ワイヤーコイルを用いた円管内熱伝達促進と流動抵抗軽減に関する基礎研究 : 第2報,ワイヤーコイルによる管内熱伝達の評価と最適配置

An experimental investigation on wire-coil-inserted tubes as a turbulence promoter has been undertaken for enhancement of heat transfer and reduction of flow friction factor in water flow. The performance of wire-coil-inserted tubes has been evaluated in terms of two different criteria based on the fixed flow rate and pumping power. In order to enhance the heat transfer rate and reduce the How friction factor, some experiments have been carried out wherein coils with various lengths were partially inserted into the tube. As a result, it is noted that there is an optimum arrangement of the wire coil in the tube for the enhancement of heat transfer and the reduction of friction factor.

ワイヤーコイル等の乱流促進体による管内熱伝達の増大は、流れの乱れや境界層の剥離効果を利用するために、当然のことながら管内流動抵抗の増大を伴うものである。この流動抵抗の増大は、管内熱媒体を流動させるためのポンプ動力エネルギの増加を意味し、管内の熱伝達促進効果とポンプ動力エネルギ消費効果を考慮したところの、熱媒体循環システム全体の最適条件を見いだすことが必要となる。円管内乱流促進体として、その取扱いが比較的容易な素線直径の大きなワイヤーコイルを用いた前報の実験結果から、次のようなワイヤーコイルの熱伝達および流動特性を明らかにした。（1）ワイヤーコイル寸法法（コイルピッチ/コイル素線直径）の小さな場合には、ワイヤーコイルの効果を粗面を有する伝熱面として扱うことで十分に実験データを整理できる。一方、（2）ワイヤーコイル寸法の大きな場合には、管内流れを旋回として扱うことにより、実験データを整理することが出来る。さらに、（3）この種ワイヤーコイルは円管内壁に対して線接触すために、コイルはほとんど拡大伝熱面として作用しないことと、コイルにより生じた流れとコイルとの相互作用などから、極大の熱伝達と流動抵抗を示すワイヤーコイル寸法比に生じることを明らかにした。その上、ワイヤーコイルによる流動抵抗の大部分は、コイルによる流れの乱れから発生する形状抵抗によるものであること。そしてワイヤーコイルによる流れ方法の局所熱伝達は、ほぼ一定の変化の少ない結果を報告した。この様な結果を根拠として、本論文では、図1に示すように伝熱円管内に部分的にワイヤーコイルを挿入し、全体的な流動抵抗の軽減効果の利用、そして熱伝達に関しては平滑管入口部での大きな局所熱伝達領域、ワイヤーコイル配置領域の熱伝達促進領域、ワイヤーコイルにより発生したコイル後流の乱れた旋回流れの平滑管部熱伝達増大領域の利用による全体的な熱伝達の向上を試みるものである。さらに、伝熱管全体にワイヤーコイルを配置した場合の流動抵抗と熱伝達に関する総合評価をBerglesらの報告にある種々の条件のもとで検討し、この種ワイヤーコイルによる熱伝達促進法の特徴を明らかにするものである。

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