物質が固体 液体 気体の間で状態変化することを (phase change) といい, 右図に示すように, それぞれの状態間の相変化を (boiling) (evaporation), (condensation), (melting), (solidification), (sublimation) と呼ぶ. 凝縮 沸騰 蒸発 液体 気体 凝固 融解 昇華 昇華 固体 一般に 液体から気体への相変化を蒸 発といい, 液体中から気泡の発生を伴う 相変化を沸騰という. 固体 液体 気体の三つの状態のうち, 二つ以上の状態が共存す る場合, (interface) を隔てて (phase) が存在する. 固体 液体 気体に対応して, (solid phase), (liquid phase), (vapor phase) と呼ぶ 1 機器 ボイラ管内の沸騰伝熱 復水器における凝縮伝熱 室内機 火力発電所における沸騰と凝縮 室外機 エアコンにおける沸騰と凝縮 1
原子力発電と伝熱 ヒートパイプ 凝縮部 蒸気の流れ 熱を放出 凝縮液の還流 蒸発部 熱を吸収 C ヒートパイプの動作原理 ノートパソコンへの応用 4
気液が平衡状態にある場合の温度を (saturation temperature) という. T sat 伝熱面 sat w 沸騰の場合, 伝熱面温度と飽和温度の差を (degree of superheating), 飽和温度と液体温度の差をまたは (degree of subcooling) という 沸騰の場合 sub sat l 沸騰伝熱における熱伝達率は, 伝熱面温度と液体温度の差ではなく, T sat に対して定義される. 伝熱面 凝縮液 蒸気 v sat sat sub 凝縮の場合の熱伝達率は, 蒸気温度と伝熱面温度の差ではなく, T sub に対して定義される. 凝縮の場合 過熱度と過冷度 w 5 過熱度とサブクール度 例題 MPaの圧力の下で水が沸騰している. 伝熱面の温度が 0 水温が 80 の時, 伝熱面過熱度およびサブクール度はいくらか. 解答 蒸気表 ( 圧力基準の飽和表 ) から,MPa における飽和温度は 11 である. したがって, 6
沸騰現象は液体の流動形態, 液温, 沸騰様式などにより次のように分類することができる. 1 流動形態による分類 : (pool boiling): 鍋ややかんの中の沸騰のように, 伝熱面に対して周囲の流体が停止している状態における沸騰である. (flow boiling) : ボイラの蒸発管など, 流動状態で生じる沸騰. 液体の温度による分類 : (saturated boiling) : 周囲液体の温度が, 系の圧力に対する飽和温度に達している状態での沸騰. (subcooled boiling) : 周囲液体の温度が飽和温度より低い過冷却 (subcooling) の状態にある沸騰. 7 第 5 章 沸騰様式による分類 : (nucleate boiling) 伝熱面表面の小さなキズなどを 核 (nucleus) にして周期的に気泡が発生するような沸騰.( 右図のBF 間 ) (film boiling) 伝熱面が完全に蒸気膜で覆われ, 蒸気膜を介して蒸発が生じるような沸騰.( 右図のGI 間 ) (transition boiling) 核沸騰と膜沸騰の中間域 ( 右図の FG 間 ) に存在する沸騰である. 過熱度が増加すると熱流束が減少する負勾配を有するので, 非常に不安定な沸騰である. q [W/m ] 6 5 4 A B 核沸騰 F D E C 自然対流 限界熱流束点 G 遷移沸騰 T sat H 膜沸騰 I 極小熱流束点 (K) 8 4
図は (boiling curve) と呼ばれ, 沸騰の特性を表したものである. 熱流束が増加すると, ついにはF 点で核沸騰の限界を迎え,H 点へと遷移する. この沸騰遷移を (burnout) ともいう.F 点を (critical heat flux point, CHF point), あるいは (burnout point) という G 点は膜沸騰の下限界であり, という. これよりも熱流束を下げると, こんどは膜沸騰から核沸騰への遷移 (GE 間 ) が起こる. 核沸騰と膜沸騰の間の遷移には熱流束の上昇時と下降時で経路が異なる (hysteresis) が存在する. 6 5 4 q [W/m ] A B D 核沸騰 F E C 自然対流 限界熱流束点 G H 遷移沸騰膜沸騰 T sat I 極小熱流束点 (K) 9 第 5 章 Ts Tw Tsat T sat 5
沸騰熱伝達と日本刀の焼き入れ 相原利雄伝熱工学, 裳華房 (1994) 11 第 5 章 沸騰熱伝達 450 の銅製円盤を高温に加熱して飽和水に投入したときの沸騰状況 : 膜沸騰から核沸騰に遷移して急激に冷却する ( 九州大学高田保之教授提供 ) 1 6
流動沸騰 流動沸騰系のなかでも各種の工業プロセスで頻繁に現れる流動沸騰系はボイラの蒸発管に代表されるであろう. 管内沸騰では, 蒸発が進行するに従って, 流動方向に気液の混合比が変化するため, それに伴って流動様式も変化する. 管入口からサブクール状態で入ってきた液体は, 管内壁面でサブクール核沸騰が始まる. 飽和核沸騰領域に入るとが増加し, 流動様式はからとなる. ついには完全に消滅してしまう. この現象をといい, この直前の熱流束が流動沸騰における限界熱流束となる. 1 垂直上昇流 垂直上昇流の流動様式 (1) : 管の直径に比べて小さな直径の気泡が液相に分散して流れる流動様式 () : いくつかの気泡が合体して管断面全域を占めるような弾丸状の気体プラグを形成する. () : 液体スラグ内に多数の気泡が取り込まれるようになり, 脈動を伴った流れとなる. (4) : 液相は壁面で環状液膜を形成するようになり, 中心部を気相が流れる. 蒸気単相流 噴霧流 環状流 スラグ流 気泡流 液単相流 蒸気単相強制対流領域 x=1 ポストドライアウト領域平均流体温度 ドライアウト 二相強制対流領域 飽和核沸騰領域 サブクール核沸騰領域 液単相強制対流領域 平均流体温度熱伝達率 熱伝達率 x=0 沸騰開始 14 7
例題 電気出力 0 万 kwの沸騰水型軽水炉に長さ4.5m, 直径 1.mmの燃料棒が挿入されている. この原子炉は圧力 6.7MPa, 温度 555Kにおいてウランのエネルギーを沸騰伝熱で高温蒸気に変換している. 原子炉を安全に運転するには燃料棒の表面 熱流束を q 以下にする必要がある. 原子炉の max 1.04MW/m 発熱量が Q.GW のとき, 燃料棒の最低必要本数を計算せよ. 解答 燃料棒 1 本の表面積はだから, 必要本数は, となる. 本 15 凝縮を伴う伝熱 (condensation) とは, 一定圧力の気体の温度が, その圧力に対応した飽和温度よりも低下すると, 気相から液相への相変化を生じる現象である 沸騰と同様に気 - 液相変化による (latent heat) の発生や移動が伴う. 伝熱工学では, 凝縮した液体が冷却固体面上に連続した液膜を形成する (film-wise condensation) と, 凝縮液体が固体面上に液滴を形成する (drop-wise condensation) とに分類される. 水平冷却管表面の膜状凝縮 水平冷却面上の滴状凝縮 16 8
凝縮を伴う熱伝達 eff. kw/m K q MW/m Heat transfer coe Heat flux.5 1.5 1 0.5 0 0 40 60 80 0 Surface subcooling T K 横浜国立大学 Fig.7 Heat transfer 宇高義郎教授提供 characteristics for organic vapors 凝縮特性曲線 0 mm 重力 & 蒸気流 プロピレングリコールの滴状凝縮 ( 凝縮特性曲線 ) 17 第 5 章 垂直等温平板上の膜状凝縮で, 凝縮液膜の周囲の飽和蒸気が静止していると仮定し, さらに, 凝縮液膜の流下速度がきわめて小さいとすることで, 問題を簡略化する解析方法を, (Nusselt s liquid-film theory) という. 液膜流の局所ヌセルト数は次式で与えられる. ここで hx gx Nu Ga Pr H c ( T T ) x l pl sat x, x,, l kl l l Llv w 層流膜状凝縮モデル Gax はガリレオ数 H は顕潜熱比である 18 9
凝縮熱伝達の例題 例題 大気圧の飽和水蒸気が, 表面温度 Tw 15C に保たれた, 高さ 0 cm, 幅 1mの垂直平板冷却面上で膜状凝縮している. この場合, 板下端における熱流束を求めよ ただし 水の物性値は膜温度における以下の値を用いる 6 動粘度 : l 0.475 m /s 熱伝導率 : kl 0.65 W/(m K) 比熱 : cpl 4.19 kj/(kg K) 密度 : 981.9 kg / m l 凝縮潜熱 : Ll 57 kj/kg v 19 第 5 章 解答 ヌセルトの液膜理論のヌセルト数から 6 [9.8 0. (0.475 )] [ 981.9 0.65] 0.707 7.1 (0 15) / 57 局所熱伝達率は 局所熱流束は g x l l ( kl / cpll) 0.707 cpl ( Tsat T )/ L w lv 1/4 7.1 0.65 / 0. 59.5 W/(m K) 4 59.585 5.05 W/m 1/ 4 0
5 章おわり 1 11