JPS5837496A - 沸騰熱伝達装置 - Google Patents
沸騰熱伝達装置Info
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- JPS5837496A JPS5837496A JP13633681A JP13633681A JPS5837496A JP S5837496 A JPS5837496 A JP S5837496A JP 13633681 A JP13633681 A JP 13633681A JP 13633681 A JP13633681 A JP 13633681A JP S5837496 A JPS5837496 A JP S5837496A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electric field
- boiling
- heat
- heat transfer
- heat flux
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/16—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は電場によって核沸騰時の熱流束の増大を計った
沸騰熱伝達装置に関する。
沸騰熱伝達装置に関する。
沸騰熱伝達における沸騰曲線は、第1図に示す如く核沸
騰状態1から頂点Pへ到シ、膜沸騰状態2となると急激
に熱流束Qが低下する、前記Pの付近を沸騰限界熱流束
と云っているが、この沸騰限界熱流束を増大させること
は、と9もなおさず沸騰熱伝達率の向上を意味し、従来
から種々の試みがなされている。
騰状態1から頂点Pへ到シ、膜沸騰状態2となると急激
に熱流束Qが低下する、前記Pの付近を沸騰限界熱流束
と云っているが、この沸騰限界熱流束を増大させること
は、と9もなおさず沸騰熱伝達率の向上を意味し、従来
から種々の試みがなされている。
その試みの一つに、電場をかけるものがある。
第2図を参照して、伝熱面3と熱交換媒体中におかれた
電極4との間に高電圧をかけ、伝熱面3付近の熱交換媒
体に電場をかける。
電極4との間に高電圧をかけ、伝熱面3付近の熱交換媒
体に電場をかける。
このようにすると、第1図の沸騰曲線が破線の如くなっ
て沸騰限界熱流束が点PからP′へ移る。このため、図
の斜線の部分だけ熱伝達量が増えるもの七なる。
て沸騰限界熱流束が点PからP′へ移る。このため、図
の斜線の部分だけ熱伝達量が増えるもの七なる。
ところが、従来の電場による沸騰限界熱流束の増大装置
は、単に高電圧の電場を与えるのみであシ、その他の条
件の最適化について1d何等考えていなかった。その理
由の一つに、電場にられてなく、伝熱面の形状効果によ
っては核沸騰領域でも熱流束の増大があることは全く知
られていなかった。
は、単に高電圧の電場を与えるのみであシ、その他の条
件の最適化について1d何等考えていなかった。その理
由の一つに、電場にられてなく、伝熱面の形状効果によ
っては核沸騰領域でも熱流束の増大があることは全く知
られていなかった。
本発明の目的は、電場による沸騰限界熱流束の増大メカ
ニズムを理論的に解析し、これによって望ましい伝熱面
形状を与えることにょシ核沸騰領域での熱流束を増大さ
せた沸騰熱伝達装置を提供せんとするにある。
ニズムを理論的に解析し、これによって望ましい伝熱面
形状を与えることにょシ核沸騰領域での熱流束を増大さ
せた沸騰熱伝達装置を提供せんとするにある。
以下、詳細に説明する。
沸騰限界熱流束を決める要因については、現在までのと
ころ確固たる理論がない。本発明者らは気−液界面に発
生する2つの不安定にょっ不安定であシ、第3図の(a
)、(1))に示すものである。第3図の(a)に示す
ように沸騰量が増大して伝熱面5上を一時的に蒸気の層
6が覆ってしまうと、重い液体の層7の方が軽い蒸気の
層6の上方へ位置する。このため、気液界面8が図示の
如き波形となるが、ここで不安定が発生すると気液界面
8の波の谷Hが一層伝熱面5側へ近づき、逐には液体が
伝熱面5に接する。こうして、第3図の(b)に示すよ
うに蒸気は伝熱面5上に柱Jとなって上昇する。この第
3図の(b)に示す状態が沸騰限界熱流束となった状態
であるが、沸騰限界熱流束を増大させるには気液界面8
の不安定を発生し易くするとよい。
ころ確固たる理論がない。本発明者らは気−液界面に発
生する2つの不安定にょっ不安定であシ、第3図の(a
)、(1))に示すものである。第3図の(a)に示す
ように沸騰量が増大して伝熱面5上を一時的に蒸気の層
6が覆ってしまうと、重い液体の層7の方が軽い蒸気の
層6の上方へ位置する。このため、気液界面8が図示の
如き波形となるが、ここで不安定が発生すると気液界面
8の波の谷Hが一層伝熱面5側へ近づき、逐には液体が
伝熱面5に接する。こうして、第3図の(b)に示すよ
うに蒸気は伝熱面5上に柱Jとなって上昇する。この第
3図の(b)に示す状態が沸騰限界熱流束となった状態
であるが、沸騰限界熱流束を増大させるには気液界面8
の不安定を発生し易くするとよい。
電場をかけると、第4図(a)に示すように気液界面9
に不安定が発生し易くなシ、第3図の気液界面8と比べ
て波長の小さい気液界面9となる。このため、第4図(
b’)に示すように伝熱面10上に直径の小さい多数の
蒸気の柱J1が生じる。熱流束は蒸気の柱の直径が小さ
い程大きくなる。そして、蒸気の柱の直径は不安定の発
生し易さに依存し、不安定が発生し易い程直径−例とし
て、フレオン−113を用いテ電場0と電場2 (IK
V/cmの場合の直径について測定した結果を記すと、
電場Oの場合に直径25mmだったものが電場20 K
V/cmでは直径3mmとなった。この結果、沸騰限界
熱流束は大巾に増大するものとなる3 上述の平行方向の気液界面の不安定による効果はある程
度知られていたが、茨に述べる伝熱面と垂直方向の気液
界面の不安定、即ち垂直気泡噴流の不安定は全く研究さ
れていない因子である。これは、第5図(a)、(b)
、(c)に示すようができるかと云う問題である。
に不安定が発生し易くなシ、第3図の気液界面8と比べ
て波長の小さい気液界面9となる。このため、第4図(
b’)に示すように伝熱面10上に直径の小さい多数の
蒸気の柱J1が生じる。熱流束は蒸気の柱の直径が小さ
い程大きくなる。そして、蒸気の柱の直径は不安定の発
生し易さに依存し、不安定が発生し易い程直径−例とし
て、フレオン−113を用いテ電場0と電場2 (IK
V/cmの場合の直径について測定した結果を記すと、
電場Oの場合に直径25mmだったものが電場20 K
V/cmでは直径3mmとなった。この結果、沸騰限界
熱流束は大巾に増大するものとなる3 上述の平行方向の気液界面の不安定による効果はある程
度知られていたが、茨に述べる伝熱面と垂直方向の気液
界面の不安定、即ち垂直気泡噴流の不安定は全く研究さ
れていない因子である。これは、第5図(a)、(b)
、(c)に示すようができるかと云う問題である。
先ず、第5図の(a)に示す如く蒸気の柱Jlは伝熱面
10上に発生するが、気液界面11に不安定が発生する
と、第5図の(b)に示す如く短かい蒸気の柱J2と多
数の気泡J3に切断される。
10上に発生するが、気液界面11に不安定が発生する
と、第5図の(b)に示す如く短かい蒸気の柱J2と多
数の気泡J3に切断される。
気泡J2となると、蒸気の上昇速度が遅くなり、沸騰限
界熱流束が小さくなるので、気液界面llを安定させて
不安定の発生を阻止することが望ましい、電場をかける
と、気液界面110安定度が増大し、蒸気の柱J1が切
れ難くなるものとなシ、第5図の(C)に示す如く比較
的長い蒸気の柱J、が残留し、気泡J、も縦長のものと
なる。
界熱流束が小さくなるので、気液界面llを安定させて
不安定の発生を阻止することが望ましい、電場をかける
と、気液界面110安定度が増大し、蒸気の柱J1が切
れ難くなるものとなシ、第5図の(C)に示す如く比較
的長い蒸気の柱J、が残留し、気泡J、も縦長のものと
なる。
このため、柱J、内の蒸気の上昇速度が大きくなシ、沸
騰限界熱流束が増大するものとなる。
騰限界熱流束が増大するものとなる。
上述の電場による不安定抑制効果について以下のような
理論解析を試みた結果、実験的にも検証することができ
、最適化の因子を選定するは、 ■ 軸対称蒸気噴流界面を、二次元界面で近L 度癲に比べて充分小さい。
理論解析を試みた結果、実験的にも検証することができ
、最適化の因子を選定するは、 ■ 軸対称蒸気噴流界面を、二次元界面で近L 度癲に比べて充分小さい。
■ 界面波を次式で近似する。
r7= B @ M4 (Z −c j; )(η:y
方向変位量、B:定数、ル:波数、c:伝播速度) ■ 微小界面波とする。ηA〜0 ■ 不安定の生じる臨界波長を、 λ・=πH7肩ロ;汀 とする。
方向変位量、B:定数、ル:波数、c:伝播速度) ■ 微小界面波とする。ηA〜0 ■ 不安定の生じる臨界波長を、 λ・=πH7肩ロ;汀 とする。
(、?二重力加速度、ρ1:液体の密度、ρぺ蒸気の密
度、γ:表面張力) (これは、蒸気の柱の直径がλCであり、直径ような、
相対速度のある二相界面に生じる界面静圧の増加p1(
あるいは、流路が狭くなることによる静圧の減少)であ
る。一方、界面の不安定を抑制しようとする力は、表面
張力Tと、電界の増加による増大する誘電作用Eである
。電場の効果は、図(b)中の拡大図で説明すると、界
面の変形により電気力線Mがつまるので電界強さが大き
くなシ、それに伴ないマックスウェル応力も大きくなる
。この場合、電気力線Mけ徐々につまシミ荷の緩和時間
経過すると、はぼ変動がなくなシ、もっとも電界が大き
くなる。
度、γ:表面張力) (これは、蒸気の柱の直径がλCであり、直径ような、
相対速度のある二相界面に生じる界面静圧の増加p1(
あるいは、流路が狭くなることによる静圧の減少)であ
る。一方、界面の不安定を抑制しようとする力は、表面
張力Tと、電界の増加による増大する誘電作用Eである
。電場の効果は、図(b)中の拡大図で説明すると、界
面の変形により電気力線Mがつまるので電界強さが大き
くなシ、それに伴ないマックスウェル応力も大きくなる
。この場合、電気力線Mけ徐々につまシミ荷の緩和時間
経過すると、はぼ変動がなくなシ、もっとも電界が大き
くなる。
以下、各項の大きさを求めてゆく。
まず、表面張力による圧力ΔPγは、
a2η
ΔPγ=−γaよ、 によシ求められ、ΔPγ: +
1aB42−J (Z −cf)で与えられる。
1aB42−J (Z −cf)で与えられる。
ΔF? : −py4 (c −UP)” Ba赤J
(Z −1,わ(Ul:液体の速度、 U、:気体の速
度)よって、液体と気体の流体としての静圧の差ΔPs
はΔPs= (ΔP1−ΔPア)で求まる。
(Z −1,わ(Ul:液体の速度、 U、:気体の速
度)よって、液体と気体の流体としての静圧の差ΔPs
はΔPs= (ΔP1−ΔPア)で求まる。
さらに、界面に働く電気的な力ΔPoは、界面の変形に
よる(+(εJ−ε・)E21の大きさの変化から求ま
る。(ε:誘電率、x:電界強さ)マックスウェル応力
の値は、電流の連続式より求める。つまシdJAPJ=
= alφ−0(J:電流密度、φ:電位、σ:電気伝
導度)が液体の中で成り立つので、 0−EoBkOσ−IA(Z−cス) の境界条件で解くと、電位φの解として、+47 φ=−B。Z E(、Be 、 cei 4 (
Z−c、f) が求まる。
よる(+(εJ−ε・)E21の大きさの変化から求ま
る。(ε:誘電率、x:電界強さ)マックスウェル応力
の値は、電流の連続式より求める。つまシdJAPJ=
= alφ−0(J:電流密度、φ:電位、σ:電気伝
導度)が液体の中で成り立つので、 0−EoBkOσ−IA(Z−cス) の境界条件で解くと、電位φの解として、+47 φ=−B。Z E(、Be 、 cei 4 (
Z−c、f) が求まる。
よって、これより
E” = 雄+ 4−s=−g (1−2B、Al1
(Z−CQ )となシ、マックスウェル応力の変化分は
ΔPe=Δ(+(εj !JP”)==−(az −6
のIg−134Jt(Z−ci )と求まる。
(Z−CQ )となシ、マックスウェル応力の変化分は
ΔPe=Δ(+(εj !JP”)==−(az −6
のIg−134Jt(Z−ci )と求まる。
よって、これよシ、気−液界面における圧力のバランス
を求めると ΔPg≧ΔPo+ΔP、の時、界面の変動は、よシ増幅
されるので不安定が発生することになる。よってΔP日
=ΔPo+ΔPγ が不安定発生の臨界条件を与える。
を求めると ΔPg≧ΔPo+ΔP、の時、界面の変動は、よシ増幅
されるので不安定が発生することになる。よってΔP日
=ΔPo+ΔPγ が不安定発生の臨界条件を与える。
(Pza(c−Uz)”+ρyA(c−Uy)2)Bm
A (z−c、c)=+(ε□−ε、 )E:B4A
iJrLA(Z−ct)+1f342〜J (Z−Cス
)両辺からBA廉A(z−c、i)f消去し、波の伝播
速度Cの値を求めると、k=」Lも使って、λ となる、不安定が発生する時、波の伝播速度はであり、
Uj〜0より、蒸気速度Uアはで与えられる。
A (z−c、c)=+(ε□−ε、 )E:B4A
iJrLA(Z−ct)+1f342〜J (Z−Cス
)両辺からBA廉A(z−c、i)f消去し、波の伝播
速度Cの値を求めると、k=」Lも使って、λ となる、不安定が発生する時、波の伝播速度はであり、
Uj〜0より、蒸気速度Uアはで与えられる。
これによシ、電場をかけない時の限界熱流束(yc)E
=oに比べて、電場をかけた時の限界熱流束(#Q)
Eは、 大きくなることがわかる。これを図示したもの以上の理
論解析の結果、電場による効果は、電界の増加による誘
電作用力の増大と表面張力とが少なくとも関係している
ことが解った。
=oに比べて、電場をかけた時の限界熱流束(#Q)
Eは、 大きくなることがわかる。これを図示したもの以上の理
論解析の結果、電場による効果は、電界の増加による誘
電作用力の増大と表面張力とが少なくとも関係している
ことが解った。
これを核沸騰状態に適用して好ましい伝熱面形状を得ん
とするには次のような構造とすればよい。
とするには次のような構造とすればよい。
第9図を参照して、伝熱面12上に多数の凹凸を設ける
。すると、凹所13内に気泡14が発生する。核沸騰時
の熱流束を増大させるにはこの気泡14が早く伝熱面1
2から離れた方がよい。電極15によって高電圧の電場
を与えると、気泡14の下端Gにおける表面張力T、を
弱める方向の力E1が作用する。このため、気泡14が
伝熱面12から離れ易くなシ、その分、核沸騰時の熱伝
達率が増大する。
。すると、凹所13内に気泡14が発生する。核沸騰時
の熱流束を増大させるにはこの気泡14が早く伝熱面1
2から離れた方がよい。電極15によって高電圧の電場
を与えると、気泡14の下端Gにおける表面張力T、を
弱める方向の力E1が作用する。このため、気泡14が
伝熱面12から離れ易くなシ、その分、核沸騰時の熱伝
達率が増大する。
以上説明したように、本発明によると、次のような効果
を生ずる。
を生ずる。
平滑面の伝熱面によると、第1図に示すように核沸騰状
態での熱流束はかわらず、沸騰限界熱流束が点Pから点
P′へ移るだけであるが、凹凸伝熱面によると、第10
図の電場をかけるこらなる伝熱面では電場の効果によシ
核沸騰域でも熱流束が増大方向ヘリフトし、核沸騰域で
第10図の斜線部分の熱流量分だけ熱伝達吋が増大する
。この作用は、電場による効果が表面張力と関係するこ
とに着目して伝熱面を凹凸面とした結果得られたもので
あり、理論解析の結果がこの着想に寄与したものである
。
態での熱流束はかわらず、沸騰限界熱流束が点Pから点
P′へ移るだけであるが、凹凸伝熱面によると、第10
図の電場をかけるこらなる伝熱面では電場の効果によシ
核沸騰域でも熱流束が増大方向ヘリフトし、核沸騰域で
第10図の斜線部分の熱流量分だけ熱伝達吋が増大する
。この作用は、電場による効果が表面張力と関係するこ
とに着目して伝熱面を凹凸面とした結果得られたもので
あり、理論解析の結果がこの着想に寄与したものである
。
第1図は平滑な伝熱面に電場をかけた場合とかけない場
合の沸騰曲線を示す図、第2図は公知の電場による沸騰
熱伝達装置の要部を示す概(b)、(c)は伝熱面と垂
直方向の不安定を説明する図、第6図の(a)、(b)
は理論解析の参照図、第7図は理論解析によって得られ
たフレオン113の熱流束の最大唾を示す特性曲線、第
8図はフレオン113の実測値、第9図は本発明の一実
施例を説明する略図、第10図は本発明の詳細な説明す
る線図である。 第 7 1ノ1 T 第 2 1ツ1 第 3 (a) 、、、 4 (a) τ゛ ”” <bノさ 図 (b)
合の沸騰曲線を示す図、第2図は公知の電場による沸騰
熱伝達装置の要部を示す概(b)、(c)は伝熱面と垂
直方向の不安定を説明する図、第6図の(a)、(b)
は理論解析の参照図、第7図は理論解析によって得られ
たフレオン113の熱流束の最大唾を示す特性曲線、第
8図はフレオン113の実測値、第9図は本発明の一実
施例を説明する略図、第10図は本発明の詳細な説明す
る線図である。 第 7 1ノ1 T 第 2 1ツ1 第 3 (a) 、、、 4 (a) τ゛ ”” <bノさ 図 (b)
Claims (1)
- 電場をかけることによって沸騰熱伝達を促進させる装置
において、伝熱面に多数の凹凸を設けて核沸騰時の熱流
束を増大させることを特徴とする沸騰熱伝達装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13633681A JPS5837496A (ja) | 1981-08-31 | 1981-08-31 | 沸騰熱伝達装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13633681A JPS5837496A (ja) | 1981-08-31 | 1981-08-31 | 沸騰熱伝達装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5837496A true JPS5837496A (ja) | 1983-03-04 |
Family
ID=15172827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13633681A Pending JPS5837496A (ja) | 1981-08-31 | 1981-08-31 | 沸騰熱伝達装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5837496A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61225590A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-07 | Agency Of Ind Science & Technol | 高性能沸騰面の電場を利用した熱伝達量調整装置 |
| JPS6241594A (ja) * | 1985-08-16 | 1987-02-23 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 蒸発器 |
| JPS6352034A (ja) * | 1986-08-21 | 1988-03-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 単一モ−ド光フアイバの測定方法および装置 |
| US5072780A (en) * | 1988-11-18 | 1991-12-17 | Agency Of Industrial Science & Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Method and apparatus for augmentation of convection heat transfer in liquid |
| JPH0461011U (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-26 | ||
| US5769155A (en) * | 1996-06-28 | 1998-06-23 | University Of Maryland | Electrohydrodynamic enhancement of heat transfer |
-
1981
- 1981-08-31 JP JP13633681A patent/JPS5837496A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61225590A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-07 | Agency Of Ind Science & Technol | 高性能沸騰面の電場を利用した熱伝達量調整装置 |
| JPS6241594A (ja) * | 1985-08-16 | 1987-02-23 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 蒸発器 |
| JPS6352034A (ja) * | 1986-08-21 | 1988-03-05 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 単一モ−ド光フアイバの測定方法および装置 |
| US5072780A (en) * | 1988-11-18 | 1991-12-17 | Agency Of Industrial Science & Technology, Ministry Of International Trade & Industry | Method and apparatus for augmentation of convection heat transfer in liquid |
| JPH0461011U (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-26 | ||
| US5769155A (en) * | 1996-06-28 | 1998-06-23 | University Of Maryland | Electrohydrodynamic enhancement of heat transfer |
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