原子力発電プラントや火力発電プラントでは給水加熱器が設置されており、タービンからの蒸気や高温ドレン水との熱交換により給水を加熱する。給水加熱器内の高温・高圧条件での蒸気凝縮を伴う二相流は給水加熱器の伝熱性能に影響する。従来、伝熱量は実験値に基づき上段、下段の伝熱管群の平均伝熱量を評価しており、気液の速度分布が伝熱量分布に及ぼす影響は考慮されておらず、十分な構造最適化は行われていなかった。従来研究として、凝縮熱伝達率の実験式を用いた一次元解析による給水加熱器内の熱流動評価が報告されているが、蒸気単相流入条件であり二相流の流動については考慮されておらず、また一次元解析では詳細な内部構造の影響評価や最適化には不十分である。そこで、本研究においては、二流体モデルを用いた多次元二相流解析プログラムを基にして、設計に活用できるように計算を高速化するとともに、伝熱管段数による外面での液膜厚さの変化を考慮して、給水加熱器内の二相流挙動、熱通過率と伝熱量を計算できる伝熱特性評価手法を開発した。

　一方、凝縮熱伝達率に関しては、多くの従来研究があり、熱伝達率の理論式や実験式が提案されている。しかし、従来研究の多くは蒸気単相流入条件であり、給水加熱器の高温ドレン水のように二相流での流入条件での実験例は極めて少ない。また、低圧給水加熱器では不凝縮性気体である空気が混入するが、伝熱管群外面での凝縮伝熱に及ぼす不凝縮性気体の影響の測定例は極めて少なく、しかも、二相流での流入条件で不凝縮性気体の影響を評価した例は見当たらない。そこで、本研究においては、給水加熱器で使用される千鳥格子状水平伝熱管群を対象として、入口クオリテイや不凝縮性気体の入口濃度をパラメータとした凝縮伝熱実験を行い、給水加熱器の伝熱特性評価手法の伝熱モデルに反映した。

　従来、給水加熱器内部での詳細な二相流挙動と伝熱量分布の評価手法が確立されていなかったため、性能向上は主として経験に依存し、必ずしも十分な構造最適化は行われていなかった。そこで、本研究においては、開発した伝熱特性評価手法を用いて、詳細な二相流挙動と伝熱量分布を明かにし、これに基づいて伝熱性能を向上した給水加熱器を提案した。

　二流体モデルでは、気相と液相の速度や運動量を個別に計算するため、気液の挙動が異なる場合に精度良く予測できるが、計算時間が長く、特に、複雑な形状を有する大型機器に適用する場合には計算時間が膨大になる。そこで、最も計算時間を有する圧力分布の反復計算において、気液混合状態といづれかの相が連続である場合に区分して、高速解法を検討した。

　従来の陰解法では、前タイムステップの圧力分布と外力に基づいて気液の速度変化を計算した後に連続の式を満たす新しい圧力分布を反復計算する際に、気液の速度を個別に計算していた。本研究においては、圧力分布の反復計算では圧力勾配による加速度のみ取り扱うことに着目し、各相の密度と付加質量を考慮した気液の加速度の比を導入し、圧力分布の反復計算において、この加速度比に基づく実効密度を持つ単相流と同じ計算ができるようにした。また、隣合う領域で気液を交換したときの運動エネルギーの変化をポテンシャルと見なし、気相に作用する揚力を評価する揚力モデルを提案した。テスト計算として、自然循環炉チムニー内の相分布を解析し、圧力分布の反復計算において加速度比を用いて気液の運動を統合して計算することにより計算時間を従来の約1/2に短縮できること、及び揚力モデルにより実験値と良く一致する相分布が得られることを確認した。しかし、現状では検証データが十分でないため、実験データベースの拡充と構成方程式の信頼性の確認が今後の課題として残されている。

　低ボイド率の気泡流や噴霧流のように連続相と分散相とを区分できる場合には、分散相を時間について反復計算せず陽的に計算し、連続相のみ反復計算する分散相陽解法を用いることができる。ボイド率の大きい噴霧流条件で分散相陽解法を適用し、従来の陰解法に比べて計算時間を約1/4に短縮できることを確認した。

　従来、給水加熱器内部での詳細な二相流挙動と伝熱量分布を評価した例はなく、性能向上は主として実機での経験に依存し、必ずしも十分な構造最適化は行われていなかった。そこで、詳細な二相流挙動と伝熱量分布を明らかにするために、二流体モデルを用いた多次元二相流解析プログラムに凝縮伝熱モデルを追加して、給水加熱器の伝熱特性評価手法を開発した。

　給水加熱器内部での二相流は、伝熱管外表面を凝縮液膜が流下し、伝熱管の間を液滴を含む蒸気が流れる流動状態となる。そこで、空間部での二相流の流動解析には前章の分散相陽解法を適用した。凝縮伝熱モデルでは、伝熱管外の二相流と伝熱管内の給水との間の全熱抵抗を、不凝縮性気体の影響を含む凝縮面熱抵抗、液膜熱抵抗、管内の汚れを含む管材熱抵抗、管内熱抵抗の4つに区分し、管材熱抵抗と管内熱抵抗には従来研究による評価方法を適用した。この凝縮伝熱モデルで最も重要な部分は液膜熱抵抗の計算である。まず、上側の伝熱管から流下する液膜流量、該当伝熱管での凝縮量、液滴の付着量、液膜からの飛散量(エントレインメント量)を考慮した質量保存式から該当伝熱管での液膜流量を計算するが、上側伝熱管から流下する液膜の一部は液滴として飛散するため、直下の伝熱管に流下する落下液膜割合C₁を未知量として導入した。液滴の付着量と液膜からの飛散量は、従来研究による液滴伝達係数と液滴発生率を用いて計算した。このようにして計算した液膜流量とヌッセルトの層流理論から液膜厚さを計算し、Fujiiの式を用いて蒸気速度の影響を補正した。ここでは、不凝縮性気体の影響を含む凝縮面熱抵抗と落下液膜割合C₁の評価法が課題として残されている。

　特殊な場合を除いて、給水加熱器内での不凝縮性気体の濃度は極めて低く、凝縮面熱抵抗は他の熱抵抗と比べて無視できることから、凝縮面熱抵抗は別途評価することとし、まず、落下液膜割合C₁について検討した。落下液膜割合C₁を変数とした実機給水加熱器の伝熱特性解析から、落下液膜割合をC₁＝0.7にすると全伝熱量の計算値が実測値と一致することを示した。しかし、測定条件が限定されていることから、より広範囲の条件への適用性を確認するため、次章で述べる凝縮伝熱実験により検証する。

　前章で開発した給水加熱器の伝熱特性評価手法の凝縮伝熱モデルでは、上側伝熱管から真下の伝熱管に流下する落下液膜割合C₁を導入し、実機給水加熱器の伝熱量解析からC₁＝0.7としたが、広範囲の条件への適用性は確認されていない。従来研究により多くの凝縮伝熱実験が行われているが、給水加熱器での高温ドレン水の流入を模擬した気液二相流入条件での実験例は極めて少ない。そこで、凝縮伝熱モデル、特に、落下液膜割合C₁の妥当性を検証するために凝縮伝熱実験を実施した。

　実験では、外径16mm、長さ550mmの伝熱管112本とダミー管16本を4x32段の千鳥格子状に配置して水平伝熱管群を構成した。ボイラからの蒸気にスプレイ水を散布して入口クオリテイを13〜100%の範囲で調整し、試験部入口の圧力は0.1MPa、温度は100℃とした。実験では、各伝熱管への給水流量が等しくなるように調整し、伝熱管外の二相温度と各伝熱管内の給水温度上昇を測定し、各伝熱管での伝熱量と全熱抵抗を測定し、前章の凝縮伝熱モデルで述べた管材熱抵抗と管内熱抵抗を全熱抵抗から差し引くことにより、各伝熱管での凝縮熱抵抗を求めた。

　従来研究による純粋蒸気での凝縮熱伝達率の理論式を参照し、測定結果に基づいて、レイノルズ数、伝熱管段数、入口クオリテイなどの関数として凝縮熱伝達率の実験式を導出した。導出した実験式は、入口クオリテイ20〜100%に対して±10%以内で測定値と一致した。

　また、伝熱特性評価プログラムを用い、落下液膜割合C₁をパラメータとした実験解析から、C₁＝0.7とすると入口クオリテイ20〜100%の範囲で熱通過率の計算値は±5%以内で実験値と一致することを示した。

　供給蒸気の圧力が大気圧未満の低圧給水加熱器では不凝縮性気体である空気が混入するため、上部伝熱管群と下部伝熱管群との間にベント管を設け、混入した空気を排気する。空気の混入量は微量であるため伝熱への影響は小さいと予想されているが、この影響を定量的に評価した例はない。そこで、前章で述べた実験装置を用いて凝縮熱伝達に及ぼす不凝縮性気体の影響を測定するとともに、伝熱特性評価プログラムに不凝縮性気体の挙動モデルを追加して、不凝縮性気体の挙動と伝熱への影響を評価した。

　給水加熱器は伝熱管支持板により長手方向に複数の領域に区画されているが、三次元二相流解析結果から、高温ドレン水の流入部近傍の領域では、ドレン水による伝熱管外面での液膜熱抵抗の増加と流動抵抗の増加による蒸気流量の減少により伝熱量が大幅に低下することが明らかになった。そこで、伝熱管支持板の上部伝熱管群と下部伝熱管群との間に蒸気の流通口を設ける改良策と、高温ドレン水を上面流入から側面流入に変更する改良策を提案し、伝熱性能の向上効果を解析により評価した。

　伝熱管支持板に流通口を設けることにより、蒸気流入領域から隣接する領域に流通口を通って蒸気が流入するため、全体に蒸気速度が増加するとともに液膜厚さが減少し、熱通過率が増大した。同一エネルギー輸送量に対して蒸気速度と運動量が大きくなる低圧条件ほど伝熱性能の向上効果が大きくなり、低圧給水加熱器では平均熱通過率が16%増加する結果が得られた。

　高温ドレン水を上面流入から側面流入に変更すると、ドレン水が重力分離され、伝熱管群内に流入するドレン水量が減少し液膜熱抵抗が減少するため、平均熱通過率が4%増加する結果が得られた。

　給水加熱器の高性能化・小型化の観点からは上記の他に伝熱管ピッチや低圧給水加熱器のベント管配置など多くの構造因子があるが、これらを含めた構造最適化は今後の課題として残されている。

　本研究では、発電プラントの給水加熱器を対象として、凝縮伝熱実験と三次元二相流解析により、二相流挙動と伝熱特性を明かにし、これに基づいて伝熱性能向上策を提案した。本研究で得られた主な結論は、以下の通りである。

　(1)二流体モデルを用いた多次元二相流解析において、気液混合状態に対しては加速度比に基づく実効密度を持つ単相流として圧力分布を反復計算し、連続相を有する流動状態に対しては連続相のみ反復計算することにより、計算時間を短縮でき、前者で約1/2に、後者で約1/4に単縮できる結果が得られた。

　(2)凝縮伝熱モデルの液膜熱抵抗の計算において、上側伝熱管から直下の伝熱管に流下する落下液膜割合C₁を導入し、C₁＝0.7とすると、実機給水加熱器での伝熱量の計算値と実測値が一致するとともに、大気圧、入口クオリテイ20〜100%の条件範囲で熱通過率の計算値と実験値が±5%以内で一致することを示した。

　(3)大気圧、入口クオリテイ20〜100%、入口空気モル分率0〜1.2%の条件で凝縮熱伝達率を測定し、レイノルズ数、伝熱管段数、入口クオリテイ及び入口空気モル分率の関数として凝縮熱伝達率の実験式を導出し、導出した実験式は測定値と±10%以内で一致することを示した。

　(4)実機給水加熱器の三次元二相流解析により、高温ドレン水の流入部近傍の領域では、ドレン水による伝熱管外面での液膜熱抵抗の増加と流動抵抗の増加による蒸気流量の減少により伝熱が大幅に低下することを明かにした。この対策として、伝熱管支持板の上部伝熱管群と下部伝熱管群との間に蒸気の流通口を設ける改良策と、高温ドレン水を上面流入から側面流入に変更する改良策を提案し、解析によりこれらの有効性を確認した。