海水塩析出物を伴う海水の流動沸騰熱伝達に関する研究

上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 永武 拓; 吉田 啓之

混相流, 31(2), p.162 - 170, 2017/06

https://doi.org/10.3811/jjmf.31.162

東京電力福島第一原子力発電所事故では、非常用冷却水の注水・除熱機能が失われたため海水が注水された。しかし、炉内への海水注入は行われたことがなく、海水による燃料集合体の冷却は検討されていない。本研究では、海水を用いてプール核沸騰実験を実施し、伝熱面温度と伝熱面上の海水塩析出層厚さの測定を行い、海水塩析出物が核沸騰熱伝達へ与える影響について評価した。また、燃料棒と同様な寸法の内管加熱部を持つ鉛直二重管流路での上向き強制流動沸騰実験を実施し、海水の流動沸騰への影響についても議論した。その結果、高濃度の人工海水では、一定かつ低い熱流束であっても壁面過熱度が次第に増加し、既存の伝熱評価式から外れる、伝熱面温度の逸走が起きることを確認した。海水塩析出層厚さの測定から、この伝熱面温度の逸走は、伝熱面上に海水塩の1つである硫酸カルシウムが析出し、時間とともに析出層が厚くなることにより、表面までの熱抵抗が増加して起きる現象であると考えられる。また、海水塩濃度が高いほど、より低い熱流束で伝熱面温度の逸走が起きており、海水塩の伝熱面上での析出は、伝熱面近傍の海水塩濃度が関係すると考えられる。流動沸騰条件では、下流では海水の濃縮が進むため、下流の伝熱面にはプール核沸騰実験よりも低い熱流束で海水塩が析出し、伝熱面温度の逸走が発生することを確認した。

潜熱蓄熱円筒カプセルの融解特性に及ぼす実効熱伝導率の影響に関する研究

椎名 保顕; 稲垣 照美*

日本機械学会論文集,B, 69(681), p.1233 - 1241, 2003/05

https://doi.org/10.1299/kikaib.69.1233

潜熱蓄熱の蓄熱媒体を多孔体金属に含浸させた複合蓄熱体について、実効熱伝導率が融解特性に及ぼす影響を解析的に調べ以下の結論を得た。解析で想定した蓄熱媒体はOctadecane,水,LiCO,NaCl,多孔体金属は銅,アルミニウム,炭素鋼である。(1)複合蓄熱体の実効熱伝導率を向上させることにより融解時間を減少させることができることを示した。蓄熱媒体の熱伝導率が低いほど、また、伝熱流体の熱伝達率が高いほど融解時間の減少率は大きくなる。(2)Stが小さい場合に、融解時間を表す近似解析結果を求め、数値解析結果とよく一致することを示した。(3)複合蓄熱体を用いるとフィンの場合より数倍から十倍程度相変化時間を短縮できる可能性がある。(4)非一様熱伝達率を用いた場合と、一様熱伝達率を用いた場合の融解時間の差はたかだか10%程度であり、一様熱伝達率を用いても大きな誤差は生じない。

高熱負荷狭隘流路におけるサブクール沸騰限界熱流束

呉田 昌俊; 秋本 肇

日本機械学会論文集,B, 67(662), p.2550 - 2557, 2001/10

https://doi.org/10.1299/kikaib.67.2550

核融合炉中性子工学研究用中性子源(FNS)の回転ターゲットや核破砕中性子源の固体ターゲットは、冷却流路として狭隘な矩形流路が検討されており、流路の片面から大強度のビーム入射がある高熱負荷機器である。これらの機器の最適設計を行ううえで狭隘矩形流路内のサブクール沸騰限界熱流束を適切に評価することが重要である。本研究では、片面加熱狭隘矩形流路における高熱流速限界熱流束実験を行い、無次元限界熱流束相関式を提案することを目的とした。本報では、片面加熱狭隘矩形流路の無次元相関式を導出した。従来の限界熱流束予測式を片面加熱狭隘矩形流路へ適用した場合と比べて、計算精度が2~10倍程度改善できた。次に、得られた式の両面加熱狭隘矩形流路,半周加熱小口径円管,全周加熱小口径円管への適用性を検討し、各種狭隘流路に対して限界熱流束を統合的に評価できるように検討を加えた。

蓄熱カプセル内相変化流体の対流による融解に関する研究

岩佐 薫; 椎名 保顕; 稲垣 照美*

可視化情報学会誌, 19(75), p.41 - 45, 1999/10

https://doi.org/10.3154/jvs.19.75_305

円筒内蓄熱カプセル内相変化流体の自然対流及び強制対流による融解過程を、可視化を含む実験及び解析により調べた。実験ではカプセルとしてアクリル容器を、流体として水を用いた。また、表面熱伝達率一定とした融解解析を行い、実験との比較を行った。自然対流による融解の場合、カプセル径が小さい場合には実験と解析はほぼ一致するが、カプセル径が大きくなるとカプセル内自然対流の影響が顕著になり、両者の不一致は大きくなる。また、表面温度の不均一は小さく、相変化界面形状の非対称性は小さい。強制対流による融解の場合、表面熱伝達率の非一様性が大きいため、界面形状は非対称となる。また、表面温度の不均一性が大きくなるため、融解特性を評価するには、表面熱伝達率非一様の影響を考慮する必要がある。

短管内高サブクール高流速下の限界熱流束に及ぼす流路長の効果

数土 幸夫

日本機械学会論文集,B, 63(609), p.179 - 185, 1997/05

従来高い除熱限界を与えることからその重要性が指摘されていたが、体系的な定量的評価ができなかった流路長径比が25以下の短管加熱流路での、高サブクール高流速の限界熱流束について、流路長の効果を明確にするとともに限界熱流束評価式の導出を試みた。その結果、流路長径比がほぼ25以下から流路長の効果が顕著になり、流路長径比が小さくなるにつれ限界熱流束が大になること、その理由として単相強制対流熱伝達が増大することの効果が大きいことがわかった。また、この知見に基づき導出した限界熱流束相関式は、既存の実験結果をほぼ35%の誤差内で良く評価することができた。

Experimental results of heat transfer coefficients and friction factors in a 2D/3D rib-roughened annulus

高瀬 和之

Experimental Thermal and Fluid Science, 13(2), p.142 - 151, 1996/08

https://doi.org/10.1016/0894-1777(96)00038-6

高温高圧条件のもとで3次元または2次元突起を有する環状流路の熱流動特性を調べた。3次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、平滑環状流路の値に比べてそれぞれ乱流域では23%、26%、層流域では21%、17%増加した。熱伝達率と摩擦係数が増加した主な理由として、従来考えられていた3次元突起による伝熱促進効果に加えて流路断面縮小による加速流の影響が無視できないことを実験的に明らかにした。一方、2次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、3次元突起のそれぞれの値に比べて乱流域では50%以上増加するものの、遷移域から層流域にかけては3次元突起の値を下回り、むしろ平滑環状流路の値に近づく結果が得られた。本研究により、この現状は流路の壁面粗さと粘性底層の関係から説明できることが分かった。さらに、2次元突起の伝熱性能は3次元突起の場合に比べて、本実験の範囲では流量一定の条件では約50%、ポンプ動力一定の条件でも約30%以上向上することを確認した。

曲面上に衝突する壁噴流に関する考察; 表面温度一定の場合

椎名 保顕

JAERI-Research 96-027, 33 Pages, 1996/06

JAERI-Research-96-027.pdf:1.05MB

衝突噴流の高い熱伝達特性を熱エネルギーの有効利用に使用する機器の伝熱性能向上に役立てることが可能である。相変化を利用する蓄熱器等の機器の伝熱特性の向上に衝突噴流を利用する場合には、相変化界面は一般に曲面を示すと考えられ、その場合、噴流の流れ及び熱伝達は平板の場合とは異なる特性を示すと考えられる。衝突噴流では、よどみ点近傍領域において流体は加速されるため層流となり、下流領域において乱流に遷移するまで層流状態が保持されると考えられる。本報告では、曲面として球殻及び円筒内面をとりあげ、それに衝突する壁噴流の流れ及び熱伝達を解析的に取扱い、従来行われてきた平板上の壁噴流の解析結果と比較し、考察を加えた。

Numerical prediction of turbulent heat transfer characteristics of a fuel rod with very small square ribs for high temperature gas-cooled reactors

高瀬 和之; 秋野 詔夫

The 3rd JSME/ASME Joint Int. Conf. on Nuclear Engineering (ICONE),Vol. 1, 0, p.535 - 540, 1995/00

ピン・イン・ブロック型炉心構造であるHTTRの場合、冷却材であるヘリウムガスは燃料棒と燃料チャンネルとで構成される環状流路を下降しながら、燃料棒によって最高950Cの出口温度にまで加熱される。この際、燃料温度は1200C以上の高温となるため、将来の高出力密度炉心では設計余裕(燃料使用最高温度との差)を十分に確保できない。そこで、燃料温度を現状よりも低下させるための一手段として、対流伝熱促進を期待した粗面燃料棒による伝熱流動実験が行われ、その熱流動特性が調べられた。本研究はこの実験結果をもとに、矩形突起付き環状流路内の熱流動解析を行って熱伝達率の数値予測の妥当性を評価したものであり、本成果は高温ガス炉用高性能燃料棒の開発や原子力熱エネルギー輸送機器の高効率化等に利用できるものである。

突起付き環状燃料チャンネル内の乱流熱伝達

高瀬 和之; 日野 竜太郎; 宮本 喜晟

日本機械学会熱工学講演会講演論文集, p.251 - 252, 1993/11

高温工学試験研究炉(HTTR)で使用される突起付き燃料棒の伝熱性能を把握するために、実機運転条件を模擬したヘリウムガス雰囲気中で加熱して、燃料チャンネルの摩擦係数や熱伝達率を求めるとともに、HTTR炉心流動範囲である乱流域における熱流動挙動を3次元解析し、実験結果と比較した。本解析により、燃料チャンネル内の温度、圧力、流速等の詳細な分布を得ることができ、実験結果を補足することができた。しかしながら、流路内の平均熱伝達率の解析値は実験値を上回る結果となり、今後、使用したk-モデル定数の調整、または新たな乱流モデルの適応が必要である。

Heat transfer coefficient of the ribbed surface

菱田 誠; 高瀬 和之

Proceedings of the ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference : Reno, Nevada, March 17-22, 1991, p.103 - 110, 1991/00

突起付き伝熱面の局所熱伝達率及び平均熱伝達率を実験によって詳しく調べた。突起は正方形断面をした棒状の2次元突起である。平行平板流路の片面に多数個の突起を取り付け、作動流体として空気を用いて実験を行った。薄いステンレス箔の伝熱面を直接通電によって加熱し、壁温分布を熱電対で測定して局所熱伝達率を求めた。実験範囲は、レイノルズ数が310~110、突起の高さと流路の代表直径の比が0.0324~0.174、突起のピッチと突起の高さの比が2.5~60である。局所熱伝達率とレイノルズ数、突起の高さ、及び突起のピッチとの関係を明らかにした。また、局所熱伝達率及び平均熱伝達率と熱流束比(基板の熱流束と突起の熱流束の比)との関係を調べた。