衝突噴流式流動層による熱伝達と着霜の制御に関する共同研究

• 研究課題/領域番号: 06044018
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 相原 利雄 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90006172)
• 研究分担者: UWE Schaflin ウィーン工科大学, 流体力学熱伝達研究所, 助教授 ; WILHELM Schn ウィーン工科大学, 流体力学熱伝達研究所, 教授 ; 印南 幸夫 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (50271987) ; 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40211833) ; 山田 雅彦 北海道大学, 工学部, 助教授 (70230480) ; 横迫 尚一郎 (福迫 尚一郎) 北海道大学, 工学部, 教授 (00001785) ; SCHAFLINGER Uwe Institute of Fluid Dynamics and Heat Transfer, Technical University, Vienna, Ass ; SCHNEIDER Wilhelm Institute of Fluid Dynamics and Heat Transfer, Technical University, Vienna, Pro
• 研究期間 (年度): 1994 – 1995
• 研究課題ステータス: 完了 (1995年度)
• 配分額: 6,000千円 (直接経費: 6,000千円); 1995年度: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 1994年度: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
• キーワード: 流動層 / 衝突噴流 / 伝熱制御 / 着霜制御 / 冷却管群 / 冷却官群

研究概要

1.東北大学においては、
(1)前年度に引き続き、低温の単列管群における局所熱・物質伝達率を詳細に測定し、また、着霜状況の周方向分布を目視観察により調べた。
(2)固体粒子の衝突頻度の光学的計測を行った。すなわち、固体粒子の接近による反射光を検出する光学プローブを管表面に埋設することにより、前淀み点から後淀み点に至る管表面各位置での固体粒子の衝突頻度を計測した。更に反射鏡とビデオシステムを用いて、低温の管表面における霜層の形成や粒子衝突による霜層の剥離挙動を観測記録した。
(3)これらの結果を局所熱伝達率分布や着霜状況と併せて解析した結果、粒子衝突による除霜効果は、衝突頻度だけではなく、衝突の性質にも大きな影響を受けることを明らかにした。すなわち、本衝突噴流式流動層中の冷却管において、管側面の衝突頻度は最も高いものの、衝突は擦過的であるため除霜効果は大きくない。これに対し、淀み点近傍では、粒子衝突が与える力積が大きいため、衝突頻度は小さいにもかかわらず良く除霜されている。
以上に述べた衝突噴流式流動層の除霜メカニズムと除霜特性、並びに後述のオーストリア側の固気衝突噴流の理論解析結果とを考慮し、様々な改良を加えた結果、管表面温度-17℃における連続無着霜運転の新記録を達成できた。これらの結果は、寒冷地における高性能蒸発器の開発にブレークスルーを与えるものである。
2.北海道大学においては、
(1)流動層内におかれた垂直冷却面および水平冷却管群まわりの着霜現象について実験的検討を行った結果、(1)垂直冷却面上の着霜特性は、粒子層の局所的挙動と密接な関係がある。(2)濃厚層では薄い氷層が、遷移層では厚い霜層が、希薄層では薄い霜層が成長する。(3)水平冷却管群の場合、一般流動層と本流動層における最小流動化速度の差は、粒子径の減少とともに増大する。(4)除霜および熱伝達特性は、粒子径に最も依存する。(5)表面に凹凸を有する石英粒子が、滑らかな表面を有するガラス球より除霜特性が優れている。などが明らかにされた。
(2)固・気・液三相流動層(流動液状氷)内におかれた水平加熱管群まわりの融解熱伝達について実験的検討を行った結果、(1)本三相流動層の熱伝達は、熱流束・空気速度の増加および初期水溶液濃度の減少とともに増大する。(2)本三相流動層の熱伝達は、流動化のために約10%の付加エネルギーを使用することにより、約27倍に増大する。(3)三相流動層による冷熱回収法は、制御の面で工業的に非常に有効である。などが明らかとなった。Schaflinger助教授は、1995年12月11日〜12月16日北海道大学に滞在し、流動化のためのエネルギーの評価法に対して新しいアイデアを提供し、これにより研究が飛躍的に進展した。
3.ウィーン工科大学においては、東北大学で開発した蛇腹状分散板による固気衝突噴流の形成から冷却管表面への衝突までの過程について、詳細な理論解析を行った。これに関する議論、データの交換、本研究の計画全体の推進調整等のため、研究代表者の相原教授が1995年9月23日から10月25日までウィーン工科大学を訪問した。また、Schaflinger助教授が1995年12月1日から12月20日まで来日し、解析の最終的な総括を東北大学と共同で行った。これにより、粒子の速度分布や密度分布、管表面への衝突頻度などの現象を支配する因子を明らかにし、粒子の衝突による除霜効果が顕著な固気衝突噴流を形成するための重要なデータを得た。
本研究の実績を総括すると、東北大学においては、本研究計画の最終的な目標である衝突噴流式流動層について、設計・製作とその熱伝達及び除霜特性の実験的解析を行い、北海道大学においては、基礎データの取得を目的として、流動層による熱伝達及び除霜特性のより一般化した実験的解析、ウィーン工科大学では、東北大学の衝突噴流式流動層における固気衝突噴流の理論解析を行い、実験への効果的な指標を与えた。以上、広範な学術課題を包含する本研究について、有機的な研究組織を構成し、積極的な検討を重ねた結果、予定以上の研究成果をあげたものと考える。

研究成果

• [文献書誌] 相原 利雄: "極浅層流動層中におかれた水平冷却管群の伝熱と除霜特性に関する研究" 日本機械学会論文集(B編). (印刷中). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Yamada: "Melting Characteristics Along a Bundle of Horizontal Heated Cylinders Immersed in Liquid Ice Layer" Experimental Thermal and Fluid Science. (in press). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 小原 拓: "水平着霜管群の衝突噴流熱伝熱" 空気調和・衛生工学会論文集. 58. 103-109 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 相原 利雄: "極浅層流動層中の水平冷却管群の伝熱と除霜特性" 日本機械学会平成7年度熱工学部門講演論文集. 95-54. 32-34 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Aihara: "Heat Transfer and Defrosting Characteristics of a Horizontal Tube Array Evaporator Immersed in a Very Shallow Fluidaized Bed" Proc.CFCs,The DAY AFTER International Conference. 599-606 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Fukusako: "Continuous Production Characteristics of Liquid Ice by Use of a Fluidaized Bed" ASME Paper,HTD. 284. 137-144 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Fukusako: "Rapid Heat Transfer Manipulation of Fine Powder by Use of a Fluidized Bed" Proc.of 10th International Heat Transfer Conference. 5. 255-260 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Aihara: "Heat Transfer and Defrosting Characteristics of a Horizontal, Cooled Tube Array Immersed in a Very Shallow Fluidized Bed (in Japanese)" Trans. JSME,Ser. B. (in press). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Yamada: "Melting Characteristics Along a Bundle of Horizontaled Heat Cylinders Immersed in Liquid Ice Layr" Experimental Thermal and Fluid Science. (in press). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Ohara: "Heat Transfer of a Horizontal Array of Frosted Tubes in Impinging Jet(In Japanese)" Trans. Soc. Air Conditioning and Sanitary Eng. Japan. 58. 103-109 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Aihara: "Heat Transfer and Defrosting Characteristics of a Horizontal Cooled Tube Immersed in a Very Shallow Fluidized Bed (in Japanses)" Proc.1995 JSME Thermal Eng.Conf.95-54. 32-34 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Aihara: "Heat Transfer and Defrosting Characteristics of a Horizontal Tube Array Evaporator Immersed in a Very Shallow Fluidized Bed" Proc.CFCs, The DAY AFTER International Conference. 599-606 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Fukusako: "Continuous Production Characteristics of Liquid Ice by Use of Fluidized Bed" ASME Paper, HTD-Vol.284. 137-144 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Fukusako: "Rapid Heat Transfer Manipulation of Fine Powder by Use of Fluidized Bed" Proc.of 10th International Conference. 5. 255-260 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] 小原拓: "水平着霜官群の衝突噴流熱伝達" 空気調和・衛生工学会論文集. 50号(印刷中). (1995)
• [文献書誌] T.Aihara: "Heat Transfer and Defrosting Characteristics of a Horizontal Tube Array Evaporator Immersed in a Very Shallow Fluidized Bed" Proc. CFCs, The DAY AFTER International Conference. 599-606 (1994)
• [文献書誌] S.Fukusako: "Continuous Production Characteristics of Liquid Ice by Use of Fluidized Bed" ASME Paper, HTD-Vol.284. 137-144 (1994)
• [文献書誌] S.Fukusako: "Rapid Heat Transfer Manipulation of Fine Powder by Use of a Fluidized Bed" Proc. of 10th Internatiional Heat Transfer Conference. 5. 255-260 (1994)