Clarificaion of the relation between wetting front propagation velocity and pool boiling CHF

阐明润湿锋传播速度与池沸腾CHF之间的关系

• 批准号: 21K03895
• 负责人: 小泉 安郎
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: The University of Electro-Communications
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03895/
• 关键词: 沸騰熱伝達; 限界熱流束; 濡れ進展速度; プール沸騰

核沸騰による除熱は、きわめて高い熱伝達率を示す高効率の冷却手法だが、限界熱流束を超過すると、沸騰様式が膜沸騰に移行して、熱伝達率が大きく低下する。このため、より高い限界熱流束値を示す高性能伝熱面の開発が、世界各所で精力的に行われている。限界熱流束に至るとき、伝熱面からの入熱によって蒸気泡が生成され、その底部に乾き域が形成される。この後、乾き域外縁の固気液三相界線が内向きに移動して、乾き域が消滅すれば、伝熱面温度は飽和温度近くに維持される。一方、乾き域が際限なく拡大すると、伝熱面の冷却が長期間途絶えて温度上昇し、限界熱流束状態に至る。本考察より、固気液三相界線が内向きに移動する速度（濡れ進展速度）が大きい伝熱面では、乾き域が成長しにくいため、CHFが向上すると考えられる。本研究では、常温条件と核沸騰中の両方で、各種伝熱面の濡れ進展速度を計測し、別途計測するプール沸騰限界熱流束との関係を調べる。得られた結果より、濡れ進展速度を主要変数とする限界熱流束相関式を開発することを目的とする。このため、様々な濡れ進展速度を有する伝熱面を対象に、限界熱流束及び限界熱流束状態に至るときに気泡底部に形成される乾き域の動的挙動を実験的に調べることを目的として、薄板を伝熱面にするとともに、その底部よりレーザー光を入射することで、試験流体中で核沸騰を生じさせる実験系を構築した。また、本実験装置を用いて、限界熱流束時における伝熱面温度の急上昇を良好に計測可能であることを確認した。また、乾き状態にある伝熱面に試験流体を接触させることで、濡れ進展速度を実験的に定量化できることを示した。以上の手続きにより、各種伝熱面について限界熱流束と濡れ進展速度を個別に計測するとともにその関係を系統的に調査するための準備を整えた。

泡核沸腾排热是一种高效的冷却方法，具有极高的传热系数，但当超过临界热通量时，沸腾模式转变为膜式沸腾，传热系数显着下降。因此，世界各地正在积极寻求开发具有更高临界热通量值的高性能传热表面。当达到临界热通量时，由传热表面输入的热量产生蒸汽泡，并且在气泡底部形成干燥区。此后，如果干区外缘的固-汽-液三相边界线向内移动，干区消失，则传热表面温度保持接近饱和温度。另一方面，如果干燥区域无限制地扩大，则传热面的冷却会长时间中断，导致温度升高并达到临界热流状态。根据该讨论，认为在固-气-液三相边界线向内移动的速度(润湿进展速度)高的传热表面上，CHF由于干燥区域难以生长而得到改善。在本研究中，我们测量了室温下和泡核沸腾过程中各种传热表面的润湿进展率，并研究了其与单独测量的池沸腾临界热通量的关系。基于所获得的结果，目的是建立以润湿进展率作为主要变量的临界热通量相关公式。因此，我们的目的是通过实验研究临界热通量以及达到临界热通量状态时气泡底部形成的干燥区域的动态行为，针对具有不同润湿增长率的传热表面，我们构建了一个模型。实验系统，其中使用薄板作为传热表面并从板底部注入激光，在测试流体中发生核沸腾。此外，我们证实使用该实验装置可以成功测量临界热通量下传热表面温度的快速升高。此外，研究表明，通过使测试流体与干燥的传热表面接触，可以通过实验量化润湿进展的速率。通过上述过程，准备单独测量各种传热表面的临界热通量和润湿进展率，并系统地研究它们之间的关系。