界面活性剤水溶液の抵抗低減流れに友ぽす微細気泡混入の影響

界面活性剤水溶液の抵抗低減流れに友ぽす微細気泡混入の影響

荒 賀 浩 ^一‑* 糸川イ言 * *   中 溝 陽 介 * * 村 田 圭 治 *

E f f e c t  o f  A i r  I n j e c t i o n  o n  D r a g ‑ r e d u c i n g  S u r f a c t a n t  S o l u t i o n  Flow 

K o i c h i  ARAGA ，  S h i n n i c h i  ITOGAWA ，  Yosuke NAKAMIZO and K e i j i  MURATA 

It is  known that small quantities of surfactant additives can greatly reduce the friction factors  during the  flow of a heat transfer  medium. This  is  because the  generation of turbulent  vortices  is  suppressed by the formation of rod‑like micelles

， 

and the flow remains laminar in the high Reynolds  number range. However， the values of the heat transfer coefficients decrease during flow laminarization.  The research objective is  to  examine heat仕ansferenhancement effects  by air  injection.  This paper  presents an experimental investigation on the heat仕ansferand flow characteristics in an air‑surfactant  solution two‑phase flow through a vertical tube. The air was injected through the porous metal or the  T‑joint.  In each air‑inlet condition， heat transfer coefficients were enhanced drastically with the injection  of air into a drag‑reducing surfactant solution flow. In air injection through the porous metal

， 

the flow  pa仕emwas bubbly flow which contains many micro‑bubbles in any flow rate. As the enhancement rates  of heat transfer coefficient， the air injection through a porous metal was more effective than a T‑joint.  This  result  means that  the  apparent  concentration  of rod‑like  micelles  in  a surfactant  solution  in  micro‑bubbly flow was more reduced than that in any other flow pa仕em.

Keyword  Drag Reduction， Surfactant Solution， Pressure Drop， Heat Transfer Coefficient， Two‑Phase  Flow， Micro‑bubble， Bubbly Flow 

1  . 緒 言

管 内 流 れ の 流 動 抵 抗 を 低 減 さ せ る こ と は 省 エ ネ ル ギ ー の 観 点 か ら も 重 要 な 技 術 的 課 題 で あ る . 管 内 流 に お ける流動抵抗法の一つ に あ る 種 の 界 面 活 性 剤 を 溶 媒 に 微 量 添 加 す る 方 法 が あ る . こ れ は ， 界 面 活 性 剤 水 溶 液 中 に 形 成 さ れ る 棒 状 ミ セ ル 構 造 に よ り 乱 流 渦 発 生 ・ 成 長 が 抑 制 さ れ ， 高 レ イ ノ ル ズ 数 ま で 層 流 状 態 が 持 続 す るためであると指摘されている 1) しかしながら，流 れ の 層 流 化 に 伴 い 熱 伝 達 率 も 低 下 す る た め ， 界 面 活 性 剤 水 溶 液 に よ る 抵 抗 低 減 技 術 を 熱 交 換 器 等 の 熱 輸 送 媒 体 に 応 用 す る た め に は ， そ の 伝 熱 特 性 の 向 上 が 必 要 不 可欠である.

こ う し た 背 景 に 鑑 み ， 本 研 究 室 で は 界 面 活 性 剤 水 溶 液の抵抗低減流れ中にT字 継 ぎ 手 を 介 し て 空 気 を 強 制 的に混入させ，空気混入による混合撹非効果等により 抵 抗 低 減 流 れ の 熱 伝 達 特 性 を 向 上 さ せ た 結 果 に つ い て 報告した 2) 今 回 は 垂 直 上 昇 界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に お い て 試 験 管 路 入 口 部 で2種 類 の 継 ぎ 手 を 介 し て 強 制

牢近畿大学工業高等専門学校 総 合 シ ス テ ム 工 学 科 機 械 系

**近畿大学工業高等専門学校専攻科 生 産 シ ス テ ム 工 学 専 攻

的 に 空 気 を 混 入 さ せ て ， そ の 入 り 口 条 件 の 違 い に よ る 流 動 特 性 お よ び 伝 熱 促 進 効 果 の 差 異 に つ い て 調 べ 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.装置はポンプによる 強制循環型であるO 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

①Tank 

②Cooling pipe 

③Pump 

④Valve 

⑤Flow meter 

⑤Porous metal or Tサoint

⑦Switching Valve 

③Thermocouple 

⑨Heat coil 

⑮Digital manometer 

⑪Valve for void  fraction measurement 

Fig. 1 Experimental apparatus 

の 圧 縮 空 気 を 浮 遊 式 流 量 計 を 経 由 し て 試 験 管 路 へ 流 入 さ せ た . 継 ぎ 手 はT字継ぎ手および浦、過精度 10μm の 多 孔 質 体 ( ブ ロ ン ズ 製 焼 結 金 属 ) を 用 い 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 . 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 . 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 抵 抗 低 減 効 果 が 十 分 に 表 れ る 重 量 濃 度500ppmとし た . な お ， デ ー タ の 無 次 元 整 理 に は す べ て 水 の 物 性 イ直を用いた.

お よ び 可 視 化 撮 影 ・ ボ イ ド 率 測 定 用 管 路 の2種 類 の 管 路 で 構 成 さ れ て お り 適 宜 切 り 替 え て 実 験 を 行 っ た . 圧 力 損 失 ・ 熱 伝 達 率 測 定 用 管 路 の 助 走 区 間 長 は 2000 m m， テ ス ト セ ク シ ョ ン 長 は 900mmである.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

(  o 

0.5 mm)を8ケ 所 に 設 置 し ， そ の 上 か ら シ ー ス ヒ ー タ ー (

o 

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 . 可 視 化 撮 影 ・ ボ イ ド 率 測 定 用 管 路 の 助 走 区 間 長 は 1060m mであり，

可 視 化 撮 影 は 可 視 化 用 試 験 管 路 入 口 部 よ り 1450 m m   下 流 に お い て CCDに よ り 行 っ た . ま た ， 試 験 管 路 上 流 部 に は 空 気 混 入 用 の 継 ぎ 手 を 設 置 し ， 高 圧 ボ ン ベ 内

3.  1 管 摩 擦 係 数

界 面 活 性 剤 水 溶 液 の 抵 抗 低 減 流 れ に お い て T字 継 ぎ 手 お よ び 多 孔 質 体 を 介 し て 強 制 的 に 空 気 混 入 さ せ た 場 合 の Aつ い て ， 代 表 と し て 空 気 流 量 Vc=0.2，0.5 L  Imin の 結 果 を 図2に 示 す . 横 軸 は 液 相 レ イ ノ ル ズ 数 ReLである.図中， T字 継 ぎ 手 の 場 合 の 結 果 を

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^，̲， 

@ で ， 多 孔 質 体 の 結 果 を

0

，口，く〉で表す.なお，水 の 実 験 結 果 に つ い て は こ こ で は 省 略 す る が ， こ の 管 路 に お け る 臨 界 レ イ ノ ル ズ 数 は お よ そRec=2000である.

界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流 の 場 合 (0，・) ， い ず れ の 入 口 条 件 に お い て も ReLく11000に お い て は 管 摩 擦 係 数AはReLの 増 加 と と も に A=641 ReLの 直 線 に 沿 っ て 減 少 し ，ReL= 11000に お い て 乱 流 遷 移 に 伴 いAが 増 加 し 始 め て い る の が わ か る . こ れ よ り ， い ず れ の 条 件 に お い て も 臨 界 レ イ ノ ル ズ 数 はRec=11000であり，空気 混 入 部 の 形 状 の 違 い が 液 単 相 流 のAに 与 え る 影 響 は ほ ぼ 無 い と い え る . 次 に ， 空 気 流 量 Vc^=0.5l/minの 結 果 に注目すると T字 継 ぎ 手 ( + )，，多孔質体(く))の い ず れ の 条 件 に お い て も 界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流 が 層 流 状 態 の 領 域 (ReLく11000)で は ， 空 気 混 入 に よ り 液 単 相 流 に 比 べ て Aは 増 加 し て い る が ， そ の 値 を 同 一 液

相レイノルズ数，同一空気量で比較すると， T字 継 ぎ

手 に 比 べ て 多 孔 質 体 のAが 大 き く な っ て お り ， た と え ば，ReLキ6000に お い て は 多 孔 質 体 の AはT字 継 ぎ 手 の そ れ と 比 較 し て 2.8倍 と な っ て い る . 他 の ReLにお いても ReL<11000に お い て は 同 様 の 傾 向 が 認 め ら れ ることから，抵抗低減流れへ空気を混入する場合，

の 影 響 は 空 気 混 入 部 の 形 状 ， す な わ ち 気 液 二 相 流 の 流 動 状 態 に 大 き く 依 存 す る と い え る .

3.  2 熱 伝 達 率

管 摩 擦 係 数 と 同 様 に T字 継 ぎ 手 に よ る 空 気 混 入 時 の 熱 伝 達 率 と 多 孔 質 体 を 介 し て 空 気 混 入 し た 場 合 の 熱

実験結果及び考察

3 . 

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Fig. 3 Heat transfer coefficient  Fig. 2 Friction factor 

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3 1 i i i j J E I : i j l   : i i i i j ^間 : i j

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0.002  0 . 5  

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0 . 5   0 . 0 1  

100 

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﹂仏

¥コ

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10 

伝達率を図3に示す.横軸は液相レイノルズ数 ReL' 縦軸は Nu/PrLJ/3である.液単相流の場合，図2の管摩 擦係数の変化と同様に，いずれの入口条件においても ReL< 11000ではReLとともにSieder‑Tateの式に沿って 徐々に増加し ，ReL = 11000において乱流遷移に伴い熱 伝達率が急増し始めるのがわかる.次に，図2の場合 と同様に空気流量 V_G=0.5 lIminの結果に注目すると， 液 単 相 流 が 層 流 状 態 で あ る 領 域 に お い て は (ReLく 11000) ，同一液相レイノルズ数で比較した場合， T字 継ぎ手による熱伝達率 (・)よりも多孔質体による熱 伝達率(く))の方が大きな値となっているのがわかる.

たとえば ，ReLキ6000においては多孔質体による熱伝 達率はT字継ぎ手のそれと比較して 2.2倍となった.

この現象は定性的には空気流量 VG=0.5 lImin以外の 場合でも同様であり これらの結果より，抵抗低減流 れの伝熱促進を目的に空気を混入させる場合，その効 果は入口条件に大きく依存し，今回の実験のようにT 字継ぎ手と焼結金属による多孔質体を介して空気を混 入させた場合，その効果は多孔質体を介した場合のほ

うがはるかに大きいと言える.

3.  4 流動様式

入 口 条 件 の 違 い に よ る 流 動 様 式 の 差 異 を C C Dカ メラによる可視化撮影により調べた.例として空気流 量 九=0.51/minの結果について， T字継ぎ手の結果を 図4に，多孔質体による結果を図5に示す. T字継ぎ

(a)ReL二3900(b)ReL =9800 (c)ReL =16000 (d)ReL =32000  Fig. 4 Air‑water two phase flow 

(Porous metal， V G=0.5 lImin) 

手の場合，図4より ReL= 3200， 7800の流れは砲弾型 の気体プラグが間欠的に流動するスラグ流であるのが わかる.一方，多孔質体の場合，図5よりすべてのReL において微細気泡の多数流動する気泡流状態であった.

管摩擦係数および熱伝達率の変化から多孔質体のほう がReL<11000，同一空気量においては伝熱促進効果が 高くなることを示したが，可視化撮影の結果から，界 面活性剤水溶液の抵抗低減流れに多孔質体を介して空 気を混入させた流れでは，水溶液中の微細気泡に抵抗 低減効果を生じさせる棒状ミセルが集中し，その結果，

水溶液中のみかけのミセル濃度が低下して抵抗低減効 果が減少した，すなわち，抵抗低減流れの熱伝達が促 進されたものと思われる.

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.

参考文献

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

2)Araga， K. and Murata， K.: Pressure Loss， Heat Transfer  Coefficient  and  Flow  Pattern  in  Drag‑Reducing  Two‑Phase Flow of Air and Surfactant Solution Inside a  Vertical Tube， Joumal of JSEM， 8 (2008)， 6・11

(a)ReL =3400 (b)ReL =8100 (c)ReL二12000(d)ReL =30000  Fig. 5 Air‑surfactant solution two phase flow 

(Porous metal， V G=O. 5 lImin) 

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