矩形横溝を有する鉛直面を流下する膜状凝縮液膜の掃き出し流れ ∗ 足立 高弘 ∗1 , 吉田 哲 ∗2 , 濱田 哲郎 ∗2 Sweep-out Flow of Film Condensation on Vertical Plates with Horizontal Grooves Takahiro ADACHI∗3 , Satoshi YOSHIDA∗2 , Tetsuro HAMADA∗2 ∗3 Department of Mechanical Engineering, Akita University, 1-1 Tegata-Gakuen, Akita, 010-8502 Japan We have investigated fluid flow characteristics of filmwise condensation on vertical plates with horizontal grooves. The condensation fluid stays at the edge of the grooves due to the surface tension. The fluid starts to move, however, when the balance between the surface tension and the fluid’s own weight are broken. It is found that the fluid flows downward periodically from the top part of the plate as a group. In addition, we have obtained the relation between the frequencies of the periodic flow and the degree of subcooling for two different pitches of the grooves. Key Words : Condensation, Surface Tension, Heat Transfer Enhancement, Grooved Plate, Sweep-out Flow 1. 緒 言 Test Section Flow meter Pressure gauge 近年，エネルギーシステムの有効利用に関する研究 To や実用化への取り組みは，一般家庭の各製品にも及ん T1 でいる．その代表的な製品の一つとして，家庭用給湯 Drain Separator 器が挙げられる．これまでの家庭用給湯器では，熱源 に一次熱交換器を介して水を通すことで温水を作って T2 Flow meter いた．しかし，このとき約 200 ℃の燃焼ガスが，加熱 Sub Tank 能力を十分に持ったまま空気中に排出されている．こ Ti T3 の燃焼ガス中の蒸気から潜熱を回収する二次熱交換器 を設け，一次熱交換器に水を通す前にその潜熱で予備 TL 加熱を行い，その後一次熱交換器で加熱して温水を作 れば，高効率な潜熱回収型給湯器になる．本研究では， Graduated Sylinder 二次熱交換器としてプレート式潜熱回収型熱交換器に Pump 着目する． TR Steam Cooling water Condensate これまで，プレート式の潜熱回収型熱交換器のモデ ルとして，鉛直平滑平板や鉛直方向に縦溝を設けた伝 Tank with Refrigerator 熱板を流下する凝縮液膜流についての研究は多くなさ れてきた Evaporator Fig. 1 Experimental apparatus (1)(2) ．縦溝を設けると，表面張力の効果に より凝縮液が溝の内部に引き込まれ熱伝達が向上する 沿って流下し排出される．一方，横溝を施すと凝縮液 w が溝内部に留まり，熱抵抗が増加するために熱伝達の p w ことが示されている．引き込まれた凝縮液は，縦溝に 促進が期待できないと考えられてきた．そのため，矩 形横溝を施した鉛直板での凝縮熱伝達に関する研究は ∗ ∗1 ∗2 d 原稿受付 2008 年 4 月 28 日 正員，秋田大学（〒 010-8502 秋田市手形学園町 1-1) 株式会社ノーリツ（〒 674-0093 明石市二見町南二見 5） Email:adachi@ipc.akita-u.ac.jp Fig. 2 Cross section of the grooved plate 1 行われず不明な点が多い．本報では，潜熱回収型熱交 換器のモデルとして，矩形横溝加工を施した鉛直平板 上の凝縮熱伝達を取り上げ，飽和水蒸気が凝縮した際 に生じる凝縮液膜流の流動特性を調べる． 2. 実 験 装 置 実験装置の概略図を図 1 に示す．実験装置は冷却側 と蒸気側の 2 系統から構成される．蒸発器により飽和 水蒸気を発生させ配管を通してテストセクションへ送 る．水蒸気は，テストセクションにおいて横溝付伝熱面 (a) (b) (c) (d) を上部から下部へと流下する．蒸気側テストセクショ ン出口は大気解放されており，テストセクション内の 蒸気圧力は大気圧と見なすことができる．また，蒸気 のテストセクション出入口温度が飽和温度（Tsat =100 ℃）であることを確認しながら実験を行う．水蒸気は 冷却水側に蒸発潜熱を放出することで凝縮し凝縮液膜 流が形成される．放出された潜熱は冷却水が吸熱する． 水蒸気の潜熱を吸熱した冷却水は，冷却機を備えたタ ンクで冷却し，冷却水のテストセクション入口温度を 約 60∼80 ℃の範囲で調節する． Fig. 3 Photographs of sweep-out flow 伝熱板は，真鍮（C3604BD）で出来ており，テストセ xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx クションのサイズは，幅 100[mm] および高さ 240[mm] である．図 2 に，伝熱板の横溝形状を示す．横溝の断面 形状は矩形で，w [mm] の正方形溝となっている．また， 溝と溝とのピッチを p[mm]，伝熱板の厚みを d[mm] とする．本研究では，d = 10[mm] とし， p について は，10[mm] と 15[mm] の場合を取り扱う． 3. 掃 き 出 し 現 象 伝熱面には水蒸気の凝縮によって液膜流が生じる． 矩形横溝を有する伝熱面に凝縮熱伝達が起こると，凝 縮液膜が表面張力の効果により横溝のエッジ部分に滞 留する．その後凝縮が進むに伴い，滞留していた凝縮 (a) 液があたかも 1 個の凝縮塊の様に塊で運動を始める． xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx (b) xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx (c) Fig. 4 Schematic figure of sqeep-out flow そして，次々に凝縮塊を伝熱プレート上から掃き落と して行く特殊な流れ（掃き出し流れと呼ぶ）を形成し， る．同図中央の 4 個目の横溝部分に見える液膜が，掃き それが時間的に繰り返し起こることが観察された． 出し現象によって生じた液膜流の境界面である．掃き 図 3 に，溝断面が w = 1[mm] の正方形溝で，ピッチ 出し流れの発生により，今まで矩形横溝の上に溜まっ p=10[mm] の横溝を施したプレート上で生じる掃き出 し流れの様子を示す．図には，計 6 個の横溝部が写っ ていた凝縮液を流し落としている．このとき，矩形溝 ている．図 3(a) は凝縮液が横溝エッジ部に表面張力に 察された．図 3(d) は掃き出し現象が生じた直後の様子 よって溜まっている様子であり，矩形横溝の上部から であり，6 個目の溝にわずかに流れ落ちていく途中の 2 個目までの横溝エッジ部で白く光った横線が滞留し た凝縮液である．図 3(b) では，凝縮液が下流に成長し 凝縮液流が確認できる．横溝を有する伝熱板では，こ ていき，4 個目の横溝まで滞留した凝縮液が存在して が経過すると，この現象は常に伝熱面最上部の溝から いる．図 3(c) は，掃き出し現象が生じている様子であ 始まり全体を掃き流す． 内部に溜まった液も掃き出しながら流下することが観 のような流れが周期的に発生する．なお，十分に時間 2 掃き出し現象が生じるメカニズムは以下のように考 1.5 えられる．図 4 は，掃き出し流れが生じる様子を示す イラスト図であり，テストセクションの断面を示して 1.2 p=15 [mm] p=10 [mm] いる．図 4(a) に示すように，蒸気が潜熱を放出して凝 Ω [Hz] 縮することにより，伝熱面の表面に凝縮液が溜まり始 める．この凝縮液はすぐに下方へ流下せず，矩形横溝 上部に表面張力によって溜まり成長する．凝縮が進行 0.9 0.6 すると，図 4(b) に見られるように凝縮液の塊は大き くなる．凝縮液の塊が大きくなり，この凝縮液の塊に 0.3 作用する重力と表面張力のバランスが崩れると流下が 始まる．図 4(c) に示すように，この流下する凝縮液が 0 20 下方の矩形横溝上部に溜まっていた凝縮液を巻き込ん 25 で，液膜流となって流れ落ちて行く．凝縮液が流下を 開始した直後には，伝熱面上方は液膜が排除された状 30 ∆T [oC] 35 40 Fig. 5 Frequency vs. degree of subcooling 態にある．一方，伝熱面下方は，凝縮液が通過するま で液膜に覆われた状態にある．液膜が排除された面で きいと，１ピッチ当たりの伝熱面積が増大し，エッジ は，新たな凝縮が始まる．したがって，このわずかな に溜まる凝縮量が増大することになる．したがって， 時間差のために，凝縮は伝熱面上方の矩形横溝の方が この場合にも凝縮量が増大すると掃き出し流の発生頻 わずかに早く進行する．このことから，十分に時間が 度は大きくなる傾向にあることがわかる． 経過した後には，一番上方の矩形横溝に溜まる凝縮液 の流下するペースが支配的となり，掃き出し現象が伝 4. 今 後 の 展 望 熱面の最上部から周期的に生じるようになる． 掃き出し現象が生じると，伝熱板表面の液膜が一掃 掃き出し流れは，凝縮液の自重と表面張力とのバラ される．すなわち，熱抵抗が一掃されるので再び水蒸 ンスが崩れたときに発生すると考えられる．そのため， 気が伝熱面に触れる面ができ，凝縮熱伝達が促進され 過冷度を変更したり，溝のピッチを変更させて局所的 ることが期待できる．しかし，過冷度や溝ピッチが大 な伝熱面積に変更を加えると，凝縮量が変わり掃き出 きくなると凝縮液の流動特性が変化するので，溝の効 し流の特性が変化すると考えられる．そこで，ピッチ 果と熱伝達との関係は明らかではない．そこで，今後 の異なる 2 枚の伝熱板について掃き出し流れを高速ビ は，溝のピッチや寸法と凝縮液膜の流動特性および凝 デオカメラで撮影し，画像解析を用いて掃き出し流れ 縮熱伝達との関係を明らかにする必要がある． の発生する頻度を求める． 本研究を進めるにあたり，秋田大学の大学院修了生 ピッチが， p=10 と 15 [mm] の伝熱板に対して，周 人見健太君と学部卒業生の浜口祐輔君から協力を得た． 期的に生じる掃き出し流れの振動数 Ω[Hz] と過冷度 ここに感謝の意を表す． ∆T [◦ C] との関係を図 5 に示す．ここで，過冷度は蒸 気の飽和温度 Tsat と冷却水のテストセクション出入口 文 の平均温度 T f との差として，∆T = Tsat − T f と定義す 献 (1) S. Koyama and A. Miyara，Condensation Heat Transfer, Refrigertion，Vol. 75, No. 874 (2000)，pp.654-661. る．図より，∆T が増加すると，Ω が増加することが わかる．このことから，凝縮量が増大すると掃き出し (2) H. Uehara et al.，Plate Type Codenser (Heat Transfer Coefficient for Film Condensation on a Vertical Fluted Plate), Refrigeration，Vol. 58, No. 673 (1983), pp.10171026. 流の発生頻度は大きくなることがわかる． また，溝ピッチが大きい p = 15 の場合の方が，p =10 の場合よりも Ω が大きいことがわかる．ピッチが大 3
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