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4報, 低温水溶液中を浮上するテトラデカン油滴の流動および凝固特性に関する数値計算

This paper proposes a numerical calculation method to predict solidification characteristics of paraffin oil droplets (tetradecane, CH_3(CH_2)_12CH_3,melting point is 5.8℃, diameter is 4～6mm) ascending in a cold water solution (mixture of ethylene glycol [CH_2OH・CH_2OH] and water, temperature is -2～-10℃) by buoyancy. The oil droplets start to ascend with several initial velocities and initial temperatures (10～60℃) in the water solution. The oil droplets are decelerated by hydraulic resistance of the water solution. The water solution flows vertically downward at a low velocity of 0.1 m/s. The temperature of the oil droplet decreases due to direct-contact heat transfer with the cold water solution, and the oil droplet starts to solidify when its surface temperature reaches the freezing point. The solidification rate of the oil droplet is calculated based on a combination of flow behavior and solidification characteristics of the oil droplet. As a result, the motion of the oil droplet, the completion height and time for solidification are determined. The parameters used are the diameter, initial velocity and initial temperature of the oil droplet, and temperature and velocity of water solution.

前報において、潜熱蓄冷熱材としての油滴と冷媒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について述べた。そして、潜熱蓄冷熱材油滴の凝固率の測定を行い、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、前報ではこれらのパラメーターを実験装置の制限上、限られた範囲内で変化させており、同パラメーターを広範囲に変化させた場合の凝固率等についての検討は十分になされていない。また、油滴の凝固率に影響を与えるパラメーターをとして、前述の因子以外に冷媒水溶液流速が考えられる。従って、前報の実験範囲を超えたあるいは実験では困難な条件下における油滴の運動および凝固挙動に関する知見を得るためには、適当な物理モデルを設定し、数値計算により予想することが有効である。前報においても、油滴の凝固率の予測に関する簡単な計算を行っている。その結果、油滴のノズル噴射温度および水溶液温度の低下に伴い、油滴の凝固率は増加し、また、油滴の浮上速度が増大するに伴って、油滴の凝固率が減少するという結果を得た。しかしながら、同報告中における計算は、油滴の浮上速度は浮上過程において一定とし、また、油滴内部の温度は一様とした場合の諸因子と凝固率の関係を求めたものである。一方、実際に油滴が水溶液中を浮上する際には、ノズル出口から油滴が噴射された後、水溶液の流体抵抗により油滴は減速する。また、浮上過程にある油滴の内部には温度分布が生じているはずである。よって、これらを考慮した計算を行うことにより、より詳細な油滴の凝固挙動に関する評価が可能となる。本報告は、前報において述べた、低温冷媒水溶液中を浮上するテトラデカン油滴の凝固率を求めるための計算方法の提案と結果の検討を行うものである。本計算方法においては、まず、油滴を冷却そして凝固相に変化させた場合の凝固率を求めるための数値計算モデルの検討を行う。続いて、水溶液中における油滴の運動挙動に関する数値計算法の提案を行う。最終的に、油滴の凝固率および運動に関する計算結果を組み合わせて、実際に前報において述べた実験に相当する物理モデルに関しての数値計算を行うものである。対象とするパラメーターは、潜熱蓄冷熱材としての油滴の直径、油のノズル噴射流速および噴射温度、冷媒水溶液の温度および流速である。尚、テトラデカンおよび冷媒水溶液であるエチレングリコール30mass%水溶液の物性値は、前報に示す通りである。

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