抵抗低減界面活性剤水溶液一空気二相流の流動伝熱特性

抵抗低減界面活性剤水溶液一空気二相流の流動伝熱特性

荒 賀 浩 ー へ 村 田 圭 治 *

Heat  T r a n s f e r  and Flow C h a r a c t e r i s t i c s  o f   A i r ‑ S u r f a c t a n t   S o l u t i o n   Two‑Phase  Flow 

K o i c h i  ARAGA  and K e i j i  MURATA 

It is  known that small quantities of surfactant additives can great1y reduce the friction factors during the f10w  of a heat transfer medium. This is  because the generation of turbulent vortices is  suppressed by the formation of  rod‑like micelles， and the f10w remains laminar in the high Reynolds number range. However， the values of the heat 

位ansfercoefficients decrease during f10w laminarization; this would result in a requirement for heat exchangers with  a larger heat transfer area. The research objective is  to examine heat transfer enhancement effects by air injection.  This paper presents an experimental investigation on the heat仕ansferand f10w characteristics in an air ‑surfactant  solution  two‑phase f10w through a vertical  tube.  Heat transfer  coefficients  were enhanced drastically  with the  injection of air into a drag‑reducing surfactant solution flow. The enhancement rates  were much larger for  the  surfactant solution than for water. However， heat transfer coefficients were smaller for an air‑surfactant solution f10w  than for an air‑water f10w due to the drag‑reducing effects. As the gas quality increased， the heat transfer coefficients  for air‑surfactant solution f10w approached those for air‑water f1ow. 

Key words: Drag Reduction， Surfactant Solution， Pressure Drop， Heat Transfer Coe百icient，Two‑Phase Flow， Flow  Pattem， Pipe Flow 

1  . 緒 論

一般に，熱輸送媒体にある種の界面活性剤を微量添加す ると流動抵抗が大幅に減少することが知られている.これ は，界面活性剤水溶液内の棒状ミセル構造により乱流渦発 生が抑制され，高いレイノルズ数まで層流状態が持続する ためである1)こうした乱流流れの層流化による流動抵抗 低減効果は，熱媒体搬送動力の低減，あるいは搬送流量の 増加など様々な長所をもたらす.しかしながら，流れの層 流化に伴い熱伝達率もまた低下することが指摘されており，

熱交換器内では逆に熱通過率の低下による交換熱量の減少，

あるいは伝熱面積増加による熱交換器の大型化をもたらす.

熱伝達促進法のーっとして 液単相流に空気などの気体 を少量混入して気液二相流とし 対流熱伝達を促進する手 法が知られている.こうした二成分系気液二相流による伝 熱促進法を界面活性剤水溶液流れに適用すれば，単なる乱 れ促進・混合・撹枠による伝熱促進効果に加え， ミセル構 造の破壊や界面活性剤が気液界面近傍に集積して溶液濃度 が低下すること等による伝熱促進効果が期待できる.

本研究はこうした背景に鑑み 空気混入による界面活性 剤水溶液流れの熱伝達促進効果に関する実験的研究を行っ たものである.今回は，界面活性剤水溶液の垂直管内流れ

*近畿大学工業高等専門学校 総 合 シ ス テ ム 工 学 科 機 械 系

に空気を混入させて二相流を作り 圧力損失と強制対流熱 伝達率および流動状態について測定した結果について報告 する.

2  .実験装置および実験方法

実験装置の概略を図1に示す.試験管路は内径D=5.0mm の鉛直アクリル製円管とし 圧力損失‑熱伝達率測定用管 路および可視化撮影・ボイド率測定用管路の

2

種類の管路 を用いた.圧力損失・熱伝達率測定用管路の助走区間長は

①Tank 

②Cooling pipe 

③Pump 

④Valve 

⑤Flow meter 

⑤Switching Valve 

⑦Thermocouple 

③Heat coil 

①Digital manometer 

⑩Valve for void  fraction measurement 

Fig. 1. Experimental appara印s

2000 m m，テストセクション長は900m mで あ る . 作 動 流 体 は 試 験 管 路 を 通 過 後，気 液 分 離 タ ン ク ， 冷 却 器 を 経 て 溶 液タンクへと流れる.テストセクションの銅管表面には，

管壁温度測定用 CA 熱電対 (~0.5m m)を8ヶ所に設置し，

その上からシースヒーター (~ 1.0 mm)をテストセクショ ン入り口から 50~850 m m間で等ピッチで巻き付けた.空 気混入は試験管路助走区間上流部より空気ボンべからT字 継ぎ手を介して行った.

熱伝達率は，ヒーターへの電気入力から求めた熱流束と，

流 体 と 管 壁 と の 温 度 差 か ら 算 出 し た . 今 回 は テ ス ト セ ク シ ヨン入口から450m m下流，加熱開始位置から 350m m下 流 に お け る 局 所 熱 伝 達 率 を デ ー タ 評 価 に 用 い た . 管 摩 擦 係 数は，テストセクション両端部の差圧をデジタルマノメー タで測定して算出した.可視化撮影は可視化用試験管路入 口部より 1450mm下流において CCDにより行った.試験 流 体 は水道水および界面活性剤水溶液とした.界 面 活 性 剤 水 溶 液 は 水 道 水 に 同 モ ル 量 のTTABとNaSalを溶かして作 成し，濃度は重量濃度200ppm，500 ppm， 1000ppmとした.

また，液体流量は0.2~ 8 Llmin， 液 相 レ イ ノ ル ズ 数Re[は 1 000 ~ 34000，空気流量

V

_G^は0.2，0.5， 1.0， 1.5，2.0 Llmin，  クオリテイ x は 0~0.0062 である. 流体温度は 19~250C，  熱流束は 8300~43000W/m²である.なお，データの無次元 整理には，すべて水の物性値を用いた.

3  .実験結果友ぴ考察

3. 1 圧 力 損 失

水 お よ び 界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流 の 管 摩 擦 係 数Aを図2 に 示 す . 水 の 場 合，Re=2000付 近 でAが上昇し始め ，Re 

>3000においてAは ブ ラ ジ ウ ス の 実 験 式 と一致 し て い る ことから，臨界レイノルズ数Re_c=2000であるのがわかる.

界 面 活 性 剤 水 溶 液200ppmの場合，水と同様に臨界レイノ ルズ数はRe_c=2000であり，界面活性剤添加の影響はほとん ど現れていない.しかし， 500ppm水 溶 液 の 場 合，Re<9000  においてはReの増加とともにA=641 Reの 式 に 沿 っ て 減 少 していることからReく9000の 流 れ は 層 流 状 態 を 維 持 し て いるものと思われる.また ，Re三子9000においてAは急増

0.002  0.8 1 

Re  ^{10  50 x10}

3 

Fig. 2 Friction factor (single‑phase flow) 

‑2 

し，Re>15000においてはブラジウスの式と一致している こ と か ら 流 れ は 乱 流 状 態 で あ る の が わ か る . つ ま り ， 抵 抗 低 減 効 果 を 発 現 し て い た 棒 状 ミ セ ル がRe>9000ではせん 断 力 が 増 加 に 伴 い 破 壊 さ れ ， そ の 結 果 ， 流 れ は 乱 流 へ 遷 移 したものと推察される.さらに濃度を増加させた 1000ppm 水 溶 液 の 場 合 ， 臨 界 レ イ ノ ル ズ 数 はRe_c=25000となり，界 面 活 性 剤 添 加 濃 度 と と も に 臨 界 レ イ ノ ル ズ 数 が 増 大 す る の がわかる.

次 に ， 水 一 空 気 二 相 流 お よ び 界 面 活 性 剤 水 溶 液 ‑ 空 気 二 相 流 の Aを図3に示す.摩擦圧力損失は全圧力損失から重 力損失を差ヲ￨いて求めた.重力損失は，別報2)で測定した ボ イ ド 率 を 用 い て 算 出 し た . 横 軸 は 液 相 レ イ ノ ル ズ 数Re[

である.なお，実験は200，500， 1000ppmについて行った が， 200ppmは水の結果とほとんど変わらず， 1000ppmの結 果 は 定 性 的 に は500ppmと変わらないため，ここでは500ppm

を例にとり説明する.水単相流 (記 号 ・ ) は Re[=2000付 近 で 乱 流 に 遷 移 し ， 乱 流 遷 移 後 の 管 摩 擦 係 数 はBlasiusの 式にほぼ一致している.界面活性剤水溶液単相流(記号0) は，Re[ ='=;: 10000まで層流が維持され，その後Re[の増加と ともに乱流に遷移している.水‑空気二相 流 の 管 摩 擦 係 数

7L￨2ZZJK02l/mm) 

• water(VG=O.5 I/min) 

z : : i m m z t i M I l l j 

0.1~、、、 ^{も 畠 ・ λ=0.}3164R~L-1/4 べ E ¥

円。. . 

~\

、，

EF

可 』 ー ーL ^d

必¥

/.1

_、^o 0  0

げ 弘

0.01~λ=64/向

三 。 f

、

、、

0.002 

0.5  10  50x10³ 

e 

Re L 

Fig.3 Friction factor (two‑phase flow) 

10 

• Water(R9I..=3150) 

• Water (R9I..=5600) 

・

^{企 WaterWater((RR99II....==2113750000) )} 

...  Water (R9I..=32000)  o  SA500 (R9I..=3500)  口 SA500(R9I..=6300) 

<>  ^{SA500 (R9I..= 12700)} 

d  SA500 (R9I..= 19000)  v  SA500 (R9I..=25000)  一一一一一Chisholrri& Lai rd 

0.2  0.001 

. 

^¥ 

. ¥  o 

口 1

• 0 

。

Oロ φL2=1+21/¥t+ 1/Xtt2  0 ロ

0.01  0.1  1/X

抗

Fig.4 Pressure drop data in the form of φ.1^2 VS. l/Xu 

(黒塗記号)は水単相流のそれよりも大きくなるが，

R e L  

とともに低下し水単相流の値に近づくのがわかる.界面活 性剤水溶液一空気二相流の管摩擦係数(白抜記号)は，や はり界面活性剤水溶液単相流のそれよりも大きくなるが，

V

_G孟0.5L/minでは空気混入による管摩擦係数の増加率は 抵抗低減効果が持続している領域

R e L

く

1 0 0 0 0

で水一空気 二相流と比べて特に大きい.また，空気流量

V

G=2L/minで は，界面活性剤水溶液一空気二相流と水一空気二相流の値

(T

とマ)がほぼ等しいことから，空気流量の増加ととも に界面活性剤水溶液‑空気二相流と水一空気二相流の管摩 擦係数は一致するのがわかる.

図

3

に示した管摩擦係数データをφ

' / ‑ 1 / X

_ttの形でプロ ットしたものを図4に示す .

o

_L²は二相流摩擦損失勾配と 水単相流摩擦損失勾配との比 ，

X

_ttは

M a r t i n e l li

パラメー タである.図中の曲線は滑らかな円管内の気液二相流摩擦 損失勾配比に対する実験式

Ol=l  + 

21ダ~t

+  1

/ X/  (1)  で，水一空気二相流の摩擦損失勾配比φL2はこの式に近い 値を示している.界面活性剤水溶液一空気二相流の

o/

は， hく

1 2 7 0 0

では式(1)よりも低くなるが，

1

/X_ttが大きくなる

と同式に近づく.これは クオリテイ xが小さい領域では 棒状ミセルの形成により乱れが抑制され摩擦損失勾配比が 低下するが，Xが大きくなると流れの混合・撹祥効果が大 きくなり棒状ミセルが破壊されることや，気液界面の面積 が大きくなりこの気液界面に活性剤が集積して液相中のミ セル量が減少することなどに依ると推測される.また，界 面活性剤水溶液流れが乱流に遷移する臨界レイノルズ数を 超えると(図中では

R e L >  1 9 0 0 0  

(ム，マ)に相当)， l/X_tt  が小さい領域でも水‑空気二相流と同様，式 (1)にほぼ等し

くなっているのカfわかる.

3 . 2  

熱伝達率

加熱開始点から

3 5 0 m m

下流 (xlか

7 0 )

における局所熱伝 達率を図5に示す.横軸は液相レイノルズ数

R e L '

縦軸は Nu/ヂ'r

/ / 3

、である.水単相流の熱伝達率はたLく

3 0 0 0

では層 流熱伝達率を表わす

S i e d e r

品

T a t e

の式に近い値を示して いるが，

R e L = 3 0 0 0

付近で流れが層流から乱流に遷移して急 激に上昇し ，

R e L  > 6 0 0 0

では

C o l b u r n

の式に近い値を示し ている.界面活性剤水溶液単相流の熱伝達率は，棒状ミセ ルによる抵抗低減効果で ，

R e L = 1 0 0 0 0

程度まで

S i e d e r

品

T a t e

の式に沿って徐々に上昇する.その後，流れが層流か ら乱流に遷移し熱伝達率は水単相流の乱流熱伝達率に近づ いている.水‑空気二相流の熱伝達率は水単相流のそれよ

りも大きいが，

R e L

とともに水単相流の値に近づく.界面 活性剤水溶液‑空気二相流の熱伝達率は，界面活性剤水溶 液単相流のそれよりも大きいが水‑空気二相流のそれよ りは低下している.これは 空気混入により流れが乱され 単相流熱伝達率よりは向上するが 形成された棒状ミセル による層流化の効果で水‑空気二相流よりは低下している ものと考えられる.ただし，管摩擦係数と同様，空気流量 が大きくなると界面活性剤水溶液一空気二相流と水 空気

二相流の差は小さくなっている.

熱伝達率データをα/αL‑l/X_ttの形でプロットしたもの を図

6

に示す.縦軸は熱伝達率αと液相成分だけが流れた ときの乱流強制対流熱伝達率的の比で、ある.ただし， _αLは

D i t t u s ‑ B o e l t e r

の式で算出した.なお，参考のため界面活 性剤水溶液単相流のα/αLの値も縦軸上に示してある.界面 活性剤水溶液 空気二相流のα/αLは水‑空気二相流の値 に比べて小さいが，l/X_ttとともに(すなわち，クオリテイ x とともに)大きく増加し 水‑空気二相流に近づく.特

に界面活性剤水溶液単相流において乱流遷移が抑えられた 領域

( R e L = 3 5 0 0( ( ) )  

， 

6 3 0 0  

(口)， 

1 2 7 0 0  

(く)))で増加 割合は大きい.これは 空気流量の増大により流れが乱さ れる効果に加え，抵抗低減効果が低下する効果が加わるか らだと考えられる.一方 ，

R e

_Lが乱流遷移値を超えて抵抗 低減効果がほぼ消失していると考えられる領域では

( R e L

= 2 5 0 0 0  

(ム)) ，界面活性剤水溶液‑空気二相流と水一空気 二相流の差異は小さい.

3 . 3  

流動様式

水‑空気二相流およぴ界面活性剤水溶液

( 5 0 0 p p m )

一空気

1 0 0  

• water 

• wat自r(YG=0.2 I /m i n) 

・

^{water(YG=0.5 I/min)} 

....  water(YG=2 I/min)  o SA500 

ロSA500(V，伝0.2 I/min) 

o SA500(YG=0.5  I/min)  企 SA500(YG=2 I /m i n) 

‑‑‑‑‑Sieder‑Tate Eq. 

一一一一ColburnEq. 

円﹃F

﹂且

¥コ

Z

。 ロ

_， ， 

， 

1 0  

^{0 ・'}

O 旦J，O J ¥

p‑‑‑δSieder‑Tate Eq.  o 

̲‑‑‑‑1:も'

3  0 . 5   1 0   30x10

³  Re L 

F i g . 5  H e a t  t r a n s f e r  c o e f f i c i e n t  d a t a  

‑ LO L

‑ ‑﹁IP‑‑﹄

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41・ ・

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︑J︑ノ円υ円u nu nv nu nu   rDAU守JrコTSPO唱lqdq︾phJV噌l内t

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••.

 

o SA500(ReL=3500)  ロSA500(ReL=6300) 

o SA500 (ReL= 12700)  6 SA500 (ReL=25000) 

也 . 

¥ 1   企 佑 ‑ t ・ e ロ

⁰

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。 。

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1/X悦

F i g . 6  H e a t  t r a n s f e r  c o e f f i c i e n t  d a t a  

in 

t h e  f o r m  o f  

aJ

α

:L VS. lIXtt 

3‑

活性剤水溶液‑空気二相流の顕著な差異は流動様式からは 判別することができなかった.この点に関しては今後，空 気混入部の条件等も含めて詳細な検討が必要であると思わ れる.

的‑

E

帥﹂コ

二相流の流動様式線図をそれぞれ図7(a)，図7(b)に示す.

横軸は気相の見掛け速度U_GS，縦軸は液相の見掛け速度 ULSである.図中の

O

は気泡流，口は気泡流とチャーン流 の混在した流れ，く〉は気泡流とスラグ流の混在した流れ，

ムはチャーン流，マはスラグ流状態を表わす.なお，流動 様式はC C Dによる可視化撮影結果から判断した.また，

図にはTaitel

& 

Duklerらの結果3)を実線にて併記している.

水‑空気二相流の場合，気相速度

U

_GS一定で液相速度

U

_LS

を増加させると，スラグ流からチャーン流を経て気泡流へ と変化しているのが図7(a)よりわかる.この傾向はUGSを 増加させても変化が見られなかった.これらの結果は，ス

ラグ流もしくはチャーン流が若干多く観察される傾向が見 られるものの，概ねTaitel

& 

Duklerらの流動様式線図とほ ぼ一致している.一方，界面活性剤水溶液‑空気二相流の 場合，全体的な傾向は水‑空気二相流と同様であり，液相 速度の増加とともにスラグ流から気泡流へと変化するが，

水‑空気二相流の場合と比べてより低い ULSで気泡流の存 在する状態になる傾向が見られた.また ， UGSが大きい領 域(図中の UGS>0.88 m/s)ではその傾向が特に顕著にあら われているのが図7(b)よりわかる.しかし，圧力損失測定 や熱伝達率測定で認められたような水一空気二相流と界面

5  .結論と今後の課題

抵抗低減効果を示す界面活性剤水溶液流れに空気を混 入させて気液二相流を作り，その圧力損失，熱伝達率およ び流動状態について測定した結果，以下のことがわかった.

1 )抵抗低減効果を示す界面活性剤水溶液流れに空気を混 入すると，熱伝達率は大幅に増加することがわかった.ま た，熱伝達率の増加率は界面活'性剤水溶液単相流が層流状 態であるレイノルズ数領域で特に大きい.

2 )空気流量の少ない領域では界面活性剤水溶液‑空気二 相流の熱伝達率および管摩擦係数は界面活性剤単相流の値 より大きいが，水一空気二相流の値と比べると小さい.こ れは棒状ミセルの抵抗低減効果が気液二相流においても作 用していること示している.

3 )界面活性剤水溶液‑空気二相流の熱伝達率および管摩 擦係数は空気流量(クオリティ)の増加とともに増大して 水‑空気二相流の値に近づく.

4) 空気混入による界面活性剤水溶液流れの熱伝達促進効 果は流れの混合・撹祥効果によるものだけでなく，界面活 性剤水溶液中の棒状ミセル構造の破壊や液相中のミセル量 の減少によるものと推察される.

5 )本実験はT字継ぎ手を介して空気を直接液相中に混入 させたため，助走区間を十分にとったものの流動様式にス ラグ流状態が強く現れる結果となった.二相流では一般に 流動様式が熱伝達特性に大きな影響を及ぼすことが指摘さ れている.そこで，抵抗低減効果を示す界面活性剤水溶液 の熱伝達特性に及ぼす空気混入の影響を再確認するために も，空気混入部の形状を変更し，よりスラグ流状態を緩和 させた流動状態において実験をする必要があるものと思わ れる.

謝 辞

本研究を実施するにあたり 近畿大学工業高等専門学校 長神野稔氏には多大な支援を賜りました.ここに感謝の 意を表します.

100 

0.1 

100  マ マ マ

'v  'v  'v 

SLUG OR CHURN 

4E' 

辺E S

コ

10 

(b) air‑surfactant solution  Fig. 7 Flow pa仕ernmap 

10  UGS m/s  (a) air‑water 

SLUG OR CHURN 

'v  0  0 

'v  0

。

U_GS m/s 

7  7  守

0.1  0.1 

0.03  0.1 

0.03 

参 考 文 献

1) Zakin， J..L，  Lu， B. and  Bewersdorff， H.W.: Surfactant  Drag  Reduction， Rev. Chem. Eng.， 14(4‑5) (1998)， 253‑320 

2)荒賀ら:垂直管内における界面活性剤水溶液一空気二相流の流 動 様 式 と ボ イ ド 率 ， 日 本 機 械 学 会 講 演 論 文 集 ， 06‑2  (2006)，  113‑114 

3) Tait1， eY. and Dukler， A. E.:  Modelling Flow Pattem Transitions for  Steady Upward Gas‑Liquid Flow in Vertical Tubes， AIChE Journal，  26(3)(19801345‑354. 

4 ‑