水蒸気凝縮を利用した二酸化炭素分離器開発のための基礎研究

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将来の二酸化炭素回収対応各種発電システムで必要となる二酸化炭素分離器の開発を目標に,その基礎現象である水平管外面における水蒸気-不凝縮ガス混合気からの水蒸気凝縮に関する研究を行った.今年度は知見の乏しい混合気中の水蒸気濃度が10-50%の領域において熱・物質伝達データを収集するとともに特に熱・物質伝達に及ぼす凝縮水挙動の影響に着目して実験を行った.熱・物質伝達への凝縮水の影響が顕著になる大型管群(2行×24段)を用いた実験を行い,管群の単相強制対流熱伝達予測式であるZhukauskas式を基に熱・物質伝達のアナロジ成立を仮定して計算される熱交換量の計算値と実験値の比較検討を行った.その結果,次のことが明らかとなった.(i)管群全熱交換量の実験値は計算値よりも高く,その差は凝縮水量の増加とともに増加する.(ii)管群内局所熱交換量の実験値はすべての箇所において計算値よりも高く,その差は凝縮水量が多くなる下部管群ほど拡大する.この結果から冷却管に付着した凝縮水表面の波立ちや飛散凝縮水の冷却管近傍対流境界層かく乱による熱・物質伝達促進効果の存在が予想された.なお純蒸気凝縮の場合に問題となるイナンデーションは顕著に確認されなかった.単管および小管群(1行×4段)を用いた実験を行い,冷却管近傍の流体温度および凝縮水挙動に関する各種計測を行って,熱・物質伝達に及ぼす凝縮水の影響について詳細検討を行った.凝縮水発生量の増加によって,冷却管表面の凝縮水の波立ちが大きくなり,冷却管近傍の温度変動幅も大きくなる結果から,凝縮水による対流境界層のかく乱が熱・物質伝達を促進させる主な原因であることが確認できた.