三角形管内流動・伝熱

正三角形管内流動時の圧力損失低減と伝熱劣化

技術情報1


 超伝導送電用冷媒配管以外に熱交換器等でもスラッシュ窒素の使用が予想され、スラッシュ流体が種々の断面形状をもつ配管内を流動する際の流動、伝熱特性が重要となる。極低温機器に多用されているプレートフィン型コンパクト熱交換器の流路は三角形であり、一般に三角形管は同一水力直径 D の円管、正方形管と比較すると伝熱面積(周長)が増加すると共に集積性にも優れる特徴がある。

 水平正三角形管(一辺 20 mm、水力直径D= 11.55 mm)では、 頂点が上向き(Type A)、下向き(逆正三角形、Type B)、横向き(Type C)の3種類の断面姿勢でスラッシュ窒素の実験を行った。加熱時(熱流束10 kW/m2)のType Bの圧力損失低減と伝熱劣化の実験結果を上図に示す。また、3種類の断面姿勢において得られた熱流束 10 kW/m2の結果を下図に示す。流速 1.3-1.8 m/s 以上において圧力損失低減が現れ、最大低減量は加熱の有無によらず 16-19%であった。熱伝達劣化は 1.2-1.8 m/s 以上の流速で現れ、最大劣化量は 13-16%であった [22, 24]。

 また、一辺 12 mmの水平正方形管では流速 2.5 m/s 以上で圧力損失が液体窒素と比べて最大 12%低減し、熱流束 10 kW/m2でも圧力損失が最大 12%低減し、熱伝達率も最大 16% 劣化する [23, 24]。

 正三角形管の圧力損失データをもとに、液体窒素の粘性係数 μL を用いたスラッシュ Re数(ReSL)と管摩擦係数 λ の関係式を最小自乗法により求めると、下図に示すように、流速と体積固相率 x から圧力損失低減を考慮した管摩擦係数を精度良く予測できる関係式が得られる [24]。三角形管の場合、圧力損失低減量が円管と比較して小さいため、みかけの粘性係数 μSL = μL [1-(x /0.6)]-1.8 [33] よりも液体窒素の粘性係数 μL を用いる方が精度が良い(”円管内流動・伝熱、PIV”の項参照)。正方形管の場合も、液体窒素の粘性係数を用いる方が精度が良い。圧力損失低減を考慮した管摩擦係数を精度良く予測できる関係式はポンプ動力を推定する際に、工学上非常に有用である。