螺旋溝付管と平滑管におけるTiO₂水系ナノ流体の伝熱と流れ強化

要旨

本研究では、様々なナノ粒子質量分率TiO₂水系ナノ流体の流れと伝熱性能を、幅広いレイノルズ数範囲で螺旋溝付ステンレス管と平滑管で実験的検討。安定性評価に紫外分光光度計用いた新規透過率法採用、6 wt%分散剤とpH 8で最適分散確認。結果：螺旋溝付管が平滑管比最大257.9%伝熱向上達成、摩擦損失増大は控えめ。溝付管乱流で最大熱強化/摩擦比達成。包括的性能指数ξ、溝付管でRe ≈ 2300ピーク、平滑管でRe増加につれ継続上昇。これら知見はナノ流体熱交換器の管形状と運転条件選定へ明確指針提供。

背景

ナノ流体–基底流体中ナノ粒子懸濁液–は顕著伝熱能力提供、太陽熱システム、海水淡水化、電子冷却前進可能。平滑管や波付管研究多数ながら、螺旋溝付管と平滑管包括的比較稀。本研究は新規安定性評価技術と包括的性能指標組合せでギャップ埋める。

実験方法

ナノ流体調製と安定性評価

TiO₂ナノ粒子（20–100 nm）を二段法で脱イオン水分散：30分機械撹拌後40分超音波。全試料6 wt%分散剤（PAA）とpH 8使用。安定性は従来沈殿試験と定量的透過率法両方評価；後者で0.1、0.3、0.5 wt% TiO₂試料72時間優秀安定性確認。

実験装置

試験装置は1.2 m長ステンレス管（相当径0.01 m）、中央1 m測定区間。直流電源管加熱；10 T型熱電対壁温度測定、K型プローブ流入出口流体温度取得。圧力降下差圧変換器記録。流量精密ポンプ制御。

主要式

• 熱入力：Q₀ = U I
• 流体熱負荷：Q_f = c_p ṁ (T_out – T_in)
• 実効比熱と密度は混合則（式3と10）計算。
• レイノルズ数：Re = ρ u d_e / μ_f
• 対流熱伝達係数：h_f = Q_f / (π d_e l (T_iw – T_f))
• ヌセルト数：Nu = h_f d_e / λ_f
• 摩擦係数：f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
• 包括的性能指数：ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^{1/3}

結果と考察

システム検証

水データ文献比較でヌセルト数と摩擦係数層流・乱流域で±3.5%以内一致、実験装置妥当性確認。

平滑管性能

TiO₂負荷増加でヌセルト数乱流域11.2%（0.5 wt%）–16.1%（0.5 wt%）上昇。摩擦係数微増（層流≤8%、乱流≤3%）。熱伝導率0.17–1.6%上昇、粘度2.5–13.6%上昇、前者層流域伝熱支配、後者高レイノルズ数で顕著化。

螺旋溝付管性能

溝形状がTiO₂効果増幅：ヌセルト数乱流域最大42.8%向上（0.5 wt%）、平滑管比240–260%上回る。摩擦係数増大顕著（層流約20%、乱流約10%）ネジ構造起因、却性能指数ξはRe ≈ 2300ピーク、伝熱利得が摩擦ペナルティ上回る。

包括的評価

ξ指標で螺旋溝付管は層流–乱流遷移付近で最高性能、平滑管は高レイノルズ数で性能継続改善。この知見はナノ流体熱交換器の最適管選定と運転条件へ指針。

結論

1. 6 wt%分散剤とpH 8で安定TiO₂水系ナノ流体実現；透過率測定で分散品質確認。
2. 螺旋溝付管で乱流が最大伝熱強化、比較的低摩擦増大で達成。
3. 溝付管は0.5 wt% TiO₂負荷で平滑管比250%超伝熱ブースト提供。
4. 溝付管最適包括的性能Re ≈ 2300；平滑管は高レイノルズ数で性能継続改善。