衡突噴流による円環状霜層の昇華特性

The present paper has dealt with a new method of defrosting by using the frost sublimation phenomenon which occurs below the triple point of water (273.16K, 610.5Pa). The present experimental study has focussed to examine the mass transfer of the annular frost layer developed on a cooling pipe exposed to an impinging jet flow. Morphology of the frost layer during sublimating was observed by using a CCD camera. It was understood that the mass flux of the frost layer increased with increasing the jet flow velocity and the difference of the mass concentration of water vapor between the frost surface and the inpinging jet flow. The nondimensional correlation equations of mass transfer of defrosting were derived as functions of various parameters.

低温熱交換器の伝熱面回りに発生する霜層は、熱伝達の低下や空気流路の減少に伴う送風動力の増加などの弊害をもたらすため、その効率的な除霜法の開発が重要な課題となっている。従来の除霜方法としては、逆サイクルを用いたホットガス方式や電気ヒーター方式等の加熱融解方式が挙げられる。しかしながら、これらの方法を用いると除霜運転時の冷却運転停止による冷却機能の低下、融解に使われる有効熱量が小さいこと（20％前後）による経済生の低下、除霜後の融解水の処理などが問題となっている一般に氷は、水の三重点（温度273.16K）以下の条件下においては、昇華蒸発を生じ、固相から直接水蒸気の生成となる。この昇華蒸発現象を利用して除霜を行えば、霜層は空気中に水蒸気となって拡散されるため、融解水は残らない。また、霜層上面から昇華蒸発するため、伝熱面が低温のまま除霜することが可能である。この昇華現象に関しては、熊田らはナフタレンを用いた昇華実験を行い、円管表面の局所熱伝達率を測定している。氷の昇華蒸発現象を利用した食品保存法である凍結乾燥に関しては、Kochsら自然対流下の種々の周囲条件下における昇華蒸発速度の予想を行っている。著者らは、基本的な霜層の昇華蒸発現象を解明することを目的に、水平霜層に平行に又は垂直に空気を流動した場合の昇華蒸発による除霜特性を報告してきた。本研究は、一般に用いられている円管群型低温熱交換器に形成される霜層の除霜に昇華蒸発を適用した場合の検討を行うものである。すなわち、円管群の最少単位としての単一円管に発達した円環状霜層に、二次元ノズルより低温空気を噴流状態で衝突させて昇華蒸発の促進を試みた。具体的には霜層の昇華蒸発に影響を及ぼす噴流出口空気速度、ノズルと霜層表面間距離、噴流出口温度、噴流空気の水蒸気質量濃度、初期霜層高さ、霜層の初期霜層密度などの各因子が、昇華蒸発による除霜挙動、物質伝達及ぼす効果について実験的に明らかにするものである。

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