臨界熱流束

熱伝達の研究において、臨界熱流束（CHF）とは、沸騰 が固体表面から液体への熱伝達の有効な形態ではなくなる熱流束のことです

説明

流動沸騰状態の進行（上）と熱伝達の定性的な説明（下）。

沸騰システムは、液体の冷媒が加熱された固体表面からエネルギーを吸収し、相変化を起こすシステムです。流動沸騰システムでは、飽和流体は、蒸気の質が高まるにつれて一連の流動状態を経ます。沸騰を利用するシステムでは、流体が単相（すべて液体またはすべて蒸気）である場合よりも熱伝達率が大幅に高くなります。加熱された表面からのより効率的な熱伝達は、蒸発熱と顕熱によるものです。そのため、沸騰熱伝達は、原子力発電所や化石燃料発電所の巨視的熱伝達交換器などの産業用熱伝達プロセス、および電子チップを冷却するためのヒートパイプやマイクロチャネルなどの微視的熱伝達デバイスで重要な役割を果たしてきました。

熱除去手段としての沸騰の利用は、臨界熱流束（CHF）と呼ばれる条件によって制限されます。CHF付近で発生する可能性のある最も深刻な問題は、熱伝達の大幅な低下により、加熱面の温度が急激に上昇する可能性があることです。電子機器の冷却や宇宙機器などの産業用途では、急激な温度上昇によって機器の健全性が損なわれる可能性があります。

二相熱伝達

均一に加熱された壁と作動流体間の対流熱伝達は、ニュートンの冷却の法則によって説明され ます

q＝h（Tw−Tf){\displaystyle q=h(T_{w}-T_{f})\,}

ここで、は熱流束、は熱伝達係数と呼ばれる比例定数、は壁面温度、は流体温度を表します。CHF状態の発生によりが著しく減少した場合、は一定値に対して増加し、は一定値に対して減少します。 q{\displaystyle q}h{\displaystyle h}Tw{\displaystyle T_{w}}Tf{\displaystyle T_{f}}h{\displaystyle h}Tw{\displaystyle T_{w}}q{\displaystyle q}Tf{\displaystyle T_{f}}q{\displaystyle q}ΔT{\displaystyle \Delta T}

CHFのモード

CHF現象の理解とCHF状態の正確な予測は、原子炉、化石燃料ボイラー、核融合炉、電子チップなど、多くの伝熱ユニットの安全で経済的な設計にとって重要です。そのため、この現象は、抜山が最初に特徴付けて以来、世界中で広く研究されてきました。 [ 1 ] 1950年にクタテラゼはバーンアウト危機の流体力学理論を提唱しました。[ 2 ]ここ数十年で、水冷却原子炉の開発に伴って重要な研究が数多く行われました。現在では、この現象の多くの側面がよく理解されており、共通の関心事に関する条件に対していくつかの信頼性の高い予測モデルが利用可能です。

臨界熱流束（CHF）という用語の使用法は、著者によって一貫性がありません。[ 3 ]米国原子力規制委員会は、二相熱伝達の大幅な低下に関連する現象を示すために、「臨界沸騰遷移」（CBT）という用語の使用を提案しています。[ 4 ] 単一種の場合、液相は一般に気相よりも熱伝達特性、すなわち熱伝導率がかなり優れています。したがって、一般的にCBTは、加熱面上の局所的な位置におけるある程度の液体不足の結果です。CBTに至る2つのメカニズムは、核沸騰からの逸脱（DNB）と液膜ドライアウトです。

DNB

核沸騰からの逸脱（DNB）は、サブクール流れおよび気泡流領域で発生します。DNBは、加熱表面付近の多数の気泡が合体し、局所的な液体が表面に到達する能力を阻害するときに発生します。加熱表面と局所的な液体の間にある蒸気の塊は、蒸気ブランケットと呼ばれることがあります

ドライアウト

Morse et al. (2021) の図

ドライアウトとは、加熱面上の液体の局所的な蒸発のことである。液膜のドライアウトは環状流で発生する。[ 3 ]環状流は、蒸気核、壁面の液膜、および核内に巻き込まれた液滴によって特徴付けられる。気液界面のせん断が、加熱面に沿った液膜の流れを駆動する。一般に、二相HTCは液膜の厚さが減少するにつれて増加する。このプロセスは、有限の持続時間にわたる局所的なドライアウト事象の多くの事例で発生することが示されている。[ 3 ] CBTは、局所的な位置がドライアウトにさらされる時間の割合が大きくなると発生する。[ 3 ]単一のドライアウト事象、または複数のドライアウト事象の後には、液膜と以前は乾燥していた領域との間の持続的な接触期間が続くことがある[1]。多数のドライアウト事象（数百または数千）が連続して発生することが、熱伝達に関連するドライアウトCBTを大幅に低減するメカニズムである。[ 3 ]

ドライアウトの分析的説明

膜は二つの場、すなわちベース膜と擾乱波から構成されます。波のベース膜領域における微分要素のエネルギーバランスを第一原理として用いることで[ 5 ]、ドライアウト熱流束の解析的記述を容易に得ることができます。新たな波が到達した瞬間にベース膜が蒸発するような熱流束が必要であると仮定します。

加熱された表面から飽和流体に伝達されるエネルギーのすべてが蒸発に使用されると仮定すると、Morse らは、ドライアウト CHF は次のように計算できることを示しています。 qdo″{\displaystyle {q}_{do}^{''}}

qdo″＝ρlifgfwδb{\displaystyle {q}_{do}^{''}=\rho _{l}i_{fg}f_{w}\delta _{b}}

ここで、飽和時の液相の密度（kg/m ）、<math] i_{fg} ,]math] は蒸発エンタルピー（J/kg ）、擾乱波周波数（Hz ）、 ベースフィルムの厚さ（メートル）です。 ρl{\displaystyle \rho_{l}}3{\displaystyle ^{3}}fw{\displaystyle f_{w}}δb{\displaystyle \delta_{b}}

DNBの相関関係

DNB型臨界熱流束を予測しようとする相関関係は数多く存在します。これは、利用可能な文献全体を通して物理的メカニズムに関する合意が得られていないためです。DNB型CHFを最初に調査し、相関関係を示したのはZuberでした。[ 6 ]は、この問題の流体力学的安定性解析を通じて、この点を近似する式を開発しました

qDNB″＝ifgρv[σg（ρl−ρv)ρv2]14（1＋ρv/ρl){\displaystyle {q}_{DNB}^{''}=i_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g\left(\rho _{l}-\rho _{v}\right)}{\rho _{v}^{2}}}\right]^{\​​frac {1}{4}}(1+\rho _{v}/\rho _{l})}

ここで、 は表面張力、 は表面張力、 は地球表面の重力加速度です。 σ{\displaystyle \sigma}g{\displaystyle g}

これは表面材質に依存せず、定数Cで表される加熱面の形状にわずかに依存します。大きな水平円筒、球、および大きな有限加熱面の場合、ズーバー定数の値は です。大きな水平プレートの場合、 の値がより適しています。 C＝π24≈0.131{\displaystyle C={\frac {\pi }{24}}\approx 0.131}C≈0.149{\displaystyle C\approx 0.149}

臨界熱流束は圧力に強く依存する。低圧（大気圧を含む）では、圧力依存性は主に蒸気密度の変化によるものであり、圧力とともに臨界熱流束は増加する。しかし、圧力が臨界圧力に近づくと、表面張力と蒸発熱はともにゼロに収束するため、これらが圧力依存性の主な要因となる。[ 7 ]

1 気圧の水の場合 、上記の式では臨界熱流束は約 1000 kW/m 2と計算されます。

後CHF

後CHFは、流動沸騰過程における一般的な伝熱劣化を表すために使用され、液体は分散した液滴の噴霧、連続した液体コア、または前2つのケース間の遷移の形態をとる可能性があります。後ドライアウトは、液体が分散した液滴の形態のみである状態における伝熱劣化を表すために特に使用され、その他のケースは後DNBと呼ばれます。[ 8 ]

参照

参考文献

  1. ^抜山 誠 (1934). 「細線上の沸騰水膜」.機械工学会誌. 37 .
  2. ^ Kutateladze, SS (1950). 「自由対流条件下での沸騰危機の流体力学的モデル」. J​​ournal of Technical Physics, USSR . 20 (11): 1389– 1392.
  3. ^ a b c d e Morse, RW; Moreira, TA; Chan, J.; Dressler, KM; Ribatski, G.; Hurlburt, ET; McCarroll, LL; Nellis, GF; Berson, A. (2021-10-01). 「垂直二相環状流における臨界熱流束と液膜のドライアウト」 . International Journal of Heat and Mass Transfer . 177 121487. Bibcode : 2021IJHMT.17721487M . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121487 . ISSN 0017-9310 . 
  4. ^ 「原子力規制委員会の発表」 . 1998年3月1日. doi : 10.2172/595661 . OSTI 595661 . 
  5. ^ Morse, RW; Chan, J.; Le Corre, JM; Hurlburt, E. T; Berson, A.; Nellis, GF; Dressler, KM (2024). 「膜のドライアウトと壁面における擾乱波の役割に関する新たなパラダイム」環状二相流における国際伝熱. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124812 .
  6. ^ Zuber, Novak (1959年6月).沸騰熱伝達の流体力学的側面（論文）. カリフォルニア大学ロサンゼルス校. doi : 10.2172/4175511 . hdl : 2027/mdp.39015086433532 . 2016年4月4日閲覧。
  7. ^「Incropera 著『熱と質量伝達の基礎』第 6 版」。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  8. ^ Yu, D., Feuerstein, F., Koeckert, L., & Cheng, X. (2018). 上昇垂直流におけるドライアウト後熱伝達の解析とモデリング. Annals of Nuclear Energy, 115, 186-194.
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Critical_heat_flux&oldid=1334725274」より取得