圧力損失低減、伝熱劣化

スラッシュ流体の圧力損失低減、熱伝達劣化、固体粒子挙動の数値解析(SLUSH-3D)研究


 スラッシュ水素をパイプライン輸送する場合、移送管、バルブ、収縮・拡大管、エルボ等の圧力損失が輸送効率を向上する上で重要となる。また、パイプラインでは極低温時の配管収縮を吸収するコルゲート管が多用され、その圧力損失も重要となる。スラッシュ水素輸送時の圧力損失増加はポンプ動力を増大させ輸送システムの性能を低下させる。

 また、スラッシュ水素を超伝導送電の冷媒として利用する場合、超伝導線のクエンチ等による発熱が想定され、伝熱時の圧力損失と強制対流熱伝達の両者がパイプライン設計上重要である。

 スラッシュ窒素(温度 63 K)使用して水平管内流動、伝熱特性の実験を行い、圧力損失低減、熱伝達劣化が同時に発生すること、および低減、劣化のメカニズムを初めて報告しました。

 水平円管を流動する際、高流速時に固体粒子が管内に一様に分布する擬均質流において、液体窒素よりも圧力損失が小さくなる圧力損失低減が現れます [16, 17]。内径 10 mm、15 mm の場合、流速 2.0 m/s 以上、3.6 m/s 以上で液体窒素(63 K)よりも圧力損失が各々最大 25%、23% 低減します。加熱時(熱流束 10 kW/m2)でも圧力損失が最大 23%、17% 低減し、熱伝達率も液体窒素よりも最大 27%、20% 劣化します [18, 19]。

 一辺 12 mm の水平正方形管では流速 2.5 m/s 以上で圧力損失が最大 12% 低減し、熱流束 10 kW/m2でも圧力損失が最大 12% 低減し、熱伝達率も最大 16% 劣化します [20]。

 正三角形管(一辺 20 mm、水力直径 D= 11.55 mm)では、 頂点が上向き、横向き、下向き(逆正三角形)の3種類の断面姿勢で実験を行った結果、流速 1.3~1.8 m/s 以上において圧力損失低減が現れ、最大低減量は加熱の有無によらず 16~19%であった。熱伝達劣化は 1.2~1.8 m/s 以上の流速で現れ、最大劣化量は 13~16%であった [5, 21]。

 内径 15 mm の収縮・拡大管では流速 1.5 m/s 以上で圧力損失が最大 50% 低減する。また、内径 12 mm、15 mm の2種類のコルゲート管では、流速 2.0 m/s 以上において圧力損失が各々最大 37%、31% 低減する [22, 23]。圧力損失低減メカニズム解明のため、コルゲート管を模擬した溝付管内のスラッシュ窒素固体粒子の流跡線をPIV法*で測定した結果を下図に示す。内径 15 mm のエルボでは流速 2.0 m/s で最大 10%の圧力損失低減が発生する [24]。

 加熱時、非加熱時共に、摺動流から擬均質流に変化する高流速時には、管中央部に移動した固体粒子群によって管壁での乱流発達が抑制され、圧力損失低減が発生する。一方、熱伝達は管壁付近の固体粒子の少ない液体層で行われるが管壁での乱流発達が抑制されるため、管壁付近の加熱された液体が管中央部へ拡散する作用も抑制され、熱伝達劣化が発生する。このように、スラッシュ流体は配管内流動時に圧力損失低減の大きなメリット(ポンプ動力低減)があるが、熱伝達劣化のデメリットもある。

 スラッシュ水素の実験データは水平円管(内径 16.6 mm)を流動する Sindt らの結果が1例のみ報告されている [29]。スラッシュ窒素で得た実験結果(内径 15 mm)と共に管摩擦係数 λ Re数(レイノルズ数)の関係を上図に示す。液体単相のプラントル・カルマン式も示す。

 スラッシュ水素、スラッシュ窒素いずれも Re数が 1.0×105以上で圧力損失低減が現れ、固相率が増大すると低減開始 Re数は大きくなる。同程度の固相率(20 wt.%)で比較すると低減開始の Re数はスラッシュ水素の方が小さい。スラッシュ水素とスラッシュ窒素の動粘性係数は同程度であり管内径も同程度であることから、スラッシュ水素はより低流速で低減が現れることを示している。液体水素と液体窒素の密度比、粘性係数比はいずれも 1/11、スラッシュ水素の固液密度比は 1.12(スラッシュ窒素 1.18)と小さいことから、スラッシュ水素はより低流速で擬均質流となり、圧力損失低減が現れることになる。

 開発した三次元流動解析プログラム(SULUSH-3D)を使用して[5, 25-27]、スラッシュ窒素が内径 15 mmの円管、一辺 20 mm、26 mm(水力直径 D= 15 mm)の三角形管、一辺 12 mm(水力直径D= 12 mm)の正方形管を流動する際の管断面での固相率分布、固体粒子の第二種二次流れ速度分布(円管では出現しない)、液体窒素が保有する乱流エネルギー分布を解析した結果を下図に示します[5]。

 左上は円管内の固相率分布を固体粒子の衝突を考慮した解析結果であり、擬均質流になると固体粒子が管中央部に移動する現象を良く示している。右上の二次流れは管の中央部から頂点へ流れる一対の渦を各々の頂点で形成し頂点から管壁に沿って流れた後、中央部に戻る。乱流エネルギー k xyz方向の乱れ速度の自乗和であり、kavは管断面での平均値です。
 
 これまで、主に円管の圧力損失低減について述べてきた。水素貯蔵システムにおいては輸送用配管や超伝導送電用冷媒配管以外に熱交換器等でもスラッシュ水素の使用が予想され、スラッシュ流体が種々の断面形状をもつ配管内を流動する際の流動、伝熱特性が重要となる。極低温機器に多用されているプレートフィン型コンパクト熱交換器の流路は三角形であり、一般に三角形管は同一水力直径 Dの円管、正方形管と比較すると伝熱面積(周長)が増加すると共に集積性にも優れる特徴がある。

 熱流束 10 kW/m2における円管(内径 10 mm)、正方形管(一辺 12 mm)、上向き正三角形管(一辺 20 mm)から得られた同一流速における圧力損失比 rdp熱伝達率比 rhの相関関係を下図に示す [5, 6]。rdprhは液体窒素の圧力損失、熱伝達率を基準にしたスラッシュ窒素の圧力損失比、熱伝達率比である。3種類の管の水力直径は同程度である。

 円管の最大低減量、最大劣化量は前述のように三角形管より大きいが、三角形管の rhは、円管、正方形管と比べると rdpよりも大きい傾向を示す(rh > rdp)。理由として次のことが考えられる。円管(内径 15 mm)、同じ水力直径をもつ三角形管(一辺 26 mm、D= 15 mm)の乱流エネルギー分布を前掲下図に示した。水力直径が同じ場合、頂点で発生する乱流エネルギーの影響により三角形管の方が円管よりも平均乱流エネルギーが大きくなる。従って、三角形管(一辺 20 mm、D= 11.55 mm)と内径 10 mm円管の比較においても三角形管の平均乱流エネルギーが大きく、三角形管の圧力損失低減効果、熱伝達劣化が乱流エネルギーにより抑制され、円管の方が圧力損失比と熱伝達率比が共に小さくなる(低減、劣化効果大)。

 さらに、三角形管の場合でも円管と同様に大部分の固体粒子は前掲右下図に示す乱流エネルギーが小さい管中央部を流動するため、3つの頂点付近には固体粒子の少ない液体層が円管よりも多く存在する。また、前掲右上図に示すように頂点付近から管壁に沿って二次流れが存在するため、管壁付近の加熱された液体が管中央部へ拡散され三角形管では伝熱が促進される(rh > rdp)。

 正方形管でも二次流れが同様に存在するが、数値解析結果では平均乱流エネルギーは三角形管と円管の中間の値である [5, 6, 18]。正方形管では 4つの頂点付近に存在する液体層が三角形管よりも少なく液体層の影響が小さいため、三角形管と円管の中間の特性を示す。

 伝熱劣化は一般に好ましくないので、スラッシュ流体の伝熱管設計において圧力損失、熱伝達のいずれが重要かにより管断面形状を選定することになる。スラッシュ水素のみを輸送する長距離配管ではポンプ動力を低減する点から圧力損失低減が大きい円管が適しており、超伝導送電用の冷媒配管にはクエンチ伝播防止のため伝熱特性も考慮した断面形状(円管、矩形管)を選定すること、熱交換器には三角形管のように伝熱劣化の小さい断面形状を選定することが設計上有用となる。

 円管、正方形管、三角形管の圧力損失データをもとに μSL= μL[1-(x/0.6)]-1.8で表されるみかけの粘性係数 μSL、もしくは液体窒素の粘性係数 μLを用いたスラッシュRe数(ReSL)と管摩擦係数 λの関係式を最小自乗法により求め、流速と体積固相率 xから圧力損失低減を考慮した管摩擦係数を精度良く予測できる関係式を得ています[5, 16, 20, 21]。ポンプ動力を推定する際、工学上有用となります。

 * PIV法:粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry)を使用して、固体粒子の流速、流跡線を直接測定した。

スラッシュ窒素の流動特性、圧力損失低減と伝熱劣化特性