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 loggcrI 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 g11
I II F I g IIflaw
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 LI111np
!! II j . L or' I I I I rir-t-- I I I I J t Bt-I II°VI
vir tt 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
-I.. 51 I i it
lift
; Ik--C A
Ili
Tfi
I 117.5 117 116.5 116 115.5 .11. C 115 75 114.5 114 113.50
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 1111-1‘! L r. in. 11 II. t- I -1
1_ OV
IlI
4°1''7
1g4
j
18i 10 15 20 Time[s] 25 30 121 120 119 O 118 C 117 118 115 114Fig. 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]
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 0.0425m/a Oil temperate • 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).
