平成13年度〔2001〕№46
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

水粒子凍結過程の計算予測と実験装置の試作＊
平栄蔵＊１・中山隆＊２

Numerical Prediction for Icing Process of Water Particles
and Setup of Experimental Apparatus
Eizo HIRA and Takashi NAKAYAMA
低温度の空気の流れの中に水を噴霧し、それをを急速冷却して凍結氷粒子を製造する装置を設計・製作
するには低温空気の温度と流量、水粒子の直径と初期温度、空気と水粒子の接触性やその時間などが氷粒子生成時間やその到達温度に及ぼす影響をあらかじめ検討しておく必要がある。
そこで本報告では、低温空気中に噴霧した水粒子の凍結過程を予測する熱移動計算プログラムを作成し、各種パラメータが凍結時間などに及ぼす影響について検討した。また、これらの予測値を基にして実証実験用の気液混合器及び氷粒子分離用サイクロン等を設計・試作した。
キーワード：低温空気、水粒子、気液混合器、凍結過程、実験用氷粒子製造装置
１ はじめに

圧力まで空気を圧縮し、常温冷却したのち熱交換空気を冷媒とした空気冷凍機は、冷媒に空気を器へ送る。ここで、氷粒子分離用サイクロンから用いるため地球環境にやさしいこと、その構造が回収した冷風と熱交換させ予冷し、エアモーター比較的簡易であること、低圧の空気を用いることへ送る。動力回収用発電機付きのエアモーターでができるなどいくつかのメリットを有している。

エネルギーを吸収された空気は、その圧力と温度

特に、−60℃以下の極低温度域になるとフロンが低下する。温度が低下した空気は気液混合器で、ガス等蒸気圧縮方式よりも空気冷凍機の方が原理微粒化した水滴と混合される。水滴は冷風の冷熱的に、構造的に有利となることが知られている。

により凍結し、氷粒子となる。氷粒子は氷粒子分

本研究では、このような特徴を有する空気冷凍離用サイクロンで空気と氷粒子に分離される。低機の基礎的研究とその応用機器の開発を行う。

温の空気は熱交換器へ送られ、導入空気を予冷し本年度は低温空気流中に水粒子を同伴させた場
合の水粒子の凍結過程について数値計算予測し、その結果に基づいて実証実験用の氷粒子製造装置の設計・試作を行った。
２ 水粒子の凍結過程のモデル及び基礎式
図１に計算に用いたモデル図を示す。
本装置の動作は以下のとおりである。スクリュー圧縮機のようなコンプレッサーを用いて設定した＊＊１＊２

高速氷粒子噴射による表面凍結浄化システムの研究開発（第２報）
機械電子デザイン部
同部長

図１

計算モデル図61

水粒子凍結過程の計算予測と実験装置の試作たのち、外へ放出される。
空気の冷却過程については前報で報告したので本報告では、気液混合器前後における水粒子の凍結過程について検討する。
この凍結過程の検討のための計算式導入に先立
ち、以下の仮定をおく。
① 気液混合器及び空気輸送管と周囲の間の熱の出入りは無視する。
②

水粒子と冷風の間の熱伝達はNu＝２一定とする。
図２は気液混合器内での水粒子の凍結過程を示す。横軸は経過時間で、縦軸は水滴及び冷風の温
図２度である。図中の破線は水粒子の温度経過Twを、水粒子の凍結過程

一点鎖線は冷風温度Taの経過を示す。また、図中のAは気液混合器へ水滴を導入した時刻とその時

２−３

点C以降の氷粒子と空気との熱バランス

水粒子が凍結した後は、上述の式の温度を示す。A点からB点の間は水粒子の温度〜と同様低下を示し、B点からC点の間は水粒子の凍結区にして、Δt後の温度を計算する。なお、凍結後間である。C点以降は凍結粒子の温度低下を示す。の氷の比熱はcpw＝0.487で、 水の場合のおよそ２−１

１ ２である。

AB区間の水粒子と空気との熱バランス

任意の時刻tから微小時間Δt経過後の水粒子か

本計算では微小時間Δtを0.01msec.とした。

ら冷風への微小熱移動量ΔQwは、また、空気と水粒子間の伝熱式や熱熱物性値等ΔQw＝F･hw（Ta−Tw）Δt

は伝熱工学資料、化学工学便覧等を参考にした。

式

中のhwは水粒子と冷風の間の熱伝達率で、
hw＝Nu･k d３である。Nuはヌセルト数で、この値は、結果の検討

水粒子凍結過程の説明に用いた図２は、水粒子

Nu＝2の直径dを60 m、初期温度Twiを20℃、その流量とする。

Gwを１kg hで、空気の初期温度Taiを−20℃、任意時刻tから微小時間Δt経過後の水粒子及び冷流量Gaを60kg hとしたの場合の水粒子及び冷風

風の微小変化温度ΔTw及びΔTaは、温度経過Tw及びTaを示している。

ΔTw＝ΔQ（cpw･Gw）

本図より、20℃で噴射された水粒子は約0.05秒

ΔTa＝ΔQ（cpa･Ga）後に凍結し始めること、この場合の凍結開始からここに、Fは単位流量当たりの水粒子の全表面積、終了までの時間は約0.25秒であること、更に凍結

kは空気の熱伝導率、dは水粒子の直径、Ta及び後の氷粒子は約0.1秒で冷風とほぼ同一の温度、−Twは任意時刻の冷風及び水粒子の温度、cpw及12℃程度となることがわかる。

びcpaは水粒子及び冷風の定圧比熱である。
２−２BC区間の水粒子と空気との熱バランス

任意時刻tにおける熱バランスは、式の水粒

以下、本項では、気液混合器内における水粒子の凍結に及ぼす水粒子の粒子径と初期温度、冷風の初期温度や流量などの影響について検討する。

子の温度Twを、

図３は水粒子の初期温度が水粒子の凍結時間にTw＝0及ぼす影響を示す。横軸に水粒子の粒径d、縦軸とおき、式を用いて、Δt後の温度を計算に水粒子が凍結するまでの時間を示す。計算条件

し、 ΔQの総和が水の潜熱のQ＝80kcal kgに達は初期空気温度Tai＝−20℃、空気流量Ga＝60kgするまで繰り返す。

h、水粒子流量Gw＝１kg hである。

62〜

水粒子凍結過程の計算予測と実験装置の試作

Twiは低温ほど、また水粒子径dは小さくなるほ

図５は低温空気の初期温度が水粒子の凍結時間ど凍結に至るまでの時間が短縮されることがわかに及ぼす影響を示す。横軸に水粒子の粒径d、縦る。特に水粒子径が20 m以下では、水粒子の初軸は水粒子が凍結するまでの時間を示す。計算条期温度の影響はほとんど無視できると考えられる。

件は初期水粒子温度Twi＝20℃、 空気流量Ga＝

図４は低温度の空気の流量Gaが水粒子の凍結60kg h、水粒子流量Gw＝１kg hである。

時間に及ぼす影響を示す。横軸に水粒子の粒径d、空気の初期温度Taiは低いほど、また水粒子径縦軸は水粒子が凍結するまでの時間を示す。計算dは小さくなるほど凍結に至るまでの時間が短縮

条件は初期水粒子温度Twi＝20℃、初期空気温度されることがわかる。Taiが−10℃と0℃に近づ

Tai＝−20℃、水粒子流量Gw＝１kg hである。

くほど水粒子の凍結までの時間が急速に増加し実空気流量Gaは多いほど、また水粒子径dは小さ用的でないこと、逆にその温度が−30℃以上と低くなるほど凍結に至るまでの時間が短縮されるこ

温化しても凍結に要する時間はそれほど短縮しなとがわかる。特に、水粒子径が20 m以下では、いことがわかる。

空気流量Gaの影響はほとんど無視できると考えられる。

図６は低温空気の初期温度Taiと空気流量Gaが水粒子の凍結時間に及ぼす影響を示す。空気温度

図３

図４

水粒子初期温度Twiの影響

低温空気流量Gaの影響

図５

低温空気の初期温度Taiの影響

図６

TaiとGaの影響
63

水粒子凍結過程の計算予測と実験装置の試作

Taiが低下するほど、空気流量Gaが増加するほど４凍結に要する時間は減少することがわかる。
図７は低温空気の空気流量Gaと水粒子の初期温度Twiが水粒子の凍結時間に及ぼす影響を示す。

実証用実験装置の設計・試作

水粒子の凍結時間等の予測計算に基づき、実証用の氷粒子製造装置を設計試作した。図９にその外観を示す。

空気流量Gaが増加するほど、水粒子の初期温度Twiが低下するほど、水粒子の凍結に要する時間は減少することがわかる。
図８は水粒子の初期温度Twiと低温空気の初期温度Taが水粒子の凍結時間に及ぼす影響を示す。
水粒子の初期温度Twiが低下するほど、低温空気の初期温度Taiが低下するほど、水粒子の凍結に要する時間は減少することがわかる。

図９５

試作した気液混合器とサイクロン

まとめ
低温空気の流れの中に水粒子を混合して氷粒子を生成する装置の設計・試作を目的に、氷粒子凍結過程の予測計算を行った。その結果、水粒子径は小さいほど、水粒子の初期温度は低いほど、低温空気の流量は多いほど、また低温空気の温度は低いほど水粒子の凍結までに要する時間が短縮することなどがわかった。
図７GaとTwiの影響

特に、氷粒子凍結時間の短縮には、水粒子径を小さくする方法が他の方法よりも遙かに有効であるなどの知見を得た。
これらの予測結果に基づいて、実証実験用の氷粒子製造装置の設計・試作を行った。

図８64

TwiとTaiの影響