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ねんたろうかたづ
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1 プレート式蒸発器の熱通過係数と熱的設計中岡勉 *, 西田哲也 *, 大原順一 *, 堀田将史 *, 吉村英行 *, 岩佐拓毅 *, Design and Overall Heat Transfer Coefficient of Plate-type Evaporator Tsutomu NAKAOKA, Tetsuya NISHIDA, Junichi OHARA,Masafumi HORITA, Hideyuki YOSHIMURA and Hiroki IWASA. * Department of Ocean Mechanical Engineering, National Fisheries University -- Nagata-Honmachi, Shimonoseki-shi, Yamaguchi -, Japan This paper described method of design of the plate-type evaporator utilization of the Ocean Thermal Energy Conversion. mixture is used as the working fluid. The performance of plate-type evaporator effected of parameter of inlet temperature of warm sea water, velocity, mass fraction of thermal conductivity of plate, inlet temperature of working fluid, mass flow rate of working fluid and thermal conductivity of plate. In this analysis, the mean heat transfer coefficient of working fluid side and warm sea water side are used of the experimental equation for evaporation of mixtures as working fluid and forced convection of heat transfer coefficient of plate-type evaporator, respectively. The overall heat transfer coefficient becomes increases when the inlet temperature of warm sea water is increased because the forced convection heat transfer coefficient of warm sea water side becomes larger. Also, the value of overall heat transfer coefficient becomes larger when mass fraction of ammonia is increased. Key Words: Plate-type Evaporator, Mixtures, Heat Exchanger, Overall Heat Transfer Coefficient, OTEC. 緒言現在海洋温度差発電や低温度低温度差を利用するシステムが考えられているこのシステムの構成機器のつである熱交換器はシステムの性能に大きく関係するこれらのシステムの中で海洋温度差発電システムは大きな出力を取り出すには多量の温海水冷海水を必要とするために熱交換器の伝熱面積も大きくなるこのシステムを低コストで実現するためには出来るだけ少量の海水で最小伝熱面で効率の良い熱交換器を開発する必要があるプレート式蒸発器の設計には熱通過係数が必要である熱通過係数は種々の実験により与えることが出来るがこれまで熱源側作動流体側の熱伝達係数から求めた熱通過係数を使用した設計はあまり行われてないまた特に作動流体に混合冷媒を使用した設計は行われていない種々のシステムの場合自然条件がかなり変化するために様々な条件下で熱通過係数を正確に見積もる必要がある正確な熱通過係数を見積もるためには熱源側の熱伝達係数と作動流体側の熱伝達係数を用いて算出する必要があるそこで本研究ではプレート式蒸発器について実験より得られた経験式を用いて作動流体にアンモニア / 水の混合媒体を使用した場合の熱通過係数を求める方法と設計方法について示す * 水産大学校海洋機械工学科 (- 下関市永田本町 --) * 水産大学校海洋機械工学科水産学研究科生 (- 下関市永田本町 --) * 水産大学校海洋機械工学科学部生 (- 下関市永田本町 --) nakaoka@fish-u.ac.jp 添字. 記号 A : 伝熱面積 c p : 定圧比熱 Deq : 相当直径 G : 質量流束 h : 熱伝達係数, エンタルピ L : 潜熱 Pr : プラントル数 q : 熱流束 Q : 熱量 Re : レイノルズ数 T : 温度 U : 熱通過係数 v : 流速 w : アンモニアの質量分率 γ : 動粘性係数 δ : プレートの厚さ ΔL : プレートの長さ ΔT : 温度差 ΔT m : 対数平均温度差 ΔX : プレートの幅 ΔY : プレートの間隔 λ : 熱伝導率 μ : 粘性係数 ρ : 密度 χ : 出口クオリティー I : 入口

2 ΔL L m O V W WF WS : 液体 : 平均 : 出口 : 蒸気 : 壁面 : 作動流体 : 温海水. 計算モデルと計算方法 Table Calculate conditions Inlet temperature of warm sea water T WSI [ ]. ~. Inlet temperature of working fluid T WFI [ ]. ~. Velocity of warm sea water v WS [m/s]. ~. Mass fraction of ammonia w [kg/kg]. ~. Mass flow rate of working fluid m WF [kg/h] ~ TWFO TWSI Warm sea water. 計算モデル図は計算モデルと記号を示す熱源の温海水はプレート上方から流入し温度降下をして下方へ流れるそして伝熱面に熱量 Q ws を与える一方, 作動流体のアンモニア / 水の混合媒体はプレートの下方から流入し伝熱面から熱量 Q WF を得て蒸発しながら流れ上端から蒸気となって流出する計算は向流の場合について行った. 計算方法図はプレート式蒸発器の計算方法を示す計算はプレートの長さ ΔL プレートの幅 ΔX プレートの材質 λ 作動流体の出入の温度差 ΔT WF 作動流体のアンモニアの質量分率 w 熱源の温海水入口温度 T WSI 温海水の流速 v WS を与える次に作動流体側の熱伝達係数を経験式より求める次に作動流体側の平均温度と仮定したプレート伝熱面温度 T WFW を使用して作動流体側の熱伝達係数を求め作動流体側の交換熱量 Q WF を求める次にプレート壁内を伝わる交換熱量 Q W を求める次に熱源側の熱伝達係数を経験式より求めるプレートの壁面温度 T WSW と熱源の温海水出入口温度の平均温度と熱伝達係数を使用してプレートから作動流体に伝わる交換熱量 Q WS を求める次に Q W と Q WS を比較して温海水出口温度 T WSO を修正して等しくなるまで繰り返し計算を行う次に Q WS と Q WF を比較して T WFW を修正して等しくなるまで繰り返し計算を行うそれぞれの交換熱量と熱伝達係数が決まるとプレート式蒸発器の熱通過係数を求める. 計算条件表は計算条件を示す温海水入口温度 T WSI は.~. [ ] 作動流体入口温度 T WFI は.~. [ ] 温海水の流速 v WS は. ~. [m/s] アンモニアの質量分率 w は.~. [kg/kg] 作動流体の質量流量 m WF は ~ [kg/h] に変化させたまた物性値には PROPATH ) を使用した TWFI ΔX QT QWF QW QWS TWS TWSW TWFW TWF Working fluid Fig. Calculate model START Input: δ ΔL,ΔX,λ,ΔTWF w,twsi,twfi,vws,mwf Assume : ΔY TWFW, TWSO Calculate : Heat transfer coefficient of working fluid Calculate : QWF Modify : TWFW Calculate : Heat flow rate QW Calculate : Heat transfer coefficient of sea water Modify : TWSO Calculate : Heat flow rate QWS Calculate : Heat flow rate QT TWSO hwf hws. 基本式 No QW= QWS プレート式蒸発器の熱量計算に必要な基本式を示す温海水の交換熱量 Q T は次式より求める Q T = m WS c PWS (T WSI - T WSO ) () No Yes QWS= QWF Yes 温海水から壁へ伝わる熱量 Q WS は次式より求める Q WS = h WS A E (T WS - T WSW ) () ここで h WS は温海水側の熱伝達係数 A E はプレートの伝 Calculate : Overall heat transfer coefficient U END Fig. Flow chart of calculation

3 熱面積 T WSm は温海水の入口温度 T WSI と出口温度 T WSO の平均温度であるまた T WSW は温海水側の壁面温度であるプレート壁内を伝わる交換熱量 Q W は次式より求める Q W = (λ/δ) A E (T WSW - T WFW ) () ここで λ はプレートの熱伝導率 δ はプレートの厚さ T WSW は熱源側のプレート壁面温度 T WFW は作動流体側の壁面温度であるプレート壁から作動流体へ伝わる交換熱量 Q WF は次式より求める Q WF = h WF A E (T WFW - T WFm ) () ここで h WF は作動流体側の熱伝達係数 T WFm は作動流体側の平均温度であるこの平均温度は作動流体出入口温度の平均温度である温海水が作動流体に与える交換熱量 Q WF は次式より求める Q WF = m WF A E (h WFO - h WFI ) () ここで h WFI h WFO は作動流体の入口出口のエンタルピである中岡上原 ) は粗面伝熱面を有するプレート式蒸発器の実験を行い次の実験式を得て提案している式 () 中の温海水側の熱伝達係数 h WS は次式を使用したここで Nu WS =. Re WS. Pr WS / () Nu WS = h WS Deq WS /λ WS () Re WS = v WS Deq WS /γ WS () Pr WS = c pws μ WS /λ WS () 式 () 中の作動流体側の熱伝達係数 h WF は櫛部ら ) の平均蒸発熱伝達係数の経験式 h WF を使用した次式に示す h LV /h WF =. (/X tt ). () ここで h LV は流れのうち液相だけが流路を流れた場合の熱伝達係数である式 () 中の X tt は Lockhart-Martinelli パラメータでありそれぞれ次式より求める h LV = C (λ L /Deq) {G WF (-χ o ) Deq/μ L }. Pr L / () X tt = {(-χ o )/χ o }. (ρ V /ρ L ). (μ L /μ V ). () ここで C は係数で. である式 () () () () () の交換熱量温海水側作動流体側の熱伝達係数が求まると熱通過係数 U が求まる次式より求まる /U = /h WS + λ/δ + /h WF (). 計算結果及び考察プレート式蒸発器の熱通過係数 U は温海水入口温度 T WSI 温海水の流速 v WS アンモニアの質量分率 w 作動流体の入口温度 T WFI 作動流体の質量流量 m WF プレートの材質 λ 等に影響することが考えられるここでは T WSI v WS w T WFI m WF について述べる. 温海水入口温度と熱通過係数との関係図は温海水入口温度と熱通過係数の関係を示す作動流体入口温度. [ ] アンモニアの質量分率. [kg/kg] 温海水の流速. [m/s] の場合である図よりわかるように温海水入口温度が高くなると熱通過係数は大きくなるこれは温海水温度が高くなると温海水の熱伝達係数が大きくなるためであるまたプレートの壁面の温度が変化するために作動流体側の熱伝達係数も大きくなる温海水入口温度が ~ [ ] の範囲で熱通過係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる.. 温海水入口温度と温海水側の熱伝達係数との関係図は温海水入口温度と温海水側の熱伝達係数を示す図よりわかるように温海水入口温度が高くなると温海水側の熱伝達係数は大きくなる温海水入口温度 ~ [ ] の範囲で温海水側の熱伝達係数は約 x ~x [W/(m K)] となる.. 温海水入口温度と作動流体側の熱伝達係数との関係図は温海水入口温度と作動流体側の熱伝達係数の関係を示す図よりわかるように温海水入口温度が高くなると作動流体側の熱伝達係数は大きくなる温海水入口温度 ~ [ ] の範囲で作動流体側の熱伝達係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる. 温海水の流速と熱通過係数との関係図は温海水の流速と熱通過係数の関係を示す温海水入口温度. [ ] 作動流体入口温度. [ ] アンモニアの質量分率. [kg/kg] の場合である図よりわかるように温海水の流速が速くなると熱通過係数は大きくなるこれは温海水側の流速が速くなると温海水の熱伝達係数が大きくなるためであるまた温海水側の流速の範囲が.~. [m/s] の範囲で熱通過係数は.x ~.x [W/(m K)] となる図中の破線は従来の研究 ) のプレート式蒸発器の実験結果を示す作動流体はアンモニア純媒体であるこの場合温水流速は約. [m/s] 温水入口温度は.~. [ ] の場合で熱通過係数は約 [W/(m K)] が得られているこの実験値と計算値を比較すると熱通過係数は計算値の方が小さくなるこれは計算値の場合アンモニア / 水の混合媒体を使用しているため作動流体側の熱伝達係数が小さくなっているためと考えられる.. 温海水の流速と温海水側の熱伝達係数との関係図は温海水の流速と温海水側の熱伝達係数を示す図よりわかるように温海水の流速が速くなると作動流体側の熱伝達係数は大きくなる

4 温海水側の流速が.~. [m/s] の範囲で熱源側の熱伝達係数は約 x ~x [W/(m K)] となる.. 温海水の流速と作動流体側の熱伝達係数との関係図は温海水側流速と作動流体側の熱伝達係数の関係を示す図よりわかるように温海水側の流速が速くなっても作動流体側の熱伝達係数はほぼ一定である温海水の流速が.~. [m/s] の範囲で作動流体側の熱伝達係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる. アンモニアの質量分率と熱通過係数との関係図はアンモニアの質量分率と熱通過係数の関係を示す温海水入口温度. [ ] 作動流体入口温度. [ ] 温海水の流速. [m/s] の場合である図よりわかるようにアンモニアの質量分率が大きくなると熱通過係数は大きくなるこれはアンモニアの質量分率が大きくなると作動流体側の熱伝達係数が大きくなるためであるアンモニアの質量分率が.~. [kg/kg] の範囲で熱通過係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる.. アンモニアの質量分率と温海水側の熱伝達係数との関係図はアンモニアの質量分率と温海水側の熱伝達係数を示す図よりわかるようにアンモニアの質量分率が大きくなっても温海水側の熱伝達係数は一定であるアンモニアの質量分率が.~. [kg/kg] の範囲で温海水側の熱伝達係数は約.x [W/(m K)] 一定となる.. アンモニアの質量分率と作動流体側の熱伝達係数の関係図はアンモニアの質量分率と作動流体側の熱伝達係数の関係を示す図よりわかるようにアンモニアの質量分率が大きくなると作動流体側の熱伝達係数は大きくなるアンモニアの質量分率が.~. [kg/kg] の範囲で作動流体側の熱伝達係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる. 作動流体の入口温度と熱通過係数との関係図は作動流体の入口温度と熱通過係数の関係を示す温海水入口温度. [ ] 温海水側の流速. [m/s] アンモニアの質量分率. [kg/kg] の場合である図よりわかるように作動流体の入口温度が大きくなると熱通過係数は大きくなるこれは作動流体の入口温度が高くなると作動流体側の熱伝達係数が大きくなるためである作動流体の入口温度が.~. [ ] の範囲で熱通過係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる.. 作動流体の入口温度と温海水側の熱伝達係数との関係図は作動流体の入口温度と温海水側の熱伝達係数を示す図よりわかるように作動流体の入口温度が高くなっても温海水側の熱伝達係数は一定である作動流体の入口温度が.~. [ ] の範囲で温海水側の熱伝達係数は約 x [W/(m K)] 一定となる Heat transfer coefficient of warm sea water h WS [W/(m K)] x x T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] v WS :. [m/s] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] v WS :. [m/s] Inlet temperature of warm sea water T WSI [ ] Fig. Inlet temperature of warm sea water versus overall heat transfer coefficient Heat transfer coefficient of working fluid h WF [W/(m K)] Inlet temperature of warm sea water T WSI [ ] Fig. Inlet temperature of warm sea water versus heat transfer coefficient of warm sea water x T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] v WS :. [m/s] Inlet temperature of warm sea water T WSI [ ] Fig. Inlet temperature of warm sea water versus heat transfer coefficient of working fluid

5 x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] v WS :. [m/s] Oveall heat transfer coefficient U E [W/(m K)] x T WSI :. [ ] v WS :. [m/s] w :. [kg/kg]... Velocity of warm sea water v WS [m/s] Fig. Velocity of warm sea water versus overall heat transfer coefficient x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg]... Velocity of warm sea water v WS [m/s] Fig. Velocity of warm sea water coefficient of warm sea water Heat transfer coefficient of warm sea water h WS [W/(m K)].... Mass fraction of ammonia w [kg/kg] Fig. Mass fraction of ammonia versus overall heat transfer coefficient Heat transfer coefficient of warm sea water h WS [W/(m K)] x T WSI :. [ ] T :. [ ] WFI v WS :. [m/s].... Mass fraction of ammonia w [kg/kg] Fig. Mass fraction of ammonia coefficient of warm sea water h WS [W/(m K)] Inlet temperature of working fluid T WFI [ ] Fig. Inlet temperature of working fluid versus overall heat transfer coefficient x T WSI :. [ ] v WS :. [m/s] w :. [kg/kg] Inlet temperature of working fluid T WFI [ ] Fig. Inlet temperature of working fluid coefficient of warm sea water Heat transfer coefficient of warm sea water Heat transfer coefficient of working fluid h WF [W/(m K)] x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg]... Velocity of warm sea water v WS [m/s] Fig. Velocity of warm sea water coefficient of working fluid Heat transfer coefficient of working fluid h WF [W/(m K)] x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] v WS :. [m/s].... Mass fraction of ammonia w [kg/kg] Fig. Mass fraction of ammonia coefficient of working fluid x T WSI :. [ ] v WS :. [m/s] w :. [kg/kg] Inlet temperature of working fluid T WFI [ ] Fig. Inlet temperature of working fluid coefficient of working fluid Heat transfer coefficient of working fluid h WF [W/(m K)]

6 .. 作動流体の入口温度と作動流体側の熱伝達係数との関係図は作動流体の入口温度と作動流体側の熱伝達係数の関係を示す図よりわかるように作動流体の入口温度が高くなると作動流体側の熱伝達係数は大きくなる作動流体の入口温度が.~. [ ] の範囲で作動流体側の熱伝達係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる. 作動流体の質量流量と熱通過係数の関係図は作動流体の質量流量と熱通過係数の関係を示す温海水入口温度. [ ] 作動流体入口温度. [ ] アンモニアの質量分率. [kg/kg] 温海水流速. [m/s] の場合である図よりわかるように作動流体の質量流量が大きくなると熱通過係数は大きくなるこれは作動流体側質量流量が大きくなると作動流体側の熱伝達係数が大きくなるためである作動流体の質量流量が ~ [kg/h] の範囲で熱通過係数は約.x ~.x [W/(m K)] となる.. 作動流体の質量流量と温海水側の熱伝達係数の関係図は作動流体側質量流量と温水側の熱伝達係数を示す図よりわかるように作動流体の質量流量が大きくなっても熱源側の熱伝達係数は一定である作動流体の質量流量が ~ [kg/h] の範囲で温水側の熱伝達係数は約.x [W/(m K)] となる.. 作動流体の質量流量と作動流体側の熱伝達係数の関係図は作動流体の質量流量と作動流体側の熱伝達係数の関係を示す図よりわかるように作動流体の質量流量が大きくなると作動流体側の熱伝達係数は大きくなるまた作動流体の質量流量が ~ [kg/h] の範囲で温海水側の熱伝達係数は約 x ~.x [W/(m K)] となる以上プレート式蒸発器の設計に必要な熱通過係数は温海水側作動流体側の熱伝達係数を条件に合わせて正確に計算する必要がある. 結論本研究はプレート式蒸発器の設計に必要な熱通過係数について従来の熱伝達係数経験式を用いて正確に見積もったまた物性値に PROPATH を用いて行い次の結果を得た ) 温海水入口温度が高くなると熱通過係数は大きくなるまた温海水側の熱伝達係数作動流体側の熱伝達係数も大きくなる ) 温海水の流速が速くなると熱通過係数は大きくなるまた温海水側の熱伝達係数は大きくなるが作動流体側の熱伝達係数はほぼ一定である ) アンモニアの質量分率が高くなると熱通過係数は x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] v WS :. [m/s] Mass flow rate m WF [kg/h] Fig. Mass flow rate of working fluid versus overall heat transfer coefficient Heat transfer coefficient of warm sea water h WS [W/(m K)] x T WSI T WFI w v WS :. [ ] :. [ ] :. [kg/kg] :. [m/s] Mass flow rate m WF [kg/h] Fig. Mass flow rate of working fluid versus heat transfer coefficient of warm sea water Heat transfer coefficient of working fluid h WF [W/(m K)] x T WSI :. [ ] T WFI :. [ ] w :. [kg/kg] v WS :. [m/s] Mass flow rate m WF [kg/h] Fig. Mass flow rate of working fluid versus heat transfer coefficient of working fluid

7 大きくなるまた温海水側の熱伝達係数は一定になるが作動流体側の熱伝達係数は大きくなる ) 作動流体の入口温度が高くなると熱通過係数は大きくなるまた温海水側の熱伝達係数は一定になるが作動流体側の熱伝達係数は大きくなる ) 作動流体の質量流量が大きくなると熱通過係数は大きくなるまた温海水側の熱伝達係数は一定になるが作動流体側の熱伝達係数は大きくなる文献 ) PROPATH : /(.). ) 上原春男, 中岡勉, 伊藤武人 : プレート式蒸発器の動特性と同定,OTEC,,-,() ) 櫛部光央, 池上康之, 門出政則 : 日本冷凍空調学会論文集,(),-() ) H.Uehara,H.kusuda,M.Monde,T.Nakaoka and H.Sumitomo : Tras.ASME,Vol.,-,()

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$(Microsoft Word - 01_\222\206\211\252\220\205\216Y\221\345\217C\220\ doc)$ プレート式凝縮器式凝縮器の凝縮熱伝達係数整理方法凝縮熱伝達係数整理方法の比較作動流体が HFC-14a の場合 *1, *2, 中岡勉西田哲也一瀬純弥池上康之 Comparison of methods of date arrangement for the heat transfer coefficient of condensation of the plate type condenser