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対話型シミュレーター

沸騰相関式シミュレーター

沸騰伝熱について、熱流束、圧力、代表径、蒸気品質から過熱度、熱伝達率、CHF 余裕を概算します。

操作パネル
壁面過熱度 ΔTₑ
K

壁面温度と飽和温度の差。スライドして沸騰曲線上の動作点を移動します。

プリセット

代表的な動作領域へジャンプします(自然対流→核沸騰→CHF→膜沸騰)。

計算結果
壁面過熱度 ΔTₑ
熱流束 q″
沸騰領域
CHF (Zuber)
熱伝達率 h
q″/CHF
沸騰面(気泡・蒸気膜)
沸騰曲線 q″(ΔTₑ)
熱伝達率 h(ΔTₑ)
理論・主要公式

核沸騰(Rohsenow):

$$q''_{nb}=\mu_l h_{fg}\sqrt{\frac{g(\rho_l-\rho_v)}{\sigma}}\left(\frac{c_{p,l}\,\Delta T_e}{C_{sf}\,h_{fg}\,Pr_l^{\,n}}\right)^{3}$$

限界熱流束 CHF(Zuber):

$$q''_{max}=0.149\,h_{fg}\,\rho_v^{1/2}\left[\sigma g(\rho_l-\rho_v)\right]^{1/4}$$

熱伝達率:$q''=h\,\Delta T_e$。

水・1 atm の物性を用いると Zuber CHF ≈ 1.1〜1.3 MW/m²、CHF 到達は ΔTₑ ≈ 30 K 付近。本モデルはプール沸騰の標準相関(Incropera)に基づきます。境界条件・表面性状・規格補正は別途確認してください。

読み取り方

主グラフで支配的な変化を見て、数値カードだけでは見落としやすい折れ点や飽和を確認します。

感度図では、余裕が急に小さくなる入力の組み合わせを探します。

初期設計では結果の絶対値より、どの入力が余裕を支配するかを重視します。

会話で学ぶ沸騰相関式

🙋
沸騰相関式では、まずどこを見ればいいですか?熱流束を動かすと図も数値も同時に変わるので、少し迷います。
🎓
最初は過熱度を見ます。ただし数字だけで判断せず、沸騰曲線で前提の形や状態を確認し、熱抵抗内訳で分布や変化の出方を合わせて読みます。主グラフで支配的な変化を見て、数値カードだけでは見落としやすい折れ点や飽和を確認します。
🙋
熱流束を大きくすると過熱度が変わりそうなのは分かります。では、圧力はどのくらい効いていると考えればいいですか?
🎓
圧力を少しずつ動かして熱伝達率の動きを見ると、支配している項が見えてきます。この簡易モデルは主要な関係だけを扱います。境界条件、損失、非線形性、規格上の補正は必要に応じて別途確認します。 1点の計算で終わらせず、実際にばらつきそうな範囲を往復させるのが大事です。
🙋
熱流束マップは何を見るための図ですか?普通のグラフだけでも判断できそうに見えます。
🎓
熱流束マップは、危険側に入る境界や、余裕が急に崩れる組み合わせを探すための図です。感度図では、余裕が急に小さくなる入力の組み合わせを探します。 例えば設計案の一次比較とレビュー前の論点整理では、単一点の値より「少し条件がずれたらどうなるか」が効きます。
🙋
では、過熱度が基準内なら、この条件をそのまま採用してよいですか?
🎓
ここでは初期検討として扱います。詳細解析に入る前の支配因子と危険側条件の絞り込みや教育・説明用に式、数値、可視化を同じ条件で確認には役立ちますが、最終判断では規格値、実測値、詳細解析、メーカー条件で確認してください。初期設計では結果の絶対値より、どの入力が余裕を支配するかを重視します。

実務での使い方

設計案の一次比較とレビュー前の論点整理。

詳細解析に入る前の支配因子と危険側条件の絞り込み。

教育・説明用に式、数値、可視化を同じ条件で確認。

よくある質問

過熱度と熱伝達率を先に見ます。次に沸騰曲線で前提の状態を確認し、熱抵抗内訳で分布や変化の偏りを読みます。主グラフで支配的な変化を見て、数値カードだけでは見落としやすい折れ点や飽和を確認します。
熱流束を単独で動かしたあと、圧力も同じ幅で動かして過熱度の変化量を比べます。熱流束マップを見ると、どの組み合わせで余裕や性能が急に変わるかを把握できます。
設計案の一次比較とレビュー前の論点整理に使います。単一点の数値ではなく、入力範囲を少し広げて過熱度の余裕が保てるかを確認すると、詳細解析へ進む前の論点整理に役立ちます。
この簡易モデルは主要な関係だけを扱います。境界条件、損失、非線形性、規格上の補正は必要に応じて別途確認します。最終判断では規格値、実測値、詳細解析、メーカー条件を確認してください。

使い方ガイド

  1. 熱流束(qflux)をkW/m²単位で入力(範囲10〜2500、既定350)。沸騰熱伝達の駆動量です
  2. 圧力(pressure)をbar単位で指定(範囲0.2〜80、既定1)。飽和側の状態を表します
  3. 代表径(diameter)をmm単位で入力(範囲1〜80、既定12)。流路・伝熱面の代表寸法です
  4. 蒸気品質(quality)を%で入力(範囲0〜95、既定20)。気液二相流の乾き度です
  5. スライダーを動かすと過熱度、熱伝達率、CHF比、核沸騰指標が即時更新されます

具体的な計算例

既定条件(熱流束350 kW/m²、圧力1 bar、代表径12 mm、蒸気品質20%)を入力すると、簡易相関 h=2+0.18·q⁰·⁷²·p⁰·¹² により熱伝達率 約14.2 kW/m²K、過熱度 ΔT=q/h≈24.6 K、CHF比 約56.9%、核沸騰指標 約5.8 が同時に得られます。熱流束を上げると過熱度とCHF比がともに増え、CHF比が100%に近づくほど危険側に入ります。本ツールは支配因子の一次比較用で、最終判断は規格値・実測・詳細解析で確認してください。

実務での注意点

  1. 圧力範囲外入力時は相関式の有効性喪失。0.1〜20 MPa範囲を厳守し、飽和蒸気圧以上を確保
  2. 蒸気品質はサブクール条件では負値、圧力損失後の流路出口で異なるため、測定位置を明記
  3. CHF値は幾何形状(棒束配列、ピッチ)で大きく変動。単棒相関と棒束相関の選別が重要
  4. 熱流束が500 kW/m²以下では核沸騰指標が低下し、強制対流沸騰に遷移。相関式の信頼性低下に注意

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