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Master's Thesis / 修士論文
温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の
流入特性に関する研究
間宮, 健太
三重大学, 2008.
三重大学大学院工学研究科博士前期課程建築学専攻
http://hdl.handle.net/10076/10889
平成20年度
修士論文
温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の
流入特性に関する研究
I?I
I-I
L//tt
1
t
)
ノ
j〆′
'・
指導教員
■∴こ1=J--
石川幸雄
教授
三重大学大学院工学研究科
建築学専攻
間宮健太
:.
1^.ノj,':研究村
[T7.:人J、j::人J、)t・[:院
1序論
1.1研究背景
1.2
蓄熱式空調システム
.….....….….…….….…4
1.2.1蓄熱式空調システム概要
温度成層型蓄熱槽概要
1.2.2
2
‥‥
1.3
既往の研究
1.4
本研究の目的
1.5
本論文の構成
….……….……6
………..…………‥….…..…6
槽内混合モデル
2.1
はじめに
2.2
槽内混合モデル
2.2.1一次元拡散域
3
2.2.2
完全混合域
2.2.3
初期完全混合域無次元深さの実験式
模型実験
3.1
はじめに
3.2
実験装置概要
3.3
実験方法と計測内容
3.4
初期完全混合域深さの同定
3.5
実験結果と考察
…‥‥…..….
.….….…..……….12
……..…………….14
3.5.1流入口に挿入物のない実験
(1)実験概要
(2)実験結果
3.5.2
……...…..……
流入口にスポンジを挿入した実験
(1)実験概要
…
…...……….…….….…….…….……19
(2)実験結果
流入口に金たわしを挿入した実験
…
3.5.3
….….…‥15
‥‥………….…
…………..………..…..….……‥…‥20
(1)実験概要
3.6
4
(2)実験結果
第3章まとめ
……‥……………‥….…36
美大実験
4.1
はじめに
4.2
実験装置概要
4.3
実験方法と計測内容
4.4
初期完全混合域深さの同定
4.5
‥
…..….….…………..………38
.…
…..……….….38
……..…‥.…‥41
・実験結果と考察
4.2.1挿入物の影響
……‥42
1
4.6
5
6
4.2.2
中央円管部の直径
4.2.3
性能の限界
4.2.4
蓄熱槽の大きさの影響
‥…..45
第4章まとめ
可視化実験と流速の計測
5.1
はじめに..……
5.2
実験概要
5.3
実験結果と考察
5.4
第5章まとめ
……….………‥52
‥…..……..……52
実験式の同定
6.1実験式の同定
7
6.2
シミュレーション
6.3
第6章まとめ
‥………….……….…60
まとめ
参考文献.….……….
82
関連発表論文
83
謝辞………….…….…
84
2
第1章
序論
1.
1研究背景
電力各社における最大電力は増加している。最大電力とは電力各社におけるその年のピーク負
荷であり、夏季の日中にその値を記録する。この最大電力に対する平均電力の割合(設備容量に
対する平均負荷の割合)を負荷率といい、この負荷率の低下による電力設備の利用効率悪化に電
力各社は悩まされ続けている。また、
cO2などの温室効果ガスによる地球温暖化や、化石燃料枯
渇が問題視されている。この問題に対し、電力供給面から見ると、夜間はCO2排出がほとんど無
い水力発電と原子力発電により賄うことができるが、日中はCO2排出の多い化石燃料で発電せざ
るをえない。このような問題のなか、自然エネルギーや新エネルギーの利用技術の開発と共に、
省エネルギー化や電力負荷平準化の実践が必要となっている。
エネルギーには幾つかの形態があるが、そのなかで熱エネルギーは空調設備で取り扱う最終の
エネルギー形態であり、水などの媒体により、貯蔵が可能である。そのため、最も現実的な電力
消費の平準化方策として蓄熱式空調システムが数多く採用されている。
1.
2
1.
蓄熱式空調システム
2.
1蓄熱式空調システム概要
蓄熱式空調システムでは、様々な媒体に熱エネルギーを蓄えその需給を調整することが可能で
ある。したがって、間欠性の大きい自然エネルギーの有効利用や不安定な廃熱の回収利用、深夜
電力の利用などが可能となる。蓄熱式空調システムの利用による利点は、電力消費の平準化だけ
でなく、安価な深夜電力の利用によるランニングコストの削減、熱振機器の高効率運転、設備容
量の低減,などが挙げられるが、蓄熱装置の構築によるイニシャルコストや、熱損失などの問題
も抱えている。
蓄熱システムには、水蓄熱をはじめ、潜熱を利用できる氷蓄熱、コンクリートスラブ等を利用
する躯体蓄熱、地盤を媒体とする地中蓄熱などがある。また、空調分野における水蓄熱槽は国内
では1950年代に創始されたと言われている。その後、研究・開発がすすめられ、
50年経過した現
在では最も歴史が古く、その設計手法が確立された蓄熱システムである。
1.
2.
2
温度成層型蓄熱槽概要
現在、水蓄熱槽は、
「温度成層型蓄熱槽」と「連結完全混合槽型蓄熱槽」に大別できる。
本研究で対象とする温度成層型蓄熱槽は、蓄熱した槽内水と空調に使用した流入水を、それぞ
れの密度差によって混合を抑制するタイプの蓄熱槽であり、水を用いた顕熱蓄熱としては蓄熱密
度が高く、現在普及しているエコアイスに代表される氷蓄熱と比較してヒートポンプを高効率で
運転できることから今後の更なる普及が期待されている。
4
1.
3
既往の研究
温度成層型蓄熱槽の熱的応答特性に関して、辻本・相良・中原1),2)は、槽内の温度垂直分布を予
測するモデルとして、
R値モデルを提案している。このモデルは温度ステップ入力を前提条件と
しており、蓄熱槽内を流入口側から鉛直方向に流入水が周囲の水と完全に混合する完全混合域と
拡散と移流を考慮した一次元拡散域とに分けてモデル化している。入力条件の槽内混合性状-の
影響を実験式により表しているが,流入口の形状によってその特性が違うため、個々の流入口形
状に対応した実験式を得る必要があり、水平円管型流入口およびせき・スロット型流入口につい
ては、モデルに適用する実験式が同定されている。多孔円筒型流入口や円盤型流入口などの流入
口についても、その混合特性に関する研究がなされているが、実験式の同定はされていない。北
野・岩田・相良3)はこのモデルを拡張し、変動入力条件や蓄熱と放熱の繰り返し運転に対応可能
とした槽内混合モデルを提案している。
また、宮武4)・5)は、温度成層型蓄熱槽において、長方形ダクトから、直方体の蓄熱水槽に温水を
ステップ入力させた場合における温度成層化過程を研究し、槽の幾何学的形状(ダクト幅、槽高さ)
と流入条件(初期温度、流入温度、流量)から、熱効率を導出する半経験式を提案している。
一方で、連結完全混合槽型蓄熱槽は、個々の蓄熱槽の水は混合させるが、蓄熱槽を連通口等で
直列に数多くつなげることにより、連結した蓄熱槽全体として低温水と高温水の混合による温度
ポテンシャルの低下を抑制しようとする蓄熱槽である.中島6),7)、松平8)が理論的な検討を行って
いる。中島は、出口水温の応答を求めるための手法として,水温応答係数法を提案している。こ
の手法では,槽全体の混合しにくさを表す混合特性値Mが与えられ、この値を用いて槽の出口水
温を、電子計算機等を用いることなく容易に求めることができる。しかし、変動入力条件や槽全
体の水温が一様でない場合には対応しておらず、システム稼動時の運転シミュレーションを行う
ことができない。
北野・北川・相良9),10)Ill)はこの蓄熱槽の槽内の温度分布の推移の予測手法として、変動入力条
件に対応可能とした温度成層型蓄熱槽の槽内混合モデルを拡張し、連結完全混合槽型蓄熱槽に対
応した槽内混合モデルを提案している。
5
1.
4
研究目的
水を蓄熱媒体とし、高い蓄熱性能が期待できる温度成層型蓄熱槽の設計において、蓄熱性能を
左右する流入口の形状やサイズ、設置個数の選定は、非常に重要である。これまでの研究で、模
型実験や数値解析により、蓄熱槽内の基本的な混合特性が明らかにされ、蓄熱槽の幾何学的形状
や入力条件から、槽内温度が予測できる槽内混合モデルが提案され、水平円管型流入口およびせ
き・スロット型流入口については、モデルに適用する実験式が同定されている。
現在、円盤型流入口は、温度成層型蓄熱槽に用いられているが、その流入特性は明らかにされ
ていない。本研究では、円盤型流入口の流入特性を明らかにして槽内混合モデルに適用する実験
式を得ることで、この流入口の特性を考慮した蓄熱槽の性能設計を可能とすることを目的として
いる。
1.
5
本論文の構成
第1章では、本研究において対象とした温度成層型蓄熱槽について、その概要について示し、
研究背景と研究目的について示したo
第2章では、温度成層型蓄熱槽の槽内温度が予測できる槽内混合モデルについて、その概要を
示す。
第3章では、温度成層型蓄熱槽に適用されている、円盤型流入口について、その混合特性を把
握するために模型実験を行い、実験の槽内温度分布と実験結果から同定した初期完全混合域深さ
から、その特性について検討する。
第4章では、第3章で行った模型実験の結果から確認した円盤型流入口の流入特性に、水槽の
大きさの違いによる影響がないか確認するために実大規模の水槽を用いて実験を行い、検討した。
また、実際の蓄熱槽で用いられることのあるパンチングメタルを設置した円盤型流入口について
検討をおこなう。
第5章では、第3章、第4章で用いた円盤型流入口について、流入口の開口部付近での流速の
計測と可視化実験を行うことで流入の様子を確認し、その流入特性について検討を行うo
第6章では、第3章、第4章で行った実験結果から、槽内混合モデルに適用する円盤型流入口
の実験式を同定し、その実験式を用いてシミュレーションを行いその精度を検証する。
第7章では、本研究のまとめを示す。
6
第2章
槽内混合モデル
:-
!
J
i
2.
1
はじめに
本章では、温度成層型蓄熱槽の幾何学的形状や入力条件から、槽内温度分布の推移が予測でき
る槽内混合モデルについて、その概要を示す。
2.
槽内混合モデル
2
温度成層型蓄熱槽では、過去の模型実験および数値解析から以下のような定性的な槽内混合機
構が明らかとなっている。最初に上部流入口から、高温水が噴流となって流れ込むと、周囲の低
温水と混合しながら、流入口の対向壁に衝突し、下向きに方向が変化した流れが、浮力と釣り合
った深さで停まる。その後、周囲の水と完全に混合し、水平方向にほぼ等温となった後に下方に
高温領域が広がっていく。温度成層型蓄熱槽では、この定性的な混合機構を踏まえ、上部流入口
から流入した高温水と槽内の低温水が混合する完全混合域と下向きに高温領域が押し出されてい
く一次元拡散域とに槽内を分割するモデルを仮定している。
(図2-1)
槽内温度
流入口
i
完全混合域
一次元
拡散域
流出口
図2-1完全混合域と一次元拡散域
2.
2.
1一次元拡散域
一次元拡散域では、槽の水平断面内では温度が一様であるとし、垂直方向の拡散と移流による
熱の移動を考慮した、式(2.1)を用いる。
∂β
芳一u壁
-=K
∂J
az
(2.1)
ここで、
U
z
∬
β
:槽水平断面降下速度lm/s】
:槽水面からの深さlm]
:温度拡散係数【m2/s]
:槽内温度【℃]
8
2.
2.
完全混合域
2
完全混合域の温度は、式(2.2)で求める。式中の完全混合域無次元深さRは、槽水深Lに対する
完全混合域深さeの割合であり、初期の完全混合域無次元深さRoから、換水回数tオに比例して増
大するとした式(2.3)により求める。
(Oin
(2.2)
vR芸-qin
-0)
R-Ro+Rkt*
(2.3)
R-2/Lr
(2.4)
R.-2./L
(2.5)
t*-旦吐t
V
(2.6)
初期完全混合域無次元深さ」‰は入口アルキメデス数を用いた実験式により与えられると仮定
している。式(2.7)にせき・スロット型流入口の実験式を例として示している。
Ro
2・OArin
-
Arjn
-
dsg
10・6ds/L
P.-P,・n[
(2・7)
1
2
Po
(2.8)
uin
また、円盤型流入口のAzhは円盤隙間幅dcを用いた次式で定義される.
Ar,・n
-
dcg
P.-P,・nJ
Po
1
2
(2.9)
uin
ここで、
eo
入口アルキメデス数ト】
円盤隙間幅[m]
せき高さ【m]
重力加速度【m/s2]
槽の水深[m】
完全混合域深さ[m]
初期完全混合域深さ[叫
q L'n
流入流量[m3/s]
R
完全混合域無次元深さト]
初期完全混合域無次元深さト]
係数(-o.4)ト】
時間【s】
換水回数ト】
流入流速【m/s]
槽容量[m3】
槽内温度[℃]
流入温度【℃]
初期槽内水密度【kg/m3]
流入水密度【kg/m3]
Arin
dc
ds
g
L
e
Ro
Rk
J
J*
uin
V
β
Oin
Po
Pin
9
・、
2.
2.
初期完全混合域無次元深さの実験式
3
図2-2に既往の研究で行われたせき・スロット型流入口と水平円管型流入口の実験のArinとeo/ds、
eo/doの関係を示す。図2-2中にプロットした点はそれぞれ一つの実験に対応している。
eoEまそれ
ぞれの実験において計測された蓄熱槽-の流入流量、流入温度を用いて槽内混合モデルによるシ
ミュレーションを行い、槽内温度が実験結果と最もよく一致する値を実験毎に同定することによ
り求める.求めたeo/ds、
eo/doとAr,.nの平面上-のプロットから回帰式を導き、それを、それぞれ
の流入口に対応した実験式としている。
なお、水平円管型流入口のArinは、円管直径doを用いた次式で定義される。
Arin
=
1
P.-Pint
dog
(2.10)
Po
uin
ここで、
A
rim
do
g
uin
Po
Pin
入口アルキメデス数ト]
円管直径【m】
重力加速度[m/s2]
流入流速[m/s]
初期槽内水密度[kg/m3]
流入水密度【kg/m3]
◆
水平円管型流入口
堰・スロット型流入ロー水平円管型流入口---・堰・スロット型流入口
▲
l
u
u:せき型
▲
・t
(Ro.L/ds-2.OArin-0.6
・..▲
∩
王-..▲
竜
q▼)
竜
ヽ〉
▲
◆
10
f
I
H
H
‖
!__I..
◆
l
メ-◆∼ー
て.LA+≡
▲童
・it■▲.
◆?I ▲∴∼
◆
‖
‖
‖
・^.!.
▲▲▲+l]、
ヽ∵
◆-i
◆◆.■
..◆…L
u
◆…A+
1
b
過 去の
∩
n‖
Hl
Ⅶ
≡′
H
-V
管型流入口 の実験
ヽ ′
∩
l
H
‖
l
I.■㌔土▲…
qd
、!
F⊆
◆
一
;
刑
0.01
0・ 1
図2-2
l
/.T
/
Arin
.:.'=;■
▲
1
Ar,・nとeo/ds、 eo/doの関係
10
▲
-、+.▲▲
▲、、.._
水平円管型巳
u
Ro.L/do-0.7Arin
0.001
i
去のせき型流入口の実験
・……過
0.
10
100
第3章
模型実験
ノ、
T
阜
3.
1
はじめに
本章では、温度成層型蓄熱槽に適用されている、円盤型流入口について、その基本的な流入特
性を明らかにし、槽内混合モデルに適用する実験式を得るために行った模型実験の結果について
実験の槽内温度分布と実験結果から同定した初期完全混合域深さから、その特性について検討す
る。
模型実験は三重大学内のSVBL
(サテライト・ベンチャー・ビジネス・ラボラトリー)内に
ある高密度蓄熱実験装置を用いて行った.
3.
2
実験装置概要
基本となる配管系統図を図3-1に示す。この図に示したとおり、高架槽、排水槽、貯留槽共に
高温水系統と低温水系統に分けて構成されている。貯留槽内の水温は一定温度に制御され、ポン
プにより高架槽-とくみ上げられる。高架槽から実験槽-の供給は、約1mの自然落差のみであ
り、その水位差により、流れている。流量は高架槽と実験槽の間にある二方向弁バルブの開度を
調節することにより、任意の流量に制御される。水位は水位計と連動した、流出流量を調節する
図3-1高密度蓄熱実験装置配管図
1
-
12
バルブの制御によって制御される。
実験に用いた実験槽の概要を図3-2、図3-3に示す。槽平面は800×800であるが、断熱のため、
槽の内側の壁と槽底に厚さ7mmのスチレンボードを貼り付けている。その為槽水平断面は786
×786として考えているo水位は800mmとした.流出口は直径50mmの水平流出方式であり、流
出口の中JL、が槽底から103mmに位置するようになっている。流入口は水面から50mmに流入口の
上部が位置するように設置したo
なお、実験中は、水面からの熱損失を防ぐため、スタイロフォ
ームを用いて槽に蓋をし、実験室内の室温を空調機により、流入水温度と同じ25℃程度に保って
行った。
図3-2実験槽平面図
13
、
3.
3
実験方法と計測内容
実験は槽上部からの温水流入で、定流量、温度ステップ入力の条件で行った。
本実験では、定流量、温度ステップ入力条件を実現するために、図3-3に示したように槽内に
三方弁を設けている。槽内を初期温度にした後、弁を排水タンク側に切り替え、所定の入力温度
となるまで待ち、実験開始と同時に弁を実験槽側-戻すことで温度ステップ入力を実現した。
計測は、槽内垂直温度分布を槽底面から40mm間隔で21点、流入温度を2点、流出温度を3点、
それぞれ熱電対で温度を測定した。また,流入流出流量および実験槽の水位を測定した。なお、
これらは、パソコンによる自動計測で、
3.
4
10秒ごとに測定した。
初期完全混合域深さの同定
初期完全混合域深さeolま槽内混合モデルの中で未知のパラメーターである為、種々の入力条件
下での実験から求めておく必要がある。求めた初期完全混合域深さと入力条件との関係が回帰式
として得られる。この回帰式については、
6章で説明する。
本章では、この初期完全混合域深さBoを各流入口の混合性状を評価するパラメーターの一つと
して扱う。
それぞれの実験において計測された蓄熱槽-の流入流量、流入温度を用いて槽内混合モデルに
よるシミュレーションを行い、槽内温度が実験結果と最もよく一致する初期の完全混合域深さeo
(-RoL)の値を実験毎に同定したo以下にその手順を示す。
実験の測定間隔10秒毎に測定した槽底からの高さ160、
280、
400mの3点の槽内温度の実験開
始から換水回数o.8回までの実験値と計算値から差の二乗和を求め、最小値探索アルゴリズムの
一種である修正パウエル法12)を用いて実験値と計算値が最も一致する、
14
I
eoの値を同定したo
3.
実験結果と考察
5
3.
5.
1流入口に挿入物のない実験
(1)実験概要
図3-4に円盤型流入口の詳細、表3-1に実験条件を示す。実験には、円盤直径、円盤隙間幅の異
なる6種類の円盤型流入口を用いた。実験の流入条件は、それぞれの円盤形状において流量を3
パターン設定し、すべての実験の初期温度を16.5℃、流入温度を25℃とし、計18種類の実験を
行った。
[mm】
図3-4
流入口詳細図
表3-l実験条件
円盤
実験名
流量(m3n1)
隙間幅(也)
直径(皿)
実験1
100
実験2
実験3
実験4
初期温度
流入温度
(℃)
(℃)
Arin
0.3
0.0312
0.72
0.00566
0.96
0.00307
0.3
0.0718
0.72
0.0120
実験6
0.96
0.00652
実験7
0.3
0.136
実験8
実験9
0.72
0.0217
実験5
5
l50
200
0.96
0.0116
25
実験10
実験11
実験l2
100
実験13
16.5
0.3
2.09
0.72
0.348
0.96
0.191
0.3
4.54
0.72
0.785
実験15
0.96
0.425
実験16
実験17
実験18
0.3
8.24
実験14
20
150
200
0.72
1.36
0.96
0.749
151
I.手
‥
(2)実験結果
図3-5-図3-6に流入口に挿入物のない実験の槽内温度分布の推移の一例を、縦軸を槽の高さ、
横軸を温度として、換水回数o.2回ごとに示した。
図3-5に円盤隙間幅、流入温度、初期温度、流入流量が等しく、円盤直径のみ異なる実験の槽
内温度分布の推移を併せて示したo
円盤直径100mmの場合の温度分布を実線、円盤直径200mm
の場合の温度分布を破線で示した。円盤直径以外の条件が同様な実験の槽内温度分布の結果を比
較すると、円盤直径200mmの実験の方が、流入口開口面積が大きい為、流速が小さくなり、より
温度成層しやすくなると考えられる。円盤隙間幅20mmの場合(図3-5(c),(d))は差が見られたが、
円盤隙間幅5mmの場合(図3-5(a),(b))は、あまり温度成層部の温度勾配に差はみられなかった。こ
れは、円盤直径が異なる場合でも、流入水が槽の周壁-到達するときの流速が、ほぼ同程度の値
となっていることが考えられる。
図3-6に円盤直径、流入温度、初期温度、流入流量が等しく、円盤隙間幅のみ異なる実験の槽
内温度分布の推移を併せて示した。円盤隙間幅5mmの場合の温度分布を実線、円盤隙間幅20mm
の場合の温度分布を破線で示したo
一般に、入口アルキメデス数が大きいほど槽内の混合が抑制
され、勾配の急な温度成層部が形成される。流量と円盤直径が同じであれば、円盤隙間幅が大き
いほど流入流速が低下し、入口アルキメデス数が大きくなる。図3-6を比較すると、円盤隙間幅
20mmの実験の方が、流入口開口面積が大きい為、流速が′j、さくなり、より温度成層しやすくなる
と考えられたが、実験結果は逆に円盤隙間幅20mmの方がより槽内が混合される結果となった.
これは、円盤隙間幅20mmの場合、円盤の周囲から流入水が均等に出ていない為であると考えら
れる。これについては第5章の可視化実験の章で詳細を示す。
円盤の上下間で流入水の偏りがあると考えられる為、均等に流れるように円盤の間にスポンジ
を挿入し、同様の入力条件の実験を行った。次項にその実験の結果を示す。
∼
16
.
円盤直径100mm
●盲
3
帆
帆
堰
悼
蛋
疋
蟹
暫
亡■■コ
16
)
温度(℃)
26
16
(a)実験1と実験7
温度(℃)
26
(b)実験3と実験9
(円盤隙間幅5皿流量o.3m3/h)
(円盤隙間幅5 m血流量o.96 m3nl)
円盤直径100mm
3
3
J仙
J仙
堰
悼
濫
定
暫
蟹
i己■l!コi
16
---円盤直径200nm
=--一円盤直径200nn
亡■■=i
温度(℃)
26
(c)実験10と実験16
(円盤隙間幅20 mm流量o.3 m3nl)
16
温度(℃)
(d)実験12と実験18
(円盤隙間幅20 mm流量o.96
図3-5円盤直径100皿と200mmの温度分布の比較
;
26
17
m3仙)
円盤隙間幅5皿-----一円盤隙間幅20ELn
3
)
3
J仙
J仙
悼
二こ三
・監
蛋
iZq
暫
暫
16
温度(℃)
26
温度(℃)
16
(a)実験1と実験10
26
(b)実験3と実験12
(円盤直径100 mm流量o.3 m3瓜)
(円盤直径100 mm流量o.96
円盤隙間幅5mm
3
3
帆
J仙
m3nl)
--一-一一円盤隙間幅20皿
iZq
F!:il
悼
疋
:_7
I:
・監
暫
蟹
16
温度(℃)
16
26
(c)実験7と実験16
(円盤直径200 mm流量o.3 m3nl)
図3-6
温度(℃)
(d)実験9と実験18
(円盤直径200 mm流量o.96 m3nl)
円盤隙間幅5mmと20mmの温度分布の比較
18
[
!
1
26
3.
5.
(1)
2
スポンジを挿入した流入口を用いた実験
実験概要
前項の実験結果から、流入水の偏りがあると考えられた為、本節では円盤の間にスポンジを挿
入し行った実験の結果を示すo
図3-7にスポンジを挿入した円盤型流入口の詳細,表3-2に実験条件を示す。実験に用いた流入
口は、円盤直径、円盤隙間幅の異なる4種類の円盤型涜入口を用い,円盤間中央部分に直径約50m皿
のスポンジを挿入して実験を行ったo
写真3-lに挿入したスポンジの写真を示すo
実験の流入条
件は,それぞれの円盤形状において流量を3パターン設定し、すべての実験の初期温度を16.5Qc、
流入温度を25oCとし、計12種類の実験を行ったo
図3-7
写真3-2挿入したスポンジ
流入口詳細図
表3-2
実験条件
円盤
実験名
流量(m3n1)
隙間幅(皿) 直径(m)
実験19
初期温度
(oC)
流入温度
AyLn
(℃)
0.3
2.13
0.72
0364
実験2l
0.96
0.204
実験22
03
4.08
0.72
0.790
実験20
実験23
100
20
150
実験24
0.96
実験25
0.3
S.09
0.72
1.50
実験26
200
実験27
0.9(∼
実験28
実験29
実験30
30
150
25
16.5
0.496
0.841
0.3
16.2
0.72
2.57
0,96
1.53
19
(2)実験結果
図3-8-図3-9に円盤間にスポンジを挿入した実験の、槽内温度分布の推移の一例を、縦軸を槽
の高さ、横軸を温度として、換水回数o.2回ごとに示した。
図3-8は円盤直径,円盤隙間幅、流入温度、初期温度、流入流量が等しい実験の、挿入物のない
場合とスポンジを挿入した場合の温度分布の推移を比較した図である。挿入物のない場合の温度
分布の推移を実線、スポンジを挿入した場合の温度分布の推移を破線で示した。図3-8から、スポ
ンジを挿入した実験のほうが挿入物のない場合と比較して、混合が槽の比較的上部に限られ、良好
な温度成層部分が形成されていることが確認できる。これは、図3-8(b)(円盤隙間幅20皿円盤直径
100mm流量o.96 m3nl)、図3-8(d) (円盤隙間幅20皿円盤直径200mm流量o.96 m3nl)のように、特に流量の
大きい実験で、顕著に見られる。図3-8から、スポンジを挿入することによる改善効果があること
が確認できた。
図3-9に,スポンジを挿入した流入口を用いた実験の、円盤隙間幅、流入温度、初期温度、流入
流量が等しく、円盤直径が100mmの場合と200mmの場合の槽内温度分布の推移を示したo
径100mmの場合の温度分布を実線、円盤直径200mmの場合の温度分布を破線で示したo
円盤直
これらは
円盤隙間幅、流入流量が同じ条件で、円盤直径のみ異なる場合の実験である。一般に、入口アル
キメデス数が大きいほど槽内の混合が抑制され、勾配の急な温度成層部が形成されると考えられ
る。流量と円盤隙間幅が同じであれば、円盤直径が大きいほど流入流速が低下し、入口アルキメ
デス数が大きくなるが、円盤直径以外の条件が同様な実験の槽内温度分布の結果を比較しても、
あまり温度成層部の温度勾配に差はみられない。これは、円盤型流入口の混合性状は円盤の直径
よりも挿入物の直径に依存するということが考えられる。本実験では円盤直径が異なる場合でも、
スポンジの直径を円盤直径にかかわらず50mmとして実験を行ったため、温度分布に差が出なかっ
たと考えられる。挿入物の直径の影響については次項でも検討する。
',
.享
・l
・・
∴
20
.
,
挿入物なし
3
頂
帆
J仙
悼
堰
蛋
・監
一-一---スポンジ挿入
l己■■≡;i
)
暫
聖
16
温度(℃)
温度(℃)
16
26
(a)実験10と実験19
(b)実験12と実験21
(円盤隙間幅20mm円盤直径100皿
(円盤隙間幅20皿円盤直径100皿
流量o.3 m3瓜)
流量o.96
3
iコ!■≡i
頂
帆
イU
堰
濫
悼
濫
暫
蟹
26
m3瓜)
ヽー
16
温度(℃)
26
(c)実験16と実験25
(円盤隙間幅20皿m円盤直径200
流量o.3
温度(℃)
16
(d)実験18と実験27
(円盤隙間幅20皿円盤直径200皿
流量o.96 m3瓜)
mm
m3瓜)
図3-8スポンジ挿入時と非挿入時の槽内温度分布の推移の比較
21
/
∴;■
・:
]
]
!
26
-円盤直径100mm
3
3
J仙
J仙
悼
悼
疋
--
円盤直径200mm
)
1亡!■亡:i
・監
暫
蜜
16
温度(℃)
26
温度(℃)
16
(b)実験20と実験26
(a)実験19と実験25
(流量o.3m3nl)
(流量o.72 m3血)
3
ヽ-′
帆
悼
疋
蟹
16
温度(℃)
26
(c)実験21と実験27
(流量o.96 m3瓜)
図3-9円盤直径が異なる場合の槽内温度分布の推移の比較
22
.
∴・1r.
.
■:
'、
・二.:・
t:∴
i
26
図3-10にスポンジを挿入した流入口と挿入物のない流入口を用いた場合の実験結果から同定し
たeoを横軸Ar,・n縦軸eo /dcとして示した.この図は、縦軸の値が小さいほど、円盤の隙間幅に対
して、初期完全混合域深さが小さく、同じ隙間幅であれば、槽内の混合が抑制される性能の高い
流入口であることを表している。円盤隙間幅20mmのスポンジを挿入した実験と挿入物なしの実験
を比較すると、流量が大きく、入口アルキメデス数の小さい実験では大きな改善効果があったも
のの、入口アルキメデス数の大きい実験では、差はほとんど見られなかった。これは、流速が小
さい為、流入水が均等に出やすくなったものと考えられる。
スポンジは劣化しやすいなど問題点があるため、次項では金たわしを使用し、これを円盤間全
域に挿入し実験を行った。次節にその実験の結果を示す。
至難賛薩ミ
◆
◇
◇
◇
◆_
書。◆
◆
◆
▲
▲
I
▲
∫
▲
l
▲
‖
l
‖
‖
‖
H
0.001
0.01
Arin
0. 1
図3-10
1
円盤型流入口のAr}hとId'dcの関係
23
、
i
I.
;
・
≡
∫
‖
‖
l
u
l
▲… ‖
H
n
∩
l
H
H
10
∫
i
H
l
l
H
100
3.
5.
3
金たわしを挿入した流入口を用いた実験
(1)実験概要
本項では円盤間全域に金たわしを挿入し行った実験の結果を示すo
図3111に金たわしを挿入した円盤型流入口の詳細、表313に実験条件を示すo
美観に用いた流
入口は,円盤直径,円盤隙間幅の異なる12種類の円盤型流入口を用い、円盤間に金たわしを挿入
して実験を行ったo
写真3-2に挿入した金たわしの写真を示す.金たわしはリボン状のステンレ
ス線を丸めたもので,実質の体積は円盤間の体積の約2%である。実験の流入条件は、それぞれの
円盤形状において流量,初期温度、流入温度を変え、計55種類の実験を行ったo
なお、実験82
-実験87は円盤型流入口の混合性状に対する挿入物の直径の影響を確認するために,金たわしの
直径を50mmとした。
ト】
図3-11流入口詳細図
写真3-2挿入した金たわし
24
表3-3
実験条件
円盤
実験名
流量(m3瓜)
隙間幅(皿)
直径(皿)
初期温度
流入温度
(℃)
(℃)
Ar,.n
実験31
0.30
16.4
25.0
0.0300
実験32
0.72
16.5
25.0
0.00527
0.72
16.2
40.1
0.0204
実験34
0.90
16.4
25.0
0.00377
実験35
0.96
16.5
20.0
0.000943
実験36
0.96
16.1
25
0.00297
実験37
0.30
16.4
25
0.0744
実験38
0.72
16.4
25
0.0122
0.66
16.3
40.0
0.0499
実験40
0.90
16.5
25.0
0.0075
実験41
0.96
1(∼.5
20.0
0.00240
実験42
0.96
16.3
25.0
0.00680
実験43
0.30
16.5
25.0
0.2C9
0.72
16.5
25.0
0.0339
実験45
0.90
16.5
25.0
0.0217
実験46
0.30
16.5
25.0
0.834
0.72
16.4
25.0
0.151
実験48
0.72
16.5
39.5
0.521
実験49
0.90
16.5
25.0
0.0958
実験50
0.30
16.5
25.0
1.88
実験51
0.72
16.5
25.0
0.325
0.72
16.4
39.7
1.19
0.93
1(∼.4
20.2
0.0704
実験54
0.93
16.4
25.2
0.197
実験55
0.96
16.4
20.2
0.0635
実験56
0.96
16.5
25.1
0.177
実験57
0.30
16.5
25.2
5.08
実験58
0.72
16.5
25.2
0.891
実験59
0.72
16.4
40.0
3.28
実験60
0.90
16.4
25.2
0.571
実験61
0.96
16.2
20.2
0.198
実験62
0.96
16.5
25.2
0.487
実験63
0.3
16.5
25.1
3.94
実験64
0.72
16.6
25.2
0.677
0.72
16.5
39.6
2.39
0.90
16.6
25.2
0.424
実験33
実験39
実験44
実験47
5
5
5
15
100
150
250
100
実験52
実験53
15
15
25
150
250
100
実験65
-:.Lil.●●
25
J
】
円盤
実験名
初期温度
流量(m3n1)
流入温度
Arin
(℃)
(℃)
0.30
16.6
25.1
0.72
16.5
25.2
1.46
実験69
0.93
16.4
20.2
0.332
実験70
0.90
16.4
25.2
0.97
実験71
0.30
16.6
25.1
24.5
実験72
0.72
16.5
24.9
4.1l
実験73
0.72
16.6
25.1
4.06
0.72
10.1
30.0
9.2(;
実験75
0.72
16.4
40.0
14.6
実験76
0.93
16.5
25.2
2.60
実験77
0.96
16.3
20.3
0.89
実験78
0.96
16.4
25.2
2.33
隙間幅(mm)
直径(也)
実験67
実験68
実験74
25
8.57
150
25
250
実験79
50
100
0.96
16.5
24.9
2.98
実験80
80
100
0.96
16.5
24.9
12.0
実験81
100
100
0.93
16.7
25.1
24.5
0.66
16.3
39.6
0.0500
0.96
16.3
20
0.00243
0.96
16.3
25.0
0.00694
0.72
16.3
39.7
1.28
0.96
16.5
20.2
0.0624
0.96
16.5
25.0
0.178
実験82*
実験83*
5
実験84*
150
実験85*
実験86*
15
実験87*
*実験82-87は金たわしの直径を50mmとした。
26
†
′
1
】
t
(2)実験結果
図3-12-図3-15に円盤間に金たわしを挿入した実験の、槽内温度分布の推移の一例を、縦軸を
槽の高さ、横軸を温度として、換水回数o.2回ごとに示した。
図3-12に円盤直径100mm円盤隙間幅5mmで挿入物なしの実験と金たわしを円盤間全域に挿入し
た実験の槽内温度分布の推移を、図3-13に円盤直径150mm円盤隙間幅5mmで挿入物なしの実験と
金たわしを円盤間全域に挿入した実験の温度分布を示した。挿入物がない場合の温度分布を実線、
金たわしを挿入した場合の温度分布を破線で示した。これらを比較すると、スポンジを挿入した
実験と同様、金たわしを挿入した実験のほうが、挿入物なしの実験よりも混合が槽の比較的上部
に限られ、温度成層が形成されている。図3-12(c)や、図3-13(c)のように、特に流量の大きい実験で、
顕著に見られる。図3-12、図3-13から、スポンジ挿入時と同様、金たわしを挿入することによって
改善効果があることが確認できた。挿入物のない場合と金たわしを挿入した場合の流入の様子は
第5章の可視化実験の章で詳細を示す。
図3-14に円盤隙間幅5mm、円盤直径150mmで円盤間全域に金たわしを挿入した場合(金たわし直
径150mm)と50mmの金たわしを挿入した場合の槽内温度分布の推移を、図3-15に円盤隙間幅15mm、
円盤直径150皿で円盤間全域に金たわしを挿入した場合と50mmの金たわしを挿入した場合の槽内
温度分布の推移を示す。円盤間全域に金たわしを挿入(直径150mmの金たわしを挿入)した場合
の温度分布を実線、直径50mmの金たわしを挿入した場合の温度分布を破線で示した。図3-14から、
挿入した金たわしの直径が違う実験の温度分布を比較すると、円盤より小さい50mm直径の金たわ
しを挿入した実験は円盤間全域に金たわしを挿入した実験よりも、深い位置まで混合する結果と
なった。円盤隙間幅15mmの場合(図3115)も同様の結果となった.図3-15(a)は、金たわしの直径が
50mmの場合でも十分温度成層しているため差は小さいが、円盤隙間幅5mmの場合と同様、直径
50mmの金たわしを挿入した実験のほうが、若干温度成層部が深くなっていることが確認できた。
これらの結果から、円盤の直径よりも、挿入物の直径が、円盤型流入口の混合性状に影響するこ
とを確認した。
27
■ ・ , ・■・ ・ ・
/-
.1
l
J
挿入物なし
3
3
帆
帆
堰
広
堰
暫
暫
1F:;i
‥--一一金たわし挿入
己■■≡i
定
16
温度(℃)
26
16
温度(℃)
(a)実験1と実験31
(流量o.3 m3瓜)
26
(b)実験2と実験32
(流量o.72 m3血)
3
亡■■≡;i
帆
悼
濫
暫
16
温度(℃)
(c)実験3と実験36
26
(流量o.96 m3瓜)
図3-12金たわし挿入時と非挿入時の温度分布の比較円盤隙間幅5
円盤隙間幅5皿)
(円盤直径100
;,
28
/
!
1
・
.
:
.
mm
挿入物なし
3
3
帆
J仙
悼
悼
濫
i:■■コ
=---金たわし挿入
)
・監
暫
暫
16
温度(℃)
温度(℃)
16
26
(a)実験4と実験37
(b)実験5と実験38
(流量o.3 m3仙)
(流量o.72 m3仙)
3
亡■■=i
キ(メ
悼
疋
暫
16
温度(℃)
26
(c)実験6と実験42
(流量o.96m3nl)
図3-13金たわし挿入時と非挿入時の温度分布の比較
円盤直径150)
(円盤隙間幅5皿
29
.
26
金たわし直径150mm
(円盤間全域に挿入)
頂
3
帆
J仙
1ニ王
E5i
堰
濫
暫
暫
)
16
i:■til
温度(℃)
(a)実験39と実験82
40
16.3
3
ヽ_一′
J仙
堰
定
暫
温度(℃)
温度(℃)
(b)実験41と実験83
(流量o.96 mュ仙)
(流量o.66m3瓜)
16
____金たわし直径50皿m
26
(c)実験42と実験84
(流量o.96 m3nl)
図3-14温度分布の比較
(円盤隙間幅5 m皿円盤直径150-)
30
20
金たわし直径150mm
(円盤間全域に挿入) _"_金たわし直径50mm
3
3
帆
J仙
悼
確
濫
定
聖
暫
亡■■:i
ヽー
16
40
温度(℃)
温度(℃)
16
(b)実験55と実験86
(a)実験51と実験85
(流量o.96 m3仙)
(流量o.72 m3nl)
3
亡さ■亡コ
帆
堰
・監
暫
16
26
温度(℃)
(c)実験56と実験87
(流量o.96 m3仙)
図3-15温度分布の比較
(円盤隙間幅15皿円盤直径150皿)
31
.
_
20.5
図3-16に、円盤型流入口の円盤間全域に金たわしを挿入した場合と挿入物のない場合のArinと
eo/dcの関係の一例を示す.温度条件、流量、円盤直径が同じであれば、一般に円盤隙間幅が大き
いほど流入流速が低下し、槽内の混合が抑制されるが、金たわしを挿入した場合は円盤隙間幅を
大きくするとeo/dcも小さくなり、同定結果が右下がりに分布する結果となったが、挿入物のない
場合は、円盤隙間幅を大きくしても、特に流量の大きい(0.96m3nl)実験では、
eo(dcがほとんど変わ
らず,完全混合域深さeo自体は大きくなっている。
図3-17に、円盤型流入口の円盤間にスポンジを挿入した場合と金たわしを挿入した場合のAr,.n
とeo / dcの関係の一例を示すo
この図から、円盤の直径によらず直径50mmのスポンジを挿入し
た場合には、流量と円盤隙間幅が同じであれば、
eo/dcは、円盤の直径に関わらず、ほぼ一定値と
なることが解る。しかし,金たわしを円盤間全域に挿入した場合には、円盤直径を大きくすると、
eo/dcが小さくなる結果となった.この結果から槽内の混合性状は、円盤の直径よりも挿入物の直
径に依存することが考えられる。
また、図3-18に、円盤直径150mm、円盤隙間幅5mmと15mmの流入口についての同定結果を
示す。同じ円盤隙間幅の実験を比較すると、金たわしを円盤間全域に挿入した場合に比べ、
の金たわしを挿入した場合、
ed'dcの値が大きくなる結果となったo
入した場合の実験の円盤直径を金たわしと同じ50mmと仮定した場合の、
また、 50mmの金たわしを挿
Arinとeo/dcの関係は、
金たわしを円盤間全域に挿入した場合の実験が分布する付近に表れる結果となった。この結果か
ら槽内の混合性状は、円盤の直径よりも挿入物の直径に依存すると考えられる。
32
.
50mm
円盤隙間幅
▲
5皿(実験22)
暮20皿(実験24)
0.001
Art・n
o.ol
図3-16
▲
5mm
◆
15mm
I
25mm
(実験27)
(実験49)
(実験54)
o.1
円盤型流入口のAr.・nとe〆dcの関係
円盤直径
▲
◆
A
0.01
図3-17
■ 200mm
(実験27)
▲
100mm
◆
150mm
(実験49)
(実験54)
I
250皿(実験60)
r,・n
円盤型流入口のAr)hとe〆dcの関係
◆円盤間全域に金たわし挿入
i--
100皿r実験22)
150mm
(実験24)
▲直径50mmの金たわし挿入
△円盤直径50皿と仮定した場合
‥_▲
=「◆
て
◆l_
-▲
△◆-
◆
0.0001
0.001
0.01
図3-18
Arin
0.1
円盤型流入口のAr,・nとe〆dcの関係
33
10
表3-4に実験1-実験87の実験から同定したArinと&/dcの値を、図3-19に実験1-実験87の
すべての実験のArinと&/dcの関係を示す。図3-17に示したように、挿入物のない場合に比べて
金たわしを挿入した場合の方が全体的にa(dcが小さくなり、対数軸を用いた図上-のプロットは、
直線状にばらつきの′小さい分布となることが明らかになったo
◆金たわし挿入■スポンジ挿入▲挿入物なし
b
u
四
dZJ;4;
◆!■
Ⅷ
Ⅷ
‖
‖‖
‖
▲
P
▲…
▲…▲
◆↓+_
=
‖
‖
‖
‖
‖
‖ ‖
‖
l ‖
‖
l
‖
l
◆I
.■喜
∼
‖
‖
u
l
∩
‖ ‖
Ⅷ
H
n‖
‖
▲
↓T+◆l
‖
‖
‖u
H
+/.
■
I′lコ
◆
▲
I
E]
◆
◆◆◆
‖
′
◆
1
刑
‖
ii
‖
Mu
o.ooo1
◆↓
◆
∩
1i
l
▲ー
H‖
◆†≧
u
m
▲1
0.00 1
‖
-◆
‖
u
Arin
0.0 I
図3-19
1
円盤型流入口のArinとe〆dcの関係
ー
]A
l
し
10
100
表4・2
実験名
各実験のAr,・nとeq(dc
Arin
eo/dc
実験名
Arin
euldc
実験名
Arin
euldc
実験1
0.0312
15.5
実験30
1.53
3.00
実験59
3.28
0.928
実験2
0.00566
35.3
実験31
0.0300
13.7
実験60
0.571
2.43
実験3
0.00307
52.8
実験32
0.00527
l9.6
実験6l
0.198
2.67
実験4
0.0718
ll.9
実験33
0.0204
ll.3
実験62
0.487
1.76
実験5
0.0120
32.0
実験34
0.00377
22.5
実験63
3.94
1.95
実験6
0.00652
40.9
実験35
0.000943
32.9
実験64
0.677
2.08
実験7
0.136
10.2
実験36
0.00297
20.3
実験65
2.39
0.74
実験8
0.0217
29.1
実験37
0.0744
lO.8
実験66
0.424
2.22
実験9
0.0116
43.3
実験38
0.0122
ll.1
実験67
8.57
1.91
実験10
2.09
7.24
実験39
0.0499
5.82
実験68
1.46
1.22
実験11
0.348
17.0
実験40
0.0075
12.9
実験79
0.332
2.ll
実験12
0.191
51.4
実験41
0.00240
28.4
実験70
0.970
1.51
実験13
4.54
6.54
実験42
0.00680
15.8
実験71
24.5
1.62
実験14
0.785
17.3
実験43
0.209
9.27
実験72
4.ll
1.98
実験15
0.425
22.5
実験44
0.0339
9.73
実験73
4.06
1.18
実験16
8.24
3.92
実験45
0.0217
ll.7
実験74
9.26
1.73
実験17
1.36
8.95
実験46
0.834
5.21
実験75
14.6
0.689
実験l8
0.749
16.0
実験47
0.151
5.33
実験76
2.60
1.34
実験19
2.13066
3.68
実験48
0.521
2.20
実験77
0.89
1.60
実験20
0.364198
5.07
実験49
0.0958
4.63
実験78
2.33
0.543
実験21
0.204302
6.06
実験50
1.88
3.07
実験79
2.98
0.902
実験22
4.07649
3.69
実験51
0.325
2.89
実験80
12.0
0.606
実験23
0.789856
5.31
実験52
1.19
1.15
実験81
24.5
0.308
実験24
0.496326
5.90
実験53
0.0704
3.96
実験82
0.060
20.8
実験25
8.09
3.23
実験54
0.197
3.36
実験83
0.0024
58.6
実験26
1.50
4.65
実験55
0.0635
4.90
実験84
0.0069
33.3
実験27
0.841
5.96
実験56
0.177
3.86
実験85
1.150
3.63
実験28
16.2
2.45
実験57
5.08
2.80
実験86
0.0660
9.09
実験29
2.57
2.20
実験58
0.891
2.29
実験87
0.180
5.80
ミ電人学大学院35r.J、芦研究科
3.
第3章まとめ
6
本章では、円盤型流入口について流入特性を把握するために、比較的小さい実験槽で模型実験
を行った。その結果、円盤聞から均等に流入していないと考えられたため、円盤間にスポンジ挿
入し実験を行ったところ、改善がみられたが、スポンジは劣化等の問題があるため、金たわしを
挿入し実験を行ったo
その結果、スポンジを挿入したときと同様に改善がみられた。挿入物のな
いとき、金たわしを挿入したときの流入口の開口部での流入の様子は、第5章で詳細に示す。
また,円盤型流入口の流入特性について以下のことが明らかとなったo
。
挿入物のない円盤型流入口において、単純に円盤の隙間幅を大きくするだけでは、円盤
聞から均等に水が流れず、期待通りの性能が望めない。
。
挿入物のない円盤型流入口において、円盤隙間幅が十分に小さく、比較的均等に流入し
ていると考えられる条件でも円盤直径の大小の違いは温度分布にほとんど影響しない。
。
円盤間にスポンジや金たわしを挿入することにより、性能が改善されるが、槽内の混合
性状は円盤の直径より、挿入物の直径に依存する。
。
金たわしを円盤間全域に挿入した実験の初期完全混合域深さの同定結果を、対数軸を用
いた図上-プロットしたところ、直線状にばらつきの小さい分布となる。
三毛大学人学院36(A_学研究科
第4章
実大実験
:.蚕人学人学院
1二子研究科
4.
1
はじめに
第3章で行った模型実験の結果が、実際の蓄熱槽でも適用できるか確認する為に行った、実際
のスケールに近い水槽での実験の結果について述べる。
この実験は三重大学建築学科棟内の設備実験室内にて行ったo
4.
実験装置概要
2
実験に用いた実験槽の概要を図4-1に、実験槽の断面構成を図4・2に示す。実験槽の内寸法
は3,110×6,175×1,980皿であり、水深を1,700皿とした。流入口は,水面から50皿の距離に流入口
上端が位置するように設置した。
図4-3に各流入口の詳細図を、写真4-1に実験に用いた各流入口の写真を示す。本章で用いた流
入口は円盤間に挿入物がない場合の円盤型流入口(図4-3(a))をTypel、円盤聞から流入水が均等に
流出するよう円盤間全域に金たわしを挿入した流入口(図4-3(b))をType2、実際の蓄熱槽で使用さ
れることのあるパンチングメタルを円盤中心部に取り付けた流入口(図4-3(c))をType3,パンチン
グメタルを円盤中心部と外周部の2重に取り付けた流入口(図4-3(d))をType4として、
4つのタイ
プの円盤型流入口を用いて実験を行ったo挿入した金たわしは第3章で用いたものと同様リボン
状のステンレス線を丸めたもので、実質の体積は円盤間の体積の約2%、パンチングメタルは、開
口率約38%のものを使用した。図4-4に実験で使用したパンチングメタルの詳細図を示す。なお、
中央円管部分の直径の差による混合性状-の影響を確認するため、図4-3(b)のType2の流入口に
ついては、直径50mmと100mmの2種類の円管を用いて実験を行った。
二二重大学人学院38l・.学研究手こL
6,175
(a)平面図
■一ヽ
』■コ≡≡∃
流入口
(
.I+/ノウウ′
L皇重臣コ
(b)断面図
図4-1実験槽概要
押さえコンクリート
防水層ゴムアスフ
フォームポリスチレ
押さえコンクリート
防水層アスファル
コンクリートスラブ
フォームポリスチレ
▲
Ar
AW
♂
(a)槽上部のスラブ断面
防水層ゴムアスフ
均しモルタル:50
コンクリートスラブ
/)
.I;ニ竺、/-/-.㌔.i-_長一.-===三 .、ミミで、ヂr
♂
(b)槽底及び壁面の断面
図4_2
実験槽の断面構成
二:.毛大J、芦大学院39L苧研究梢
AW
i
:
100
アルト防水(冷工)
ン保温
アルト防水(冷工)
(a)
Typel
300,500,loo°
@
.+10, 20, 50
\′↑
金たわし
¢50,100
中央円管
(b)
Type2
500
.〕′
E.:.汁
iiiiiiiiiid
パンチングメ
¢50
中央円管
(d)
図4-3
Type4
(d)
流入口詳細図
Type4
写真4-1実験に用いた流入口
2
∂61三3ooo・oo
)0000000
0・0000000
図4-4
`
パンチングメタル詳細図
40
TT.
ノ■-、
(・1.
【mn]
4.
3
実験方法と計測内容
実験条件を表4-1に示す。実験は槽上部からの温水流入で、定流量、温度ステップ入力の条件
で行った。計測は、槽内垂直温度分布を槽底面から50mm間隔で35点、流入温度を3点、流出温
度を3点、それぞれ熱電対で温度を測定したoまた、流入流量および流出流量を測定したoなお、
これらは、パソコンによる自動計測で、
4.
4
30秒ごとに測定した。
初期完全混合域深さの同定方法
第3章の模型実験と同様、初期完全混合域深さeoを、種々の入力条件下での実験からそれぞれ
求めておく必要があるo
同定は,実験の測定間隔30秒毎に測定した槽底からの高さ350,
600、
850mmの3点の槽内温度の実験開始から換水回数o.8回までの実験値と計算値から差の二乗和を求
め,最小値探索アルゴリズムの一種である修正パウエル法12)を用いて実験値と計算値が最も一致
する、 eoの値を求めた.
表4-1実験条件
円盤
流入口
実験名
隙間幅(皿)
直径(皿)
中央円管
直径(皿)
実験88
Type1
実験89
50
500
50
実験90
実験91
10
300
50
実験92
実験93
20
300
50
実験94
実験95
実験96
実験97
50
50
500
実験98
Type2
実験99
100
実験100
実験101
実験102
50
実験103
実験104
50
1000
実験105
実験lO6
Type3
(m3/s)
(℃)
(℃)
2.45
20.6
35.0
25.2
3.97
19.5
28.5
5.48
6.52
13.9
20.1
1.02
6.39
17.0
22.9
0.0032
2.40
18.9
33.8
0.614
3.92
25.8
35.0
0.17
6.42
17.3
23.0
0.0284
2.45
14.7
29.0
30
3.87
21.7
30.7
6.65
6.47
27.6
33.1
1.85
2.40
15.2
30.0
22.9
3.90
22.0
31.0
6.36
6.46
28.OL
33.6
1.63.
1.80
25.6
45.0
319
2.38
l6.8
34.0
97
3.91
25.1
34.0
27.2
6.52
25.1
30.5
6.2
2.40
15.8
30.8
100
流入温度
Ar,."
3.86
34.4
30.8
実験107
6.47
26.8
32.2
7.1
実験108
2.38
22.0
36.8
29.3
3.89
15.9
24.9
4.85
6.40
ll.1
17.1
0.863
2.40
20.1
35.1
28.8
3.84
16.6
25.8
5.47
6.29
10.1
16.1
0.953
50
500
50
実験110
実験111
Type4
初期温度
27.0
実験109
100
流量
実験112
50
500
50
実験113
三重大学大学院41:1・.学研究科
4.
5
4.
実験結果と考察
5.
1挿入物の影響
図4-5に挿入物のない場合と金たわしを挿入した場合の、槽内の温度分布の推移を換水回数o.2
回毎に示した。図4-5から、金たわしを挿入した実験は挿入物のない実験と比較して、混合が槽
の上部に限られる。図4-5(a)は流量が小さく、十分温度成層する条件であり、差は小さいが、流量
の大きい図4-5(c)を比較すると、この差がはっきりと確認できる。この結果から第3章の模型実験
と同様、金たわしによる改善効果が確認できた。
図4-6に同様の流入条件でのパンチングメタルを設置した場合(Type3、
Type4)の実験の槽内温度
分布の一例を、挿入物のない場合(Type4)とあわせて示すo図4-6(a)は流量が小さく、比較的温度
成層しやすい条件の温度分布の推移を示したものである。この条件では、挿入物のない場合とパ
ンチングメタルを設置した場合の温度分布の推移はほぼ一致した。図4-6(b)は流量が大きく、比
較的混合しやすい条件の温度分布の推移を示したものである。図4-6(b)から、パンチングメタル
を設置した場合は挿入物のない場合よりも緩やかな温度勾配となり、深くまで混合する結果とな
った。この実験結果からは、パンチングメタルを設置することによる、改善効果は確認できなか
った.また、パンチングメタルを円盤中央部と外周部に設置したType4は円盤中央部にのみ設置
したType3よりも深くまで混合する結果となった。なお、パンチングメタルを設置したときの流
入の様子は、第5章で詳細に検討する。
図417に、円盤隙間幅50mm、円盤直径500mm、中央円管直径50皿のTypel-Type4の流入口を
用いた実験について、同定した初期完全混合域深さeoを縦軸eα徒、横軸を入口アルキメデス数Arin
として示すo図4-7で、金たわしを挿入したType2と挿入物のないTypelを比較すると、同様な
流入条件であるにもかかわらず、
Type2はTypelに比べて、
eo/dcが小さくなっている.これは、
挿入物によって円盤聞から流入水が均等に流入した為であると考えられる。また、パンチングメ
タルを1重に取り付けた流入口(Type3)とパンチングメタルを2重に取り付けた流入口(Type4)を用
いた実験の同定結果は、共に挿入物のない流入口(Typel)を用いた実験の同定結果周辺に分布する
結果となり、パンチングメタルを設置することによる、改善効果を確認できなかった。
三重大学大学院421・.′t3・,=研究科
-金たわしなし
---・金たわしあり
1700
3
3
帆
J仙
悼
疋
悼
濫
壁
暫
ヽJ
iZq
o
無次元温度
1
o
無次元温度
(b)実験89と実験96
(a)実験88と実験95
(流量約2.46 m3仙)
(流量約3.96
3
己■■=i
帆
堰
・監
蟹
o
無次元温度
1
(c)実験90と実験97
(流量約6.48 m3瓜)
図4-5
金たわしなしと金たわしありの槽内温度分布の推移
(円盤隙間幅50mm円盤直径500mm)
I.毛人学人学院4苧1・.学研光村
m3瓜)
I
1
-Typel
」;トType3
---・Type4
1700
/
\
育
3
ヽ_′′
イU
寸む
l喧
悼
i
・監
聖
餐
無次元温度
o
1
無次元温度
o
(b)実験90,実験110,実験113
(a)実験88,実験108,実験111
(流量約6.48 m3血)
(流量約2.40 m3血)
図416
1
流入口にパンチングメタルを設置した場合の温度分布の推移
(円盤隙間幅50 mm円盤直径500皿)
書▲Type1
+7◇Type2
一口Type3
H
Di-Type4
J
M
‖
l
◇_-一室J
M
!◇
u
l■■t■司
n
N
∩
0.1
10
1
Ar,・n
図4-7
Typel-Type4のArinとe〆dcの関係
i:
:-.寮人草人学院441:::;,I-・研,,Jt科
100
4.
5.
2
中央円管部直径の影響
図4-8(a)-(c)に円盤隙間幅50mm、円盤直径500mmで、中央部円管の直径が、
50mmと100mm
の実験の温度分布の推移を、図4-8(d)-(i)に円盤隙間幅50mm、円盤直径1000mmで、中央部円管
の直径が、
50mmと100mmの実験の槽内温度分布の推移を示す。中央の円管部分の開口面積が直
径100mmの円管の1/4倍となる直径50mmの円管を用いた場合、時間当たり同じ流量を流した場
合の円盤-の流入速度が4倍になることから均等に流出するのは難しいのではないかと考えたが、
図4-8(a)-(i)に示したすべての実験で、中央円管部の、直径の違いによる温度分布-の影響は見ら
れない。これは、金たわしを挿入することによって、流入口の開口部から均等に流入するため、
円管部の直径の影響が表れなかったと考えられる。
図4-9に、金たわしを挿入したType2の、円盤隙間幅501nm円盤直径500皿と円盤隙間幅50mm
円盤直径1000mmの円盤型流入口をそれぞれ直径50mmと100mmの円管に設置して行った実験のArin
とe6(dcの関係を示した.
Ar.・nとeo(dcの関係は、円盤直径に関係なく同様な結果となっており、ま
た、中央円管部の直径差による影響も確認できなかった。
45f・.
二家人学人.lf,: 1;,,・t I,;・,:研究科
一円管部直径50皿
---・円管部直径100皿
1700
3
3
キtノ
J仙
:.
I_=
iZq
)
悼
蛋
濫
暫
暫
無次元温度
o
1
(a)実験95と実験98
(円盤隙間幅50 mm円盤直径500
流量約2.40m3仙)
o
無次元温度
(b)実験96と実験99
(円盤隙間幅50 mm円盤直径500
1
mm
流量約3.90
3
3
帆
J仙
悼
悼
m
m3瓜)
亡■■コ
i己!!!!コ
蛋
・監
暫
暫
o
無次元温度
1
(c)実験97と実験100
(円盤隙間幅50mm円盤直径500
流量約6.48
図4-8
o
無次元温度
(d)実験102と実験105
m血
m3仙)
(円盤隙間幅50皿円盤直径1000mm
流量約2.40m3瓜)
中央円管部直径の違う流入口の槽内温度分布の推移
-:_車人草人学院46r.学研究科
1
一円管部直径50皿
--・円管部直径100皿
1700
頂
頂
帆
J仙
中匡
濫
悼
餐
暫
l:±竺=i
亡ヨ空:il
・監
0
o
無次元温度
1
(e)実験103と実験106
(円盤隙間幅50mm円盤直径1000mm
流量約3.90
図4-8
無次元温度
o
(i)実験104と実験107
(円盤隙間幅50皿円盤直径1000皿
流量約6.48
m3nl)
m3瓜)
中央円管部直径の違う流入口の槽内温度分布の推移
●
50-500-50
◎
50-500-100
◆
50-1000・50
令
50-1000・100
(円盤隙間幅
一円盤直径
一円管直径【mm])
1
S
A
図4-9
rim
Arinとeu/dcの関係
-A.:tTi:人芋人J祁盲471:学研究科
1
4.
5.
3
性能の限界
図4-10に円盤隙間幅50mm、円盤直径1000mm、中央円管部直径50mmの流入口を用いた4つ
の実験のArinとeo/dcの関係を示す。一般に流入口形状が同じであれば、入口アルキメデス数Arin
が大きいほど温度成層しやすい条件となるため、
した各実験のeo/dcは、
eo/dcは小さい値となるo
Arinが大きくなると、逆に大きくなっているo
しかし、図4-10に示
これは、実験101の初期完
全混合域深さeoが約21mmで実験103のeoが約9mmであることを考慮すると、水深の1700mm
に対して非常に/トさく、十分に温度成層しているo
この程度の入口アルキメデス数Arinが性能の
限界であると考えられる。
10
図4-10
Ar,.n
Arinとe〆dcの関係
:.車人草大!tf,・・i完48[:_/冒:(uf究梢
100
1000
4.
5.
4
蓄熱槽の大きさの影響
表412に実験88-実験113の実験から同定したArinと&/dcの値を、図4-11に金たわしを挿入し
たType2の流入口を用いた実験91-実験107のすべての実験のArinと&
/dcの関係を、第4章で
行なった金たわしを挿入した流入口を用いた模型実験の結果とあわせて示す。図4-32に示したよ
うに、金たわしを挿入した場合、これらの実験の同定結果がほぼ同一直線上に分布することから、
蓄熱槽の大小の違いによる結果-の影響はほとんどないことが確認できた。
◆ 実大実験◆模型実験
1
+:
‖
‖
辛(:三
I:..言..;..
l◆
+++I
◆
◆
二.
◆
◆
■■.■㌻‥二≦二.
l◆
I.:/:I:∴
◆
ヽ一▲◆
-十
覗
に-i
◆
・ミ::≡:■‥.:
‖
0・001
O10001
0・O1
0・1
Arin
1
◆----
◆
10
100
1000
図4-11金たわしを挿入した円盤型流入口のAr,・nとe〆dcの関係
表4・2
各実験のArinとeo
実験名
Ar,.n
実験88
25.2
35.7
0.71
実験101
5.42
76.7
1.53
1.02
eo(皿)
eo/dc
実験名
288.1
5.76
0.00320
l74.8
17.48
0.614
21.l
1.06
0.170
45.9
2.29
0.0284
195.9
9.79
20.7
10.2
0.20
実験96
6.65
l9.1
0.38
実験102
実験103
実験104
実験105
実験106
実験107
実験108
実験109
実験97
実験98
1.85
37.0
0.74
22.9
10.2
0.20
-:..z'.+I
6.36
15.1
0.30
実験100
1.63
43.4
-.:.i?A.:I
実験90
実験91
実験92
実験93
実験94
実験95
0.86
』r加
eo(皿)
eo/dc
319.9
21.3
0.42
97.0
10.2
0.2
27.2
8.9
0.18
6.2
16.5
0.33
100.1
10.2
0.20
30.8
10.2
0.20
7.1
42.2
0.84
29.3
35.8
0.71
4.8
100.6
2.01
実験110
0.8
380.5
7.61
実験111
実験112
28.8
35.7
0.71
5.4
145.4
2.90
実験113
0.95
410.2
8.20
二蚕大学人学院491:J羊研究科
4.
第4章まとめ
6
本章では、第3章で行った模型実験の結果を,実際の蓄熱槽に適用できるか確認するために、
実際の蓄熱槽に近いスケールの水槽を用いて実験を行った。その結果から、以下の項目を確認し
た。
。
同様な流入条件での金たわし挿入時と非挿入時の実験の槽内温度分布を比較した結果、
金たわしを挿入した流入口は挿入しない場合に比べて、急な温度勾配が形成された。模
型で確認した結果と同様、挿入物による改善効果は大きいことが確認できたQ
円盤間に金たわしを挿入した場合、中央円管部の直径の大小は流入性状に影響しない。
実際の蓄熱槽で用いられることのあるパンチングメタルを円盤間に設置した実験を行っ
たが、その効果は確認できなかったo
円盤間全域に金たわしを挿入した実験の同定結果を縦軸eo/dc、横軸を入口アルキメデス
数Arinとして模型実験の同定結果とあわせて示したところ、同一直線上に分布するため、
蓄熱槽の大きさの違いによる影響は小さい。
三重人・:-i:人学院501:乍研究車:i
第5章
可視化実験と流速の計測
:.
Lf7:人苧人学院
l二′芋:研究科
5.
1
はじめに
第4章で用いた4つのタイプの流入口からの流入の様子を確認する為に、流入口開口部付近で
の流速の計測と可視化実験を行った。実験は、第4章と同様の、建築学科棟内設備実験室の蓄熱
実験装置で行なった。
5.
2
実験概要
図5-1に計測の概要を示す。実験に用いた流速計は2次元の流速を計測でき、本実験では、垂
直面の流速を測定したo流速は、流入口開口部から、
20mmの位置に流速計を設置し、昇降機を
用いて5mmの間隔で7点計測した.可視化実験は流入水を黒く着色し、真横から撮影したo
図5-2に実験に用いた流入口の詳細図を示した。実験に用いた各流入口の円盤直径は200mm、
円盤隙間幅は40mm、中央円管部の直径は50mmとし、それぞれ、
3種類の流入条件で実験を行っ
たo なお、挿入物のないTypelの流入口については、円盤隙間幅の影響を確認するため、
20mm、
30mm、
40mmの4種類の円盤隙間幅を設定して実験を行なった。実験条件を表5-1に示
す。
円盤上部
(a)流入口付近の流速の計測点
(b)流速計測位置
図5-1計測の概要
A-_竜人苧人草院521[・.
I,i,,:研・,JuLネ:i
10mm、
200
/\
\/↓
ll
1 0,20,30,40
4
lヽ「`■
■■■■■「
\↑
金たわし
¢100,50
/200\
\/
tl
[.汁--\
\↑
l\l
パンチングメ
¢50
(c)
Type3
(d)
図5-2
Type4
流入口詳細図
表5-1実験条件
流入口
流入温度
(℃)
初期温度
(℃)
(m3血)
32.8
18.6
2.48
0.131
27.8
17.8
3.57
0.0412
23.4
17.6
6.00
0.0085
31.3
17.6
2.54
0.525
26.7
16.8
3.56
0.165
21.9
15.9
5.95
0.0342
31.7
18.3
2.59
1.181
27.4
17.5
3.55
0.371
実験122
22.8
16.7
5.94
0.0770
実験123
38.8
25.1
2.54
2.10
実験124
33.8
24.2
3.70
0.66
実験125
29.1
23.1
6.13
0.137
実験126
36.0
22.5
2.60
1.88
実験127
31.4
21.5
3.54
0.68
26.6
20.4
6.00
0.12
34.4
20.5
2.54
2.06
実験130
31.4
21.5
3.60
0.66
実験131
26.3
20.2
6.01
0.13
実験132
35.6
21.1
2.41
2.30
実験133
30.5
20.3
3.54
0.68
実験134
26.6
20.5
5.90
0.14
実験名
円盤隙間幅
匹団
実験114
実験115
10
実験l16
実験117
Type1
実験118
実験119
20
実験120
実験121
Type2
実験128
実験129
Type3
Type4
30
40
(完53f・. I.i:1;)F究村
.二帝人′、;-::人・,?-I
流量
Arin
5.
3
実験結果と考察
図5-3-図5-6にType1-Type4の流入口を用いた実験の、各点での流速とその方向を示した図と、
可視化実験の結果一例を示す。なお、図中に示した流速は約1分間の平均値である。
図5-3(f)は,Typelの挿入物のない流入口を用いた実験125(円盤直径200mm、円盤隙間幅40mm、
流量6.13
m3nl)の流入の様子を示したものである。流入水は、流入口上部に偏って流入しており、
円盤間に挿入物がない場合では均等に流入していないことが確認できた。流入口から均等に流入
した場合、想定される流入流速は66.8m血sであるが、実際には,最大で347.6mm/sと約5倍の流
速で流入しているD図8-3(e)は流量の小さい実験123の流入の様子を示したものであるが、想定さ
れる流速は28.4であり,流量の大きい実験と同様、約5倍の流速で流入しているo
以上の結果か
ら、円盤間に挿入物がない場合,想定よりも槽内がより混合される結果となったと考えられる。
図513(d)は、図5-3(e)
(実験123)と同様、挿入物のないTypelの流入口で、円盤隙間幅を30mm
として行なった実験(実験120流量2.59
m3血)であるが、円盤隙間幅40mmの実験と同様、流入に
偏りが見られた。
図5-3(c)は円盤隙間幅を20mmとして行なった実験である(実験I17)c
このように、十分に円盤
隙間幅を小さくとれば、円盤間全体から均等に流入する結果となったo
しかし、流入ロから均等
(a)円盤隙間幅10mm流量2,48m3nl(実験114)
(b)円盤隙間幅10mm流量6.00
m3化(実験116)
(c)円盤隙間幅20mm流量2.54
(d)円盤隙間幅30nlm流量2,59
m3他(実験120)
(e)円盤酸間幅40mm流量2.54
図5・3
m3nl
(実験117)
(り円盤隙間幅40mm虎量6.13
m3血(実験123)
流速測定結果と流入の可視化実験結果(Typel)
54
m3nl
(実験125)
に流入した場合、想定される流入流速は56.2mm/sであるが、実際には、最大で91.7mm/sと2倍
近く想定より大きい流速で流入している。
図5-3 (a)は円盤隙間幅を10mmとして行なった実験である(実験114)。円盤隙間幅を20mmとし
て行なった実験と同様、円盤聞から比較的均等に流入している。また、この条件で均等に流入す
る場合、流速は109.6mm/sであり、想定される範囲の流速で流入している。
円盤間に挿入物のない場合、同じ流量、円盤直径であれば、円盤の隙間幅を小さくしたほうが、
均等に流入し、想定とは逆に流速が小さくなる結果となった。
図5-4はType2の金たわしを挿入した流入口からの流入の様子を示したものであるが、挿入物
のないTypel(図5-3(e)、
(i))と比較してType2は流入口の開口部全体から流入水が流れていること
が確認できる。図5-4(c)(実験128)については、流入口上部と下部での流速が大きくなっているが、
最大でも64.6mmJsであり、想定される流入流速で、流入口開口部全体から流れていることが確認
できた。
図5-5にType3のパンチングメタルを円盤間中央部分に設置した流入口からの流入の様子を示
した.流入水は、流入口上部に偏って流入していることが確認できるo図5-5から,
入口を用いた場合、Typelの挿入物のない流入口を用いた実験(図5-3
Type3の流
(e)、(i))と同様の結果となり、
パンチングメタルを中央に設置しただけでは、流入性状にほとんど影響しない結果となったo
図516
(c)はType4のパンチングメタルを円盤間中央部分と外周部分に設置した流入口について
の結果を示したものである。流入水は円盤間全体から流れているが、流れの向きが下方向に傾い
ているのが確認できるo流速もType2の流入口を用いた場合と比較して全体的に大きくなってい
る。このため、槽内がより混合される結果となったと考えられる。また、図5-6(a)は流量の小さい
(2.41m3仙)実験132の結果であるが、この条件では流入水はほぼ水平に流れており、同様な流入条
件のTypel(図5-3(e))流量2.54m3瓜)と比較して、低い流速で均等に流れる結果となった.
I.電人草人学院55f:J羊研究科
(a)流量2.60m3nl(実験126)
(b)流量3.54m3nl(実験127)
(c)流量6.00m3瓜(実験128)
図5-4流速測定結果と流入の可視化実験結果(Type2)
(a)流量2.54m3仇(実験129)
図5-5流速測定結果と流入の可視化実験結果(Type3)
(a)流量2.41m3
也(実験132)
(c)
流量5.90 m3nl (実験134)
図5-6流速測定結果と流入の可視化実験結果(Type4)
56
J
図516に示したType4の実験結果から、パンチングメタルを外周部に設置した場合、円盤間か
ら比較的均等に流入するが、下向きに流入する結果となった為、パンチングメタルからの下向き
の流入を下部の円盤で抑えるよう、円盤直径を400mmとし、円盤の半径100血mの位置にパンチ
図517に流入口の詳細図、表5・2に実験条件を示すo
ングメタルを設置し実験を行なったc
表5-2
実験名
流入温度
実験135
実験条件
初期温度
流量
ArEn
(℃)
(℃)
31.1
l7.6
2.58
8.38
2,62
0.52
(m3n1)
実験136
2(∼.4
16.7
3.68
実験137
22.I
16.I
6.03
図5-7流入口詳細図
図5-8に実験結果を示すo図5-8(c)に流量の大きい,実験137の実験結果を示したQ流入口全体
から流入しているが、流入口の下部分に若干偏って流れる結果となり,また均等に流入する場合
流速は34,3mm/sだが、最大で80.7mm/sとなっており、
2倍以上の流速で流入している。図5-8(a)
は、流量の小さい実験135の実験結果であるが、円盤間全体から、比較的均等に流入する結果と
なったo流れが上方向を向いているのは十分に流速が小さいため、浮力によるものと考えられるD
図5-5-園5-8から、パンチングメタルを設置する位置によっては、流入を均等にする効果があ
ることを確認した。パンチングメタルの最適な設置方法について、検討の余地がある。
(a)流量2.58
m3nl
(b)流量3.68
(実験135)
m3nl
(c)流量6.03m3nl(実験137)
図5-8流入口付近の流速測定結果と流入の可視化実験結果
-._:
/<
I;,._
57
(実験136)
4
5.
第5章まとめ
本章では、第4章で用いた各円盤型流入口の流入特性を詳細に確認するため、可視化実験と流
速の計測を行い、流入口開口部付近での流入の様子を確認した。その結果以下のことが明らかに
なった。
。
円盤間に挿入物のない場合、円盤の隙間幅が大きいと流入口上部に偏って流入する。円盤
隙間幅を十分に小さくすると、流入口から比較的均等に流入するようになり、流速も、小
さくなる。第4章の挿入物のない流入口をもちいた実験で、流量o.96m3仙円盤直径100で
隙間幅20mmの実験が、同流量・直径で隙間幅5mmの実験よりも槽の深くまで混合した
のはこのためであると考えられる。
円盤間に金たわしを挿入すると流入口の開口部から比較的均等に、想定される流入流速で
流入する。この結果より、金たわしを挿入することで流入の偏りを改善できることが確認
できた。
パンチングメタルを円盤中央部分に設置した場合、挿入物のない場合と同様、流入口上部
に偏って流入し、想定よりも速い流速で流入する。
パンチングメタルを円盤の中央部分と外周部分に設置した場合、比較的均等に流入するが、
流量を大きくすると、流入の方向が下向きになる。槽内の混合が促進されると考えられる。
このタイプの流入口を用いた第5章の実験で、流入口に挿入物のない実験よりも深くまで
混合したのは、このためであると考えられる。
円盤直径を400mmとし、半径100mmの位置にパンチングメタルを設置した場合、比較
的均等に流れ、流入の方向が下向きになることはない。しかし、流速が大きい実験では、
流入口の下部に若干偏りがみられた。パンチングメタルの最適な設置位置や個数等は今後
検討の余地がある。
I_.車人芋大学院58-l・/、if・・Li)f究村
第6華
美験式の同定
:・求人Jlif:人一-?I:院 工・1Ir:研究科
6.
1実験式の同定
図6-1に、第3章で行なった、金たわしを挿入し行なった円盤型流入口の模型実験と第4章の
実大実験の実験結果から同定した初期完全混合域深さeoを、縦軸&A/ic、横軸を入口アルキメデス
数Arhとして示したo
2種類の蓄熱槽で行なった実験は同一直線上にまとまって分布しており、
蓄熱槽の大小の違いによる結果-の影響はほとんどないことが確認できた。円盤型流入口と堰・
スロット型流入口は共に水平に広く鉛直方向に狭い形状であることを考えると、円盤型流入口の
初期完全混合域深さに関する実験式は、せき・スロット型と同様の関数形で表すことができると
考えられる。円盤型流入口の同定結果は図6-1に示した堰・スロット型流入口の実験式の線上付
近に位置する結果となった。金たわしを挿入した円盤型流入口を用いた2つの実験槽で行った実
験のeoの同定結果より,流入口開口部から流入水が均等に流入する場合の円盤型流入口の実験式
として式(6.1)を得たo
Ro
=1・8Arin
-0・5dc/L
(6.1)
実大実験㊥模型実験
ー◆
∩
‖
‖
‖
、◆.
◆
'/.
‖
:-.....-.、◆
◆
◆
‖
■コ
◆
]Ro-
◆
・∴..こ.
◆
◆
円盤型
型 流入口
堰.
∴●
◆、..
IRo-1.8Arin-0.5d/i
l ㌔.
.OArin'dL
◆
◆◆
∼?
l●
◆…:
◆◆、;◆…◆
--◆ト
†◆!
◆
l◆l
◆j
◆
I.二_
ヽ′≡■■ヨ
o.ooo1
0.001
0.01
0.1
Arin
1
10
図6-1金たわしを挿入した円盤型流入口のArinとe〆dcの関係
シ貴大学大学院601ニノ,I,二研究朽
100
1000
6.
2
シミュレーション
図6-2-図6-69に、金たわしを円盤間全域に挿入して行った全実験(実験31-実験81、実験91実験107)の槽内温度分布の推移と、同定した式(6.1)を用いてシミュレーションした槽内温度分布
の推移を、横軸を温度、縦軸を槽の高さとして、換水回数o.2回毎に示した。これらの実験の槽
内の温度分布の推移は実験式から計算した値とよく一致しており、同定した円盤型流入口の実験
式は妥当であるといえる。
I.素人苧人苧院61T.I.I,i・,:ff]卜光村
ー実験結果
3
3
J仙
イ〔ノ
)
--一計算結果
)
1Ⅱ匡
堰
疋
定
暫
暫
25
温度(℃)
16
温度(℃)
16
25
図6-2槽内温度分布の推移
図6-3
槽内温度分布の推移
(実験31 :円盤隙間幅5Ⅱ皿円盤直径100mm
(実験32 :円盤隙間幅5mm円盤直径100mm
流量o.30m3nl初期温度16.4℃流入温度25.0℃)流量o.72m3/b初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
3
3
帆
寸U
悼
蛋
堰
暫
暫
亡■■:i
i:■■:;i
定
16
40
温度(℃)
図6-4
温度(℃)
16
槽内温度分布の推移
図6-5
槽内温度分布の推移
(円実験33 :盤隙間幅5Ⅱ皿円盤直径100mm
(実験34 :円盤隙間幅5m円盤直径100mm
流量o.72m3nl初期温度16.2℃流入温度40.0℃)流量o.90m3nl初期温度16.4℃流入温度25.0℃)
--.蛮人一?:人学院621二Jt;::研究科
25
-I-・計算結果
一実験結果
3
3
J山
J仙
堰
蛋
濫
暫
暫
iZ芦t:i
亡!■t:i
悼
温度(℃)
16
図616
16
20
槽内温度分布の推移
温度(℃)
図6-7
(実験35 :円盤隙間幅5mm円盤直径100Ⅱ皿
流量o.96m3nl初期温度16.5℃流入温度20.0℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験36 :円盤隙間幅5mm円盤直径100mm
流量o.96m3仙初期温度16.1℃流入温度25.0℃)
3
3
J仙
すU
堰
悼
F!:ii
蛋
・監
聖
聖
温度(℃)
16
図6-8
25
槽内温度分布の推移
(実験37 :円盤隙間幅5mm円盤直径150mm
流量o.30m3nl初期温度16.4℃流入温度25.0℃)
温度(℃)
16
図6・9
25
槽内温度分布の推移
(実験38 :円盤隙間幅5mm円盤直径150mm
流量o.72m3瓜初期温度16.4℃流入温度25.0℃)
63I:.芋6)[先約
-A_重大,ゝj,,:人引;I;t
一実験結果
3
3
vKノ
キ〔ノ
悼
堰
疋
濫
暫
暫
一--・計算結呆
)
1己!巧
温度(℃)
16
図6-10
40
温度(℃)
16
槽内温度分布の推移
25
図6111槽内温度分布の推移
(実験39 :円盤隙間幅5mm円盤直径150Ⅱ皿
流量o.66m3nl初期温度16.3℃流入温度40.0℃)
(実験40 :円盤隙間幅5mm円盤直径150Ⅱ皿
流量o.90m3/b初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
3
3
帆
帆
iコ■:i
iコ■亡;i
場
悼
疋
疋
暫
暫
温度(℃)
16
図6-12
20
槽内温度分布の推移
(実験41 :円盤隙間幅5mm円盤直径150mm
流量o.96m3仙初期温度16.5℃流入温度20.0℃)
16
温度(℃)
図6113
25
槽内温度分布の推移
(実験42 :円盤隙間幅5mm円盤直径150m血
液量o.96m3/h初期温度16.3℃流入温度25.0℃)
:.
ifi.・人′羊人草院641:Jtf,:研究杓
一実験結果
-一-・計算結果
3
己■■=i
J仙
堰
IKr7'
暫
16
図6-14
温度(℃)
25
温度(℃)
槽内温度分布の推移
図6-15
(実験43 :円盤隙間幅5mm円盤直径250mm
流量o.30m3nl初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
3
槽内温度分布の推移
(実験44 :円盤隙間幅5m円盤直径250mm
流量o.72m3仙初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
3
P:i
J山
i己!■l≡;i
J仙
堰
i:三
富
疋
暫
暫
16
温度(℃)
図6-16
25
槽内温度分布の推移
(実験45 :円盤隙間幅5mm円盤直径250Ⅱ皿
流量o.90m3nl初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
温度(℃)
16
図6-17
25
槽内温度分布の推移
(実験46 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径100mm
流量o.30m3nl初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
I-.
!fT・:大rl;I:人17二院65l・/,i-I:研究杓
--一計算結果
-実験結果
頂
ヽー
'3
J仙
J仙
悼
疋
悼
餐
暫
)
・監
16
温度(℃)
図6-18
25
16
槽内温度分布の推移
温度(℃)
図6-19
(実験47 :円盤隙間幅15mm円盤直径100mm
流量o.72m3/b初期温度16.4℃流入温度25.0℃)
3
40
槽内温度分布の推移
(実験48 :円盤隙間幅15mm円盤直径100Ⅱ皿
流量o.72m3nl初期温度16.5℃流入温度39.5℃)
3
i己■ll≡;i
i:■■5i
J仙
J仙
堰
悼
蛋
定
暫
蟹
温度(℃)
16
図6120
25
槽内温度分布の推移
(実験49 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径100mm
流量o.90m3瓜初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
温度(℃)
16
25
図6-21槽内温度分布の推移
(実験50 :円盤隙間幅15mm円盤直径150Ⅱ皿
流量o.30m3nl初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
fr.・:人,;,:人一、川661-.で桝J)t村
一実験結果
3
亡■■=i
3
J山
J仙
堰
悼
蛋
定
暫
暫
一一-・計算結果
iZ■■=i
温度(℃)
16
図6-22
25
温度(℃)
16
槽内温度分布の推移
図6-23
(実験51 :円盤隙間幅15mm円盤直径150Ⅱ皿
流量o.72m3瓜初期温度16.5℃流入温度25.0℃)
3
40
槽内温度分布の推移
(実験52 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径150mm
流量o.72m3nl初期温度16.4℃流入温度39.7℃)
3
F!:il
i己!竺コi
J仙
J仙
堰
悼
濫
・監
蟹
蟹
16
温度(℃)
図6-24
20
槽内温度分布の推移
(実験53 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径150mm
流量o.93m3nl初期温度16.4℃流入温度20.2℃)
16
温度(℃)
図6-25
25
槽内温度分布の推移
(実験54 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径150mm
流量o.93m3nl初期温度16.4℃流入温度25.2℃)
:_
67
卜`、j,'二研')t村
frT-:人.;I:人′-i,I:院
一実験結果
頂
亡!■ti
3
J仙
J仙
堰
悼
蛋
蛋
聖
暫
--一計算結果
己■■コi
温度(℃)
16
図6-26
20
温度(℃)
16
槽内温度分布の推移
図6-27
(実験55 :円盤隙間幅15mm円盤直径150mm
流量o.96m3nl初期温度16.4℃流入温度20.2℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験56 :円盤隙間幅15mm円盤直径150mm
流量o.96m3nl初期温度16.5℃流入温度25.1℃)
3
3
帆
J仙
堰
蛋
堰
疋
暫
暫
i己!■!!:;i
i:■■=i
16
温度(℃)
図6-28
25
槽内温度分布の推移
(実験57 :円盤隙間幅15mm円盤直径250mm
流量o.30m3仙初期温度16.5℃流入温度25.2℃)
16
温度(℃)
図6-29
25
槽内温度分布の推移
(実験58 :円盤隙間幅15rrm円盤直径250rrm
流量o.72m3瓜初期温度16.5℃流入温度25.2℃)
二.
68
I;'J'こ lL.'、;::桝JJJt:i村・
[T7.;人ノ、;::人ノj・':
-実験結果
3
3
寸U
J仙
悼
堰
・監
・監
---・計算結果
亡±一!:il
暫
暫
温度(℃)
16
図6-30
40
16
槽内温度分布の推移
温度(℃)
25
図6-31槽内温度分布の推移
(実験59 :円盤隙間幅15mm円盤直径250mm
流量o.72m3/b初期温度16.4℃流入温度40℃)
(実験60 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径250Ⅱ皿
流量o.90m3nl初期温度16.4℃流入温度25.2℃)
3
3
帆
J山
堰
広
鳩
濫
暫
蟹
ヽJ
i:■■≡i
温度(℃)
16
図6-32
20
槽内温度分布の推移
(実験61 :円盤隙間幅15mm円盤直径250rrm
流量o.96m3nl初期温度16.2℃流入温度20.2℃)
16
温度(℃)
図6・33
25
槽内温度分布の推移
(実験62 :円盤隙間幅15Ⅱ皿円盤直径250mm
流量o.96m3/b初期温度16.5℃流入温度25.2℃)
:.
69
rちri lL_ノ、;::研'J)t
I;:i・
,托人ノ、j:ニノ(ノ'j,I:
一実験結果
3
3
J仙
J仙
悼
悼
---・計算結果
己■■=i
亡!■■コ
蛋
・監
暫
暫
16
図6-34
温度(℃)
16
25
温度(℃)
槽内温度分布の推移
図6・35
(実験63 :円盤隙間幅25mm円盤直径100m血
流量o.30m3nl初期温度16.5℃流入温度25.1℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験64 :円盤隙間幅25mm円盤直径100mm
流量o.72m3nl初期温度16.6℃流入温度25.2℃)
3
3
帆
J仙
堰
定
悼
暫
蟹
i:■■!コi
ヽ_■′
濫
温度(℃)
16
図6-36
40
槽内温度分布の推移
(実験65 :円盤隙間幅25mm円盤直径100mm
流量o.72m3/h初期温度16.5℃流入温度39.6℃)
16
温度(℃)
図6137
25
槽内温度分布の推移
(実験66 :円盤隙間幅25Ⅱ皿円盤直径100mm
流量o.90m3nl初期温度16.6℃流入温度25.2℃)
:.
70
i;J;i I-.J、jヱ:
(TA)r.
Jた手:ト
Fr7.:人`'j:二人`'j::
一実験結果
3
---・計算結果
3
亡ヨ■=i
i:■l亡:il
帆
帆
うこ三
蛋
堰
暫
蟹
蛋
温度(℃)
16
図6-38
25
16
槽内温度分布の推移
温度(℃)
図6-39
(実験67 :円盤隙間幅25mm円盤直径150mm
流量o.3m3nl初期温度16.6℃流入温度25.1℃)
3
25
槽内温度分布の推移
(実験68 :円盤隙間幅25Ⅱ皿円盤直径150mm
流量o.72m3仙初期温度16.5℃流入温度25.2℃)
3
iZ±巴コ
iコ竺巴:i
帆
帆
堰
疋
悼
疋
暫
暫
温度(℃)
16
図6-40
20
槽内温度分布の推移
(実験69 :円盤隙間幅25Ⅱ皿円盤直径150mm
流量o.93m3nl初期温度16.4℃流入温度20.2℃)
温度(℃)
16
25
図6141槽内温度分布の推移
(実験70 :円盤隙間幅25mm円盤直径150Ⅱ皿
流量o.90m3Al初期温度16.4℃流入温度25.2℃)
:.
71
)(
IIL)I:
Jjt/fこ書
Err_:人′、i::
'、j::院 IL/1;::
一実験結果
頂
頂
帆
J仙
悼
悼
定
--・計算結果
)
i:■■:;i
・監
餐
蟹
温度(℃)
16
図6-42
16
25
槽内温度分布の推移
温度(℃)
図6-43
(実験71 :円盤隙間幅25mm円盤直径250Ⅱ皿
流量o.30m3nl初期温度16.6℃流入温度25.1℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験72 :円盤隙間幅25mm円盤直径250Ⅱ皿
流量o.72m3瓜初期温度16.5℃流入温度24.9℃)
頂
3
J仙
帆
堰
蛋
確
定
蟹
蟹
)
iZ■■=i
温度(℃)
16
図6-44
25
槽内温度分布の推移
(実験73 :円盤隙間幅25mm円盤直径250mm
流量o.72m3/h初期温度16.6℃流入温度25.1℃)
:.
)(ノ、川72[-.
tr..I人ノi・,:
温度(℃)
10
図6-45
30
槽内温度分布の推移
(実験74 :円盤隙間幅25mm円盤直径250Ⅱ皿
流量o.72m3仙初期温度10.0℃流入温度30℃)
Jl;・,:桝・,Jt村
一実験結果
3
頂
J仙
J仙
悼
堰
定
己■■=i
--・計算結果
己■■5
・監
蟹
暫
温度(℃)
16
図6-46
40
温度(℃)
16
槽内温度分布の推移
図6-47
(実験75 :円盤隙間幅25mm円盤直径250mm
流量o.72m3nl初期温度16.4℃流入温度40.0℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験76 :円盤隙間幅25Ⅱ1m円盤直径250mm
流量o.93m3nl初期温度16.5℃流入温度25.2℃)
3
3
i:■■コ
ヽー
J仙
帆
1軽
電
悼
Efi
蟹
暫
温度(℃)
16
図6-48
20
16
槽内温度分布の推移
温度(℃)
図6-49
(実験77 :円盤隙間幅25rrm円盤直径250mm
流量o.96m3瓜初期温度16.3℃流入温度20.3℃)
25
槽内温度分布の推移
(実験78 :円盤隙間幅25Ⅱ皿円盤直径250mm
流量o.96m3瓜初期温度16.4℃流入温度25.2℃)
73
:.
)こ′、i::
P,ri
tT・.:人一、jJ':
r_
'、i,':桝')t不:I
一実験結果
3
---・計算結果
3
亡■l亡;i
)
J仙
ヰ山
悼
堰
定
・監
蟹
暫
16
温度(℃)
図6-50
25
16
槽内温度分布の推移
温度(℃)
25
図6151槽内温度分布の推移
(実験79 :円盤隙間幅50Ⅱ皿円盤直径100Ⅱ皿
流量o.96m3nl初期温度16.5℃流入温度24.9℃)
(実験80 :円盤隙間幅80mm円盤直径100mm
流量o.96m3nl初期温度16.5℃流入温度24.9℃)
3
)
3
帆
J仙
悼
疋
悼
蛋
蟹
聖
F!:;i
温度(℃)
16
図6-52
25
槽内温度分布の推移
(実験81 :円盤隙間幅100mm円盤直径100mm
流量o.93m3nl初期温度16.7℃流入温度25.1℃)
16.5
図6-53
温度(℃)
22.5
槽内温度分布の推移
(実験91 :円盤隙間幅10Ⅱ皿円盤直径300mm
流量6.39m3nl初期温度17.0℃流入温度22.9℃)
:.
74
fll・
I-_ノ、j::桝'})tli
Erf..人′、i:二人`、j;二E;I;i
一実験結果
1700
3
3
帆
寸U
亡!■■コ
-一-・計算結果
i亡l■!:;i
堰
悼
Eiii
疋
蟹
暫
18.5
図6-54
温度(℃)
35
温度(℃)
25.5
槽内温度分布の推移
図6-55
(実験92 :円盤隙間幅20Ⅱ皿円盤直径300mm
流量2.40m3/b初期温度1S.9℃流入温度33.8℃)
36
槽内温度分布の推移
(実験93 :円盤隙間幅20Ⅱ1m円盤直径300mm
流量3.92m3nl初期温度25.8℃流入温度35.0℃)
3
3
)
iZ芦巴コ
帆
J仙
悼
悼
蛋
・監
暫
暫
17
温度(℃)
図6-56
23
14.5
槽内温度分布の推移
図6-57
(実験94 :円盤隙間幅20Ⅱ皿円盤直径300mm
流量6.42m3/b初期温度17.3℃流入温度23.0℃)
温度(℃)
槽内温度分布の推移
(実験95 :円盤隙間幅50mm円盤直径500Ⅱ皿
流量2.45m3瓜初期温度14.7℃流入温度29.0℃)
75
:.
)(i,'二人一、;::
7:'JIE I-_ノ、j::桝′先・f:I
Err.:
一実験結果
1700
3
3
J付
帆
悼
堰
蛋
蛋
暫
整
--・計算結果
i:さ■≡;i
亡!■■コ
21.5
温度(℃)
図6-58
27.5
32
槽内温度分布の推移
図6-59
(実験96 :円盤隙間幅50Ⅱ皿円盤直径500mm
流量3.87m3/h初期温度21.7℃流入温度30.7℃)
温度(℃)
33.5
槽内温度分布の推移
(実験97 :円盤隙間幅50mm円盤直径500mm
流量6.47m3/h初期温度27.6℃流入温度33.1℃)
3
3
帆
帆
堰
悼
疋
疋
暫
蟹
\_....■′
i:■■:;i
15
温度(℃)
図6-60
21.5
29.5
槽内温度分布の推移
31.5
図6-61槽内温度分布の推移
(実験98 :円盤隙間幅50mm円盤直径500mm
流量2.40m3仙初期温度15.2℃流入温度30.0℃)
(実験99 :円盤隙間幅50mm円盤直径500Ⅱ皿
流量3.90m3仙初期温度22.0℃流入温度31.0℃)
76
:_
)こ`-i,I:
r:;i
Fr,.:人ノ、j,I:
温度(℃)
Lノj・':川北村
-実験結果
1700
3
3
J仙
イU
1喧
悼
蛋
濫
暫
暫
)
---・計算結果
亡■■=l
温度(℃)
27.5
図6-62
33.5
温度(℃)
25.5
槽内温度分布の推移
図6-63
(実験100 :円盤隙間幅50mm円盤直径500Ⅱ皿
流量6.46m3nl初期温度28.0℃流入温度33.6℃)
45.5
槽内温度分布の推移
(実験101 :円盤隙間幅50mm円盤直径1000mm
流量1.80m3仙初期温度25.6℃流入温度45.0℃)
3
3
iZq
i:■■コ
ヤU
J仙
中匡
悼
疋
・監
暫
暫
16.5
図6-64
温度(℃)
温度(℃)
25
32.5
槽内温度分布の推移
図6165
(実験102 :円盤隙間幅50mm円盤直径1000mm
流量2.38m3nl初期温度16.8℃流入温度34.0℃)
34.5
槽内温度分布の推移
(実験103 :円盤隙間幅50rrm円盤直径1000rr皿
流量3.91m3nl初期温度25.1℃流入温度30.5℃)
77
:.
)(ノ、j::人′、j3ニドJ,E;
zr・:
lA.メ;,':桝ノ先手:I-
-実験結果
1700
3
亡■■コ
●盲
帆
孤
堰
二:≡
・監
蛋
--・計算結果
i:■■=i
暫
暫
温度(℃)
25
図6-66
15.5
31
槽内温度分布の推移
図6-67
(実験104 :円盤隙間幅50mm円盤直径1000mm
流量6.52m3nl初期温度25.1℃流入温度30.5℃)
温度(℃)
31
槽内温度分布の推移
(実験105 :円盤隙間幅50Ⅱ皿円盤直径1000Ⅱ皿
流量2.40m3nl初期温度15.8℃流入温度30.8℃)
3
頂
帆
J山
悼
定
堰
Eii
暫
蟹
亡■■コI
i:■■!=i
26.5
図6168
温度(℃)
26.5
36.5
温度(℃)
槽内温度分布の推移
図6-69
(実験106 :円盤隙間幅50mm円盤直径1000mm
流量3.86m3仙初期温度27.0℃流入温度34.4℃)
32.5
槽内温度分布の推移
(実験107 :円盤隙間幅50mm円盤直径1000Ⅱ皿
流量6.47m3仙初期温度26.8℃流入温度32.2℃)
78
:.
'、j・'二川光1:-l・
,rr;人J、jヱ:人ノiJ'ニドJ,ri
6.
3
6章まとめ
第3章-第5章の実験結果から、円盤間全域に金たわしを挿入した場合、円盤間に挿入物のな
い場合にはあった、流入口開口部の上下間での流入の偏りはほとんどなくなったo
また,円盤間
全域に金たわしを挿入し、大小の蓄熱槽で行った実験の同定結果を縦軸eo′徒、横軸を入口アルキ
メデス数Ar,・nとして示したところ、同一直線上に比較的まとまって分布することが確認できたo
本章では、模型実験と実大実験の円盤間全域に金たわしを挿入した実験の同定結果から、均等に
流入する場合の円盤型流入口の槽内混合モデルに適用できる実験式を同定したo
同定した実験式
を用いて槽内温度分布の推移のシミュレーションを行ったところ、実験結果と計算結果はよく敦し、実験式の妥当性を確認した。
二.
79
U';t I-.,?I:桝先手こト
・r7.:人`、j;:人ノ、;::
第7章
まとめ
:.
J;;i
l._'、i,I:
1T)r・ノ'/i:t不:i
fr..;人一、j::人ノj::
本研究では、円盤型流入口の流入特性を確認するために模型実験を行い、その基本的な特性を
確認した。そして、模型実験の結果から確認した円盤型流入口の流入特性が、実際の蓄熱槽に適
用できるか確認するために実大規模の水槽を用いて実験をおこなった。また、流入口の開口部付
近での流速を計測するとともに、可視化実験を行い円盤型流入口の詳細な流入性状を確認した。
その結果、円盤型流入口を単純に設置するだけでは、流入口開口部からの流入に偏りができ,想
定通りの性能が得られないことがわかり、スポンジや金たわしなどを挿入することにより、流入
に偏りがなくなり、改善できることが明らかとなった。以下に各タイプの円盤型流入口の流入特
性について、明らかになったことを示す。
●
円盤間に金たわしを挿入すると、比較的均等に流入し、流速も想定内に抑えられる。そのた
め、円盤間に挿入物のない場合よりも槽内の混合が抑えられ、急な温度勾配が形成される。
●
円盤の直径より小さい金たわしを挿入した場合、円盤間全域に金たわしを挿入した場合より
も初期の完全混合域深さが大きくなる。また、挿入物の直径や円盤隙間幅が同じ条件であり、
円盤の直径のみ異なる場合、初期混合域深さがほとんど同じ値となるo
これらの結果から、
円盤型流入口の流入性状は円盤の直径より、挿入物の設置条件に依存することが明らかとな
った。
円盤間に挿入物のない場合、円盤の隙間幅が大きいと流入口上部に偏って流入する。円盤隙
間幅を十分に小さくすると流入口から比較的均等に流入するようになり、流速が小さくなる。
パンチングメタルを円盤中央部分に設置した場合、挿入物のない場合と同様、流入口上部に
偏って流入し、想定よりも速い流速で流入する。このため、金たわしを挿入した場合のよう
な改善は期待できない。
パンチングメタルを円盤の中央部分と外周部分に設置した場合、比較的均等に流入するが、
流量を大きくすると、流入の方向が下向きになり、槽内の混合が促進される。このため、こ
のタイプの流入口を用いると流入口に挿入物のない場合よりも槽の深い位置まで混合する。
●
パンチングメタルを円盤の中間部分に設置すると比較的均等に流れ、流入の方向が下向きに
パンチン
なることはない。しかし、流速が大きいと、流入口の下部に若干偏りがみられたo
グメタルの最適な設置位置や個数等は今後検討の余地がある。
模型実験と実大実験で行った、金たわしを円盤間全域に挿入した実験の同定結果を、縦軸Arin
横軸eq(dcとして、グラフに示したところ、比較的ばらつきが少なくまとまって分布したため、蓄
熱槽の大小の違いによる影響が小さいことを確認した。そして、円盤間全域に金たわしを挿入し
た実験の結果から、均等に流入する場合わ円盤型流入口について、槽内温度が予測できる槽内混
合モデルに適用する実験式を同定したo
また、その実験式を用いて、金たわしを挿入して行った
実験の流入流量・流入温度から槽内混合モデルにより、槽内温度分布の推移のシミュレーション
を行ったところ、実験結果と計算結果はよく-敦し、実験式の妥当性を示した。
今後、円盤型流入口について、金たわしを挿入せずに流入を均等にする方法、パンチングメタ
ルの最適な設置方法等、検討する必要があるo
81
:▲巾人`?':人ノ、i:ニド′こ
卜′、j,I:脚光杓
参考文献
1)辻本誠・相良和信・中原信生:蓄熱槽に関する研究(第1報),空気調和・衛生工学会論文集,
No.16,pp.23-35,1981
第4報,空気調和・衛生工
2)相良和伸・前田茂哉・浅野勝弘・中原信生:蓄熱槽に関する研究
学会論文集,
No.30,
1986
pp.9-19,
3)北野・岩田・相良:温度成層型蓄熱槽の変動入力条件に対応した槽内混合モデルに関する研
究,空気調和・衛生工学会論文集,
No.96,pp.3ト40,
2005
4)宮武修・永測尚之・須賀信明・田中逸夫:温度成層型蓄熱水槽の内部特性に関する研究(第
1報)温水入力の場合の温度成層化過程,空気調和・衛生工学会論文集,
No.32,
pp.35-43,
1986
5)宮武修・永測尚之・田中逸夫:温度成層型蓄熱水槽の内部特性に関する研究(第2報)温水
入力の場合の熱的特性,空気調和・衛生工学会論文集,
No.33,
pp.115-123,
1987
6)中島康孝:蓄熱槽の熱的重みに関する研究(その1),日本建築学会論文報告集,
pp.37-47
1972
,
7)中島康孝:蓄熱槽の熱的重みに関する研究(その2),日本建築学会論文報告集,
pp.75-83,
No.200,
1972
8)松平秀雄・阪倉康男・宮部喜代二:蓄熱水そうの蓄熱量の解析(3),空気調和・衛生工学,
pp.387,
No.199,
47-5
1973
9)北川・北野・相良他:連結完全混合槽型蓄熱槽の性能予測手法に関する研究
築学会学術講演梗概集,
D2,
pp.1295-1296,
2006
10)北野・北川・相良他:連結完全混合槽型蓄熱槽の性能予測手法に関する研究
築学会学術講演梗概集,
D2,
pp.1297-1298,
D2,
pp.1035-1036,
その2,日本建
2006
ll)北野・北川・相良他:連結完全混合槽型蓄熱槽の性能予測手法に関する研究
築学会学術講演梗概集,
その1,日本建
2007
12)嘉納秀明:システムの最適理論と最適化,コロナ社,pp.81184,1990
82
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その3,日本建
関連発表論文
1)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽における流入口形状の槽内混合特性-の
影響に関する研究
その3,日本建築学会大会
学術講演梗概集,D2,pp.1039-1040,2007
2)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽の円盤型流入口の流入特性に関する実験
的研究,空気調和・衛生工学会論文集,
pp.85-88,
2007
3)間宮・岩田・北野・相良・石川・山内:温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の混合特性
に関する実験的研究,日本建築学会東海支部研究報告集,
pp.3731376,
2008
4)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の流入特性に関す
る研究,空気調和・衛生工学会中部支部学術論文集,
pp.129-132,
2008
5)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽における流入口形状の槽内混合特性-の
影響に関する研究
その4,日本建築学会大会
学術講演梗概集,D2,pp.1063-1064,2008
6)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の流入性状のモデ
ル化に関する研究,空気調和・衛生工学会論文集,
pp.125-128,
2008
7)間宮・岩田・北野・相良・石川:温度成層型蓄熱槽における円盤型流入口の混合特性に関す
る実験的研究
その2,日本建築学会東海支部研究報告集,
pp.369-372,
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2009
謝辞
本論文を作成するにあたり、三重大学石川幸雄教授には本論文の研究テーマを与えて下さり、
また、研究に対する姿勢、心がけのご指導と暖かいご配慮を賜り深く感謝の意を表します。
ならびに三重大学永井准教授・寺島准教授には常に暖かいご配慮と頂き深く感謝の意を表しま
す。
また三重大学北野博亮助教及び同岩田剛技官には、本論文作成の為、実験の開始から、完成に
至る今日まで、常に多大なるご指導を受けましたことを厚く感謝いたします。
さらに本研究テーマの先輩である、卒業生の北川氏には、実験開始時からのご指導ありがとう
ございました。
そしてこの約3年間、設備系研究室で楽しくすごせたのは過去現在を含めた院生、
様のおかげであり、心から感謝の意を表します。
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