ヘリカルコイル内強制流動沸騰の熱伝達特性と流動 様相

ヘリカルコイル内強制流動沸騰の熱伝達特性と流動 様相

著者 大河瀬 睦人, 永井 二郎, 吉川 信治

雑誌名 福井大学大学院工学研究科研究報告

巻 55

ページ 91‑97

発行年 2007‑03‑31

URL http://hdl.handle.net/10098/925

福 井 大 学 大 学院 工学 研 究零1研 究報 告 第55巻2007年3月

Mcm. Grad. Eng. Univ. Fukui, Vol. 55 (March 2007)

ヘ リカ ル コ イ ル 内 強 制 流 動 沸 騰 の熱 伝 達 特 性 と流 動 様 相 大河瀬 睦人*永 井 二郎*吉 川 信治**

Heat Transfer Characteristics and Flow Situations of Forced Convective Boiling inside Helically Coiled Tube

Mutsuhito DAIGASE* , Niro NAGAI* and Shinji YOSHIKAWA**

(Received. January 31, 2007)

The helically coiled tube of heat exchanger is used for the evaporator of prototype fast breeder reactor "Monju". This report aims at the grasp of relation between two-phase flow phenomena and heat transfer characteristics of forced convective boiling of water inside helically coiled tube, especially focusing on oscillation of transition point. A transparent double tube made of glass is used as a heat exchanger. Water flows up inside helical tube and the high temperature oil flows down in the outside tube. The oscillation of the transition point was observed, that is mainly caused by intensive nucleate boiling near the dryout point and evaporation of thin liquid film flowing along the surface. Fluctuations of local heat flux, local temperature, pressure and flow velocity can be explained with relation to visualized flow situations.

Key Words : Forced Convective Boiling, Helically Coiled Tube, Oscillation, Heat Transfer, Visualization

1.緒 言

1.1研 究 背 景

エ ネ ル ギ ー 自給 率 の 低 い 我 が 国 に お い て は,核 分 裂 し な い ウ ラ ン238に 高 速 中 性 子 を 吸 収 させ る こ と に よ り,核 分 裂 性 の プ ル トニ ウ ム239を 燃 焼 量 以 上 に 生 産 で き る 高 速 増 殖 炉 は 人 変 有 望 な 発 電 方 法 で あ る.福 井 県 敦 賀 市 に は こ の 技 術 の 実 現 の た め の 高 速 増 殖 原 型 炉 「も ん じ ゅ 」 が 建 設 され て い る.「 も ん じ ゅ」 で は 核 分 裂 で 発 生 した 中 性 子 の 減 速 効 果 が 小 さ い 金 属 ナ ト リ ウ ム を 冷 却 材 に 用 い て お り,ナ トリ ウ ム 加 熱 に よ る 蒸 発 器 で は ヘ リ カ ル コ イ ル 型 伝 熱 管 が 用 い られ て い る.

こ の 蒸 発 器 で 不 安 定 流 動 が 生 じ る 条 件 の 範 囲 は モ ッ ク ア ッ プ 試 験 で 確 認 さ れ て い る 団.こ の 振 動 は 局

所 的 な熱応 力変 動 を伴 うた め,そ の 発 生 条件,発 生 機 構,熱 伝 達特 性 を定 量 的 に把 握 す る こ とは,蒸 発 器 の安 全性 を よ り合 理 的 に把 握 す る こ とに貢 献 す る.

ヘ リカ ル 蒸発 管 につ い て マ ク ロ的 熱 伝 達 ・流 動 特性 は解 明 され て き て はい るが,ヘ リカル蒸 発管 内の 沸 騰 二相 流 の 可視 化 な ど,内 部 で の沸 騰 二相 流 現 象 に つ い ては ト分 な精 度 の機 構 論 的 モ デ ル は把 握 され て い ない.

*機 械 工 学 車 攻

* Department of Mechanical School of Engineering

** Japan Atomic Energy Agency

Engineering, Graduate

1.2目 的

著 者 ら は,ヘ リ カ ル 蒸 発 管 内 の 沸 騰 二 相 流 を 可 視 化 す る こ と を 目的 と して,ガ ラ ス 製 ヘ リカ ル コ イ ル ニ 重 管 を 用 い た 水 の 強 制 流 動 沸 騰 の 高 速 度 観 察 を 行 い,不 安 定 流 動 現 象(特 に ドラ イ ア ウ ト点 の 振 動 現 象)の 特 性 を 調 べ た 「2u31.そ の 結 果,ド ラ イ ア ウ ト 点 振 動 は,ド ラ イ ア ウ ト点 のE流 側 に 位 置 す る 遷 移 点(環 状 流 に 移 行 す る 点)付 近 の 発 泡 と 管 壁 に 沿 っ て 上 昇 す る 液 膜 の 蒸 発 が 発 生 要 囚 で あ る と考 え られ, ま た,加 熱 条 件,液 流 量 ・温 度,ヘ リ カル コイ ル 管 寸 法 等 の パ ラ メ ー タ ー が 振 動 の 発 生 条 件 ・振 幅 ・周 期 に 及 ぼ す 影 響 を 実 験 的 に 明 らか に し た.し か し,

◎ 福 井 大 学

ヘ リカル 蒸 発 管 の 局所 熱 伝 達 特性 と流 動 様 相 の 関係 につ い て は把握 で き てい な い.

そ こ で 本 研 究 は,ヘ リカ ル 蒸 発 管 の 局 所 の 熱 流 東 ・温度 を 計測 し,同 時 に流 動様 相 を観 察 す る こ と で,局 所 熱 伝 達 の 変動 と流 動 様 相(特 に遷 移 点 の振 動 現 象)の 関係 を 調べ る こ とを 日的 とす る.

2.実 験 装 置及 び方 法

Table 1 Characteristics of heat flux sensor Maker

Sensor size[mm]

Sensitivity [RV/(W/m2)]

Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 Type

Cantec 10 X 10 Before

0.885 0.900 0.935 0.994

After 0.531 0.318 0.623 0.680

2.1実 験 装 置

本 実 験 装 置 は 熱 交 換 を 行 うヘ リカ ル コ イ ル 型 の 熱 交 換 器,加 熱 装 置,試 験 液 体 供 給 容 器,高 汎 油 循 環 装 置 の4つ の 部 分 か ら構 成 され て い る.Fig.1に 概 略 図 を 示 す.

(4)

To Lilo umosphore

Flexible

Table 2 Dimensions of the helically coiled tube Radius of curvature:R

Outside diameter of helically coiled tube:2ro

Inside diameter of helically coiled tube:2r;

Thickness of helicall coiled tube Length of outer tube:L

Number of rolling Pitch:

14 mm 7.4 mm

5.0 mm 1.2 mm 380 mm 38 10 mm

(

04.

C3)

(6)

Cr?

熱 交 換 器 外 側 に 高 温 油 を 下 向 き に,内 側 の ヘ リカ ル 管 に 水 を 上 向 き に 流 す こ と に よ り熱 交 換 を 行 い, ヘ リカ ル 蒸 発 管 内 で 沸 騰 現 象 を 発 生 させ る .本 実験 に て 使 用 した ヘ リ カ ル 蒸 発 管 の 詳 細 図 をFig.2に, 各 種 ・1'法をTable2に 示 す.

1.1)

111.

li

PC Data loggcr

I ligh spped C.SOOFO,1 Tivrino,oupk.

;pun, PINIOS1:11

I 14,11 tl;111114,1,11Or0 Oil cir,:ohnion ... i . 'mein Hoat resistance ;14: I Iltwl.cx leht7,1 ,x,i10,1 haw)

Plow wneler Vnivc:

I' Tank

I lolic,11 ooded I nix:

io

Fig. 1 Outline of experimental setup

熱 交 換 器 は ガ ラ ス 製 の ヘ リカ ル 蒸 発 管 を 真 鍮 板 で 囲 っ た も の を 白 作 し使 用 し た.真 鍮 板 に は 穴 を 空 け, そ こ に ガ ラ ス 板 を 貼 り付 け る 事 で 内 部 を 観 察 で き る よ うに し た.ヘ リカ ル 蒸 発 管 表 面 に は 熱 流 東 セ ン サ ー を 貼 り付 け,熱 流 束 と温 度 を 計 測 で き る よ うに し た.熱 流 束 セ ン サ ー は,水 の 人 口部 分 の ヘ リカ ル 管 巻 き始 め 部 分 か ら 出 口方 向 に5cm間 隔 で4枚 貼 り付 け た.熱 流 束 セ ンサ ー に つ い て,詳 細 をTable1に 示 す.熱 流 束 セ ン サ ー は,管 壁 に 沿 っ て 曲 げ た 際 に 感 度 が 変 化 す る の で,検 定 実 験 に よ り感 度 を 検 定 した, ま た,熱 流 束 セ ン サ ー を 管 壁 に貼 り付 け た 際 の 熱 流 束 の 誤 差 を 計 算 に よ り求 め る と,約5%と な っ た.

Fig.

CO CO

2n=8mm

2R=28mm 2n,=7.4mm

LID Posit ion of sensor

V

2 Detail view of the helically coiled tube

循 環 させ る 油 は 高 温 用 油(沸 点391℃ ・透 明)を, 試 験 液 体 は蒸 留 水 を 使 川 し た.Fig.1⑦ の 高 温 油 循 環 装 置 は 温 度 ・流 量 を 制 御 で き,連 続 使 用 最 高 汎 度 は 250℃ で あ る.水 の 出 入 口温 度 ・圧 力 は,測 定 ボ ッ ク ス入 口 か ら流 入 し た 水 を 一 度 障 壁 に 当 て,温 度 ・圧 力 を 均 一 に させ た も の を測 定 した.④ の 熱 電 対 はK 型 で あ り,⑧ の 耐 熱 ホ ー ス は 連 続 使 用 最 高 温 度 が 260℃ の フ ッ素 樹 脂 製 で あ る.⑨ の 加 熱 部 は ガ ラ ス 製 二 重 管 の ヘ リ カ ル 蒸 発 管 用 い,管 に 流 人 す る 高 温 油 の 量 を 制 御 す る こ と で 水 の 入 口 温 度 を 調 節 した,水 の 流 量 は,バ ル ブ ⑪ を 調 節 す る こ と で 変 化 させ た.

蒸 発 管 で 発 生 した 蒸 気 は 人 気 に 開 放 され る.

2.2実 験 方 法

実 験 条 件 は,油 の 流 量 は 一 定,油 の 温 度 は195℃

〜170℃ の 問 で 変 化 させ ,水 の 流 量 は0.05〜0.2L/

min,水 の 入 口温 度 は60℃,70℃ で 実 験 を行 っ た.

実 験 方 法 は,水 の 流 量 を 設 定 し て 流 し た 後 に 油 の 温 度 を 設 定 し一 定 の 流 量 で 循 環 させ る.そ の 後,高 汎 油 ・水 の 入 口温 度 ・入 口 流 量 が 設 定 条 件 に 達 し た ら 測 定 ・観 察 を行 う.ヘ リカ ル 蒸 発 管 内 に お け る 水 の 沸 騰 の 様 子 を観 察 ・記 録 す る 時 は デ ジ タル ビデ オ カ メ ラ で 撮 影 し た,測 定 す る 値 は 高 温 油 の 出 入 口温 度, 蒸 留 水 の 出 入 口温 度 ・圧 力,入 口 の 流 量,ヘ リ カ ル 蒸 発 管 表 而 の 熱 流 束 ・温 度,遷 移 点 の 振 動 発 生 時 は 振 動 の 周 期,振 幅 で あ る.管 壁 で の 熱 流 東,温 度 は 水 の 入 口か ら 出 口 に 向 か っ て ① 〜 ④ と 区 別 す る.遷 移 点 の 位 置 は 熱 交 換 器 の 隣 に 設 置 した 定 規 の 日盛 り か ら測 定 した.熱 交 換 器 の 下 部 に 設 置 して あ る 水 の 入 日温 度 ・圧 力 測 定 ボ ッ ク ス をOm地 点 と し て 計 測

した.

3.実 験 結果 お よび 考 察

3.1測 定値 の振 動 と流動 様 相 につ い て

Hoot flux sensor (1)

(3) Transition point

\

\,

(2) I \

(2)

(2)

Fig. 3 Flow situation (inlet velocity 0.0425m/s)

Fig.3は,流 速 が0.0425m/sの 水 の 流 動 様 相 とセ ン サ ー 位 置 の 関 係 を 表 した 模 式 図 で あ る.セ ン サ ー ① の 部 分 は 主 に 液 単 相 流 と な っ て お り,① 〜 ② の 間 で 遷 移 点 の 振 動 が 起 こ っ て い る.遷 移 点 は ① 付 近 が 谷 の 位 置 とな り,② 付 近 が 山 の 位 置 とな る.③,④ の 位 置 で は 液 膜 が 流 れ て い る 状 態 と な っ て い る.

Fig.4は,熱 流 束 ② と 管 壁 温 度 ② を 同 期 させ た グ ラ フ で あ る.Fig.5は,入 口流 速 と入 口圧 力 を 同 期 させ た グ ラ フ で あ る.Fig.6は,遷 移 点 振 動 の 様 子 を 表 し て い る.Flg.4,Fig.5,Fig.6は す べ て 同 条 件,1司 時

93

1000

Oil temperature T Inlet water temperatureT 0.70°C.

a=170°C.

Flow rate U .(1425m/s

950 L7'

E

'74 900

850

800

4.J^Hest flea

.+-1^ Outside tube skin temperaturee

t

g IJ

#I

1,1-

V g

11

I II

F

I

g

II

flaw

129

128.8

128.8 3 128.4 3 128.2 ; 128

1218

Fig.

0

4 Fluctuation temperature

0.065

10 15

Time[s]

of heat flux

20

and

25 30

outside

©(inlet velocity 0.0425m/s)

Oil temperature T Inlet water temperatureT

.,=70°C, ..=170°C.

Flow rate U 0.0425m/s 1216

surface

0.08

0.055

0.05

.4 )

0 0 .045 U.

0.04

0.035

Flow velocity •Er. Inlet Pressure

111

:1

II I

LI 111np ^!!

II

j

. L

or' I

I I

I rir-t-- I I I I J

t

Bt-

I

II

°VI

vir

114

113

112

111

5 110 'w

109

108

Fig.

0 5 10 15 20

Time[s]

5 Fluctuation of flow velocity (inlet velocity 0.0425m/s)

0.3

Oil temperature T Inlet ater temperatureT 0=70°C.

and

—(9—Position of transition Position of sensor

0..170°C.

Flow rate U 25

inlet

3.0425m/s 30

07

pressure

0.29 0.28 5 e:0.27

1:3 0.26 O 21 0.25 a.

0.24

Fig.

0.23 0

6 Fluctuation 0.0425m/s)

10 15

Time[s]

of ransition

20

point

25

(inlet

30

velocity

問 の 値 を使 用 し,流 動 様 相 はFig.3の 状 態 で あ る 。 Fig.4とFig.6の グ ラ フ を 比 較 す る と,遷 移 点 の位 置 が セ ン サ ー ② 付 近 に あ る 時 は 管 壁 温 度 が 低 くな り, 熱 流 束 は 人 き く な る.ま た,遷 移 点 の 位 置 が ドが っ

た 状 態 の 時 に 管 壁 温 度 は 高 く な り熱 流 來 は 小 さ く な る と い う傾 向 が 現 れ て い る.

Fig.5の グ ラ フ を 見 る と,流 速 と圧 力 の 関 係 は,ば ら つ き が 見 られ る も の の,流 速 が 大 き い 時 に 圧 力 が 小 さ く な り,流 速 が 小 さ くな る 時 に 圧 力 が 大 き く な

る傾 向 が 見 ら れ る.

Fig.

/ Transition point

Heat flux sensor

7 Flow situation (inlet velocity 0. 17m/s)

Fig.7は,流 速 が0.17m/sの 水 の 流 動 様 相 と セ ン サ ー 位 置 の 関 係 を 表 し た 模 式 図 で あ る .セ ンサ ー① の 所 は 液 単 相 流 とな っ て い る.② の 位 置 付 近 で 小 さ な 気 泡 が 発 生 し始 め る.③ と④ の 中 間 か ら気 泡 の 発 生 量 が 増 え て い き,④ の 上 で は 発 泡 が 激 し く な り,遷 移 点 が 存 在 す る よ うだ が,こ の 流 速 で は 振 動 は 確 認 で き な か っ た.流 速 が 速 い ほ ど振 動 が 発 生 しに く く な る結 果 は,既 報121と同 様 の 結 果 で あ る.

Fig.8は,熱 流 束 ② と管 壁 温 度 ② を 同 期 させ た グ ラ フ で あ る 。Fig.9は 人 口流 速 と人 口圧 力 を 同 期 させ た グ ラ フ で あ る.Fig.8,Fig.9は 同 条 件,同 時 間 の 値 を 使 川 し,流 動 様 相 はFig.7の 状 態 で あ る.

2400

2200

..7.2000 E

1800

i 1800 to'

1400

1200

Oil temperature T 0=170°C, Inlet water temperatureT .i=70°C. Flow rate U

I Hest fluxe +1— Outside tube skin temperaturee

-

51 I

i it

lift

; 7-

I

k--C A ^{Ili Tfi}

I 117.5

117

116.5 116 115.5 .11.

C

115 75

114.5

114

113.5

0 5 10 15 20 25 30

Time[s]

Fig. 8 Fluctuation of heat flux 2 and outside tube skin temperature 2 (inlet velocity 0.1 7m/s)

0.168

0.166

-

E 0.164 3.

0

0.182 0 U-

0.16

0.158

Oil temperature T od=170°C, Inlet water temparatureT .,=70°C, Flow rate U

velocity I I Inlet pressure I

:.1.17m/s

111 -

Fir p

111

1-1‘!

L

r.

in. 11 II.

1fr-

t- I -

1

1

_ OV

I

4°1''7 1g4 j

10

15 20

Time[s]

25 30

121

120

119

O 118 C 117

118

115

114

Fig. 9 Fluctuation of floe velocity and pressure (flow rate 0.1 7m/s)

Fig.8よ り,管 壁 温 度 が 高 い 時 に 熱 流 東 は 大 き く な っ て い る こ と が わ か る.ま た,管 壁 温 度 が 小 さ い 時 に 熱 流 束 は 小 さ く な る.Fig.3の 低 流 速 の 場 合 と異 な る理 由 と して,Fig.3で は 遷 移 点 が セ ン サ ー ② 付 近 で 振 動 す る た め,遷 移 点 付 近 の 高 熱 流 束 に よ る壁 温 の 低 ドと低 熱 流 束 の 液 膜 蒸 発 に よ る 壁 柵 ヒ昇 が 交 互 に 起 こ る の に 対 し,Fig.7の 高 流 速 の 場 合 は 遷 移 点 の 振 動 現 象 が 近 く で は 無 い た め,加 熱 川 油 の 温 度 分 布 (E流 か ら ド流 に い く に 従 い 高 温 に な る)が そ の ま ま 反 映 され た も の と思 わ れ る.ま た,Fig.9よ り,入

口流 速 が 大 き く な る と,入 口 圧 力 は 大 き く な り,入 口 流 速 が 小 さ く な る と,人 口 圧 力 は 小 さ く な る こ と が わ か る.

3.2時 間 平 均 値 と の 関 係

実 験 で 得 ら れ た 熱 流 東 な ど の 値 は,Fig.4,5,6を 見 て わ か る よ うに 振 動 し て い る.こ こ で そ の 平 均 値 が そ れ ぞ れ どの よ う な 関 連 を 持 っ て い る か を 示 す.

5000

Inlet water temperature T fl:1°C,Flow rate U 0.0425m/s

4000 N"

E 3000 3

2000

1000

0

—II— Average heat flu

—MI—Average heat flu Average heat flu

• ;'

A.

Fig.

165 170 175 180 185 190 195 200 Temperature[°C]

10 Average heat flux and inlet oil temperature

Fig.10は,油 の 入 口 温 度 を 横 軸 に,① 〜 ④ の 平 均 熱 流 束 を 縦 軸 に と っ た グ ラ フ で あ る.流 動 様 相 はFig.

3の 状 態 で あ る.② 〜 ④ の'ド均 熱 流 束 は 人 口 油 温 が 高 く な る と 平 均 熱 流 東 も 大 き く な る.し か し,① に つ い て は そ うで は な い.

Oil temperature T 5000

.,=190°C, Inlet water temperatureT .1 80°C

E

1:1

4000

3000

2000

1000

–111— Average heat flu§l

-- Average heat flu

—0.— Average heat flu

•

Fig.

0.04 0.08 0.08

11 Average

5000

0.1 0.12 Flow rate[m/s]

heat flux

Inlet water temperatureT Oil temperaturie —II— 170°C

—IF 180°C

- 190°C

-r:

and

.1443°C.

0.14 0.18

4000

0.18

inlet velocity

.c 3000

2000

1000

Flow rate U ,4.0425m/s

0

1.

Fig. 12

0.2

0.25 0.3 0.35

Position of sensor[m]

0.4

Average heat flux and position of sensor (inlet velocity 0.0425m/s)

Inlet water temperatureT .1=00°C, Flow rate U L.17m/s

cc"

oF a a

5000

4000

9000

2000

1000

0

Oil temperatur

—0— 170°C

—ill— 180°C

—4— 190°C

Fig.

0.2 0.25 0.9 0.35 Position of sensor[m]

13 Average heat flux and position velocity 0.17m/s)

0.4

of sensor (inlet

Fig.llは,水 の 入 口流 速 を横 軸 に,① 〜 ④ の 平 均 熱 流 束 を 縦 軸 に と っ た グ ラ フ で あ る.流 速 が 大 き く な る と,'ド 均 熱 流 束 は 少 し人 き く な る 傾 向 が あ る.

Fig.12,Fig.13は,セ ン サ ー の 位 置 を横 軸 に,平 均 熱 流 束 を 縦 軸 に と っ た グ ラ フ で あ る.Fig.12は 流 速 が 小 さ い 時,Fig.Bは 流 速 が 大 き い 時 の 様 子 を 表 し て い る,ど ち らの 場 合 も,セ ン サ ー の 位 置 が 高 く な る と熱 流 束 の 値 が 大 き く な る と い う こ と を 表 して い る.た だ,流 速 が 小 さ い 状 態 で 油 の 温 度 が 低 い 時 は,位 置 に よ る 熱 流 東 の 値 の 差 が 小 さ く な る 場 合 が あ る.

160 150 p O .9 140

o.

m •130 _o O O •120 ua

< 110

100

Inlet water temperatureT

,p30°C, Flow rate U L

• 170°C

^ 180°C

• 190°C

Fig.

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Position of sensor[m]

14 Average surface temperature and position of sensor (inlet velocity 0.0425m/s)

Inlet water temperatureT 0=60°C, Flow rate U . ./.17m/s

p

O

•

E

-36 iw

160

150

140

130

120

110

100 Oil temperate

—•— 170°C

—U- 180°C

—•— 190°C

Fig.

0.2 0.25 0.3 0.35 Position of sensor[m]

15 Average surface temperature sensor (inlet velocity 0.17m/s)

and

0.4

position of

Fig.14,Fig.15は 横 軸 に セ ン サ ー の 位 置,縦 軸 に 平 均 管 壁 温 度 を と!)た グ ラ フ で あ る.セ ン サ ー の 位 置 が 高 く な る と温 度 も 高 く な る とい う こ と が わ か る.

Fig.14は 流 速 が 小 さ い 時 で,そ の 時 は セ ン サ ー の 位 置 が 高 い 所 で は 温 度 変 化 が 小 さ く な っ て い る.Fig.

15の グ ラ フ の 方 が 傾 き は 人 き く な っ て い る.

3.3測 定 値 の 周 期,振 幅

Oil temperature T ..=170°C, Inlet water temperetureT 0=70°C, Flow rate U

Heat flux12)

"1.0425m/s,

る の は,セ ンサ ー ① の 所 で あ る.そ の 他 の 場 所 で は, そ れ ぞ れ の 振 幅 の 大 き さ に 変 化 が あ ま り見 られ な い.

E 2 O

Oil temperature T 5000

=190°C. Inlet water TemperatureT .,=70°C

4 104

3.5104

3 104

2.5104

2 104

1.5104

1 io4

5000

4000 E 0 3000 E

§ 2000 co co

1000

0

0 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

Frequency[Hz]

16 MEM (Heat flux®)

Heat flux amplitude Heat flux amplitude Heat flux amplitude

Fig.

0.04

Fig.

0.06

0.08 0.1 0.12 0.14

Flow rate[m/s]

0.16 0.18

18 Heat flux amplitude and flow rate

E 2 O

0

Oil temperature T ..,=170°C.

Inlet water temperatureT .,=70°C. Flow rate U Position of transition

0.0425m/s.

5000

Inlet water temperatureT ,=70°C. Flow rate U 3.0425m/s 0.007

0.008

0.005

0.004

0.003

0.002

0.001

4000 E .00 3000

3 0.

E g 2000

1000

0

0 0.1

Oil temperaturl -II- 170°C

- 180°C

-6- 190°C

2.1

0.2 0.3 0.4 0.5

Frequency[Hz]

0.2

0.25 0.3 0.35

Position of sensor[m]

0.4

Fig. 17 MEM (transition point) Fig. 19 Heat flux amplitude and position of sensor

熱 流 東,管 壁 温 度,流 速,圧 力,遷 移 点 の 振 動 を MEM(最 大 エ ン トロ ピー 法)に よ っ て 周 波 数 解 析 し た, そ れ ぞ れ,ス ペ ク トル が 強 く 山 て い る 周 波 数 が 多 数 存 在 す る 場 合 が 見 られ た.Fig.16,Fig.17は 同 じ 実 験 条 件 時 の 熱 流 束 ② と遷 移 点 に つ い て 解 析 した 結 果 で あ る.ど ち ら も0.25Hzの 周 波 数 で 強 い ス ペ ク トル が 出 て ・致 して い る.他 の 熱 流 東,管 壁 温 度,流 速, 圧 力,遷 移 点 に つ い て も,そ れ ぞ れ 同 じ周 波 数 で 強 い スペ ク トル が 山 て い る 場 合 が 多 く 見 られ た.

Fig.18は,横 軸 に 流 速,縦 軸 に 熱 流 東 の 振 幅 を と っ た グ ラ フ で あ る.振 幅 は 振 動 し て い る 値 の 最 大 値 と 最 小 値 の 差 か ら 求 め た.流 速 が 人 き く な る と,熱 流 東 の 振 幅 は 小 さ く な る傾 向 が あ る,

Flg.19は,横 軸 に セ ン サ ー の 位 置,縦 軸 に 熱 流 束 の 振 幅 を と っ た グ ラ フ で あ る.振 幅 が 一 番 大 き く な

4.結 言

(1)実 験 結 果 か ら熱 流 東,管 壁 温 度,遷 移 点 の 位 置, 入 口流 速,入 口 圧 力 は 値 が 振 動 し て い る こ と が わ か る 。 水 の 流 動 様 相 に よ り熱 流 束 と 管 壁 汎 度,入 口 流 速 と 入 口圧 力 の 振 動 の 関 係 に 違 い が 出 て く る 場 合 が あ る.遷 移 点 の 振 動 が 発 生 し て い る 時 に,遷 移 点 付 近 で は 激 しい 発 泡 を 生 じ る の で 熱 伝 達 率 は 人 き く な り,管 壁 温 度 は 下 が る.そ れ に よ り熱 流 東 は 大 き く な る と考 え られ る.ま た,遷 移 点 が 遠 ざ か り壁 面 を 液 膜 が 流 れ て い る 時 は,発 泡 が な い の で 管 壁 温 度 が

高 く な り,熱 流 東 は 小 さ く な る と考 え られ る.

(2)熱 流 束,管 壁 温 度 に つ い て は 時 間 平 均 した 値 と, 人 り 口油 の 温 度 ・流 速 ・測 定 位 置 か ら次 の こ と が 言 え る.ま ず,入 口 油 の 温 度 が 高 く な る と伝 熱 面 温 度 が 高 く な り,熱 流 束 は 大 き く な る と考 え られ る.流 速 が 人 き くな っ た 場 合 に 熱 流 束 が 人 き くな る 場 合 が

見 られ た が,層 流 か ら乱 流 に 遷 移 す る 問 で 熱 伝 達 率 が 高 く な る の で,そ の 遷 移 域 の 流 れ に な っ て い る の で は な い か と思 わ れ る.

熱 流 束 と 測 定 位 置 の 関係 か ら,水 の 出 口部 分 に 向 か っ て 熱 流 束 が 大 き く な る こ と が わ か っ た.流 速 が 小 さ い 時,① の 場 所 は 水 の 状 態 で 熱 伝 達 率 が 小 さい の で 熱 流 束 が 小 さ く な る.② の 位 置 か らは 液 膜 が 流 れ る状 態 と な る が,下 流 に行 く ほ ど液 膜 の 厚 さが 薄 く な る た め に 熱 流 束 が 大 き く な る と考 え られ る.流 速 が 大 き い 時,① の 場 所 は 先 ほ ど と 同 じ理 由 で 熱 流

束 は 小 さい.観 察 か ら② の 付 近 で 沸 騰 が 始 ま る.そ の 時 上 の位 置 ほ ど伝 熱 面 温 度 が 高 く な る か ら熱 流 束 も 大 き くな っ て い く と 考 え られ る.

(3)熱 流 束 な ど の 値 の 振 動 に つ い て,周 波 数 解 析 を 行 い そ れ ぞ れ の 周 期 を 求 め,関 連 性 を 調 べ た.熱 流 束,管 壁 面 温 度,遷 移 点,流 速,入 口圧 力 の 周 期 は 一 致 す る 場 合 が 多 く見 られ た の で

,そ れ ら の 振 動 は 互 い に 強 く 関 連 して い る.

ま た,振 幅 に っ い て,熱 流 束 は 流 速 の 変 化 を 受 け 若 干 小 さ く な る傾 向 が 見 ら れ た.ヘ リカ ル 蒸 発 管 の 最 下 部 で 熱 流 束 の 振 動 が 一 番 大 き く な る.

参 考 文 献

[1]竹 内 ・久 保 田 ・土 屋,"ナ ト リ ウ ム 加 熱 蒸 気 発 生 器 に お け る 不 安 定 流 動 現 象",機 論(B編),4ヱ ー413,

166(1981).

[2] N.Nagai et al., "Forced Convective Boiling of Water inside Helical Coiled Tube (Characteristics of

Oscillation of Dryout Point)", Japanese J. of

Multiphase Flow, Progress in Multiphase Flow

Research I , 111 (2006).

[3]永 井 ら,"ヘ リカ ル コ イ ル 内 強 制 流 動 沸 騰 の ドラ イ ア ウ ト点 振 動 に 関 す る研 究",混 相 流 学 会 年 会 講 論 集,ll8(2006).