次世代冷媒の流下液膜蒸発の熱伝達と流動特性に関する基礎研究

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04497
• Research Institution: Tokyo University of Marine Science and Technology
• Principal Investigator: 地下 大輔 東京海洋大学, 学術研究院, 准教授 (30708368)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 流下液膜蒸発 / 蒸発熱伝達 / 流動様相 / 次世代冷媒 / 混合冷媒

Outline of Annual Research Achievements

満液式蒸発器に比べて冷媒使用量の削減が期待でき，低熱負荷条件でも優れた蒸発熱伝達特性が期待できる流下液膜式蒸発器において、冷媒の熱伝達および流動特性は冷媒流量，熱流束，冷媒物性等によって大きく変化する．流下液膜式蒸発器の熱設計のためには冷媒の熱伝達に及ぼす冷媒流量，熱流束，冷媒物性の影響を明らかにするとともに，熱伝達特性を高精度に予測する手法が必要となる．本研究では流下液膜の流動様相の可視化および伝熱実験により，環境負荷の小さい次世代冷媒の流下液膜蒸発の熱伝達および流動特性の実験的解明を目指す．
2022年度は，地球温暖化係数の小さいHFO1234ze(E)を主とする2成分混合冷媒を対象に，水平管外を流下する液膜の蒸発流動様相の観察を行うとともに，熱伝達特性に及ぼす冷媒流量，熱流束の影響について明らかにした．混合冷媒の熱伝達率は，熱流束の増加に伴い気泡の発泡点密度が増加し，純冷媒と同様に増大した．露点と沸点の異なる混合冷媒の熱伝達率は，熱流束が高い場合には純冷媒に比べて低い値を示したが，熱流束が低い場合には純冷媒と同等あるいはわずかに高い値を示した．さらに，気液界面の表面波，気泡の生成・崩壊，液膜の消失を伴う乾き部の発生の様子を観察可能な垂直平面を流下する液膜流動様相の可視化および伝熱評価装置を製作し，HFO1234ze(E)の液膜流動様相の可視化および熱伝達特性に及ぼす冷媒流量，熱流束の影響について明らかにした．高熱流束条件では気泡サイズが増大し熱伝達率が増大するものの，冷媒流量が小さい場合には乾き部が発生し熱伝達率は低下した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度の実施目標をおおむね達成できたため．本年度は，(1) HFO1234ze(E)を主とする混合冷媒について，水平管外を流下する液膜の流動様相の観察と熱伝達特性に及ぼす冷媒流量，熱流束の影響について明らかにした．さらに，(2) 垂直平面を流下するHFO1234ze(E)の液膜流動に関して，蒸発・沸騰を伴う液膜流動様相の観察と熱伝達率の測定を行った．

Strategy for Future Research Activity

水平管外および垂直平面の流下液膜蒸発実験装置を用いた流下液膜の流動様相の可視化および伝熱実験を継続して行う．2023年度は伝熱面構造を変化させた実験を行い，表面波を伴う流下液膜の特性，気泡の生成・成長・崩壊，発泡点密度に関してより詳細な液膜流動様相の観察を行うとともに，液膜流動様相および伝熱性能に及ぼす伝熱面構造の影響について明らかにする．

Causes of Carryover

当初予定していた試験部の製作費用等が抑えられたため．次年度に計画している試験部の製作費および試験に必要な消耗品費として使用する予定である．