元祖 [熱の実験室] 第3回 - 水中ヒーターの限界を見る

「熱の実験室」のコーナーでは、熱を利用した身近な実験を行なっています。

  第3回(1997年10月)の実験

 第2回の実験で、水を加熱するヒーターの表面ワット密度を、48.4W/cm2 まで上げました。このとき、激しい沸騰でガラスビーカーから水が飛び散り、それ以上の高いワット密度にすることができませんでした。
 ワット密度が 100W/cm2 を大きく超え、ヒーター表面が蒸気に覆われると、どのようになるのでしょうか? 今回は、これを実験してみることにしました。
 伝熱工学の教科書には、下のようなグラフがあります。熱源(φ0.14の白金線と記載された教科書があります)の温度と水の飽和温度の差を横軸(Δt [℃])とし、熱源から水へ伝わる熱量を縦軸(放熱量[W/cm2])としたものです。
 電気ヒーターの場合には、発生する熱量が一定ですから、容量を上げていくことは、グラフの縦軸の下から上に向かって変化させることになります。そのため、Δtが20℃から右側の凹部は確認されず、100/cm2 を少し超えると、膜沸騰(熱源が蒸気の膜に覆われる状態)により、ヒーターの温度は急激に Δtが20℃ → 1000℃のところまで上昇すると思われます。
 これは、120℃くらいのヒーター表面温度が、一気に1100℃まで上昇するということです。このとき、どのような現象が見られるのでしょうか。

 ● 実験実施日:1997年10月16日

 ● 実験の方法

  • 発熱体

     高いワット密度にするため、融点が約1500℃と高い、鉄-クロム-アルミ系の細い発熱線を使用しました。φ0.16、φ0.20、φ0.26を用意しました。
     銅板で電極を作り(下左の写真)、発熱線の長さが120mmになるように固定しました。

  • 方法

     上右のイラストのように、水が入ったビーカーの中に発熱線を取付けた電極を入れました。電源の電圧を調節することにより、発熱線表面 のワット密度を上昇させていき、そのときの状態を観察しました。