JPS6050280B2 - 電場付与による液滴と連続相流体間の熱移動または物質移動促進法 - Google Patents
電場付与による液滴と連続相流体間の熱移動または物質移動促進法Info
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- JPS6050280B2 JPS6050280B2 JP11004381A JP11004381A JPS6050280B2 JP S6050280 B2 JPS6050280 B2 JP S6050280B2 JP 11004381 A JP11004381 A JP 11004381A JP 11004381 A JP11004381 A JP 11004381A JP S6050280 B2 JPS6050280 B2 JP S6050280B2
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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)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、液滴と周囲の媒体との間の熱移動または物質
移動を、電気流体力学的な手段により促進させる方法に
関するものである。
移動を、電気流体力学的な手段により促進させる方法に
関するものである。
液体を別の液体もしくは気体中に液滴として分散させ、
両者間に熱移動または物質移動を行なわす操作は工業土
工く用いられている。
両者間に熱移動または物質移動を行なわす操作は工業土
工く用いられている。
特に近年、工場廃熱等比較的低温の熱エネルギー回収に
際しては、一般に小温度差のもとで流体間に熱交換を行
なわさなければならないことから、液−液直接接触式の
熱交換方式が注目されてきている。このような場合に、
何らかの外力を用いて液滴と連続相との相対速度を大き
くしてやれば、両者間の熱移動もしくは物質移動速度は
増大し、その結果、装置の小型化をはかることができる
。液−液系においては、機械的な攪拌が用いられること
が多いが、これに伴う動力損失は一般にかなり大きく、
廃熱回収等の目的には適していない。連続相流体が非導
電性の場合には、電場を付与することにより、より効率
的に熱移動もしくは物質移動を促進せしめることが可能
であり、これまでに二、Ξの具体的方法が提案されてき
た。その一つは、高電圧を印加した金属製ノズルから正
電荷を持つた液滴を作り、鉛直下向きに直流電場を付与
して液滴の落下速度を増大させるというものである（た
とえば、Ｊ、Ｈ、ＨａｒｋｅｒａｎｄＪ。
際しては、一般に小温度差のもとで流体間に熱交換を行
なわさなければならないことから、液−液直接接触式の
熱交換方式が注目されてきている。このような場合に、
何らかの外力を用いて液滴と連続相との相対速度を大き
くしてやれば、両者間の熱移動もしくは物質移動速度は
増大し、その結果、装置の小型化をはかることができる
。液−液系においては、機械的な攪拌が用いられること
が多いが、これに伴う動力損失は一般にかなり大きく、
廃熱回収等の目的には適していない。連続相流体が非導
電性の場合には、電場を付与することにより、より効率
的に熱移動もしくは物質移動を促進せしめることが可能
であり、これまでに二、Ξの具体的方法が提案されてき
た。その一つは、高電圧を印加した金属製ノズルから正
電荷を持つた液滴を作り、鉛直下向きに直流電場を付与
して液滴の落下速度を増大させるというものである（た
とえば、Ｊ、Ｈ、ＨａｒｋｅｒａｎｄＪ。
Ａｈｍａｄ２ａｄｅｈ） Ｉｎｔ、Ｊ、ＨｅａｔＭａｓ
ｓＴｒａｎｓｆｅｒ）Ｖｏｌ、１７、ｐｐ、１２１９−
１２２反１９７４）。この場合、熱移動もしくは物質移
動の速度は増大するが、同一落下距離内での移動量はむ
しろ減少することすらあり、したがつて装置の高さの増
大が不可欠となる。また、特に液一液系においては、連
続相の比抵抗が１０’゛Ω・几以下のことも多く、この
ようなＪ場合には液滴上の電荷が連続相を通して次第に
失なわれるため落下速度が低下し、熱移動、物質移動の
速度も低下してしまうことが考えられる。これに対し、
電場を断続的に付与することによつて液滴に変形振動を
与え、熱移動や物質移動を促進７させるという方法も提
案されている（特許第１０４３７３１号）。しカルなが
ら、この方法は断続的な電場を与える特殊な電源を必要
とすること、また液滴が小さくなると促進効果が低下す
るという欠点がある（Ｊ．ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ．
．ＶＯｌ．ｌＯ２、Ｐｐ．３２一３７、１９８０）。本
発明は、通常の直流電場により、上記の断続電場法に匹
敵する熱移動、物質移動の促進を得させ、装置の高さの
大幅な縮少を可能にした点に特徴がある。
ｓＴｒａｎｓｆｅｒ）Ｖｏｌ、１７、ｐｐ、１２１９−
１２２反１９７４）。この場合、熱移動もしくは物質移
動の速度は増大するが、同一落下距離内での移動量はむ
しろ減少することすらあり、したがつて装置の高さの増
大が不可欠となる。また、特に液一液系においては、連
続相の比抵抗が１０’゛Ω・几以下のことも多く、この
ようなＪ場合には液滴上の電荷が連続相を通して次第に
失なわれるため落下速度が低下し、熱移動、物質移動の
速度も低下してしまうことが考えられる。これに対し、
電場を断続的に付与することによつて液滴に変形振動を
与え、熱移動や物質移動を促進７させるという方法も提
案されている（特許第１０４３７３１号）。しカルなが
ら、この方法は断続的な電場を与える特殊な電源を必要
とすること、また液滴が小さくなると促進効果が低下す
るという欠点がある（Ｊ．ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ．
．ＶＯｌ．ｌＯ２、Ｐｐ．３２一３７、１９８０）。本
発明は、通常の直流電場により、上記の断続電場法に匹
敵する熱移動、物質移動の促進を得させ、装置の高さの
大幅な縮少を可能にした点に特徴がある。
本発明の基本概念を第１図によつて説明する。連続相流
体１の中に置かれた２枚の電極板２の間に直流電場を付
与する。ここに導入された液適３を何らかの手段で一方
の電極、たとえば陰極、に接触させると、液滴は負の電
荷を持ち、クーロンカによりはね返されて、陽極へ向か
つて泳動する。液滴を構成している分散相液体について
の比抵抗と比誘電率の積が連続相のそれよりも小さけれ
ば、同図中に示したように、泳動中の液滴の陽極側表面
には負電荷が、陰極側表面には正電荷が現れ、静電応力
により液滴は電場の方向に引き伸ばされて長楕円体状と
なる。但し、上記のように陽極へ向かつて泳動している
際には、正電荷の量は負電荷のそれにくらべて小さく、
液滴は正味の負電荷を持つている。この液滴が電極間の
間隙を横断して陽極に接触すると、陽極との間で電荷を
交換し、以前とは逆に正味の正電荷を持つて、陰極へ戻
つていく。かくして、液滴は連続的な電極間往復運動を
なするようになる。一般には、液滴にはクーロンカの他
に重力あるいは浮力が働くので、液滴は電極間をジグザ
グ状に落下あるいは上昇していく。電場強さと共に液滴
の並進運動速度は増大し、液滴と連続相との間の熱移動
一または物質移動は更に促進される。一方、並進運動速
度の鉛直方向成分、即ち落下速度あるいは上昇速度は上
記のような電場の付与によつてはほとんど変化しないは
ずであり、したがつて、熱移動あるいは物質移動の速度
の増大に応じて装置の高．さを縮小することが可能とな
る。熱移動についての促進効果を確認するために発明者
らが行なつた実験について以下に略述する。実験装置と
方法の概略を第２図に示す。
体１の中に置かれた２枚の電極板２の間に直流電場を付
与する。ここに導入された液適３を何らかの手段で一方
の電極、たとえば陰極、に接触させると、液滴は負の電
荷を持ち、クーロンカによりはね返されて、陽極へ向か
つて泳動する。液滴を構成している分散相液体について
の比抵抗と比誘電率の積が連続相のそれよりも小さけれ
ば、同図中に示したように、泳動中の液滴の陽極側表面
には負電荷が、陰極側表面には正電荷が現れ、静電応力
により液滴は電場の方向に引き伸ばされて長楕円体状と
なる。但し、上記のように陽極へ向かつて泳動している
際には、正電荷の量は負電荷のそれにくらべて小さく、
液滴は正味の負電荷を持つている。この液滴が電極間の
間隙を横断して陽極に接触すると、陽極との間で電荷を
交換し、以前とは逆に正味の正電荷を持つて、陰極へ戻
つていく。かくして、液滴は連続的な電極間往復運動を
なするようになる。一般には、液滴にはクーロンカの他
に重力あるいは浮力が働くので、液滴は電極間をジグザ
グ状に落下あるいは上昇していく。電場強さと共に液滴
の並進運動速度は増大し、液滴と連続相との間の熱移動
一または物質移動は更に促進される。一方、並進運動速
度の鉛直方向成分、即ち落下速度あるいは上昇速度は上
記のような電場の付与によつてはほとんど変化しないは
ずであり、したがつて、熱移動あるいは物質移動の速度
の増大に応じて装置の高．さを縮小することが可能とな
る。熱移動についての促進効果を確認するために発明者
らが行なつた実験について以下に略述する。実験装置と
方法の概略を第２図に示す。
メチルフェニルシリコン油１を満たした容器内に２枚の
−黄銅製鉛直平行平板電極２を設ける。電極は高圧安定
化直流電源へ接続されている。一定の体積を持つ水滴３
が、容器下端から電極間陰極寄りに注入され、メチルフ
ェニルシリコン油中を浮上する。水滴の初期温度Ｔ１は
約２７℃、電極間のメチルフェニルシリコン油の温度Ｔ
Ｏは５００Ｃ一定に保たれた。水滴が一定の高さＨｌＯ
に達したときに電場を付与する。空間電荷の蓄積により
電極近傍ほど電場が強いため、水滴は誘電泳動力により
徐々に陰極に引き寄せられやがて接触する。電極間距離
と電場強さが適当であれば、この後は先に述べたように
、水滴が電極間往復運動を行ないながらジグザグ状に上
昇していく。水滴がある高さＨ２。゛に達したとき電場
が切られ、その後水滴は直線的に上昇し、真空断熱層４
を持つガラス製ロード５に吸い込まれて、熱電対６によ
つてその温度Ｔを測定される。熱電対接点の高さＨ＜５
Ｈ２。との差を一定に保ちつつロードを鉛直方向にトラ
バースさせてこの測定を繰り返すことにより、水滴温度
ＴのＨに対する依存が求まり、その水滴と等しい体積を
持つ球の表面積を基準とする熱伝達率αが次式で計算さ
れる。ここで、ρ、Ｃ．．Ｄ，．Ｕはそれぞれ水滴の密
度、比熱、同体積の球の直径、上昇速度であり、Ｕは１
６Ｔ！Ｒｍ高速度写真撮影によつて知られる。
−黄銅製鉛直平行平板電極２を設ける。電極は高圧安定
化直流電源へ接続されている。一定の体積を持つ水滴３
が、容器下端から電極間陰極寄りに注入され、メチルフ
ェニルシリコン油中を浮上する。水滴の初期温度Ｔ１は
約２７℃、電極間のメチルフェニルシリコン油の温度Ｔ
Ｏは５００Ｃ一定に保たれた。水滴が一定の高さＨｌＯ
に達したときに電場を付与する。空間電荷の蓄積により
電極近傍ほど電場が強いため、水滴は誘電泳動力により
徐々に陰極に引き寄せられやがて接触する。電極間距離
と電場強さが適当であれば、この後は先に述べたように
、水滴が電極間往復運動を行ないながらジグザグ状に上
昇していく。水滴がある高さＨ２。゛に達したとき電場
が切られ、その後水滴は直線的に上昇し、真空断熱層４
を持つガラス製ロード５に吸い込まれて、熱電対６によ
つてその温度Ｔを測定される。熱電対接点の高さＨ＜５
Ｈ２。との差を一定に保ちつつロードを鉛直方向にトラ
バースさせてこの測定を繰り返すことにより、水滴温度
ＴのＨに対する依存が求まり、その水滴と等しい体積を
持つ球の表面積を基準とする熱伝達率αが次式で計算さ
れる。ここで、ρ、Ｃ．．Ｄ，．Ｕはそれぞれ水滴の密
度、比熱、同体積の球の直径、上昇速度であり、Ｕは１
６Ｔ！Ｒｍ高速度写真撮影によつて知られる。
水滴の球相当直径Ｄ１電極間距離１１電極間電圧差をｌ
で割つた平均電場強さＥを系統的に変えて実験を行なつ
た結果、特定のＤ＜５１に対し水滴の電極間往復運動を
可能ならしめる特定のＥの範囲が存在することがわかつ
た。第３図にＤ＝４．５順の場合について、そのような
往復運動可能域を示す。図中Ｅ＜Ｅｍｉｎの領域におい
ては、一方の電極に接触してはね返つた水滴は、次第に
その泳動速度を低下させ、もう一方の電極に到達する前
に停止してしまう。これは、連続相の絶縁性の不完全さ
のため、水滴上の電荷が泳動中に失なわれていくことに
よると考えられる。本実験で連続相として用いたメチル
フェニルシリコン油は代表的な絶縁性液体の一つである
が、５００Ｃにおいて水で飽和されているため、その比
抵抗は３．２×１０１でΩ・ｍ程度になつており、これ
は純粋な状態における値の約１１３０００に過ぎない。
したがつて、その電荷緩和時間（誘電率を比抵抗で割つ
たもの）は０．８Ｓ程度となり、水滴か電極間を横断中
に正味の電荷の一部もしくはほとんど失うという上記の
仮説を裏づける。一般に絶縁油として知られる液体は、
水等の導電性液体がわすかに溶解した場合、著しく絶縁
性が低下するものであり、その度合に応じてＥｍｉｎが
決まるという点に注意する必要がある。一方、Ｅ＞Ｅｍ
ａｘの領域においては、水滴は電場方向に強く引き伸は
されて破壊してしまう。１の増大と共にＥｍｉｎは上昇
しやがてＥｍａｘと一致する。
で割つた平均電場強さＥを系統的に変えて実験を行なつ
た結果、特定のＤ＜５１に対し水滴の電極間往復運動を
可能ならしめる特定のＥの範囲が存在することがわかつ
た。第３図にＤ＝４．５順の場合について、そのような
往復運動可能域を示す。図中Ｅ＜Ｅｍｉｎの領域におい
ては、一方の電極に接触してはね返つた水滴は、次第に
その泳動速度を低下させ、もう一方の電極に到達する前
に停止してしまう。これは、連続相の絶縁性の不完全さ
のため、水滴上の電荷が泳動中に失なわれていくことに
よると考えられる。本実験で連続相として用いたメチル
フェニルシリコン油は代表的な絶縁性液体の一つである
が、５００Ｃにおいて水で飽和されているため、その比
抵抗は３．２×１０１でΩ・ｍ程度になつており、これ
は純粋な状態における値の約１１３０００に過ぎない。
したがつて、その電荷緩和時間（誘電率を比抵抗で割つ
たもの）は０．８Ｓ程度となり、水滴か電極間を横断中
に正味の電荷の一部もしくはほとんど失うという上記の
仮説を裏づける。一般に絶縁油として知られる液体は、
水等の導電性液体がわすかに溶解した場合、著しく絶縁
性が低下するものであり、その度合に応じてＥｍｉｎが
決まるという点に注意する必要がある。一方、Ｅ＞Ｅｍ
ａｘの領域においては、水滴は電場方向に強く引き伸は
されて破壊してしまう。１の増大と共にＥｍｉｎは上昇
しやがてＥｍａｘと一致する。
それ以上のＩにおいては、いかなるＥによつても水滴の
電極間往復運動を継続させることはできない。また１の
下限は定かでないが、Ｄの２倍程度と考えておいてよい
であろう。上記の往復運動可能域における伝熱促進率α
／α０Ｉ：．Ｅの関係を第４図に示す。ここでα。は電
場を付与しない場合の熱伝達率である。水滴の電極間往
復運動により、条件によつては３倍以上の伝熱促進が得
られている。同図中には比較のため、水滴を１＝５０７
ｒ０ｎなる電極間中央に導入し、電場付与下において直
線的に上昇させた場合のデータを、右上がりの斜線を付
した記号で示してある。この場合の伝熱促進は主に水滴
内外に誘起される循環流によると考えられるが、滴が破
壊する寸前の強さの電場を与えても、得られる伝熱促進
は４０％程度にすぎず、これに対し電極間往復運動によ
る促進がいかに効果的かがわかる。電極間往復運動によ
る伝熱促進を更に子細に検討してみると、本実験で用い
た３種類の電極間距離（１＝１５．飄２６．１、３８．
１Ｔｍ）のうち１＝２６．１？の場合が全般に最も高い
促進を与えており、特定のＤごとに最適のｌが存在する
ことが推定される。またＤが減少するほど促進率が高ま
り、特にＥｍａｘ直前の電場強さで得られる促進率の上
限は、Ｄの減少と共に急激に増大するようである。これ
は先に述べた断続電場法とは逆の傾向であり、液滴が小
さいか界面張力が大きいことにより、あるいはその両者
によつて、液滴が電場により変形されにくい場合には、
本発明の方法は断続電場法よりもはるかに高い伝熱促進
を与えると思われる。本発明の欠点としては、帯電した
液滴が電極間を往復するため、電極間を通過する平均電
流か増゛すことが考えられる。
電極間往復運動を継続させることはできない。また１の
下限は定かでないが、Ｄの２倍程度と考えておいてよい
であろう。上記の往復運動可能域における伝熱促進率α
／α０Ｉ：．Ｅの関係を第４図に示す。ここでα。は電
場を付与しない場合の熱伝達率である。水滴の電極間往
復運動により、条件によつては３倍以上の伝熱促進が得
られている。同図中には比較のため、水滴を１＝５０７
ｒ０ｎなる電極間中央に導入し、電場付与下において直
線的に上昇させた場合のデータを、右上がりの斜線を付
した記号で示してある。この場合の伝熱促進は主に水滴
内外に誘起される循環流によると考えられるが、滴が破
壊する寸前の強さの電場を与えても、得られる伝熱促進
は４０％程度にすぎず、これに対し電極間往復運動によ
る促進がいかに効果的かがわかる。電極間往復運動によ
る伝熱促進を更に子細に検討してみると、本実験で用い
た３種類の電極間距離（１＝１５．飄２６．１、３８．
１Ｔｍ）のうち１＝２６．１？の場合が全般に最も高い
促進を与えており、特定のＤごとに最適のｌが存在する
ことが推定される。またＤが減少するほど促進率が高ま
り、特にＥｍａｘ直前の電場強さで得られる促進率の上
限は、Ｄの減少と共に急激に増大するようである。これ
は先に述べた断続電場法とは逆の傾向であり、液滴が小
さいか界面張力が大きいことにより、あるいはその両者
によつて、液滴が電場により変形されにくい場合には、
本発明の方法は断続電場法よりもはるかに高い伝熱促進
を与えると思われる。本発明の欠点としては、帯電した
液滴が電極間を往復するため、電極間を通過する平均電
流か増゛すことが考えられる。
しかし、上に述べた実験において電力消費を見積つてみ
たところ、それは得られる伝熱促進量にくらべて十分に
小さく、本発明の促進法は経済的に成り立ち得るもので
あることが確認された。以上、熱移動を例にとり本発明
の効果を述べたが、熱移動と物質移動との間の相似性か
ら、物質移動についても同様の効果が得られるはずであ
り、本発明は熱交換器のみならず液々抽出装置等に広く
応用し得るものと考えられる。
たところ、それは得られる伝熱促進量にくらべて十分に
小さく、本発明の促進法は経済的に成り立ち得るもので
あることが確認された。以上、熱移動を例にとり本発明
の効果を述べたが、熱移動と物質移動との間の相似性か
ら、物質移動についても同様の効果が得られるはずであ
り、本発明は熱交換器のみならず液々抽出装置等に広く
応用し得るものと考えられる。
第１図は本発明の基本概念の説明図、第２図は本発明の
効果を確認するために発明者らが用いた実験装置と実験
方法の概略図、第３図は球相当直径４．５７７５の水滴
が電極間往復運動を継続し得る領域を示したグラフ図で
、ｌは電極間距離、Ｅは電極間電位差を１で割つた平均
電場強さを示しており、第４図は電場を付与しない場合
の熱伝達率αｏに対する電場を付与した場合の熱伝達率
αの比を、Ｅの関数として示したグラフ図である。
効果を確認するために発明者らが用いた実験装置と実験
方法の概略図、第３図は球相当直径４．５７７５の水滴
が電極間往復運動を継続し得る領域を示したグラフ図で
、ｌは電極間距離、Ｅは電極間電位差を１で割つた平均
電場強さを示しており、第４図は電場を付与しない場合
の熱伝達率αｏに対する電場を付与した場合の熱伝達率
αの比を、Ｅの関数として示したグラフ図である。
Claims (1)
- １ 対向電極間に絶縁性連続相流体を介在させると共に
前記連続相流体の絶縁性を維持しながら前記対向電極間
に実質的な放電を発生することのない所定の直流高電圧
を印加し、前記対向電極間に存在させた液滴状の導電性
分散相流体を前記各対向電極と接触させて電荷交換を行
なわせることによつて正味電荷が正及び負となる様に交
互に帯電させて前記直流高電圧印加による電気力に応じ
て前記対向電極間で連続的な往復運動を行なわせ、前記
分散相流体と前記連続相流体との間の熱移動又は物質移
動を促進させる方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11004381A JPS6050280B2 (ja) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | 電場付与による液滴と連続相流体間の熱移動または物質移動促進法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11004381A JPS6050280B2 (ja) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | 電場付与による液滴と連続相流体間の熱移動または物質移動促進法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5812996A JPS5812996A (ja) | 1983-01-25 |
| JPS6050280B2 true JPS6050280B2 (ja) | 1985-11-07 |
Family
ID=14525656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11004381A Expired JPS6050280B2 (ja) | 1981-07-16 | 1981-07-16 | 電場付与による液滴と連続相流体間の熱移動または物質移動促進法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6050280B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111628625A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-04 | 中国科学技术大学 | 一种光控制的电场驱动液态金属液滴的装置 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6244985A (ja) * | 1985-08-23 | 1987-02-26 | 株式会社日立製作所 | エレクトロルミネセンス素子 |
| AU2001280627A1 (en) * | 2000-07-18 | 2002-01-30 | Illinois Institute Of Technology | Electrohydrodynamic conduction pump |
-
1981
- 1981-07-16 JP JP11004381A patent/JPS6050280B2/ja not_active Expired
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111628625A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-09-04 | 中国科学技术大学 | 一种光控制的电场驱动液态金属液滴的装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5812996A (ja) | 1983-01-25 |
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