低凝固点油滴の凝固を利用した潜熱蓄冷熱に関する基礎研究 : 第5報, 低温水溶液流速を変化させた場合の浮上油滴の流動および凝固特性

Flow and solidification characteristics of tetradecane droplets [melting point of 5.8℃, latent heat of 229.1 kJ/kg, density of 770 kg/m^3 (at 6℃)] ascending in ethylene glycol water solution of 30 mass percent at low temperature were investigated experimentally in order to examine the existence of a liquid-liquid or liquid-solid direct-contact-type latent cold heat storage system. Some interesting freezing behaviors of droplets were observed under the conditions of various water solution flow velocities and oil-injection nozzle diameters by the visualization technique. Eventually, the relation-ships between the solidification rate and some experimental parameters were clarified.

著者らは、前報において、潜熱蓄冷熱材としての非水溶性油滴と冷熱媒体としての低温水溶液を直接接触熱交換させて蓄冷熱を行う新しい潜熱蓄冷熱法を提案し、潜熱蓄冷熱材油滴の凝固率の測定を行った。その結果、油滴の凝固率とそれを決定する因子である油滴の直径、油のノズル噴射流速および噴射温度、また冷媒水溶液温度との関係を実験的に明らかにした。しかしながら、前報においては、試験部内を流動する冷熱媒体としての水溶液の流速は、静止状態に近い一定の低速条件にて凝固特性に関する検討を行った。従って、水溶液の流速が油滴の凝固特性に及ぼす効果の十分な検討はなされていない。本研究では、直接接触熱交換部としての試験部内において、低温水溶液は鉛直下方へと流動し、同上方へと浮上する油滴群と対向流動し、直接接触熱交換を行う。従って、下向きの水溶液流速の増大は、油滴の浮上速度の低下となり、結果的に、一定高さの水溶液中に油滴が滞留する時間の増大となる。この油滴の滞留時間の増加は、油滴の凝固率の増加となることが予想される。本報告は、前報において述べた低温水溶液層内での油滴の凝固特性に関連し、下向きの水溶液流速を増大させた場合の油滴の流動および凝固特性の実験的検討を行い、さらに水溶液流速を考慮した油滴の凝固率の無次元整理方法を提案するものである。流動する低温水溶液層中を浮上する油滴の凝固率を支配する因子として、温度条件以外に油滴の大きさ、油滴と水溶液間の熱伝達率、および油滴と水溶液間の熱交換時間が挙げられる。油滴と水溶液間の熱伝達率は、両者間の相対速度により支配されるが、前報においては、水溶液流速は一定かつ非常に低速であるため、油滴の絶対浮上速度により、油滴と水溶液間の熱伝達率を表し得た。さらに、油滴の絶対浮上速度は、油滴径により支配され、そして、油滴と水溶液間の熱交換時間、すなわち一定高さの水溶液中における油滴の絶対浮上速度により決定される。従って、前報においては、これらの三つの因子をまとめて表わす無次元パラメーターとして、油滴が凝固を開始する点における油滴の絶対浮上速度を代表浮上速度としたレイノルズ数の定義を行った。しかしながら、下向きの水溶液流速を増加させた場合、対向する油滴の絶対浮上速度は大きく低下し、試験部内における油滴の滞留時間、すなわち凝固進行のための熱交換時間が増加する。よって、この場合、油滴と水溶液間の熱伝達率を支配するレイノルズ数には、油滴と水溶液の間の相対速度を用いる必要があり、さらに水溶液中における油滴の滞留時間を表す無次元パラメーターが必要となる。本報告においては、以上のような観点に基づき、油滴の凝固率データの整理法を提案している。さらに、下向きに流動する低温水溶液と対向する浮上油滴の凝固を伴う流動挙動は、非常に複雑となることが予想されるため、油滴の流動および凝固様式について基本的な検討をおこなってある。

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