Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)

高温高圧下での凝縮熱伝達に関する研究
師岡 慎一†
湯浅 寛子†

久保 伸二† 白川 健悦†
山本 哲三† 小野 寛†

Study on Condensing Heat Transfer Test under High Temperatureand High Pressure Conditions
Shinichi MOROOKA†, Shinji KUBO†, Ken-etu SHIRAKAWA†
Hiroko YUASA†, Tetuzou YAMAMOTO† and Hiroshi ONO†

Abstract
The condensing heat transfer coefficient is one of the important factors to evaluate the pressure change under BWR(Boiling Water Reactors) abnormal transients. Condensing condition is about 7 MPa of pressure with vapor flow. Manycondensing studies have been done under atmospheric conditions with stagnant vapor. However, the condensing test
results under BWR conditions have not reported. Therefore, the condensing heat transfer test of the saturated vapor withvertical upward vapor flow has been done under high temperature and high pressure conditions.
The final purpose of this study is to develop the condensing correlation under BWR conditions. In this report, thedata under pressures of 0.5 and 1 MPa are reported. Test section is tube. The inner diameter and condensing length is
57.6 mm and 2000 mm. Test fluid is saturated vapor. The following test results were obtained(1) Flooding may have occurred at a higher vapor velocity. (2) Vertical vapor flow has the effect to enhance thecondensing heat transfer. (3) The measured heat transfer coefficients are larger than that of Nusselt model due to thevertical vapor flow
Key Words: Condensing heat transfer, Vertical vapor flow, High temperature and high pressure
conditions
１緒 言ら[2]そして Viewrow ら[3]により実施されており，上原らにより蒸気流を考慮した相関式も作成されているが，低沸騰水型原子炉において例えばタービン系統の不圧データに基づいて作成されたものである．また，寺西具合が発生し主蒸気止め弁が急閉した場合，原子炉でら[4]により，空気が混入した上向き蒸気流の場合の凝は圧力上昇が生じ，最大圧力を評価するために凝縮熱縮試験から内部の流れの状況の可視化が行われ，蒸伝達率を予測する必要がある．この場合，流体の条件気流により凝縮液が上部に運ばれる一種の flooding がは圧力 7 MPa そして蒸気流がある． Nusselt は静止飽発生していることが報告されている．この場合も圧力は和蒸気状態での層流膜状凝縮熱伝達率相関式[1]を理大気圧近傍である．

論的に誘導するとともに，流動飽和蒸気でのモデルもこのように，高温高圧で蒸気流が有る場合の研究の報告は著者の知る範囲ではない．そこで，高温高圧下での凝縮熱伝達率の測定を行い，試験データの検討および既存相関式との比較を行ったので，報告する．

提案しており，蒸気流速が増大つまり気液界面せん断力が増大するに従い，熱伝達率も増大するとしている．
従来，蒸気流がある場合の凝縮熱伝達の研究は，上原

受付日: 2006 年 3 月 8 日, 第 43 回日本伝熱シンポジウムより受付，担当エディター: 瀧本 昭†(株)東芝 (〒235-8523 神奈川県 横浜市磯子区新杉田町８)- 63 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

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２ 試験体, 測定方法および試験条件

Outlet of Vapor Flow

図 1 に試験体の概略図を示す．試験体は，凝縮管とCondenser Tube

水冷ジャケットより構成されている．凝縮管で蒸気を凝縮し，凝縮熱伝達率を測定する．水冷ジャケットは，凝Cooling water

縮管の外側に設置し，蒸気を凝縮するためのものであ#5る．蒸気はこの試験体の下部から流入させる．流入した蒸気の一部は凝縮管内で凝縮し，凝縮水は下部配管

500

#4

Water Jacket500より排出され，この凝縮水量(以下ドレン量ともいう)を測定する．

#3500

凝縮熱伝達率は，図 2 に示す凝縮管の半径方向に埋め込まれた熱電対より測定された温度分布から熱流Cooling water束，凝縮管内面温度をもとめ，蒸気温度測定値を使用#2#1することにより算出した．今後，評価に使用するデータ

measuring locations

Inlet of Vapor Flow

る．
熱伝達率測定位置は蒸気流入上流側(下部位置)よCondensate

り#1 から#5 (5 箇所)あり，各位置の冷却水温度そして蒸気温度を測定した．

Fig. 1 Test section.

試験装置は，8 MPa まで試験が可能であるが今回の76.4 mm

試験条件は以下とした．
流体 : 飽和蒸気・蒸気の流れ方向：上向き・

圧力・

液膜レイノルズ数： 400 ～1500

・

上向き蒸気流速 ～ 15 m/s

500#1～#5: heat transfer

は全て局所凝縮熱伝達率(以下，凝縮熱伝達率)であ・

2000

57.6 mm

Water Jacket： 0.5, 1.0 MPa液膜レイノルズ数 Re の求め方を#4 の場合を例にとって説明する．

Condenser#5 から，#4 熱伝達率測定位置までの凝縮量 W は冷TubeThermocouples

却ジャケットの流量 G と#5 から#4 までの冷却水の温度

Condensing Film

上昇から求められる熱量 Q より次式により求める．

W=

GCp (T# 4 − T#5 )Hfg
Fig. 2 Cross-sectional view.

ここで，Cp:比熱 Hfg:潜熱
液膜レイノルズ数 Re は，以下の式より求めた．
4W
Re =Lμ Aにしてデータをプロットしている．蒸気流速は，軸方向で変化するが，ここでは入口での蒸気流速を示している．
圧力 1 MPa では蒸気流速が約 7 m/s 以上で，ドレン量

ここで，Ｌ：凝縮面の周長（この場合は，内径*π）が急激に減少している．図 4 には，データより内部の流３れの状況を推定した図を示す．図 3 の図中には，図 4

試験結果および検討の流動状況を対応させて示している．低い蒸気流速では，液膜表面は波立っているが Ratio が 1 に近いという

3.1 凝縮量
図 3 は縦軸に Ratio=(ドレン量)/(冷却水の奪った熱量ことから，液滴の飛散は少ないと考えられる(流動様相が全て凝縮に利用されるとして計算した凝縮量：正味(a))．蒸気流速を増加すると，流動様相(b)に見られるよの凝縮量)を，横軸に蒸気流速をとり 圧力をパラメータ

うに液膜表面から液滴が飛散し蒸気流により上部に運- 64 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

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ばれるようになる．更に，蒸気流速を増加させると，部分1.5的な液膜の逆流が生じる(流動様相(c))．最終的には，(a)(b)

凝縮液は蒸気により全て上部に運ばれ，一種の上昇二相流となっていると推測される．このように，寺西らが低1Ratio

圧で観察しているように，蒸気流速を増加させると，最初は液膜表面が波立つが，その後，ある蒸気流速にな(c)P=0.5MPa
P=1MPa0.5ると蒸気の力によって，液膜表面から液滴が発生し，上部に液体が運ばれる現象，一種の flooding が発生して(d)いると考えられる．従って，ドレン量は冷却水の奪った0熱量が全て凝縮に利用されるとして計算した凝縮量より05小さくなっている．(Ratio が 1 以上になっているのは計

10Vapor Velocity (m/s)

1520Fig. 3 Effect of vapor velocity on ratio of measured
condensate and evaluated condensate from coolingwater.

測誤差と思われる．)
圧力が高い 1.0 MPa では，0.5 MPa の場合に比べ蒸気密度が増大し，液膜を引きちぎる力(せん断力)が増大するために，より低い蒸気流速でこのような現象が発生している．つまり，上昇蒸気流の凝縮は，静止蒸気あるいは下降蒸気流の凝縮とは異なる現象が発生している．
3.2 軸方向壁面温度分布
図 5 に横軸に壁面表面温度，縦軸に熱伝達率測定位置をとり，代表的な軸方向壁面温度分布を示す．下部に行くに従い，若干温度が上昇しているように見えるが，軸方向でそれほど大きな温度分布はない．

(a)

(b)

3.3 凝縮熱伝達率

(c)

(d)

Fig. 4 Flow pattern.

図 6 に横軸に蒸気流速，縦軸に凝縮熱伝達率をとり，6蒸気流速による凝縮熱伝達率への影響を示す．プロッ
ト〇，●は，図 1 の熱伝達率測定位置#4, 3 の結果を示
速 (5m/s) と ほ ぼ 凝 縮 液 が 上 昇 流 と な っ て い る 流 速(10m/s)を線で示している．液膜レイノルズ(Re)がほぼ一定の場合，蒸気流速が増大するに従い，凝縮熱伝達率は全体的に増加している．上昇蒸気流による伝熱への影響を検討する．
効果 1：液膜速度の減速による伝熱悪化
上昇蒸気流により液膜界面に上向きせん断力が働き，液膜速度が減速し，液膜厚さが増大することにより，伝熱は悪化する．

Heat transfer maeasuring location

Pressure=0.5 MPa

す．図中には，図 3 から推定した flooding が開始した流

54
3
Ug=10 m/s
Ug=15 m/s
Ug=3 m/s

21

効果 2：液膜表面の乱れによる伝熱改善
蒸気流により液膜界面が乱れ液膜内の熱移動が活0100発になると伝熱は改善する．
効果 3：flooding による伝熱改善
蒸気流により液膜界面から液滴が飛散すると液膜流

125150175
Inner surface temperature (C)200Fig. 5 Axial temperature distribution ofcondensing surface.

量が減少し液膜厚さが薄くなると伝熱は改善する．
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効果 3 ) となったと思われる．液膜がこの Re 範囲では，

20
Heat transfer Coefficient kW/m2K

18Begining of
Flooding

16Flooding

P=0.5 MPa

蒸気流は伝熱を改善する方向に働くと考えられる．
図 7 は，flooding が発生していないデータを抽出して，1412Nusselt の膜状凝縮相関式[1]と比較したものである．気10

液界面の波立ちの影響を考慮していない Nusselt モデ

8ルより 上昇蒸気流の影響により熱伝達率は増加して

64#4 Re=390-420

2#3 Re=890-930

いる．
４00510Vapor Velocity m/s

15

高温高圧下での上昇飽和蒸気の凝縮熱伝達の測定

Fig. 6 Effect of vapor velocity on condensing heattransfer coefficient.

を行い，以下の結果を得た．
(1) Re が 1500 以下の範囲においては，上昇蒸気流は0.5(h/λf)[ρf (ρf-ρg)g/μf2](-1/3)

結論20

凝縮熱伝達率を増加させる．

P=0.5 1.0 MPa(2) 本試験範囲では，Nusselt モデルよりも測定値は大0.4

きな熱伝達率を与える．
0.3

参考文献

0.20.1

Nusselt
00500

1000

1500

2000

Re

Fig. 7 Comparison of Nusselt theory.
総合的な伝熱は上記効果 1,2,3 の複合効果となる．
データを詳細にみると，蒸気流速を 7 から 10 m/s では，熱伝達率が減少する．これは効果 1 の液膜速度減速効果が出たためと考えられる．その後，蒸気流速を増加すると熱伝達率が増大している．つまり，効果 1<(効果 2+- 66 -[1] Nusselt, W., Die Oberflachenkondesation desWasserdamffes the surface condensation ofwater, Zetrschr. Ver.Deutch. Ing., 60 (1916),
541-546.
[2] 上原ら，”鉛直面上の波流膜状凝縮”,日本機械学会論文集, 48-433,B (1982), 1751-1760.
[3] Viewrow, K. M. et al., “ Condensation in a natural
circulation loop with noncondensable gases”, Proc.
ICMF 91 Tsukuba (1991), 183-186.
[4] Teranishi,T. et al.,” Effect of flow direction oncondensation heat transfer of air-water mixture
inside a vertical cooled tube”, Proc. 6th
ASME-JSME Thermal Eng. Conf., TED-AJ03-306(2003).

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