環境負荷が極めて低い小型高効率熱交換器の開発に関する基礎研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550181
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: 萩原 良道 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 教授 (50144332)
• 研究分担者: 田中 満 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助教授 (20281115)
• キーワード: 液-液直接接触熱交換 / 高密度不活性液体 / 上昇水流 / レーザー誘起蛍光温度計測法 / 粒子追跡速度計測法 / 直接数値シミュレーション / 壁近傍乱流構造 / 局所熱伝導

研究概要

鉛直円管の上向き層流温水流中に、環境負荷の極めて低い液体であるハイドロフルオロエーテル(3MNovec社製HFE-7200)の低温液滴を1個ずつ下向きに噴出させる実験を行った。まず、水流に添加したトレーサー粒子と降下する液滴を撮影し、得られる画像を処理し、液滴の運動と水流速度場の計測を行った。その結果、揺動を伴いながら沈降する液滴の後流部に非定常に渦が現れること、この渦は固体球の後流に見られるΩ型渦と類似するがその発生周波数は低いこと、を明らかにした。つぎに、トレーサー粒子を含まない場合について、レーザー誘起蛍光温度計測法を用いて温度場の計測を行った。その結果、低温液滴により生じる熱後流は渦の観察される領域より狭いこと、を明らかにした。この理由として、水のプラントル数が高いこと、および渦により高温の水が後流部に巻き込まれることが考えられる。
円管下部における液滴の回収に関連して、HFE-7200の液滴を多数含む、円管内水乱流の可視化実験を行った。漏斗の壁の間に生じる壁噴流に加えて、乱流プロモーターであるリングを管内壁に取り付けることにより、漏斗の上方でほとんどの液滴は軸方向に向きを変えること、このため液滴の回収率が上がること、を得た。
HFE-7200と類似の物性値を持つ複数の液滴を含む、鉛直チャネル乱流の流動・熱伝達に関する数値シミュレーションを実行した。計算結果より、壁面の近くに液滴があるとき、その周りでは小規模な縦渦が抑制されること、液滴の後流部へ巻き込まれる大規模な流れの一部が壁近傍の低速・高温流体を軸方向に運ぶこと、高速・低温の主流の一部が液滴の頂部において向きを変え壁面近傍に到達すること、これらはいずれも壁近傍の縦渦による運動量・熱輸送よりも大規模で著しいこと、したがって正味熱伝達は向上する可能性があること、を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Yuge, Y.Hagiwara: "The Modifications of Near-wall Turbulence Structure and Heat Transfer by immiscible Droplets in Turbulent Liquid-liquid Two-phase Flow"Proc.3rd Int.Symposium of Turbulence and Shear Flow Phenomena. Vol.1. 221-226 (2003)
• [文献書誌] T.Tajima, N.Matsukura, M.Tanaka, Y.Hagiwara: "Control of Droplet Motion by Wall Jet and a Turbulence Promoter in Turbulent Dispersed Liquid-liquid Two-phase Flow in a Pipe"Turbulence, Heat and Mass Transfer 4 (ed.by K.Hanjalic, Y.Nagano, M.J.Tummers), Begell House Inc.. 1031-1038 (2003)
• [文献書誌] M.Goto, N.Matsukura, Y.Hagiwara: "Heat Transfer Characteristics of Warm Water Flow with Cool Immiscible Droplets in a Vertical Pipe"Proc.3rd European-Japanese Two-phase Flow Group Meeting. (CD-ROM). 1-7 (2003)
• [文献書誌] T.Yuge, Y.Hagiwara: "The Modifications of Near-wall Turbulence Structure and Heat Transfer by Immiscible Droplets in Turbulent Liquid-liquid Two-phase Flow"Int.J.Heat and Fluid Flow. Vol.25(in print). (2004)
• [文献書誌] Y.Hagiwara, T.Suzaki, D.Saegusa: "Interaction between Near-wall Turbulence Structure and Immiscible Droplets Falling with Wobbling Motion in Upward Water Flow"Int.J.of Energy. Vol.29(to appear). (2004)
• [文献書誌] M.Goto, N.Matsukura, Y.Hagiwara: "Heat Transfer Characteristics of Warm Water Flow with Cool Immiscible Droplets in a Vertical Pipe"Experimental Thermal and Fluid Science. Vol.28(to appear). (2004)