Forced convection heat transfer of subcooled liquid nitrogen in horizontal tube

水平円管発熱体におけるサブクール液体窒素の強制対流熱伝達

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 塩津 正博*

Tatsumoto, Hideki; Shirai, Yasuyuki*; Hata, Koichi*; Kato, Takashi; Shiotsu, Masahiro*

液体水素の熱伝達に関する知見は中性子源用モデレータの設計に重要である。本研究では、ポンプを使用せずに強制流動を発生できる実験装置を開発した。その基礎研究として、サブクールの液体窒素を用いて水平円管発熱体における強制対流熱伝達を圧力,温度,流速を種々に変化させて実験を行った。本実験装置で、最大で7m/s流速が得られた。発熱体はステンレス製で、内径5.4mm,長さ100mmの円管発熱体で、その外側はFRPにより断熱されている。非沸騰域の熱伝達係数,DNB熱流束は、流速とサブクール度とともに大きくなる結果が得られた。非沸騰域において、無次元数Nu/PrはReの0.8乗に比例する関係が得られた。Reが低くなると、実験結果はその相関関係からずれ、プール中の自然対流熱伝達から得られる値に漸近する結果が得られた。さらに、DNB熱流束を予測する相関式の導出も行い、実験結果を15%以内で表すことができた。

The knowledge of forced convection heat transfer of liquid hydrogen is important for the cooling design of a material of a cold neutron moderator. An experimental apparatus that obtain forced flow without a pump was developed. As a first step of the study, the forced flow heat transfer of subcooled liquid nitrogen in a horizontal tube, instead of liquid hydrogen, was measured for the pressures (0.3 to 2.5 MPa). The inlet temperature was varied from 78 K to around its saturation temperature. The flow velocity was varied from 0.1 to 7 m/s. The heat transfer coefficients in non boiling region and the DNB heat fluxes were higher for higher flow velocity and higher subcooling. The measured values of Nu/Pr in non-boiling region were proportional to Re to the power of 0.8. With decrease in Re, they approached a constant value corresponding to that in a pool of liquid nitrogen. The correlation of DNB derived here can describe the experimental data within 15% difference was derived.