等温冷却壁を有する円管内を流動する潜熱マイクロカプセル混合水の蓄冷熱特性

The present experiment and numerical analyses have been performed for obtaining the cold heat storage characteristics of a water mixture of microcapsules packed with liquid-solid phase change material (PCM) flowing in a pipe cooled under the constant temperature wall condition. The energy equation was formulated by taking into consideration of the heat release due to the PCM solidification process and the heat transfer enhancement induced by the microconvection of microcapsules. The heat source function in the energy equation was derived from solutions for the solidification in a spherical latent heat material. The governing parameters were found to be latent heat material concentration, cooling wall temperature, microcapsule diameter and velocity of water mixture of the microcapsules. The experimental and numerical results revealed that mean heat transfer coefficient for the water mixture of the latent microcapsules was about 1.6～2.5 times greater than that for the single phase of water.

相変化物質を蓄熱そして熱伝達の制御に用いる主要な利点は、その大きな潜熱量による蓄熱槽のコンパクト化と比較的狭い温度範囲での多量の熱授受が可能なことである。微細化した液―固層変化潜熱蓄熱材を液体熱媒体と混合したスラリー状の流動性に富む潜熱材の概念は、以前より著者らにより提案されている。このような潜熱マイクロカプセル混合水は、潜熱蓄熱材体積に対して微細化による表面積の増大は、伝熱面積の増大効果や潜熱蓄熱材の相対変化に伴う伝熱促進効果等の特徴を有する。さらに、潜熱マイクロカプセル混合水は、蓄熱機能と流動性を同時に有することから、熱エネルギーシステムの高効率化に極めて有望なものと位置づけられている。空調分野の温度水準に、その融点が存在するパラフィン等の液―固層変化潜熱蓄熱材を混合した粒径数ミクロンの潜熱マイクロカプセルを水に分散安定したものは、高密度な搬送性に富む機能性熱媒体として開発が急がれている。特に、この種のスラリー状の潜熱マイクロカプセル混合水の熱交換器内での流動を伴う蓄冷熱、すなわち強制対流を伴う潜熱蓄熱材の凝固熱伝達等の基本的な熱特性は、十分に把握されていない状況にある。本研究は、このような背景のもとに、等温冷却壁を有する円管内を流動するスラリー状の潜熱蓄熱材マイクロカプセル混合水（以降、潜熱スラリーと呼ぶ）の蓄冷熱（潜熱蓄熱材の凝固）特性を実験と数値計算により明らかにする。すなわち、潜熱スラリーの等温冷却壁を有する管内凝固熱伝達特性に影響を及ぼす、潜熱スラリーの管内平均流速、管壁面温度、潜熱スラリーの潜熱蓄熱材濃度等の効果を明らかにするものである。最終的に、潜熱蓄熱材の凝固完了条件に関する無次元整理式等の誘導も行う。

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