問題 7

次の各文章の【1】～【16】の中に入れるべき最も適切な字句、数値、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。なお、【1】及び【5】は2箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。(配点計50点) (1) 固体壁面とその面上を流れる流体との熱移動は熱伝達と呼ばれる。 1) ヌセルト数は、熱伝達率に代表長さを乗じて、【 1 】率で除したものとして定義されるが、その物理的な意味は、対流による熱伝達が【 1 】によるものに比べてどの位大きいかを示すものである。ヌセルト数の代表長さとしては、例えば、流れに直交する円管の管外側の熱伝達では円管の【 2 】が用いられる。 円管内の流れが層流の場合の熱伝達において、流れ場及び温度場が共に十分に発達している領域では、ヌセルト数は流れ方向の距離の増加に対して【 3 】。 対流による熱伝達におけるヌセルト数は、強制対流の熱伝達では【 4 】及び【 5 】の関数として、自然対流の熱伝達では【 6 】及び【 5 】の関数として表される。

2) 沸騰伝熱において、流体の温度が飽和温度以下の場合をサブクール沸騰という。サブクール沸騰熱伝達の際の熱伝達率は、一般に「熱流束」を「伝熱面温度と流体の【 7 】温度との差」で除したものとして扱われる。

3) 熱伝達率の値は物質、流動状態、伝熱形態など様々な条件によって大きく変わる。このため、その値がこれらの条件によってどの程度の範囲にあるかを知っておくことは重要である。 次の表は伝熱現象とそれに対応する熱伝達率の概略値の一例を示したものである。 **表** | 流体の種類 | 伝熱の形態 | 熱伝達率の概略値 [W/(m²·K)] | 条件 | | :--- | :--- | :--- | :--- | | 水 | 強制対流 | 【 8 】 | 内径5cm、130℃の円管内、40℃の水1m/sの流れ | | | 沸騰 | 【 9 】 | 0.1MPa、熱流束1MW/m²付近(バーンアウト付近) | | 空気 | 強制対流 | 【 10 】 | 内径5cm、130℃の円管内、40℃の空気10m/sの流れ |

(2) 放射伝熱は電磁波によるエネルギーの移動である。ここで、平行して向かい合う面積の異なる二つの黒体表面間で単位時間当たりに移動する熱量Qについて考える。一方を絶対温度T₁の面1、もう一方を絶対温度T₂の面2とする。面1の面積をA₁、面1から面2を見た形態係数をF₁₂とし、面2の面積をA₂、面2から面1を見た形態係数をF₂₁とすると、Qは次式で表される。なお、T₁>T₂とし、ステファン・ボルツマン定数をσとする。 Q = 【 11 】

(3) 図1のように、内部に温度Tᵢの温水が流れる外半径rᵢで長さLの円管があり、その周りに外半径rₒで熱伝導率kの断熱材が巻かれている。断熱材の外周側から温度Tₐの周囲空気へ対流熱伝達による放熱があり、その熱伝達率はhである。なお、円管内から断熱材内表面までの熱抵抗は十分に小さいものとして無視し、円管外表面温度はTᵢで均一とする。 (図は省略) 1) 円管から周囲空気への単位時間当たりの放熱量Qは、式Q = 【 12 】で求めることができる。 2) 熱伝導率kを0.04W/(m·K)、熱伝達率hを4W/(m²·K)とした場合、外半径rᵢが7.95mmの円管に対して、温水の温度Tᵢを60℃、周囲空気の温度Tₐを20℃とすると、円管の長さ1m当たりの周囲空気への単位時間当たりの放熱量は、次のように求められる。ただし、π=3.142、ln(995/795)=0.2244とする。 ① 断熱材がない場合：8.0W ② 厚さ2mmの断熱材を巻いた場合：【 13 】[W] ③ 厚さ8mmの断熱材を巻いた場合：7.6W このように、周囲空気の条件や断熱材の厚さによっては断熱材が効果を示さない場合があるので注意が必要である。

(4) 熱交換器を流体の流れ方により分類すると、向流形、並流形及び直交流形の三つに分類される。それらのエネルギー効率εの値を形式別に大きい順に並べると、【 14 】である。 伝熱面積、熱通過率が既知である隔壁式熱交換器の交換熱量は、熱交換器入口における両流体の比熱、質量流量及び温度が分かれば、出口温度が不明であっても【 15 】を用いて求めることができる。 図2は、高温側流体の入口を1、出口を2としたときの、高温、低温両流体のおおよその温度変化のパターンをいくつか模式的に示したものである。この(a)～(d)の中で、凝縮器用の並流形熱交換器(凝縮側では相変化のみ起こるとする)のパターンに相当するのは【 16 】である。 (図は省略)