Significant enhancement of critical heat flux with three-dimensional porous-media manufacturing and surface modification technologies of heat-transfer surface structure

三维多孔介质制造和传热表面结构表面改性技术显着提高临界热通量

• 批准号: 21K04945
• 负责人: 古谷 正裕
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Waseda University
• 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-21K04945/
• 关键词: 沸騰熱伝達; 限界熱流束; 付加造形; 多孔質体; メニスカス; ナノ粒子; 急冷凝固; 表面改質; 多孔質構造; 沸騰冷却; 冷却限界

昨年度に改良した沸騰伝熱設備を用いて、プール沸騰熱伝達実験を行った。伝熱面の親水性を更に高めるため、水熱合成により酸化鉄及び酸化銅ナノ粒子を付着させた伝熱面を作成した。さらに伝熱面上にメニスカス効果を与えるため、線径約0.08 mmの極細線ウールを約1 mmの厚さで配置した。伝熱面に近い側からナノ粒子、極細線ウール、メッシュの複雑構造となるため、それぞれの限界熱流束及び沸騰熱伝達の向上効果を把握するため、7種類の伝熱面を作成し、個別に試験を行った。実験の結果、ナノ粒子の堆積のみでも沸騰熱伝達と限界熱流束が共に向上した。ナノ粒子堆積伝熱面に対して水滴を滴下し、接触角が低下していることを確認したことから、限界熱流束の向上は、伝熱面の親水性向上によると考えられる。極細線ウールを配置した場合にも沸騰熱伝達と限界熱流束が共に向上した。極細線ウールのメニスカス構造は拡大伝熱面として、また冷却水供給機構として機能していると考えられる。しかしながら厚さが約1 mm以上を越えると限界熱流束が顕著に低下することから、厚くなることで極細ウールとの接触抵抗が増大し、拡大伝熱面として機能せず、気泡が充満しやすくなることにより、限界熱流束を低下させると考えられる。3Dプリンタを用いてねじり板を内面に有する煙突構造を造形し、伝熱面上に設置した。円管よりねじり板を設置することで、限界熱流束が向上することが判明した。伝熱面に供給する水流量を増大できることが限界熱流束を向上させたと考えられる。これらの構造がもたらす相乗効果により限界熱流束は2.62 MW/m2と2.5倍に増大した（令和4年度中尾健人氏修士論文）。

利用去年改进的沸腾传热设备进行了池沸腾传热实验。为了进一步增加传热表面的亲水性，通过水热合成法制备了附着有氧化铁和氧化铜纳米粒子的传热表面。此外，为了在传热表面上产生弯月面效应，以约1mm的厚度放置了线径约0.08mm的超细钢丝绒。从最靠近传热表面的一侧开始，它具有纳米颗粒、超细钢丝绒和网格的复杂结构，因此为了了解每种的临界热通量和沸腾传热改善效果，我们创建了七种热转移表面并对它们进行单独分析。实验表明，仅通过纳米颗粒沉积即可改善沸腾传热和临界热通量。将水滴滴在沉积有纳米颗粒的传热表面上，确认接触角减小，因此认为临界热通量的提高是由于传热表面亲水性的提高。当放置超细钢丝绒时，沸腾传热和临界热通量均得到改善。超细钢丝绒的弯液面结构被认为起到扩大传热表面和冷却水供应机构的作用。但如果厚度超过1mm左右，临界热流密度显着下降，而且随着厚度的增加，与超细羊毛的接触阻力增大，不能起到扩大传热面的作用，容易产生气泡。这被认为可以降低临界热通量。使用 3D 打印机创建内部带有扭力板的烟囱结构，并将其安装在传热表面上。结果发现，通过安装扭曲板而不是圆管可以提高临界热通量。据认为，增加供应至传热表面的水流量可提高临界热通量。由于这些结构带来的协同效应，临界热通量增加了2.5倍，达到2.62 MW/m2（中尾贤人2021年的硕士论文）。

项目成果

金属細線の液保持構造によるプール沸騰熱伝達の向上

利用细金属丝制成的液体保留结构改善水池沸腾传热

• 发表时间: 2022
• 作者: 加納達也

金属細線の液保持構造によるプール沸騰熱伝達の向上

利用细金属丝制成的液体保留结构改善水池沸腾传热

• 发表时间: 2022
• 作者: 加納達也

Digital Twin to Digital Triplet - Tips and Tricks of Machine Learning for Nuclear Thermal Hydraulics -

数字孪生到数字三元组 - 核热水力机器学习的提示和技巧 -

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahiro Furuya

Formation and Coolability of Highly Porous Prototypic Metallic Sediments

高孔隙原型金属沉积物的形成和冷却性

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahiro Furuya; Rintaro Ohno; Kento Nakao; Akifumi Yamaji; Hirofumi Fukai; Hidetoshi Morita; Xin Li; Yuji Ohishi; Ikken Sato; Shinya Mizokami
• 通讯作者: Shinya Mizokami

Digital Twin to Digital Triplet - Tips and Tricks of Machine Learning for Nuclear Thermal Hydraulics -

数字孪生到数字三元组 - 核热水力机器学习的提示和技巧 -

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahiro Furuya