Forced convection heat transfer of nitrogen at supercritical pressure

超臨界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*

超臨界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不可欠である。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。超臨界水素に関する基礎研究として、超臨界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5m/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。臨界温度以下での熱伝達係数,擬臨界限界熱流束は、流速と入口温度とともに大きくなる結果が得られた。表面温度が臨界温度を超えると、熱伝達の劣化がみられた。臨界温度以下での熱伝達係数の無次元数Nu/PrはRe0.8乗に比例する関係が得られた。実験結果はReが低くなると、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、擬臨界限界熱流束を予測する表示式を導出した。

Forced flow heat transfers of supercritical nitrogen in a horizontal tube was measured for wide range of inlet temperature and flow velocity conditions. The heat transfer coefficients agreed well with those predicted by Dittus-Boelter correlation for the surface temperature lower than pseudo-critical temperature, Tc'. When the surface temperature exceeds Tc', they become lower than those by the correlation. The heat transfer coefficients at a certain wall temperature became lower with decrease in Reynolds number (Re) down to about 8000. Further decrease in Re did not affect the heat transfer coefficients. The lowest limits agreed with those obtained for natural convection.