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論文

プール核沸騰における銅伝熱面上の乾き面挙動観察と伝熱面温度分布計測

上澤 伸一郎; 小野 綾子; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之

第55回日本伝熱シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 8 Pages, 2018/05

核沸騰による高効率除熱には限界があり、その限界熱流束(CHF)を超えると冷却体伝熱面温度は急激に上昇し、伝熱面が焼損することが知られている。その発生機構解明において、伝熱面上の乾き面の形成が主要因であることは示唆されているが、金属伝熱面における乾き面の動的挙動は明らかにされていない。本報では、水深を浅くしたプール沸騰実験を実施し、沸騰面上部から乾き面の目視観察と銅面裏側から赤外線カメラを用いた伝熱面温度瞬時分布計測の実施によって、伝熱面上で乾き面が形成後、乾き面周囲への熱伝導量上昇に伴う沸騰活性化による高熱流束域形成により液損耗が激しくなり、乾き面が拡大し、ついにはCHFに至ることを明らかにした。

論文

海水プール核沸騰素過程に関する研究

上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之

第54回日本伝熱シンポジウム講演論文集(CD-ROM), 8 Pages, 2017/05

東京電力福島第一原子力発電所事故時の海水注入が伝熱流動へ与える影響を、その物理現象を含めて理解するため、海水及び蒸留水を用いてプール核沸騰実験を行い、プール核沸騰素過程に与える海水の影響について検討した。その結果、海水を用いた場合、沸騰核が減少した。この沸騰核の減少は、沸騰や二次気泡の形成、及び熱伝達表面の過熱度の増加に影響を及ぼすことを確認した。また、濃縮された海水では、海水塩析出層が伝熱面上に形成され、その厚さの増加に伴って熱抵抗が増加し、加熱面上の沸騰による冷却性能が大幅に低下することで、伝熱面が焼損することを確認した。これは、蒸留水での伝熱面焼損とは異なる物理機構であり、海水の場合は蒸留水よりも低い発熱量でも伝熱面が焼損する可能性がある。

論文

析出物を伴う懸濁液プール核沸騰熱伝達に関する研究

上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之

第53回日本伝熱シンポジウム講演論文集(CD-ROM), 8 Pages, 2016/05

東京電力福島第一原子力発電所事故時の海水注入が伝熱流動へ与える影響を理解するため、伝熱面上の海水塩析出物が沸騰熱伝達へ与える影響の把握を目的とした海水プール核沸騰熱伝達実験を実施した。また、伝熱面に析出物が伴うという共通点を持つナノ流体のプール核沸騰熱伝達実験も実施し、両流体の熱伝達機構の共通点と相違点について議論した。その結果、海水は蒸留水と同等の熱流束で、伝熱面が伝熱面焼損した一方で、ナノ流体については蒸留水よりも高い熱流束で伝熱面焼損を起こしており、限界熱流束の向上を示唆した結果が得られた。この要因として、伝熱面上に析出したナノ粒子層の表面に存在する多数のマイクロスケールの溝によって、より多くの液が伝熱面に供給されたためと推定される。対して、海水では特定の熱流束を境に一定の熱流束であるにもかかわらず,伝熱面温度が非定常に増加した。これは海水塩として析出した硫酸カルシウムの熱伝導率が低く、その析出物が伝熱面上で成長し、厚くなるからである。このように、共に析出物を伴う流体であっても、海水とナノ流体では沸騰熱伝達へ与える影響は異なる。特に海水では、伝熱面に析出する海水塩によって熱伝達率が小さくなることが明らかにされた。

論文

放射温度計を用いた瞬時伝熱面温度分布測定によるプール沸騰熱伝達機構解明に関する研究

小泉 安郎; 高橋 和希*; 上澤 伸一郎; 吉田 啓之; 高瀬 和之

第52回日本伝熱シンポジウム講演論文集(CD-ROM), P. 2, 2015/06

核沸騰熱伝達素過程解明を目的として、大気圧条件でプール沸騰熱伝達実験を行った。伝熱面には銅プリント基盤を用い、伝熱面の大きさは一辺10mmの正方形とした。伝熱面背部のベークライト板部分を7$$times$$10mmにわたり取り除き、剥き出しになった銅薄膜背面の瞬時温度分布を赤外線放射温度計により計測した。その結果、限界熱流束直前まで伝熱面は比較的低い温度に維持されているが、限界熱流束近傍で表れた小さな高温部が拡大縮小を繰り返しつつ拡大し、伝熱面全体が高温になることで限界熱流束に至るという、沸騰熱伝達における課程を明らかにした。また、瞬時温度分布より評価した熱流束分布より、水で濡れて低温・高熱流束である領域と、高温・低熱流束である二つの領域に区分されることを確認した。

論文

沸騰における伝熱面温度・熱流束の計測

Liu, W.; 高瀬 和之

第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.445 - 446, 2010/05

沸騰メカニズムを把握するために、流れを乱す伝熱面上へのセンサーの設置が不要で、伝熱面温度・熱流束を同時計測できるシステムを開発した。本計測システムは、高速度で伝熱体内部温度を計測する一次系と、多チャンネルで計測される伝熱体内部温度データをもとに伝熱面温度と熱流束の変化を逆問題解析によって求める二次系から構成される。本研究では、逆問題解析を用いて現象の早い非定常沸騰サイクルを追従できるように、共同陽極を持つ微細熱電対群を導入することによって、伝熱面表面から数ミクロンの深さに温度計測用温度接点を配置することができた。本報では、開発したシステムを用いて、半無限体逆問題解析を適用して沸騰サイクルにおける気泡直下の伝熱面表面熱流束と表面温度を計測した。本開発の計測システムによって、大きな変形した気泡の形成に伴う伝熱面温度の低下や熱流束の上昇を計測できることがわかった。

論文

革新的水冷却炉(FLWR)の炉心熱特性評価技術開発の現状

大貫 晃; 小林 登

第45回日本伝熱シンポジウム講演論文集, Vol.1, p.3 - 4, 2008/05

FLWRの燃料集合体は燃料棒間隙幅を1mm程度と稠密にする設計となっており、開発当初よりそこでの熱流動特性が主要課題として取り上げられてきた。稠密炉心の熱流動特性については、小規模体系(7本バンドル)での先行研究を経て、流路壁の影響,燃料棒間隙や燃料棒曲がりの除熱性能への影響についてデータを取得するとともに稠密炉心での限界出力予測手法等設計手法の確立を目標として、37本バンドル試験体を用いた大型熱特性試験を実施してきた。また、従来は実機形状を模擬した実物大の集合体により設計に必要な技術的知見を得てきたが、FLWRでは217本とバンドル規模が大きく、経済的な理由からもスケールダウンしたバンドル試験と解析的な評価とを組合せることで設計に取り組むこととした。本報告ではFLWRの炉心熱特性評価技術開発の現状と今後の課題を紹介する。

論文

流れの中におかれた水平円柱内における接触融解熱伝達

椎名 保顕; 根本 寛幸*; 小木 浩通*; 稲垣 照美*

第43回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.415 - 416, 2006/05

固相と伝熱面が非常に薄い液層を介して接触する接触融解は高い熱伝達特性を示すことが報告されている。これを利用して潜熱蓄熱の固相の融解促進を図ることができる。従来、接触融解の研究は伝熱面が等温の場合に限られてきた。しかし、実際の蓄熱・放熱過程では伝熱面は等温ではなく、熱伝達率一定と考えられるため、その場合の接触融解特性を明らかにする必要がある。本研究では、表面熱伝達率一定時の水平円柱潜熱蓄熱カプセルの接触融解熱伝達特性を解析により調べ、実験と比較した。その結果、壁温一定の場合とは異なり、熱伝達率一定の場合には、融解速度は時間とともに増加すること,外部流体のレイノルズ数が高い場合には解析結果と実験結果は比較的よく一致すること等が示された。

論文

潜熱蓄熱円筒カプセルの融解特性に及ぼす非均一熱伝達率の影響

小木 浩通*; 椎名 保顕; 稲垣 照美*

第43回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.413 - 414, 2006/05

固液相変化潜熱を利用した潜熱蓄熱方式は、一定温度で大量の熱の貯蔵ができるという点で優れた特徴を有している。従来、カプセル型潜熱蓄熱システムの設計は、均一の表面熱伝達率を仮定して評価されてきた。しかし、実際には表面熱伝達率は一様ではなく、円柱カプセルの場合には熱伝達率比で3$$sim$$4倍の非均一性が生じる可能性がある。そのため、内部自然対流により熱伝達率が均一と非均一では融解特性が大きく異なる可能性がある。そこで、水平円柱容器内の固相が、横からの一様流による非一様熱伝達率により融解する場合の相変化特性を、実験及び数値解析により調べるとともに、均一熱伝達率の場合の数値解析結果との比較を行った。その結果、数値解析と実験結果はよく一致することを示すとともに、表面熱伝達率が非均一の場合には融解時間は均一の場合より短縮されることを明らかにした。

論文

稠密燃料集合体内二相流挙動に関する大規模シミュレーション

小瀬 裕男*; 高瀬 和之; 吉田 啓之; 叶野 琢磨; 呉田 昌俊; 秋本 肇

第41回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 2 Pages, 2004/05

原研が開発を進めている低減速軽水炉を対象として、稠密燃料集合体内の二相流挙動を直接解析によって予測する研究を、地球シミュレータによる大規模シミュレーションによって行っている。本研究では、熱の影響がない非加熱等温流条件に対して、低減速軽水炉の炉心条件をもとに燃料集合体入口の流速やボイド率を変えて一連の解析を実施し、次の傾向の予測に成功した。(1)燃料棒表面が薄厚の液膜で覆われる,(2)燃料棒間隔が狭い領域で液膜の架橋現象が起こる,(3)蒸気は燃料棒間隔が広い三角ピッチ中心部をストリーク状に流れる。

論文

定圧下における蒸気の直接接触凝縮に関する実験と解析

高瀬 和之; 小瀬 裕男*; 吉田 啓之; 功刀 資彰*

第39回日本伝熱シンポジウム講演論文集(CD-ROM), 2 Pages, 2002/06

核融合炉真空容器内冷却材侵入事象時に水の沸騰蒸発によって発生する蒸気は、圧力抑制システムの構成要素であるサプレッションタンクに侵入し、タンク内部に停滞する水(初期約3kPa,25$$^{circ}C$$)と接触して凝縮する。これによって系統内の温度が低下し、圧力上昇が抑制される。したがって、圧力抑制システムの設計ではサプレッションタンクにおける凝縮効率の最適化が問題になる。本研究は、従来は実験に頼っていた凝縮効率の最適化に関して、数値解析による最適設計の可能性について検討したものである。解析では水-蒸気間の相変化挙動を、計算セルごとの液相率の変化に応じて潜熱相当分の熱量を加減することによってモデル化した。ダクト及び多孔管を用いた蒸気凝縮モデル実験で得た水槽内の気泡の流動分布の傾向を、本研究で提案した凝縮モデルを使って良く模擬できることがわかった。今後は、より定量的な評価を行う考えである。

論文

核融合炉真空容器内に侵入した水の沸騰と凝縮

高瀬 和之; 小瀬 裕男*; 柴田 光彦; 秋本 肇

第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.641 - 642, 2001/00

核融合実験炉ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)で真空容器内冷却材侵入事象ICE(Ingress of Coolant Event)が起きた場合の安全システムの妥当性を評価するために、ITER構成要素を約1/1600で模擬したICE統合試験装置を製作した。本報はICE統合試験装置で得られた試験結果、TRACコードによる二相流解析結果及び蒸気凝縮可視実験の結果について述べる。一連のICE統合試験結果はTRAC-PF1コードを使って十分予測可能であることを確認した。また、サプレッションタンク内での蒸気凝縮に関しては蒸気はリリーフ配管からジェット流で放出されて低温水と直接接触することによって凝縮し、大きな気泡が多数の微小気泡に分割されながら凝縮が促進されることが明らかになった。

論文

核融合炉真空容器内への水侵入に伴う沸騰二相流挙動

高瀬 和之; 小瀬 裕男*; 秋本 肇

第37回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.703 - 704, 2000/05

国際熱核融合実験炉(ITER)で真空容器内冷却材侵入事象(ICE)が発生すると水の沸騰・蒸発に伴って圧力が急上昇して容器破損を引き起こすことが考えられるため、圧力上昇を抑制するための安全系としてサプレッションタンクシステムが検討されている。これは沸騰蒸気をサプレッションタンク内で凝縮させて系統内の圧力を低下させるシステムである。本研究ではサプレッションタンクシステムの有効性をICE統合試験装置を使って実験的に確認した。ICE統合試験装置はITERの構造を約1/2000で簡略模擬した試験装置で、プラズマチャンバー、真空容器、ダイバータ、サプレッションタンク及びリリーフ配管から構成される。また、TRAC-PF1コードを使って試験データ解析を行い、解析結果は試験結果を十分予測できることを確認した。

論文

高温真空中での水蒸発に伴う圧力上昇と凝縮挙動

高瀬 和之; 功刀 資彰*; 山崎 誠一郎*; 藤井 貞夫*

第35回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.801 - 802, 1998/05

核融合炉で真空容器内冷却材侵入事象(ICE)が起こると水の沸騰・蒸発に伴って圧力が急激に上昇することを、ICE予備実験装置を使って定量的に明らかにした。核融合炉の安全設計を行う場合、真空容器内圧力の上昇は容器破損に繋がるため、圧力上昇を抑制するための安全装置の設置が必要である。水の飽和温度と飽和圧力の関係から、ICEが起きた場合には真空容器内に設けた低温部で水蒸気を凝縮させ、容器内圧力を低温部の温度で定まる飽和圧力に維持させることが理論上可能である。そこで、任意の容積を持つ水冷ジャッケット付きタンクを真空容器に配管を介して接続して、ICE時の圧力上昇を強制的に抑制する手法(強制冷却式付加タンク)を考案した。現在のところ、真空容器の10%の容積の付加タンクでも圧力上昇を2気圧未満に抑制できることがわかった。本手法は核融合炉安全設計の合理化に大いに役立つものと考えられる。

論文

The Effect of system constraint on coolant injection mode of energetic fuel-coolant interactions

Park, H.; 山野 憲洋; 丸山 結; 森山 清史; Yang, Y.; 杉本 純

第35回日本伝熱シンポジウム講演論文集,3, p.803 - 804, 1998/00

温度範囲55$$^{circ}$$Cから飽和温度近傍までの冷却水を初期温度2500$$^{circ}$$Cのテルミットに注入する場合のFCIの強度に対する系の拘束の影響を実験によって調べた。実験で測定された機械的エネルギーは、系の拘束が弱いときは冷却水のサブクール度の増加とともに増加したが、拘束が強い系では逆に減少した。これにより、FCIによる機械的エネルギー発生は時間スケールの短い溶融物の細粒化による混合の促進と、時間スケールの長い溶融物細粒の冷却という、2つの異なる時間スケールの現象により支配されていることがわかった。

論文

マイクロカプセル化相変化物質スラリー熱媒体,3; 過冷却挙動

秋野 詔夫; 中野 文彦*; 久保 真治; 田中 周*; 長島 昭*; 鷺谷 昭二郎*; 中西 真行*

第33回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.233 - 234, 1996/00

本報告は、核熱輸送の高効率化のために、溶融・凝固に際して大きな潜熱を出し入れする相変化物質をマイクロカプセル技術によって安定な微粒子とし、熱媒体中に分散させて熱容量を大幅に増大する高密度熱輸送媒体の開発研究の成果を述べるものである。4種の相変化物質(脂肪酸、パラフィンワックス)を4種の皮膜でマイクロカプセル化し、さらに粒径を変化させて、合計40種の熱媒体を試作し、その相変化特性を示差走査熱量計で測定した。相変化物質によっては、粒径が小さくなると凝固放熱温度が低下する過冷却現象が顕著に生じたので、その特性を検討した。相変化物質が単一組成の場合に大きな過冷却が生じ、混合することによって低減できることを明らかにした。

論文

2本の加熱水平円柱まわりの自然対流の干渉効果

亀岡 利行*; 岡田 裕紀*; 秋野 詔夫; 高瀬 和之; 久保 真治

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.435 - 436, 1995/05

矩形容器内に設置された温度成層の影響を受ける2本の加熱水平円柱まわりの自然対流の干渉効果を調べるために、作動流体としてシリコン油を用い、自然対流を可視化するために、感温液晶を0.02%の混入懸濁し、流れ場・温度場を観察、撮影する。2本の加熱円柱の垂直方向の間隔を一定のまま、上円柱を下円柱に対してずらし(オフセット)、電気加熱量、オフセット量を変化させ、熱伝達および温度成層と円柱からの上昇流(プリューム)の状況を詳細に調べている。その結果プリュームの挙動が熱伝達に大きく影響することを明らかにしている。

論文

等温水平管内の非定常複合対流特性

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.633 - 634, 1995/05

水を作動流体とした水平正方形流路の複合対流熱伝達について、物性値の温度依存性を考慮した3次元楕円形非定常数値解析を行い、温度助走域における伝熱流動特性について検討した。壁面は等温加熱条件で、上壁のみ断熱とした。計算手法にSIMPLE法を用い、対流項にQUICKを用いた。水は物性値や無次元数が基準温度レベルに大きく依存するため、熱伝導率、動粘度、体膨張率の温度依存性を考慮した。時間変化に伴う不安定成層からのサーマルプリューム成長過程を捉え、それによる熱輸送機構を定性的に明らかにした。また、プリューム下流に形成される低温領域が熱伝達に及ぼす影響を示し、作動流体が空気の場合とヌセルト数を比較検討した。

論文

非平衡プラズマ衝突噴流の熱流動解析

功刀 資彰; 江里 幸一郎*; 清水 昭比古*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.565 - 566, 1995/05

裏面から固気混相衝突噴流で冷却されていると想定した伝熱面へのアルゴンプラズマ衝突噴流の伝熱流動状態の解析を行った。プラズマを一価電離、電気的中性の電磁流体と仮定した1流体2温度プラズマモデルと、電子拡散を両極性拡散とした電子数密度保存の式を用いた。本研究の条件下では、噴流コア外縁域と淀み点付近では電子温度が原子とイオンからなる重粒子の温度より高くなる熱非平衡状態になっており、その領域では電子と重粒子のエネルギー交換が発生していること、また、伝熱面においてプラズマから8MW/m$$^{2}$$程度のピーク熱流束が除熱可能であることが分かった。

論文

感温液晶による温度計測の高速化

秋野 詔夫; 一宮 浩市*; 森本 俊一*; 久保 真治; 鷺谷 昭二郎*; 中西 真行*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.307 - 308, 1995/05

感温液晶は、温度により様々な色彩を提示するので、リアルタイムに温度分布を可視化計測する用途に最近よく利用されている。本報告は、高速で変化する温度場を感温液晶で計測することを目的として、光・色彩計測の高速化を試みた結果について述べるものである。まず、液晶の分光反射率を測定し、そのデータを用いて高速光センサーの出力特性を予測計算した。その結果より、異なった分光感度特性を有する2種のアバランシェフォトダイオードの出力の比が、広い温度範囲で温度と良い相関を有することを見出した。次いで、実際的に確認実験を行い、従来の方法と較べて広い温度範囲で精度良く温度測定ができることを示した。

論文

多成分気体の分子拡散と自然対流に関する研究

武田 哲明; 菱田 誠

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集,Vol. III, 0, p.691 - 692, 1995/00

高温ガス炉の一次冷却系主配管破断事故時の空気浸入特性を調べるため、逆U字型流路内の化学反応を伴う多成分気体の分子拡散と自然対流に関する実験と数値解析を行った。解析は混合気体及び各成分気体の質量保存、混合気体の運動量保存とエネルギー保存の式、状態方程式を解いて、各成分気体の濃度、混合気体の密度、化学反応による気体の発生量等を求めた。その結果、実験と解析は定量的にも一致することを確認し、本解析により実験結果を再現することができることを示した。

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