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．

在液体在管道中向下流动的向下流动中，当由于沸腾产生的气泡的浮力而产生的上升速度与液体的下降速度平衡时，会出现气泡停滞的特殊情况。气泡在传热表面附近停滞，阻碍液体向传热表面的供应，导致局部着火状态，这可能导致临界热通量的出现，使传热迅速恶化。在沸腾相关设备的安全设计中，需要了解和预测临界热流密度的产生机理。因此，为了了解过冷沸腾气泡在上流和下流时的行为，我们在以水为工质的强制流沸腾系统中进行了传热实验和气泡观察实验。测试段为单面加热矩形通道，一侧为不锈钢传热面，其余三侧为透明聚碳酸酯。我们使用高速相机观察气泡行为，并对捕获的图像进行图像处理以获得气泡直径和气泡速度。从结果中我们发现，在向上流动的情况下，随着气泡直径的增大，气泡向上的速度趋于增大。另一方面，在向下流动的情况下，观察到许多沸腾气泡附着在壁表面上，并且观察到气泡向后流动。接下来，为了获得与以水为工质的常规实验相比热物理性质的影响，我们构建了以制冷剂为工质的强制流沸腾回路并进行了临界热流密度实验。考虑到向下流动的临界热通量产生机制可以用泰勒波长为代表长度进行分类，并考虑到在实验条件下，制冷剂的表面张力约为水表面张力的七分之一，实验使用内径为4毫米和8毫米的管道进行。当管道内径为4 mm时，向上流动和向下流动均出现临界热通量，这被认为是由于环流液膜干涸造成的，并且随着质量流量的增加呈现单调增加的趋势，与临界热通量值没有显着差异。另一方面，在内径为8mm的管的情况下，上升流和下降流的临界热流特性显着不同。