問題 7

次の各文章の【1】～【11】の中に入れるべき最も適切な字句、式又は記述をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。 また、【A ab.c】～【F ab.c】に当てはまる数値を計算し、その結果を答えよ。ただし、解答は解答すべき数値の最小位の一つ下の位で四捨五入すること。(配点計50点) (1) 相変化を伴う熱伝達について考える。 1) 沸騰熱伝達について考える。 容器内の静止した液体(水)中に白金線を設置し通電加熱をすると、白金線の温度(伝熱面温度)が液体の飽和温度以下では【 1 】による熱伝達が起こる。さらに加熱し伝熱面温度が飽和温度以上になると、伝熱面表面で蒸気の気泡が発生するようになる。これが沸騰である。 伝熱面温度と飽和温度との温度差を過熱度と呼ぶ。過熱度がある程度大きくなると、沸騰が開始して蒸気の気泡が発生し、過熱度の増大とともに気泡の発生点数と発生頻度が増していく。このような沸騰形態を【 2 】と呼び、この領域では過熱度とともに熱流束の値は急激に増大し、ついには熱流束が極大点に達する。 さらに過熱度を増大させると、薄くかつ安定な蒸気が伝熱面を覆い、伝熱面から離れた気液界面で蒸発が生じる。これを【 3 】と呼ぶ。 2) 凝縮熱伝達について考える。 蒸気がその飽和温度以下の冷却面に接触すると、蒸気はその面上に凝縮する。鉛直冷却面を考えると、冷却面が凝縮液によって濡れにくい場合には【 4 】凝縮が起こりやすい。 一方、凝縮液が冷却面をよく濡らす場合には【 5 】凝縮が起こりやすい。この後者の場合の熱伝達率は前者よりも低い値となる。この理由は、【 6 】が熱抵抗要素になるためである。

(2) 十分に大きな二つの平行な壁面間での放射伝熱量を考える。高温側壁面1の壁温を$T_1$[K]、低温側壁面2の壁温を$T_2$[K]とし、面積は両壁面で等しくA[$m^2$]である。また、ステファン・ボルツマン定数を$\sigma$[W/($m^2$·$K^4$)]とする。 1) 両壁面が黒体として扱える場合、二壁面間での放射伝熱量$Q_b$は次の式①で表される。 $Q_b$=【 7 】[W] ① 2) 一方、両壁面が灰色体として扱える場合、壁面1の射出率(放射率)を$\epsilon_1$、壁面2の射出率を$\epsilon_2$とすると、そのときの二壁面間での放射伝熱量$Q_g$は次の式②で表される。 $Q_g$=【 8 】[W] ② 灰色体の射出率は1より小さい値をとるので、式②から、灰色体間の放射伝熱量は黒体間の放射伝熱量よりも小さいことがわかる。

3) 2)において、二つの壁面間に平行に金属板を挿入したときの放射伝熱量について考える。この金属板表面の放射率を両面とも$\epsilon_3$とし、金属板が薄くて熱伝導の熱抵抗が無視できるとすると、この場合の放射伝熱量$Q_{gi}$は次の式③で表され、放射伝熱量は減少する。 $Q_{gi}$=【 9 】[W] ③ なお、式③より明らかなように、挿入金属板の放射率を低下させると、放射伝熱量は【 10 】。

(3) 向流形熱交換器を考える。高温流体の比熱は2.05kJ/(kg·K)であり、質量流量0.990kg/s、入口温度94.5℃で熱交換器に流入する。低温流体の比熱は4.18kJ/(kg·K)であり、質量流量0.152kg/s、入口温度25.5℃で熱交換器に流入し、出口温度は84.5℃であった。熱交換器での熱損失はないものとする。 1) 熱交換器での交換熱量は高温流体側と低温流体側で等しいので、低温流体側から、交換熱量は[kW]と算出される。この交換熱量を用いて、高温流体側のエネルギーのつり合い式より、高温流体の出口温度は[℃]となる。また、このときの低温流体側の温度効率は[%]である。 2) 次に、エネルギー効率を計算する。ここで、高温、低温両流体の熱容量流量を計算すると、高温流体が × 10[W/K]、低温流体が × 10[W/K]となる。この熱交換器の交換可能な最大熱量は、【 11 】の熱容量流量から求められ、この交換可能な最大熱量と、1)で求めた交換熱量から、エネルギー効率は[%]と計算される。