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1報,ワイヤーコイルによる管内流動抵抗および熱伝達特性

Experimental studies have been carried out on heat-transfer enhancement and flow-drag reduction in a tube by means of wire coil insert. Heat-transfer rate and pressure-drop data of tubes with wire coil inserts have been taken under various experimental conditions of wire coil diameter and pitch, water flow rate and heating-surface temperature. The performance of these tubes with wire coil inserts has been evaluated concerning the increase of heat-transfer rate and flow resistance. The useful nondimensional correlations of heat-transfer rate and flow-resistance factor have been derived as functions of Reynolds number and wire coil pitch-to-diameter ratio.

円管内の対流熱伝達促進は、高粘性油の管内加熱・冷却操作、円管型太陽熱集熱器内循環水の昇温そして人工肺細血管内血流の温度制御などにみられる様々なタイプの熱交換器に関係するものである。特に、管内層流熱伝達の向上は、この種熱交換器のコンパクト化そして省エネルギーの立場から伝熱工学における重要な課題である。管内熱伝達促進に関する報告は数多いが、Berglesら、Shah＆Muellerそして棚澤により、その熱伝達促進技術が解説されている。管内熱伝達促進法を大別すると、（1）伝熱面近傍に比較的小さな突起物（台形、三角形、針状など）を設け、伝熱面近傍の境界層流れを撹乱する方法、（2）ねじれテープ等を管内に挿入し、主流を旋回させ、主流と管内壁近傍の流れを入れ換える方法、（3）比較的大きな円環などを管路に一定間隔で並べ、主流を撹乱させる方法などがある。いずれの熱伝達促進法においても、熱伝達の向上が認められ、熱交換器の小型化に寄与する。一方において、流動抵抗の増大となり、熱媒体のポンプが動力を含めた熱交換器システム全体でのエネルギー消費の増加を生み、省エネルギー機器としての熱交換器の性能評価に重要な問題を提起している現状にある。本研究では、比較的取扱いが容易なワイヤーコイルを伝熱促進体として管内に挿入した場合の熱伝達と流動抵抗特性を総合的に検討するものである。従来よりワイヤーコイルを伝熱促進体として用いた研究は、比較的素線径eの小さな（e＜1mm）もので、伝熱壁近傍流れの撹乱により伝熱促進を図り、コイルピッチPとコイル素線径eの比がP/e＝10前後で最大の熱伝達となる結果を得ているが、流動抵抗との相関関係を総合的に検討したのは少ないようである。Uttarwar＆Raoによりワイヤーコイル素線径e＝2～3.4mmにて熱媒体として油を用いた低レイノルズ数（Re≦1000）の範囲で、伝熱促進効果の検討が唯一行われているが、流動抵抗の軽減までには言及していない。本研究においては、これらの現状に鑑み、比較的簡便に伝熱促進体の配置そして寸法の変更の容易なワイヤーコイルの特徴を生かした管内熱伝達促進と流動抵抗に関する実験を行い、管内レイニズル数、ワイヤーコイルピッチ、そしてコイル長さの効果を定量的に把握するものである。得られた結果は、今後この種ワイヤーコイルを用いた伝熱促進と流動抵抗軽減法の開発に大いに役立つものと思われる。

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