気泡停滞下における限界熱流束の解明および予測モデルの構築

气泡停滞下临界热通量的阐明和预测模型的构建

基本信息

批准号：
22K03972
负责人：
網健行
金额：
$ 2.08万
依托单位：
Kansai University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03972/
关键词：
限界熱流束下降流

项目摘要

液体が管内を下向きに流れる下降流では，沸騰によって生成された気泡の浮力による上昇速度と液体の下降速度が釣り合う条件では，気泡が停滞する特殊な条件が生じる．伝熱面近傍で気泡が停滞し，伝熱面への液体の供給を阻害することで，局所的に空焚きの状態となり，伝熱が急激に劣化する限界熱流束の発生につながる恐れがある．沸騰関連機器の安全設計においては限界熱流束の発生機構の把握ならびに予測が必要となる．そこで，まずは上昇流と下降流におけるサブクール沸騰気泡挙動を把握するために，作動流体に水を用いた強制流動沸騰系における伝熱実験および気泡観察実験を行った．テストセクションは1面をステンレス伝熱面，残り3面を透明ポリカーボネートとする片面加熱矩形流路である．ハイスピードカメラを用いて気泡挙動を観察し，取得画像に対して画像処理を行うことで，気泡直径，気泡速度を取得した．結果より，上昇流の場合，気泡直径が大きくなるとともに気泡の上昇速度が増加する傾向を得た．一方，下降流の場合，多くの沸騰気泡が壁面に付着しているとともに，逆流する気泡を確認することができた．次に，従来の水を作動流体とする実験に対し，熱物性の影響を得るために，冷媒を作動流体とする強制流動沸騰ループを構築し，限界熱流束実験を行った．下降流の限界熱流束発生機構はテーラー波長を代表長さとして分類できると考え，実験条件下では，冷媒の表面張力が水の表面張力の値の7分の1程度となることを考慮し，管内径4 mmと8 mmを対象に実験を行った．管内径4 mmの場合，上昇流と下降流ともに，環状流液膜ドライアウトによると考えられる限界熱流束が発生し，質量流束の増加と伴に単調増加する傾向を示し，限界熱流束の値にあまり差は見られなかった．一方，管内径8 mmの場合，上昇流と下降流の限界熱流束は大きく異なる特性を得ることができた．

在液体向下流过管道的向下流动中，出现了特殊条件，其中由于沸腾产生的气泡浮力而引起的上升速率和液体的下降速率。气泡在传热表面附近停滞不前，阻塞了向传热表面的液体供应，导致局部空气加热，从而导致临界热通量产生，从而导致热传递的突然恶化。在与沸腾相关设备的安全设计中，有必要理解和预测产生关键热通量的机制。因此，首先，为了理解向上和向下流中的亚冷沸腾气泡的行为，我们进行了传热实验，并进行了一个使用水作为工作流体的强制流沸腾系统中气泡的实验。测试部分是一个单面加热矩形流动路径，一侧由不锈钢传热表面和剩余的三个侧面由透明的聚碳酸酯制成。使用高速摄像头观察到气泡行为，并在获得的图像上进行图像处理，以获得气泡直径和气泡速度。结果表明，在上游流动的情况下，气泡直径增加，上升速度增加。另一方面，在向下流动的情况下，许多沸腾的气泡附着在墙上，并且有可能确认气泡向后流动。接下来，为了获得热性能对使用水作为工作流体的传统实验的影响，在构建工作流体时，用冷流式沸腾环进行了强制流沸腾环，并进行了关键的热通量实验。生成临界热通量向下流动的机制可以归类为泰勒波长作为代表长度，在实验条件下，制冷剂的表面张力约为水的表面张力，并在管子内直径4 mm和8 mm上进行实验。对于4毫米的管直径，临界热通量被认为是由环流液体膜干燥引起的，是针对向上和向下流动的，并且显示出随着质量通量的增加而单调增加的趋势，并且关键热量通量的值无显着差异。另一方面，当管道直径为8毫米时，可以以非常不同的特性来实现向上和向下流的临界热通量。