状凝縮の持続性 つぎに滴状凝縮の持続実験を行なったのでその結果 をのべる．時間の経過にともなう滴状凝縮の様相の変 化の写真観察したものを図１４に示す．これは伝熱板 蒸気側表面に凝縮促進剤としてオレイン酸を一面にう すく塗布した場合である． 最初は接触角が大きくて限界直径３∼4ｍｍの凝縮 滴が多数発生しているが，４∼5時間経過後には凝縮 滴の限界直径がやや増して５∼6ｍｍとなり接触角が 少し小さくなってくる．この頃まで凝縮滴は他の凝縮 滴との接触合体により動きまわっているのがみられ る．１０時間後には凝縮滴は接触角の小さい偏平な形 になり，ほとんど一定の場所にとどまって成長し，限 界直径に達すると落下している．２０時間前後の凝縮 滴はさらに接触角が小さくなって偏平の度合を増し， 凝縮滴の形状はやや明確でなくなり，凝縮滴の限界直 径は約１０ｍｍになって滴の数を減少している．また 凝縮滴が落下した後にも水膜が残るのが観察された． 以後はこのような状態が相当時間続くようである．図 １５は写真から測定した限界直径ＤＣと経過時間Ｔの おおよその関係を示している． 脱油焼結合金板の空隙に凝縮促進剤としてオレイン 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ７ 号 ６ （ｃ） ７ 時 間 経 過 ×１０ 4.0 （ａ） 実 験 開 始 後 １時間 経 過 ｏ 滴 状 縦 縮 ● 膜 状 凝 縮

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○・二函冨一一ｇ望一町己 １ １ （ｂ） ４ 時 間 経 過 ×１０５ １ ． ０ 2 . 0 ３ ． ０ ４ ． ０ q,kcal/m21,_ 図 １ ３ 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 熱 負 荷 の 関 係 ﾛ

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（ｆ） 20時間 経 過 ｮ 電 夢 唖 陛 （ｄ） 10時間 経 過 図 １ ４ 滴 状 凝 縮 の 様 相 の 変 化 酸を0.1969r/cm3(0.218ｃｍ3/cm3)含有させての滴 i蕊 … 』 b （ｅノ 15時間 経 過

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０ １ ． ０ ２ ． ０ ３ ． ０ ４ ． ０ ，q,kcal/m2h 図 １ ８ 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 熱 負 荷 の 関 係 ７ 状凝縮持続についての実験を行なった結果は，実験開 始後約７０時間経過したときでも凝縮状態は最初の様 子とほとんど変化がないことが認められた． ０ １ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ０ △Ｔ，℃ 図 １ ７ 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 温 度 差 の 関 係

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10 石神・松村：凝縮時の熱伝達に関する研究（第２報） ><１０４ 4.0 一階湘○①

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日Ｅ毎○口 ０ ３ 二利冨へ﹃⑮。 ｑ２．０ ４ 1．０ ２ ０ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ Ｔ，Ｉ’ 図１５凝縮滴の限界直径と経過時間の関係 》<１０２ ①9'･laか蝿 ×１０.’ 4.0 》<１０４ 陣、④① ＩＪ 4.0 ５ ． 考 察 焼結合金板の粗面と前報の銅板の滑面との比較を行 なってみる.図１６は蒸気側熱伝達率と冷却水流量の 関係，図１７は蒸気側熱伝達率と温度差の関係および 図１８は蒸気側熱伝達率と熱負荷の関係を示している が,粗面および滑面ともに同様の傾向を表わすととも に,蒸気側熱伝達率は冷却水流量，蒸気と伝熱板蒸気 側表面の温度差および熱負荷には無関係にほぼ一定値 をとっている．その一定である絶対値もこの実験範囲 では凝縮面の表面あらさの影響について顕著な差異が 認められないようである． 滴状凝縮促進剤の塗布について，EmmOnS3)は促 進剤の厚さは２分子層が最適であって，過剰な促進剤 は速かに洗い流されてしまうと報告している．このこ とより促進剤の塗布厚さは凝縮状態に大きな影響を与 えないであろうが，図１４の滴状凝縮持続の実験結果 でわかるように，時間の経過にともない促進剤が洗い 流され，促進剤の効果がなくなってくると凝縮滴の接 触角が小さくなり，凝縮滴の形は偏平となるので促進 剤の途中供給が必要となる．しかしながら，焼結合金 板の空隙に促進剤を十分に含有させた場合のような方 法を用いることにより，焼結合金板凝縮面があらいの で滑面よりも表面積は増加するために蒸気凝縮におけ る時間経過につれての促進剤の流失を極度に防ぐこと ができ，しかもわずかながらでも促進剤の自然供給と いうことができるので，相当な長時間滴状凝縮を持続 することが可能であろう． ０ ０

３２

至利日．﹄一応Ｕ望一切画 1．０ <１０‐ ０ ４ ８ １ ２ １ ６ ２ ０ ２ ４ ＧＷ，ｋg/ｈ 図 １ ６ 蒸 気 側 熱 伝 達 率 と 冷 却 水 流 量 の 関 係 画２．０ ① ① 銅 板 滴 状 膜 状 ｏ 、 焼 結 令 余 板 ０ ３ 鍔雪国Ｅ一一画。 1.0 ｜

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８ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ７ 号 6 ． 結 言 水平下向きの焼結合金面における凝縮時の熱伝達に ついての実験的研究を行なったことより，つぎのよう な結果が得られた． （１）前報で述べた滑面を有する銅製伝熱面におけ る熱伝達の実験結果と同様に，滴状凝縮および膜状凝 縮いずれの場合にも，蒸気凝縮時の熱伝達率は冷却水 流量，蒸気と伝熱板蒸気側表面の温度差および熱負荷 にほとんど関係なくほぼ一定値をとる．そして，滴状 凝縮の蒸気側熱伝達率は膜状凝剛縮の場合に比較して約 ４倍も大きい． （２）本実験範囲において，滴状凝縮および膜状凝 縮ともに凝縮面の表面あらさの影響は顕著に認められ ない． （３）脱油焼結合金製伝熱面に凝縮促進剤としてオ レイン酸をうすく塗布した場合は，蒸気凝縮における 時間の経過につれて滴状凝縮の状態が次第にくづれて 膜状凝縮に移行してしまう．しかし，焼結合金板の空 隙にオレイン酸を十分に含有させた場合は，滴状凝縮 状態が相当な長期間にわたって持続するようである． 本研究に際し，援助を受けた田中義弘助教授ならび に玉利賀一助教授および材料を提供して下さった日本 オイレス株式会社に謝意を表わします．また実験に協 力をえた仮屋崎侃，牧田九十九および鯵坂等の諸氏に 感謝します． 文 献 1）Ｅ,Schmidt,Ｗ・Ｓｃｈ１１ｒｉｇｌｍｄＷ･Sellschopp： VersuchenberdieKondensationvonWasser-dampfinFilm-undTropfenform，Tech・Mech， ｕ,Thermodynamik,１(1930-2)，５３． ２）Ｔ．Ｂ．Drew,Ｗ､Ｍ･ＮａｇｌｅａｎｄＷ､QSmithg TheConditionsforDropwiseCondensation ofSteam,Trans．Ａmer・Inst・Ｃｈｅｍ､Engrs.， ３１（1935)，605. 3）Ｈ・Ｅｍｍｏｎｓ：TheMechanismofDropCon-densation,Trans．Ａmer・Inst・ChemEngrs.， ３５（1939)，１０９． ４）勝田・竹内：凝縮熱伝達の基本的研究（第１報） 滴 状 凝 縮 に お よ ぼ す 凝 縮 面 粗 さ の 効 果 ， 日 本 機 械 学会第41期全国大会前刷集No.９８（1963-10)， 127. 5）石神・松村・他二名：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，鹿児島大学工学部研究報告，６（1966-9)， ３７． ６）Ａ,Ｉ・ＢｒｏｗｎａｎｄＳ.Ｍ・Marco：Introduction toHeatTransfer，３rdEdition,（1958)，１３， McGraw-HillBookCompany，Inc．