スラッシュ水素、スラッシュ窒素のプール核沸騰熱伝達

スラッシュ水素、液体水素のプール核沸騰熱伝達研究

 貯蔵した液体水素もしくはスラッシュ水素を超伝導マグネットの冷媒として使用する場合、プール核沸騰熱伝達特性が重要となる。

 直径 0.025 m の銅製円型伝熱面の向きを変えて(上向き、横向き、下向き)、大気圧液体水素(0.1 MPa、20 K:LH2 at NBP)、三重点液体水素(0.007 MPa、14 K:LH2 at TP)、三重点スラッシュ水素(0.007 MPa、14 K:SLH2 at TP)の核沸騰熱伝達率を測定した [28]。実験での固相率は 20~35 wt.%であり限界熱流束(CHF)も測定している。また、液体窒素、スラッシュ窒素の熱伝達率も同様に測定している。

 上図は伝熱面が上向きの場合の大気圧液体水素、三重点液体水素、三重点スラッシュ水素の熱流束 q、伝熱面との温度差(過熱度)ΔTを示す。熱伝達率 h = qTである。また、上向き伝熱面に適用される Kutateladze式から算出した液体水素、液体窒素、液体ヘリウムの限界熱流束 q*を図に示している。

 大気圧液体水素の熱伝達率は液体ヘリウムと同程度である。スラッシュ水素の高熱流束域での熱伝達率は大気圧液体水素の約 0.5倍に低下する。

 スラッシュ水素の限界熱流束は上向き伝熱面の場合、大気圧液体の 0.45倍となり、下向き伝熱面の場合、さらに低下して大気圧液体の 0.15倍となる。すなわち、大気圧液体水素の限界熱流束 q*= 11 W/cm2(ΔT= 2 K)はスラッシュ水素の限界熱流束 q*= 5 W/cm2(ΔT= 3 K)、液体ヘリウムの限界熱流束 q*= 1 W/cm2(ΔT= 1 K)よりも高い限界熱流束を持っている。

 遠隔地にパイプライン輸送したスラッシュ水素は輸送時の侵入熱により固体水素粒子が融解するため、液体水素の形態で貯蔵することが予想され、電力貯蔵(SMES)用超伝導マグネットの冷媒として大気圧液体水素を利用する方が伝熱特性上有利となる。

 因みに液体窒素の場合、図に示すように限界熱流束 q*= 20 W/cm2(ΔT= 12 K)は液体水素より約 2倍大きいが、同一熱流束において熱伝達率は小さくなる欠点があり液体水素の熱伝達率の方が優れている。

 Rohsenowは水などの室温単相液体の実験データから上向き伝熱面の核沸騰熱伝達率の式(下図)を提案している [34]。係数Csfsは伝熱面の材質と液体の組合せによって決まる値であり、圧力が異なる場合にも同じ値が適用できる。
 実験で得られたスラッシュ水素、スラッシュ窒素の結果を Rohsenow式と比較し、固液二相流体への適用可能性を検討した。流体の物性値は大気圧沸点、三重点における値を用いた。まず、大気圧液体の実験結果を良く表すようにCsfsを決定した後(水素の場合、Csf= 0.010、s= 1.0、窒素の場合、Csf= 0.0065、s= 1.7)、三重点液体、スラッシュの熱伝達率を予測した。大気圧液体の実験結果を用いてスラッシュの熱伝達率が予測できることは実験の難しさを考えると実用上重要である。スラッシュの場合、蒸発潜熱λに固体の融解熱を含めた値を用いた。計算結果を下図に実線で示す。大気圧液体水素、液体窒素の実験結果から Rohsenow式を用いて三重点スラッシュ水素、スラッシュ窒素の熱伝達率を予測した結果、水素の場合、高熱流束域において実験結果よりやや低い値を予測するが、熱伝達率の予測は十分可能である。

 大気圧液体水素およびスラッシュ水素の限界熱流束値を液体ヘリウムの限界熱流束値と比較すると、高い限界熱流束値を持っており、高温超伝導材(MgB2)を利用した超伝導機器の冷媒として液体水素もしくはスラッシュ水素の利用が充分に期待できる。