JP2005098694A - Heat exchanging system between solid and fluid - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体と流体との間の熱交換システムに属する。 The present invention belongs to a heat exchange system between a solid and a fluid.
熱エネルギーの伝達と移動は、熱放射(thermal radiation)、熱伝導(heat conduction)、熱伝達(heat transfer)の3つの移動現象に大別でき、その工学利用においては、なんらかの熱媒体による顕熱および潜熱輸送 (heat transport)や、他の媒質内に変換および伝播移動 (heat transmission)を利用して、熱的な効率を高めることは単に省エネルギーのみならず、今や全地球的規模に於ける大きな課題となってきている。 The transfer and transfer of thermal energy can be broadly divided into three transfer phenomena: thermal radiation, heat conduction, and heat transfer. In engineering applications, sensible heat is generated by some kind of heat medium. And using heat transport and transformation and heat transmission into other media to increase thermal efficiency is not only energy saving, but is now a significant on a global scale. It has become an issue.
この発明の課題は、伝熱現象のなかの対流熱伝達(convective heat transfer)に関して、低コストで画期的に高い効率を示す熱交換システムを提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a heat exchange system that exhibits an epoch-making high efficiency at a low cost with respect to convective heat transfer in a heat transfer phenomenon.
従来、熱伝達現象は、流体運動の動的特性を表すRe(レイノルズ数)、作動流体の動的物性を特徴付けるPr(プラントル数)、作動流体と固体表面との間の熱伝達を表すNu(ヌセルト数)、作動流体が温度差或いは密度差による浮力駆動流れである場合の熱流動特性を表すGr(グラスホフ数)などを関数とした実験相関式として議論・整理され、固有の条件を有する熱伝達率の推定に関して多大なる成果を上げてきた。 Conventionally, the heat transfer phenomenon is Re (Reynolds number) representing the dynamic characteristics of fluid motion, Pr (Prandtl number) characterizing the dynamic physical properties of the working fluid, and Nu (representing heat transfer between the working fluid and the solid surface. (Nosselt number), thermal correlation with Gr (Grasshof number) representing the thermal flow characteristics when the working fluid is a buoyancy driven flow due to temperature difference or density difference, etc. Great results have been achieved in terms of transmission rate estimation.
しかしながら、これらの無次元数に基づく実験相関式の多くは、境界層理論を背景とした流体の温度分布及び速度分布に基づくものである。この発明によれば、従来の理論では流体側の分子熱伝導としか取り扱われていない層流境界底層内の伝熱機構が大幅に改善され、熱伝達率が増大する。
対流伝熱においては、この発明のシステムは高温熱源が固体側にある場合には高温固体から低温流体へ熱を伝達させることに利用でき、逆に、高温熱源が流体側にある場合には高温流体から低温固体へ熱伝達させる際にも適用可能である。
However, many of these experimental correlation equations based on these dimensionless numbers are based on the temperature distribution and velocity distribution of the fluid against the background of the boundary layer theory. According to the present invention, the heat transfer mechanism in the laminar boundary bottom layer, which is handled only by molecular heat conduction on the fluid side in the conventional theory, is greatly improved, and the heat transfer rate is increased.
In convective heat transfer, the system of the present invention can be used to transfer heat from a hot solid to a cold fluid if the hot source is on the solid side, and conversely, if the hot source is on the fluid side, It is also applicable when transferring heat from a fluid to a low-temperature solid.
その課題を解決するために、この発明の熱交換システムは、
金属等の固体と水や空気等の流体との間で熱を交換するシステムにおいて、流体と接する表面を有する固体を備え、その表面に直径100nm以下の粒子の群からなり直径100nm以下の多数の気孔を含む多孔質層が形成されていることを特徴とする。
前記粒子群としては、酸化銅CuO、炭素C、アルミナAl2O3等が挙げられる。粒子は通常球状をなすが、これに限定されず例えば炭素の場合は単層または多層のチューブ状であってよく、炭素ナノチューブの場合には直径が100nm程度以下であればよい。
In order to solve the problem, the heat exchange system of the present invention is:
In a system for exchanging heat between a solid such as a metal and a fluid such as water or air, the system includes a solid having a surface in contact with the fluid, and the surface is composed of a group of particles having a diameter of 100 nm or less. A porous layer including pores is formed.
Examples of the particle group include copper oxide CuO, carbon C, and alumina Al 2 O 3 . The particles are usually spherical, but are not limited thereto. For example, in the case of carbon, the particles may be a single-layer or multilayer tube, and in the case of carbon nanotubes, the diameter may be about 100 nm or less.
以上のように、この発明によれば、熱伝達の対象流体と接する固体の表面をナノ粒子で処理する、あるいは多数のナノサイズの気孔を有する層を形成するだけで熱伝達率が著しく向上するので、空調機、温水器などにおける熱交換システムや熱伝達を必要とするあらゆる分野で有益である。 As described above, according to the present invention, the heat transfer rate is remarkably improved by simply treating the solid surface in contact with the target fluid for heat transfer with nanoparticles or forming a layer having a large number of nano-sized pores. Therefore, it is useful in all fields that require heat exchange systems and heat transfer in air conditioners and water heaters.
−実施例1−
[実験装置]
この発明のシステムによる効果を確認するための実験に用いた装置の概念図を図1に示す。実験装置は、主に円筒状の密閉室1、冷却室2、温度制御部3、温度モニター4、対象流体用循環ポンプ5、冷却水用循環ポンプ6及び冷却水タンク7を備え、25℃の屋内に設置した。
Example 1
[Experimental device]
A conceptual diagram of an apparatus used in an experiment for confirming the effect of the system of the present invention is shown in FIG. The experimental apparatus mainly comprises a cylindrical sealed
密閉室1は、硬質塩化ビニール製で内径100mm、高さ100mmの円筒8と、その上端面に液密に固定されたSUS304製の蓋板9と、下端面に液密に固定されたSUS304製の底板10とで構築されている。蓋板9及び底板10は、厚み10mmの円盤状をなす。蓋板9の下面には、外径99.5mm、厚み1.5mmで円盤状銅製の伝達板11が図略のシリコングリス(台湾 Plowstar社製型式:AK-100)を介して図略のビスにて固着されている。また、蓋板9の上面には外径100mmで容量80Wのパネルヒータ12がシリコングリス(同上)を介して装着されている。シリコングリスの厚さはいずれも0.05mm程度であり、パネルヒータ12から伝達板11までの距離は熱伝導(固体内部の熱移動)の領域である。蓋板9、伝達板11及びパネルヒータ12は、いずれも中心に直径10mmの貫通孔を有し、そこに空気抜きと対象流体の体積膨張時の体積膨張分・圧力逃げを兼ねてパイプ13が液密に嵌合されている。円筒8の外周面及びパネルヒータ12の中心を除く上面は、断熱材25にて覆われている。
The sealed
蓋板9の内部には白金抵抗体からなる2本の温度センサー14、15が装填され、1本の温度センサー14は温度制御部3に接続して蓋板9を所定の温度にPI自動制御し、もう1本の温度センサー15は温度モニター4に接続して蓋板9内部の温度をモニターするために用いられる。尚、蓋板9と伝達板11との境界には厚さ0.9mm程度の白金抵抗体薄膜からなる温度センサー16が埋め込まれており、伝達板11上面の温度をモニターするために温度モニター4と接続されている。また、円筒8内にも上下方向に等間隔で計5本の温度センサー17〜21が挿入され、更に底板10の内部に1本の温度センサー22が埋め込まれ、冷却水タンク7の水の中にもう1本の温度センサー23が浸けられ、いずれも温度モニター4と接続されている。
Two temperature sensors 14 and 15 made of a platinum resistor are loaded inside the
一方、冷却室2は密閉室1を支持するように密閉室1の下に設置され、上面にあるSUS304製の台24が底板10と密接している。冷却室2の内径は100mmで、室内は冷却水タンク7から送られる温度27.7℃の冷却水が実験中常時満たされた状態で冷却水循環ポンプ6により強制循環させられている。また、密閉室1内には水道水が満たされた状態で、対象流体用循環ポンプ5により上部から吸い込み、下部から吐き出すように強制循環させられている。
以上の実験装置において、蓋板9の温度が50℃になるようにパネルヒータ12に通電したところ、各部の温度が40分後に定常状態になることを確認した。
On the other hand, the
In the above experimental apparatus, when the panel heater 12 was energized so that the temperature of the
次に、酸化銅CuOの粒子(米国 Nanophase Technologies社製、BET法に基づくSSA(比表面積)の測定から決まる平均粒径=16〜32nm、ほぼ球状)と硝酸を混合してペースト状に調製し、これを伝達板11の下面全体に塗布し、乾燥後に水洗した。塗布された下面には酸化銅のナノ粒子に由来すると認められる薄い層が形成されていた。この層を走査型電子顕微鏡(以下、SEMという。)にて観察すると、直径100nm以下の多数の気孔を有していた。
Next, copper oxide CuO particles (manufactured by Nanophase Technologies, USA, average particle diameter determined from measurement of SSA (specific surface area) based on BET method = 16 to 32 nm, almost spherical) and nitric acid are mixed to prepare a paste. This was applied to the entire lower surface of the
[実験手順及び結果]
酸化銅ナノ粒子に由来する多孔質層が形成された伝達板11を再度上記実験装置に組み込み、蓋板9の温度が50℃又は45℃になるようにパネルヒータ12に通電し、開始後1分毎に各部を測温し、各部の温度が一定となる定常状態から更に20分経過した時点で終了した。尚、予め比較のために、伝達板11に多孔質層を形成する前に同一条件で測温しておいた。測定結果を図2に示す。図のグラフ上の各温度は20回の測定値の平均値、横軸は温度センサーの位置を示し、横軸の数値は底板10からの距離である。図中、[銅板+CuO粒子 01]は、酸化銅ナノ粒子に由来する多孔質層が形成された伝達板11を用いて蓋板9の設定温度を50℃に設定した場合のデータであり、[銅板+CuO粒子 02]は再現性を確認するために同じ条件で繰り返して測定して得られたデータである。また、[銅板+CuO粒子 03]は設定温度を45℃に設定した場合のデータである。そして、[銅板のみ 01]、[銅板のみ 02]及び[銅板のみ 03] は、酸化銅ナノ粒子と硝酸の混合液に代えて硝酸単独を用いた以外は上記と同一条件で測定して得られたデータである。
[Experimental procedure and results]
The
先ず、[銅板のみ 01]及び[銅板のみ 02]のデータが殆ど重なっていることから、この発明の方法に再現性があることが認められる。注目すべきことは、伝達板から[80mm]〜[20mm]の位置の水への熱伝達が、ナノ粒子の有無による明確な水温の差として確認できることである。一方、密閉室中の下層の水[20mm]から底板に対しての熱伝達は、冷却水を含め全ての実験において同じ条件として良く、当然のことながら水温に応じた底板温度となっている。 First, since the data of [copper plate only 01] and [copper plate only 02] almost overlap, it is recognized that the method of the present invention has reproducibility. It should be noted that the heat transfer from the transmission plate to the water at a position of [80 mm] to [20 mm] can be confirmed as a clear difference in water temperature depending on the presence or absence of nanoparticles. On the other hand, the heat transfer from the lower layer water [20 mm] in the sealed chamber to the bottom plate may be the same condition in all experiments including cooling water, and naturally, the bottom plate temperature corresponds to the water temperature.
[熱伝達率]
上述のデータは、全て各部の温度が定常になった状態を基としている。また、データから判るように、密閉室内の流体温度は蓋板9の上面温度と底板10の下面温度の平均温度を示しており、密閉室からの熱損失が無いこと、また、密閉室中間部の流体域が等温であることから流体部分では断熱層が形成されていることを証明している。したがって、直径100mmの密閉室上面を通過した熱流は、密閉室の上層部で中間流体層と対流熱伝達し、熱損失することなく中間層を輸送され、下層部で底板と対流熱伝達しており、この際に上下層部を通過する熱流の大きさは同一であると言える。この実験により、伝熱機構が定常的に存在することも明らかとなっている。
[Heat transfer coefficient]
The above-mentioned data are all based on the state where the temperature of each part is steady. Further, as can be seen from the data, the fluid temperature in the sealed chamber indicates the average temperature of the upper surface temperature of the
伝達板、密閉室内水温、底板の温度をそれぞれTC, TwM, TBとし、面積Sの伝達板から水への熱流束及び熱伝達率をqupper, αCuTop、また下層の水から底板へのそれをqlower, αbottomとするとき、各々に対して次式が成立する。
qupper*S=αCuTop*(TC−TwM)*S
qlower*S=αbottom*(TwM−TB)*S
前述の如く定常状態に於いては、熱流は同一:qupper*S=qlower*Sであるから、
次式が成立する。
αCuTop/αbottom=(TwM−TB)/(TC−TwM)
The temperature of the transfer plate, sealed indoor water temperature, and bottom plate are TC, TwM, and TB, respectively, and the heat flux and heat transfer coefficient from the transfer plate of area S to water are q upper , α CuTop , and those from the lower layer water to the bottom plate Where q lower and α bottom are the following:
q upper * S = α CuTop * (TC-TwM) * S
q lower * S = α bottom * (TwM-TB) * S
As described above, in the steady state, the heat flow is the same: q upper * S = q lower * S.
The following equation holds.
α CuTop / α bottom = (TwM−TB) / (TC−TwM)
図2を基に、このαCuTop/αbottomの値を各実験ケースに対して図示したのが、図3である。ポンプ5の回転数を一定とした条件下では、流動条件は同一と考えられるので、下層の水から底板への熱伝達率αbottomは不変と考えて良い。したがって、αCuTop/αbottomの値はそのままαCuTopの特性、即ち上層の伝達板から水への熱伝達率の相対的な増加割合の指標を示していると考えることが出来る。
FIG. 3 shows the values of α CuTop / α bottom for each experimental case based on FIG. Under the condition where the rotational speed of the
図3より蓋の設定温度が50℃及び45℃と異なっても、αCuTop/αbottomの値には差異が出ないということが判る。このことはデータに再現性が認められることを含めて、上記の熱伝達率の評価に関する推論の正当性を立証していると言える。
驚くべきことに、銅から水への熱伝達率は、微量の酸化銅CuOナノ粒子に由来する多孔質層が伝達板(銅板)表面に形成されたことによって、伝達板単体の特性より6割以上も向上している。従って、流体の境界層理論に立脚する熱伝達の概念からすれば、多孔質層自体がまさに温度境界層に多大な影響を及ぼすとしか考えられない。そして、その影響は母体たる金属や用いるナノ粒子の化学種には大きく依存しないであろうということが推察される。
It can be seen from FIG. 3 that even if the set temperature of the lid is different from 50 ° C. and 45 ° C., there is no difference in the value of α CuTop / α bottom . It can be said that this proves the justification of the inference regarding the evaluation of the heat transfer coefficient, including the reproducibility of the data.
Surprisingly, the heat transfer coefficient from copper to water is 60% higher than the characteristics of a single transfer plate due to the formation of a porous layer derived from a small amount of copper oxide CuO nanoparticles on the surface of the transfer plate (copper plate). These are also improving. Therefore, based on the concept of heat transfer based on the fluid boundary layer theory, it can be considered that the porous layer itself has a great influence on the temperature boundary layer. And it is speculated that the effect will not depend greatly on the base metal and the chemical species of the nanoparticles used.
−実施例2−
酸化銅ナノ粒子に代えて直径20〜30nm、長さ5〜10μmのカーボンナノチューブを用いて伝達板11を処理した以外は実施例1の[銅板+CuO粒子 01]と同一条件で測温した。測温結果を[銅板+Cチューブ 01]として図4に示す。尚、伝達板11の表面をSEM観察したところ、直径100nm以下の多数の気孔を有する層が形成されていた。また、元の形状を維持した微量のカーボンナノチューブが付着していた。
-Example 2-
The temperature was measured under the same conditions as [Copper plate + CuO particles 01] in Example 1 except that the
酸化銅ナノ粒子の層に代えて酸化アルミニウムAl2O3の粒子(米国 Nanophase Technologies社製、平均粒径27〜56nm、ほぼ球状)を用いて伝達板11を処理した以外は実施例1の[銅板+CuO粒子 01]と同一条件で測温した。測温結果を[銅板+Al2O3粒子 01]として図4に示す。尚、伝達板11の表面をSEM観察したところ、直径100nm以下の多数の気孔を有する層が形成されていた。
Example 1 except that the
伝達板11の材質を銅に代えて真鍮にした以外は実施例1の[銅板+CuO粒子 01]又は[銅板のみ 01]と同一条件で測温した。測温結果をそれぞれ[真鍮板+CuO粒子 01]又は[真鍮板のみ 01]として図4に示す。
伝達板11の材質を銅に代えてアルミニウムにし、酸化アルミニウムAl2O3の粒子を苛性ソーダで処理した以外は実施例1の[銅板+CuO粒子 01]又は[銅板のみ 01]と同一条件で測温した。測温結果をそれぞれ[アルミ板+Al2O3粒子 01]又は[アルミ板のみ 01]として図4に示す。
尚、[銅板のみ 01]及び[銅板のみ 02]は、比較のために図3のデータを複写したものである。
The temperature was measured under the same conditions as [Copper plate + CuO particles 01] or [Copper plate only 01] in Example 1 except that the material of the
The temperature of the
Note that [copper plate only 01] and [copper plate only 02] are copies of the data of FIG. 3 for comparison.
図より明らかなように、伝達板の材質や用いるナノ粒子の化学種に拘わらず、ナノ粒子に由来する多孔質層の有無による実験水温の相違が確認できる。銅の伝達板とカーボンナノチューブ(銅板+Cチューブ)の結果が比較的低い水温を示したのは、カーボンナノチューブが他のナノ粒子と比べて伝達板に多孔質層を形成しにくかったためと考えられる。いずれにしても多孔質層形成の再現性は確認されており、実験を繰り返す毎に形成の度合いが悪くなったり熱伝達率が劣化したりするというような現象は見られ無かった。
次に実施例1と同じ計算式を用いて熱伝達率を算出した結果を図5に示す。この一連のデータに限れば、真鍮の伝達板と酸化銅ナノ粒子の組み合わせ(真鍮板+CuO粒子)の値が最も高い、即ち熱伝達率が最も良いという結果が得られた。その値は伝達板のみに比較して8割以上という驚異的な向上を示している。
As is apparent from the figure, the difference in the experimental water temperature depending on the presence or absence of the porous layer derived from the nanoparticles can be confirmed regardless of the material of the transmission plate and the chemical species of the nanoparticles used. The reason why the results of the copper transmission plate and the carbon nanotube (copper plate + C tube) showed a relatively low water temperature is thought to be because the carbon nanotube was less likely to form a porous layer on the transmission plate than the other nanoparticles. In any case, the reproducibility of the formation of the porous layer was confirmed, and there was no phenomenon that the degree of formation deteriorated or the heat transfer rate deteriorated each time the experiment was repeated.
Next, the result of calculating the heat transfer coefficient using the same calculation formula as in Example 1 is shown in FIG. As far as this series of data is concerned, the value of the combination of the brass transmission plate and the copper oxide nanoparticles (brass plate + CuO particles) was the highest, that is, the heat transfer coefficient was the best. The value shows a tremendous improvement of 80% or more compared to the transmission plate alone.
−比較例−
実施例1の実験装置から伝達板11及び温度センサー16を取り除いた。そして、密閉室1内の水に前記カーボンナノチューブを0.01g/Lの濃度で添加した。即ち、蓋板9の下面にカーボンナノチューブ含有水が接する構成とした。その他は実施例1の[銅板+CuO粒子 01]と同一条件で測温した。また、対照としてカーボンナノチューブを水に添加しない場合も測温した。これらの測温結果をそれぞれ順に[Cチューブ添加]及び[無し]として図6に示す。
-Comparative example-
The
図6から判るように、[Cチューブ添加]よりもむしろ[無し]の水温の方が0.6℃程度高くなった。ちなみにカーボンナノチューブは水に溶けず、実験終了時には粒子間がくっついて固まりとなる現象も認められた。
αCuTop/αbottomの値についても水だけの場合のαCuTop/αbottom=0.3667に対して、カーボンナノチューブ含有水の場合のαCuTop/αbottom=0.3576が若干小さかった。従って、カーボンナノチューブを添加することにより、熱伝達率はむしろ低下していると認められる。
As can be seen from FIG. 6, the water temperature of [None] rather than [Add C tube] was about 0.6 ° C. higher. By the way, carbon nanotubes did not dissolve in water, and at the end of the experiment, a phenomenon was observed in which the particles were stuck together and solidified.
against α CuTop / α bottom = 0.3667 in the case of only water also for values of α CuTop / α bottom, α CuTop / α bottom = 0.3576 in the case of carbon nanotube-containing water is small somewhat. Therefore, it is recognized that the heat transfer coefficient is rather lowered by adding carbon nanotubes.
−実施例3−
[実験装置]
図7に示すように、温水槽28と冷水槽29を準備した。また、厚さ10mmの硬質塩化ビニ−ル樹脂製の直方体状の箱30にて上下二層の流路31,32を形成した。流路31,32は、流れ方向に各々高さ15mm×幅310mmの一様な大きさの断面を有し、上流路31と下流路32とが厚さ1.5mmの銅板33により仕切られている。流路31,32は、流れ方向の一端に入り口、他端に出口を有する。
Example 3
[Experimental device]
As shown in FIG. 7, a
箱30を入り口が下、出口が上になるように傾け、上流路31の入り口に温水、下流路32の入り口に冷水(いずれも上水道水)をポンプ34,35により供給した。そして、流路31,32の出口から出た温水及び冷水は各々温水槽28及び冷水槽29に流れ落ちるとともに、その流量が同じになるよう図略のバルブで調節した。流路31,32の上流(入り口付近)と下流(出口付近)にL=1.8mの距離を置いて温度センサー36,37,38,39を設置し、水温を自動計測した。温水と冷水の入口温度が定常状態に達した後、更に10分間10秒毎に計測し、その内から少なくとも5分間以上にわたる計測値(データ数30個)の各平均値をもって計測結果とした。
The
上層の温水より銅板33を通じて下層の冷水に熱が移動し、1.8m通過後の温水は温度が低下し、逆に冷水は温度が上昇する。その各々の温度差は、上下二層の流体を仕切る銅板33自体の物性による熱伝導と、温水から銅板33への熱伝達、及び銅板33から冷水への熱伝達により決まることになり、当然ながら熱伝達率が高い程その温度差が大きくなる。
実験は銅板33が硝酸だけで処理されたもの[銅板のみ]、銅板33の両面を実施例1と同じ酸化銅のナノ粒子含有ペーストで処理したもの[両面ナノ粒子]、銅板33の温水側片面だけを酸化銅ナノ粒子含有ペーストで処理したもの[温面ナノ粒子]、逆に銅板33の冷水側片面だけを酸化銅ナノ粒子含有ペーストで処理したもの[冷面ナノ粒子]の4条件について行った。
Heat is transferred from the upper layer of hot water to the lower layer of cold water through the
In the experiment, the
[実験結果1]
流速 u=4.41cm/secの際の実験結果を図8(Heat exchange Nano vs Cu-only graphF)に示す。4条件とも温水の入口温度(Hinlet)と冷水のそれ(Cinlet)は殆ど同じ条件となっている。
[両面ナノ粒子]と[銅板のみ]の比較により、温水・冷水ともその入口と出口の温度差に明確な差異が生じている。両者の流量と伝熱面積(0.31m x 1.8m)が同じであるから、この差異は温水から銅板、銅板から冷水への熱伝達率の相違により生じたと考えて良い。
[銅板のみ]の場合の結果は、従来の実験相関式(ダクト内層流のChurchill & Ozoeの式)によって推定でき、その計算値と実験値とはかなりの精度(出口温度の計算値と実験値との差は0.36℃)で符合した。それに対して[両面ナノ粒子]の実験値は、温水から銅、銅から冷水への各々の熱伝達率が計算値の1.8倍に向上していた。
[温面ナノ粒子]及び[冷面ナノ粒子]の結果は、それぞれナノ粒子に由来する多孔質層が形成された方の熱伝達率が向上することを示している。
[Experimental result 1]
The experimental results when the flow velocity u = 4.41 cm / sec is shown in FIG. 8 (Heat exchange Nano vs Cu-only graph F). In all four conditions, the hot water inlet temperature (Hinlet) and cold water (Cinlet) are almost the same.
By comparing [Double-sided nanoparticles] and [Copper plate only], there is a clear difference in the temperature difference between the inlet and outlet of both hot and cold water. Since the flow rate and heat transfer area (0.31mx 1.8m) of both are the same, this difference can be considered to have been caused by the difference in heat transfer rate from hot water to copper plate and from copper plate to cold water.
The result in the case of [copper plate only] can be estimated by the conventional experimental correlation (Churchill &Ozoe's equation for laminar flow in the duct), and the calculated value and experimental value are quite accurate (calculated outlet temperature and experimental value). The difference between the two was 0.36 ° C. On the other hand, in the experimental value of [double-sided nanoparticles], the heat transfer coefficients from hot water to copper and from copper to cold water were improved to 1.8 times the calculated values.
The results of [warm surface nanoparticles] and [cold surface nanoparticles] indicate that the heat transfer coefficient is improved when the porous layer derived from the nanoparticles is formed.
以上の結果を柱状グラフで示したものが図9(熱交換による水温変化率U=4.4cm/s)である。温水と冷水の入口温度差(Inlet)を基に、温水の温度差(Hot=Hinlet−Houtlet)及び冷水のそれ(Cool=Coutlet−Cinlet)との比率を示したものが(Hot/Inlet) 及び(Cool/Inlet)である。[1-(Outlet)/(Inlet)]は温水と冷水の出口温度差(Outlet)を組み込んだもので、(Hot/Inlet)と(Cool/Inlet)の和が[1-(Outlet)/(Inlet)]の値を示すことにもなる。概念的にいえば、[1-(Outlet)/(Inlet)]の値の大小が熱交換、即ち熱伝達の向上度を示し、(Hot/Inlet)と(Cool/Inlet)はそれぞれの貢献度を示唆していることになる。 FIG. 9 (the rate of change in water temperature due to heat exchange U = 4.4 cm / s) shows the above results in a columnar graph. Based on the inlet temperature difference (Inlet) of hot water and cold water, the ratio of the temperature difference of hot water (Hot = H inlet −H outlet ) and that of cold water (Cool = C outlet −C inlet ) is shown as (Hot / Inlet) and (Cool / Inlet). [1- (Outlet) / (Inlet)] incorporates the outlet temperature difference (Outlet) of hot water and cold water, and the sum of (Hot / Inlet) and (Cool / Inlet) is [1- (Outlet) / ( Inlet)] value. Conceptually speaking, the value of [1- (Outlet) / (Inlet)] indicates the degree of improvement in heat exchange, that is, heat transfer, and (Hot / Inlet) and (Cool / Inlet) are the respective contributions. It will be suggested.
[両面ナノ粒子]と[銅板のみ]の場合に、(Hot/Inlet)と(Cool/Inlet)の値が何れも同程度であることは、通常の並行流の場合の熱交換が定常的に成立していることを示しており、熱交換の理論が適用できると考えられ、前述の実験相関式による推算も有効であると判断できる。 In the case of [Double-sided nanoparticles] and [Copper plate only], the values of (Hot / Inlet) and (Cool / Inlet) are almost the same. Therefore, it is considered that the theory of heat exchange can be applied, and it can be determined that the above-described estimation using the experimental correlation equation is also effective.
[実験結果2]
流速 u=8cm/sec前後の実験結果を図10(Heat exchange Nano vs Cu-only graphE)に示す。流速が速いため4条件の温水の入口温度(Hinlet)と冷水のそれ(Cinlet)は制御が難しく若干異なった条件となっている。
実験結果1と同じく柱状グラフで示したものを図11(熱交換による水温変化率U=約8cm/s)に示す。各条件の実験結果は、先の流速u=4.41cm/sの場合の結果とまったく同じ傾向を示している。上記実験相関式に乱流を加えた式(ダクト内乱流のPetukhovの修正式と層流のChurchill & Ozoeの式)による[銅板のみ]の場合の計算結果と実験結果との差は、出口温度で0.02℃以内と良い精度で符合した。それに対して[両面ナノ粒子]の実験値は、温水から銅、銅から冷水への各々の熱伝達率が計算値の2.1倍も向上していた。
図11は、また4種類の実験条件を端的に示唆している。[片面ナノ粒子]が、[銅板のみ]と[両面ナノ粒子]の中間になっているからである。
[Experimental result 2]
FIG. 10 (Heat exchange Nano vs. Cu-only graph E) shows the experimental results at a flow velocity around u = 8 cm / sec. Because of the high flow rate, the four conditions of hot water inlet temperature (H inlet ) and cold water (C inlet ) are difficult to control and have slightly different conditions.
FIG. 11 (the rate of change in water temperature due to heat exchange U = about 8 cm / s) shows a columnar graph similar to the
FIG. 11 also suggests four types of experimental conditions. This is because [single-sided nanoparticles] is intermediate between [copper plate only] and [double-sided nanoparticles].
[流体の流動に伴う損失について]
通常の一般的な熱交換システムを考えた場合、例えば伝熱面積を増やすためフィンなどが考慮される場合が多い。しかし、それ等は流体の流動に伴うエネルギー損失が増加するという負の要素を合わせ持つことになる。従って多孔質層による流路の摩擦損失の増加もシステム全体の評価には欠かせない。
[Loss associated with fluid flow]
When considering a general heat exchange system, for example, fins are often considered to increase the heat transfer area. However, they have a negative factor that energy loss associated with fluid flow increases. Therefore, an increase in friction loss of the flow path due to the porous layer is also indispensable for evaluating the entire system.
この実験に於いて、我々はその摩擦損失を計測することを意図したが、従来の実験相関式(滑らかな管の普遍抵抗法則Prandtle・Karman公式、及び等価砂粗さを考慮したColebrookの近似式)に基づく計算では1.5m間の流路長に対して0.9mm水柱程度の損失しか発生せず、事実1.0mm水柱以下であるというマノメータでの目視判断しか出来なかった。多孔質層の有無による摩擦損失の評価に関しては、更に流速を速くした実験を実施せざるを得ない。但し、多孔質層が形成された表面は、塗装したような面であり、等価砂粗さを導入したムーディ線図を基にした計算では、滑らかな管と比較しても摩擦係数に於いて3%以下の増加しかもたらさないという結果が得られていることを付記しておく。 In this experiment, we intended to measure the friction loss, but the conventional experimental correlation (Prandtle-Karman formula for smooth pipe universal resistance and Colebrook's approximation considering equivalent sand roughness) In the calculation based on), only a loss of about 0.9 mm water column was generated with respect to the flow path length of 1.5 m, and only a visual judgment with a manometer that it was actually 1.0 mm water column or less could be made. Regarding the evaluation of the friction loss depending on the presence or absence of the porous layer, an experiment in which the flow rate is further increased must be carried out. However, the surface on which the porous layer is formed is a painted surface, and in the calculation based on the Moody diagram that introduces equivalent sand roughness, the coefficient of friction is higher than that of a smooth tube. It should be noted that results have been obtained that result in only an increase of less than 3%.
−実施例4−
これまでの実施例は、流体が水の場合である。本例では流体を空気とした。実施例1の[銅板+CuO粒子 01]及び[銅板のみ]と同じ工程を経て得られた試験板40を図12に平面図、図13に正面図として示すように送風ダクト41の出口の一端に斜め(仰角α=30度)に固定した。また、試験板40の裏面に白金抵抗体薄膜の温度センサー42、送風ダクト41の出口付近に温度センサー43を取り付けた。そして、試験板40に温風(117℃)を0.5m/sの風速で吹きつけ、温風が試験板40の裏側に回り込まないことを確認した。温度センサー42により定常状態に達した試験板40の温度を計測した結果、[銅板のみ]の温度が57.5℃で[銅板+CuO粒子 01]の温度が59.2℃と明らかな差異が認められた。
Example 4
The previous examples are where the fluid is water. In this example, the fluid is air. A
1 密閉室
2 冷却室
3 温度制御部
4 温度モニター
5、6 循環ポンプ
7 冷却水タンク
8 円筒
9 蓋板
10 底板
11 伝達板
12 パネルヒーター
13 パイプ
14〜23 温度センサー
24 台
25 断熱材
DESCRIPTION OF
Claims (6)
流体と接する表面を有する固体を備え、その表面に直径100nm以下の粒子の群からなり直径100nm以下の多数の気孔を含む多孔質層が形成されていることを特徴とする熱交換システム。 In a system for exchanging heat between a solid and a fluid,
A heat exchange system comprising a solid having a surface in contact with a fluid, and a porous layer including a large number of pores having a diameter of 100 nm or less formed of a group of particles having a diameter of 100 nm or less.
The heat exchange system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fluid is water or air.
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CN100585321C (en) * | 2007-04-25 | 2010-01-27 | 中国科学院工程热物理研究所 | Method and device for acoustic cavitation and titanium dioxide nano particle controlling boiling and heat conduction |
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-
2004
- 2004-11-05 JP JP2004321606A patent/JP2005098694A/en active Pending
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