Numerical Study on Transient Heat Characteristics of a Rectangular Latent Heat Storage Vessel

Transient characteristics of the rectangular latent heat storage vessel packed with shape-stabilized phase change (solid-liquid) material (PCM) are investigated numerically by solving the governing equations of both the PCM and the heat transfer medium(water) simultaneously as a conjugate problem with the finite difference technique. It's found that the heat storage characteristics are greatly affected by the flow direction of the heat transfer medium since the natural and forced convection coexists in the heat storage vessel. That is, it is classified that the effectively thermal efficiency of the latent heat storage system is obtained by the downflow along vertical PCM for heat storage process and the upflow for heat release process. The effect of the inlet velocity of heat transfer medium(water) on transient heat characteristics of the latent heat storage system is also revealed in the present study

THE FORMATION OF AMORPHOUS METALS BY LIQUID QUENCHING

The experimentally estimated cooling rates of liquid metals by the liquid quenching methods are described and the attainable cooling rates are discussed. The crystal nucleation and growth during cooling of liquid metals are examined both for the case of homogeneous and heterogeneous nucleation in order to make an assessment of the critical cooling rate for the amorphous metal formation. The kinetics of crystallisation of amorphous metals studied by the dilatometry are shown and the relaxation time for the crystal nucleation is given to discuss in connection with the critical cooling rate near glass temperature

Numerical Analysis of Heat Storage Characteristics of a Small Heat Storage Vessel Packed with Phase-Change Material Encapsulated into Spherical Hollow

We numerically investigate heat storage characteristics of a small heat storage vessel packed with phase-change material (PCM) encapsulated into a spherical hollow. The heat storage vessel is dealt with as a porous medium, and the flow of the working fluid is analyzed two-dimensionally using the modified Darcian momentum equation which takes into account both the buoyancy effect and the channeling effect. The heat transfer in the encapsulated PCM is analyzed using a one-dimensional heat conduction model. It is clarified that the completion of the heat storage process is delayed by natural convection, since the incoming hot working fluid flows mainly near the upper part of the vessel. It is also found that the nonhomogeneity near the boundary walls prolongs the heat storage process since it decreases the flow resistance near the walls and promotes a bypass flow near the upper wall due to the natural convection. A nondimensional equation is derived for the time taken to complete heat storage, where the Fourier number is expressed as a function of the modified Stefan number, the modified Reynolds number and the modified Grashof number.近年、エネルギの有効利用の観点より、蓄熱技術に関する研究・開発が盛んに行われており、大型のビル空調等の比較的大規模なシステムにおいて、実用化が進んでいる。しかしながら、一般家庭用の蓄熱装置に関しては、電気温水器の普及は見られるものの、その普及率は非常に小さい現状にある。これは、既存の顕熱蓄熱型蓄熱槽は設備が大きいため、空間的余裕のないマンションやアパート等への設置が困難なことが主な原因であり、蓄熱槽の小型化・高性能化が重要な課題となっている。著者らは、前報で、比較的大きな球カプセル化潜熱蓄熱体を充填した小型の円筒状蓄熱槽の蓄熱特性に及ぼす熱媒体流速及び熱媒体流入温度の影響を、球カプセル直径及び蓄熱材物性値の異なる二種類の球カプセルか潜熱蓄体について実験的に検討した。その結果、熱媒体流速の小さい条件において生じる、蓄熱槽内の低温の熱媒体と高温の流入熱媒体との密度差による自然対流や、比較的大きな球カプセルによる蓄熱槽内壁近傍のチャンネリング流れにより、熱媒体が蓄熱槽内を複雑に流動することや、蓄熱特性が流れ状態の影響を受け複雑に変化することを明らかにした。従って、様々なパラメータの影響を受け、複雑に変化する、熱媒体の流動や蓄熱体の融解挙動を詳細に検討するための手段として、数値解析の必要性に迫られている。球カプセル状潜熱蓄熱体の充填された蓄熱槽に関する数値解析法については、従来より検討がなされているが、そのほとんどにおいては、壁面近傍における熱媒体流れの不均質性が無視し得る、蓄熱体寸法が蓄熱槽に比べて小さい場合が対象とされている。一方、秋山らは、壁面近傍不均質領域の影響を考慮した流動解析を試みているが、彼らの採用したモデルでは、壁面近傍の蓄熱体充填率を実際よりも小さく見積もるため、比較的大きな粒子状蓄熱体を用いた場合には、蓄熱量を過少に評価することになる。さらに、球状潜熱蓄熱体を用いた蓄熱槽に関しては、熱媒体の自然対流を考慮した解析は行われていない現状にある。本報では、壁面近傍での蓄熱体充填率を過少に評価することなく流動抵抗現象の表現が可能な、球状粒子充填層に関する著者らの流動モデルに浮力の項を付加した運動量の式を用い、壁近傍の不均質性と自然対流の双方を考慮した数値解析法の提案を試みる。円筒容器内の共存対流問題の解析には厳密には三次元モデルが必要であるが、蓄熱体内部の解析にはさらに次元が必要なため、莫大な計算機容量と計算時間が必要となる。そこで本研究では、前報の円筒状蓄熱槽を、主要寸法の等しい矩形蓄熱槽に置き換えることで二次元モデルを用いた解析を行う。なお、本報においては、前報で用いた球カプセル直径及び蓄熱材物性値の異なる二種類の球カプセル化潜熱蓄熱体を対象に解析を行い、提案する解析法の妥当性を種々の条件について検討すると共に、種々の熱媒体流入温度及び熱媒体流速条件についても解析を行い、熱媒体の流動挙動に及ぼす自然対流の影響やこれに伴う蓄熱挙動の変化についても詳細な検討を行う。さらに、壁面近傍における不均質性や自然対流の影響を無視した解析も行い、これらの排除による蓄熱特性の変化についても検討を行う

Condensation of Nonazeotropic Refrigerant Mixture R114/R113 in Horizontal Annuli with an Enhanced Inner Tube : Experimental Results

Local heat transfer and pressure drop measurements were made during condensation of a nonazeotropic refrigerant mixture R114/R113 in the annuli of horizontal double-tube condensers. The inner tube was a 19.1mm o.d. corrugated copper tube with soldered wire fins on the outer surface. The outer tubes were smooth tubes with inside diameter D_i of 29.9 and 25.0mm. The pressure drop and the heat transfer coefficient based on the bulk vapor-to-wall temperature difference were considerably smaller for R114/R113 than for R113. The vapor phase mass transfer coefficient β_n was higher for larger test fluid mass velocity G and D_i. At constant values of G and D_i, β_n was higher for larger condensation mass flux. The radial distribution of the vapor temperature was affected by the vapor velocity, becoming flatter at the outer part of the annulus and steeper near the liquid-vapor interface as the vapor velocity increased.蒸気圧縮式ヒートポンプ、冷凍機などの成績係数を向上させるための一方策としてローレンツサイクルが提案され、このサイクルに近づけることのできる非共沸2成分混合冷媒が実用されつつある。しかし、この冷媒が凝縮する際には低沸点蒸気が不凝縮ガスと類似の挙動を示すため、凝縮伝熱性能が単成分蒸気に比べて低下する。したがって、この冷媒を用いる凝縮器の性能向上を図るためには、凝縮液膜の熱抵抗と混合気の拡散抵抗の両者を減少させる必要がある。著者らは前提で純冷媒用の伝熱促進管の一種であるワイヤフィン付きコルゲート管を内管とする水平二重管環状部における非共沸混合冷媒R114/R113の凝縮実験を行い、圧力降下の摩擦成分は純冷媒に対する実験式で整理できること、凝縮側の熱抵抗にしめる気相の熱抵抗の割合は冷媒流量の増大につれて減少することを示した。そして、混合気相の物質伝達係数を円管上の強制対流凝縮理論から導かれた無次元パラメータを用いて整理した。しかし、より一般性のある整理式を得るためにはフィン形状、内外管径比などの影響を明らかにする必要がある。なお、フロン系非共沸2成分混合冷媒の管内、シェル側あるいは環状部における凝縮については最近多くの実験的研究が報告されているが、混合気相の物質伝達について検討したものは少なく、実験データの蓄積が望まれる。本報では、前報の内管とフィン配列が多少異なる管を内管とし、内径の異なる2種類の平滑管を外管とする水平二重管環状部におけるR114/R113の凝縮実験を行い、前報の結果と比較する。また、混合気相の温度分布測定結果についても述べる

Heat Storage Characteristics of an Inclined Rectangular Heat Storage Vessel Packed with Plate Type of Shape-Stabilized Phase Change Material

The present study deals with the heat storage characteristics of the inclined rectangular vessel packed with spape-stabilized paraffin plates as a latent heat storage material by numerical analysis. It was found that the heat storage characteristics were remarkedly affected by the inclination angle of the rectangular vessel and the heat transfer medium flow direction, due to the presence of natural convection in the fluid flow channel between the paraffin plates. Numerical results revealed flow patterns, temperature profiles and heat storage characteristics for various inclination angles, inlet velocities and temperatures of the heat transfer medium fluid, and widths of the fluid flow channel.一般に、潜熱蓄熱槽の蓄熱過程では、熱媒体流速を極力小さくすることにより、圧力損失の軽減や熱媒体の持つ熱エネルギーの有効利用を図る試みがなされており、さらに潜熱の放熱過程では、小さな熱媒体流速により、一定の高温水準での熱抽出が可能となる。例えば、齊藤らの研究においては、球カプセルを充填した円筒形蓄熱槽内熱媒体の流速は10mm/s以下の低流速領域である。また、阿部らの報告した円筒状蓄熱材充填蓄熱槽内の熱媒体流速は約0.5mm/sと極めて小さいものである。このように、熱媒体の強制対流による流速が小さい場合には、状況によって蓄熱槽内の熱媒体流路に発生した自然対流がその熱伝達特性を大きく左右することになり、強制－自然共存対流の検討が必要となる。流路内の強制－自然共存対流に起因する伝熱現象は流路形状、重力方向に対する強制対流の流れ方向、流路の加熱または冷却条件など諸因子によって複雑な様相を呈する。強制－自然共存対流伝熱現象は、電子機器の除熱や大洋州熱器などにおいて数多く見られる。この場合の伝熱現象の解析的扱いは矩形流路壁の熱境界条件として等温そして等熱流束の固定条件の場合が大半で、その壁面温度がその内部に有る相変化物質の潜熱吸収や放出により変化するような場合はほとんど取り上げられていない現状にある。著者らは垂直配置した矩形潜熱蓄熱槽内の蓄熱及び放熱特性に大きく影響を及ぼすことを明らかにしている。例えば、熱媒体入口流速がV=0.2mm/sの放熱過程においては、下向き流れ（強制対流方向は重力方向と同じ場合）においては、上向き流れ（強制対流方向は重力方向と逆の場合）に比較して、流路内に発生した自然対流が熱伝達を阻害し、その放熱完了時間を大幅に増大する結果となる。本研究は、平板状形状安定化処理パラフィン潜熱蓄熱材が充填された矩形蓄熱槽を研究対象とし、二次元非定常数値解析により、矩形蓄熱槽を傾斜することにより自然対流を抑制した場合における強制－自然共存対流熱伝達の蓄熱特性に及ぼす効果を検討するものである。さらに、熱媒体蓄熱槽入口流速、入口温度及び熱媒体流路幅の蓄熱特性に及ぼす影響も併せて検討を行ってある

Liquid-Liquid Direct Contact Heat Exchange Using a Perfluorocarbon Liquid for Waste Heat Recovery : Heat Transfer Characteristics obtained with Perfluorocarbon Droplets Descending in a Hot Water Medium

This paper deals with the heat transfer characteristics of a liquid-liquid direct contact operation in which a Perfluorocarbon (PFC) liquid is released in a hot water stream, a low-grade heat source such as urban sewage, for the purpose of heat recovery from it. The paper reports on a set of experiments in which a PFC liquid (1800 kg/m^3 at 20℃) was continuously injected from a single, downward-facing nozzle into a slow, upward flow of hot water to be disintegrated into droplets descending in, and thereby heated from the water flow. The results of the experiments show how the size distribution and the translational motions of the droplets affect the overall coefficient for the water-flow-to-droplets heat transfer and also the temperature effectiveness for the droplets.近年、未利用エネルギー活用の観点から、工場や家庭温排水などを熱源として利用する廃熱回収用熱交換器の開発が急務となっている。従来のシェルアンドチューブなどの隔壁型交換器では、伝熱面に排水中のごみやスケールが堆積し、その伝熱効率が著しく低下する等の問題点があった。この問題解決として、このような汚濁排水中に、非水溶性熱媒体を噴射・注入し、直接接触熱交換により、熱抽出が可能となる。このような直接接触熱交換法は、個体壁伝熱面の汚れによる伝熱効率低下の問題がなくなり、廃熱回収用熱交換方式として極めて有効である。さらに、この熱交換法は、個体壁を介さないために高い熱通過率が得られ、小温度差での熱交換に有効である。また、液－液の直接接触する界面が、そのまま伝熱面に相当するため、単位体積当たりの伝熱面積が増加する利点を有する。本研究は、下水等の汚れた熱水源より効率的な熱回収をする手段として液液直接熱交換法に注目したものであり、熱回収媒体としてフッ素系不活性液体を熱源水へ噴射し、形成したフッ素系不活性液滴群と熱源水の直接接触による、流動及び熱伝達特性を検討するものである。すなわち、円形単孔ノズルから高密度のフッ素系不活性液体を熱源である温水槽へ上部より噴射し、その液滴群形成過程の観察及び液滴群の流れの特性の解明を通じて、熱水源からの直接熱交換法による熱抽出に関する基礎特性を明らかにすることを目的とする。最終的に、この種の熱源水よりの熱回収媒体としてフッ素系不活性液体を用いた場合における実用に寄与する無次元熱伝達率等に関する実験整理式の検討をも行うものである

Flow Resistance and Heat Transfer Characteristics of Water Solution Flow with Surfactant in Circular Tubes

The reduction characteristics of flow resistance and heat transfer of water solution flow with the surfactant (Cetyltrimethyl-ammonium Bromide) in tubes were investigated experimentally. The flow resistance and heat transfer of Water solution flow with the surfactant were markedly reduced as compared with those of pure water flow. Useful nondimensional correlative equations of flow resistance and heat transfer were derived in terms of various non-dimensional parameters.近年、熱エネルギーの効率的な管内輸送手段として、温冷水にある種の鎖状高分子や界面活性剤を添加し、その管内圧力損失の低減効果（トムズ効果）を利用する試みが注目されている。トムズ効果は、数～数十ppm程度の鎖状高分子や界面活性剤を水に添加することにより、管内流動抵抗軽減効果を意味し、管内輸送において、摩擦損失の減少による流量増加やポンプ動力の減少が期待できる。このトムズ効果のメカニズムは、添加した鎖状高分子が糸巻き状（ランダムコイル状）となって流体中に混合し、そのランダムコイルが乱流渦の発生や発達を抑止することとされている。一方、ある種の界面活性剤は、その添加濃度を増大すると棒状のミセル構造を形成し、鎖状高分子のランダムコイルと同じ働きをすると言われている。トムズ効果を期待できる界面活性剤として、カチオン系界面活性剤である臭化セチルトリメチルアンモニウム（略して、CTAB：分子量364.46、図1参照）を添加した水溶液の場合には、高分子系のものと比較して、せん断力による劣化が少なく、循環系への利用に適していると考えられる。しかしながら、（CTAB）水溶液のような界面活性剤を添加した場合には、トムズ効果が有効に作用するには、ミセル構造の形成に関係する温度範囲が存在し、その使用条件が限られる。また、一般に非ニュートン流体であるため、その特性の解明には困難さを伴うものである。本研究は、高分子水溶液としてポリエチレングリコール（略して、PEG：平均分子量約200万）、そして界面活性剤水溶液としてCTABを使用し、両水溶液の粘性特性を明らかにした後、PEG水溶液のの管摩擦係数や熱伝達率に影響を及ぼす諸因子の効果を実測し、この種の界面活性剤の流動抵抗軽減および熱伝達特性を解明するものである

Condensation of Nonazeotropic Refrigerant Mixture R114/R113 in Horizontal Annuli with an Enhanced Inner Tube : Correlation of Frictional Pressure Drop and Vapor Phase Mass Transfer

Frictional pressure gradient and vapor phase mass transfer correlations were developed for condensation of nonazeotropic refrigerant mixture R114/R113 in the annuli of horizontal double tubes with an enhanced inner tube. The frictional pressure gradient data were correlated fairly well by a previously developed empirical equation for condensation of pure refrigerants. The vapor phase mass transfer correlation was based on the previous results for turbulent flow in smooth and rough tubes with and without surface suction. For given conditions of vapor and tube wall, the heat transfer coefficient can be calculated by using the correlations for the vapor phase mass transfer coefficient and the heat transfer coefficient for the condensate film. The calculated values agree with the measured data to a mean absolute deviation of 14.3%.蒸気圧縮式ヒートポンプ、冷凍機の成績係数向上させることのできる作動媒体として、非共沸2成分混合冷媒が有望視されており、最近その凝縮熱伝達に関する研究が開発に行われている。非共沸2成分混合冷媒が凝縮する際には、低沸点蒸気が不凝縮ガスと類似な挙動を示すため、熱伝達係数が単成分蒸気に比べて低下する。したがって、この冷媒を用いる凝縮器については液膜の伝熱促進とともに混合気の物質伝達促進をはかる必要がある。著者らは伝熱促進管の一種であるワイヤフィン付きコルゲート管を内管とする水平二重管の環状部における冷媒R11およびR113ならびに非共沸混合冷媒R114/R113の凝縮な関する一連の実験を行い、圧力降下と熱伝達の特性を明らかにした。R114/R113に関する第1報では液膜の伝熱特性がR113の場合と同一であると仮定して、混合気相の物質伝達係数を求め、円管上の強制対流凝縮理論から導かれた無次元パラメータを用いてデータ整理を行った。また、圧力降下の摩擦成分は純冷媒に対する実験式によって良好に整理できることを示した。第2報では、第1報の内管とフィン配列が多少異なる内管を使用し、外管内径を2種類に変化させて混合気相の物質伝達特性をより詳細に調べた。その結果、第1報で得られた物質伝達の式は凝縮質量流束の影響をよく表現するが、質量速度の影響および予測精度に関しては十分でないことが明らかになった。本報では、管内の乱流熱・物質伝達に関する従来の実験および理論解析の結果をもとにして、より一般性のある物質伝達の整理式を導く。また、圧力降下の摩擦成分の整理法についても検討する。なお、記号表中には本報で用いる主な記号のみ列挙する。その他の記号は第2報と同一である

Management of Lumbar Artery Injury Related to Pedicle Screw Insertion

We report on 2 patients who experienced injury to one of their lumbar arteries related to pedicle screw misplacement. In this report, the lumbar pedicle screw holes were made laterally with resultant injury to the lumbar artery. During surgery, arterial bleeding was controlled with pressure and gauze; however, the patients experienced vital shock after surgery. Vital shock ensued and they were rescued by catheter embolization. If patients receiving lumbar instrumentation surgery experience severe anemia or vital shock postoperatively, the surgeon should assume lumbar artery injury as a differential diagnosis