2578 日本 機 械 学 会 論 文 集(B編) 74巻748号(2008-12) 論 文 No.08-0540
直 円 管 内 を 流 動 す る 界 面 活 性 剤 添 加 有 機 ブ ラ イ ン の
流 動 抵 抗 と 熱 伝 達 挙 動*
(第2報,有
機 ブ ラ イ ンの 種 類 に よ る影 響)
春 木 直 人*1, 稲 葉 英 男*2, 堀 部 明 彦*1
兒 玉
友*3, 山 縣 一 馬*4
Flow Drag
and Heat
Transfer
Characteristics
of Organic
Brine
with
Drag
Reduction
Surfactant
in a Straight
Pipe
(2nd Report,
Influences
of Another
Kind of Organic
Brine)
Naoto HARUKI*5, Hideo INABA, Akihiko
HORIBE,
Yu KODAMA and Kazuma
YAMAGATA
*5
Graduate School of Natural and Technology, Okayama University, 3-1-1 Naka, Tsushima, Okayama-shi, Okayama, 700-8530 Japan
There has been some interest in the flow drag and heat transfer reduction effects of brine flow with drag reduction surfactants in order to achieve the effective energy consumption in an industrial cooling system. Therefore, there have been our previous investigations of brine flow (Ethylene Glycol (EG) solution for organic brine) with drag reduction surfactant (Oleyldihydroxyetyl Amine Oxide (ODEAO) of non-ion surfactant) showing the flow drag and heat transfer reduction effect. But some technical issues are that EG is an environmentally harmful brine and the use of EG will be restricted in the future. Whereas, Propylene Glycol (PG) and Potassium Acetate (=PA) are expected to be environmentally friendly brines. But, there have been few studies on the flow drag and heat transfer reduction effects of PG or PA solution with drag reduction surfactants. This present paper shows that the flow friction coefficient and mean forced convection heat transfer coefficient of the PG, or PA solution with ODEAO in a straight pipe were measured for each parameter of concentration of brines, concentration of ODEAO and temperature of the brine with ODEAO. Finally, useful non-dimensional correlative equations for maximum flow resistance and heat transfer reduction effect are derived in terms of various non-dimensional parameters, and these experimental results of PG solution with ODEAO were compared with that of EG solution with ODEAO. Key Words: Drag Reduction, Pipe Flow, Surfactant, Organic Brine, Heat Transfer Coefficient
1.
緒
言
現在,熱 輸送媒体への流動抵抗低減剤(主 に界面活
性剤)の 添加 に よって得 られ る流動抵抗 ・熱伝 達低減
効果 は,熱 輸送システムにおいて大きな省エネル ギー
効果 をもた らす ことが確認 されている(1)∼(5).特
に,
中規模の工場や ビル等 にお いて低温熱 エネルギーを輸
送す る高粘度のブライン水溶液に対 しての流動抵抗 ・
熱伝 達低減効果の適用 は,ブ ライン水溶 液の輸送 ポン
プ動力 を削減する とともに,大 きな温度差 となった外
部 との熱損失を低減す ることを可能 にす る.
そのため筆者 らは,ま ずブ ライン水溶液 として一般
的なエチ レングリコール水酒液に界 面活性剤を添加 し
た 場 合 の 流動 抵 抗 お よ び熱 伝 達 低 減 効 果 に 関す る様 々 な研 究(6)∼(7)を 行 い,そ の 結 果,低 温 度域(-20℃ ∼0℃)で も最 大約50%の 流動 抵 抗 が低 減 可 能 で あ る こ とや,界 面 活性 剤 とエチ レン グ リ コール 分 子 間 との 可 溶 化反 応 に よっ て,低 減 効 果 が発 生す る レイ ノル ズ 数 の 範囲 が,水 に 界 面活 性 剤 を添 加 した場 合 よ りも増 加 す るこ とを明 らか に した.さ らに,流 動 抵 抗 お よび 熱 伝 達低 減 効 果 が得 られ る臨 界の レイ ノル ズ 数,流 動 抵 抗 お よび熱 伝 達率 に関 す る実 験 整理 式 の提 案 も行 っ て い る.し か しな が ら,エ チ レン グ リコー ル は 毒 性 が 高 く(急 性 経 口毒 性:ラ ッ トLD50=4,700mg/kg),変 異原 性 を有 す る(8)た め にPRTR(Pollutant Release and Transfer Register:化 学 物 質 排 出移 動 量 届 出制 度)対 象 物 質 と して選 定(9)さ れ て お り,ブ ライ ン と して の今 後 の需 要 の 大 幅 な拡 大 が 困 難 で あ る.そ の た め 筆者 ら は,エ チ レン グ リコー ル 水 溶 液 に か わ る有 機 系 ブ ラ イ * 原 稿 受 付2008年6 月16 日. *1 正 員,岡 山 大 学 大 学 院 自 然 科 学 研 究 科(〓700-8530岡 山 市 津 島 中3-1-1). *2 正 員,フ ェ ロ ー,津 山 工 業 高 等 専 門 学 校(〓708-8509津 山 市 沼624-1). *3 前:岡 山大 学大学 院 自然科学研 究科. *4 学生 員,岡 山大学大 学院 自然科学 研究 科. E-mail : haruki@mech.okayama-u.ac.jp
直 円管内 を流動す る界面活性 剤添加有機 ブラインの流動抵 抗 と熱伝達挙動(第2報) 2579 ン と して,プ ロ ピ レン グ リコー ル お よび酢 酸 カ リ ウム の 水 溶 夜に着 目 した.こ の うち,プ ロ ピ レン グ リコー ル は,エ チ レン グ リコ ール よ りも毒性 が弱 い(急 性経 口毒 性:ラ ッ トLD50=20,000mg/kg)た め にPRTRに 該 当せ ず,食 品 添 加 物 と して も使 用 され て い る物 質 で あ り,今 後,主 要 な ブ ラ イ ン と して の 需 要 が期 待 され て い る.ま た酢 酸 カ リウム も,富 田 らに よ る環 境 に対す る影 響 評 価 に よ って,プ ロ ピ レン グ リコール よ りも環 境 に対 す る負 荷 が 低 い 事 が報 告(10)さ れ て い る. 本 研 究 で は,プ ロ ピ レン グ リコー ル お よび酢 酸 カ リ ウム水 溶 液に流 動 抵 抗 低 減剤 で あ る界 面 活 性剤 を添 加 し,そ の 流動 抵 抗.熱 伝 達 低 減効 果 特性 に関 して の実 験 的 検 討 を行 った.具 体 的 に は,前 報(6)∼(7)と 同様 に 界 面 活 性剤 添 加濃 度,水 溶 液温 度お よび ブ ライ ン濃 度 をパ ラ メー タ と した流 動 抵 抗 ・熱伝 達 に関 す る実測 と,流 動 抵 抗 お よ び熱 伝 達 低 減 効 果 が得 られ た 場 合 の レイ ノル ズ 数,流 動抵 抗 お よび 熱 伝 達 率 に関 す る実験 整 理 式 の 提 案 を行 った.さ らに,前 報 の エチ レン グ リ コー ル を含 めた 各 ブ ラ イ ン で の界 面 活性 剤 添 加 時 の 各 種 測 定結 果 との 比 較 検討 も行 った. 2. お も な 記 号 A: 伝 熱 面積[m2] Ce: エ チ レ ン グ リコー ル 濃 度[mass%] Cpro: プ ロ ピ レン グ リコー ル 濃 度[mass%] cPA: 酢 酸 カ リウム濃 度[mass%] Co: 界 面 活 性 剤ODEAOの 添 加 濃度[ppm] Cp: 比 熱[J/(kg・K)] di: 試 験部 円管 内 径[m] K: 擬 塑性 粘 度[Pa・sn] l: 試験 部 の長 さ[m] L: 試験 部 の加 熱 部長 さ[m] Nu: ヌ セ ル ト数(=αmdi/K) n: 構 造 粘 度 指 数 ΔP: 圧 力 損 失[Pa] Pr: プ ラ ン トル 数 Pr': 修 正 プ ラ ン トル 数 Q: 正 味 加 熱 熱量[w] Re: レイ ノル ズ数(=Umdiρ/μ) Re': 修 正 レイ ノル ズ 数 Tsol: ODEAO添 加PG水 溶 液の凝 固 点 温 度[℃] To: ODEAO添 加PG水 溶 夜温 度[℃]
TP`A: ODEAO添 加PA水 溶 液温 度[℃]
Tw: 試 験 部 管壁 温 度[℃] Twm: 試 験 部 平均 管壁 温度[℃] ΔT: 凝 固点 降 下度[℃] Um: 円管 内 平 均 流 速[m/s] x: 円 管入 口 よ りの管 軸 方 向 の位 置[m] ギ リシア文 字 αm: 平 均熱 伝 達 率[W/(m2・K)] γ: せ ん断 速 度[l/s] λ: 管摩 擦 係数 ρ: 密 度[kg/m3] K: 熱 伝 導 率[W/(m・K)] μ: 粘 度[Pa・s] μw: 円管 壁 面 温 度で の 粘度[Pa・s] τ: せ ん 断応 力[Pa] τmax: 低 減 効 果 限 界せ ん断 応 力[Pa] τmin: 低 減 効 果 開 始 せ ん断 応 力[Pa] 添 字 c: 実験 整 理 式 に よ る値 e: エ チ レン グ リコール(EG) i: 内径 m: 平 均 max: 限 界 値 mim: 最 小値 o: 界 面 活 性剤 オ レイ ル ジ ヒ ドロ キ シエ チ ル ア ミンオ キ シ ド(ODEAO) PA: 酢 酸 カ リウム(PA) pro: プ ロピ レン グ リコー ル(PG) w: 壁 面 3. 流 動 抵 抗低 減 剤 添 加 ブラ イ ンの 特 徴 本 研 究 で 新 た に使 用 した ブ ラ イ ン は,プ ロ ピ レン グ リコー ル(CH3CH(OH)CH2OH=76.11,略 記 にPG), お よび酢 酸 カ リ ウム(CH3COOK=98.15,略 記 にPA) の 水溶 液で あ る.こ の うちPG水 溶 液は,市 販 の試 薬 PGを 水 道 水 に 溶解 させ た もの をブ ライ ン と して使 用 した.一 方PA水 溶 液に は,市 販 の ブ ライ ン(フ ー ド ブ ライ ンFD-20S:シ ョー ワ製)を 使 用 した. また 本研 究 で使 用 した流 動 抵 抗低 減 剤 は,ブ ライ ン にエ チ レン グ リコー ル(C2H4(OH)2=62.07,略 記 に EG)水 溶 液を使 用 した前 報(6)∼(7)の 実験 結 果 と比 較 検 討 を行 うた め,前 報 と同一(非 イ オ ン型 ア ミン系 界 面 活 性 剤 で あ るオ レイ ル ジ ヒ ドロキ シエ チル ア ミンオ キ シ ド(Oleyldihydroxyethyl-amine oxide,化 学 式 C18H35N(C2H4OH)2O=371.6,略 記 にODEAO)を 主成 分 と した もの)を 使 用 した.こ の界 面活 性 剤(ODEAO) に 関す る詳 細 な 説 明 は,前 報(6)∼(7),(11)に て 示 し た 通 りで あ り,本 論 文 で は省 略す る.
2580 直 円管内 を流動す る界面活性剤添加 有機 ブ ライ ンの流動抵抗 と熱伝 達挙動(第2報) 4. 実験 装 置 お よ び実 験 方 法 4.1 実 験 装 置 本 実 験 で使 用 した実 験 装置(図1) は,前 報(6)∼(7)と 同一 の もの で あ る.そ の た め,本 論 文 で は 実 験 装置 に関 す る詳 細 な説 明 は省 略 し,実 験 方 法 お よび 実験 整 理 方 法 の み を簡 単 に説 明 す る. 4.2 実 験 方 法 本 実 験 で の 流動 抵 抗 の 評価 は,任 意 の平 均 流速(Um)で 流 動 す る試 験 流 体 の 直 円管 試 験 部(管 内径di=0.016m,長 さl=1.76m)出 入 口間 の 圧 力 損 失(ΔP)の 値 を測 定 し,次 式(1)で求 め られ る 管 摩擦 係数 λに よ って 行 った.な お,本 実験 装 置 にお け る水 の 管摩 擦 係 数 の 測 定値 は,水 の 流 動抵 抗 の 文 献 式(後 述 す る式(6)および 式(7))と 標 準 偏差 ±5.3%内 に 収 ま る.
(1)
一 方,直 円管 試 験 部 にお け る試験 流体 の熱 伝 達 特 性 の評 価 は,試 験 部 を一 定 の 熱 流 束(Q/A[w/m2])で 加 熱 し,以 下 の 手 順 に よ って,任 意 の 平 均 流 速(Um) で 流 動 す る試 験流 体 と試 験 部 管 内壁 間の 平 均 熱伝 達 率 αmを求 めて 行 っ た.こ の熱 伝 達 特 性の 測 定 も,水 を測 定 した 場 合,標 準 偏 差 で 水 の ヌセ ル ト数 の 文 献値(後 述 す る式(8)および 式(9))と ±75%内 で あ る. [1].ま ず,試 験 部 入 口か ら各 位 置(x)で の局 所 管 壁 温 度Tw(x)を 測 定す る. [2].測 定 され た 局 所 管壁 温 度Tw(x)を 加 熱 部長 さL(= 1.5m)で 積 分 平 均(次 式(2))し て,直 円 管試 験 部 全 体 の 平 均 管 壁 温 度Twmを 計 算 す る.(2)
[3].次 式(3)に よっ て,直 円管 試 験 部 に お け る平 均熱 伝 達 率 αm[W(m2・K)]を 求 め る.(3)
ここ で,Tm:試 験 流 体 混 合 平均 温 度(試 験 流 体 の入 口 と出 口温 度の 平 均),Q:正 味加 熱 熱 量(試 験 部 に 加 えた 熱 量-熱 損 失量),A:伝 熱 面 積(=πdiL)で あ る.な お 本試 験 部 を熱 交換 器 と想 定 して,平 均 熱 伝 達 率 の 算 定 に 対数 平 均 温 度差 を用 い た場 合 の 結 果 は, 本 実 験 で の 算 出値 と約4.8%以 内 で 一 致す る た め,本 実 験 結 果 は,ほ ぼ対 数 平 均 温度 差 に よ る整 理結 果 と して も よい と考 え られ る.な お 実験 結 果 の 評価 に は,αmか ら求 め た 平均 ヌセ ル ト数 を使 用 した. なおPG水 溶 液で のODEAO添 加 濃度 の計 測 に は, 実 験 中 にサ ンプ リング され た そ れ ぞれ のODEAO添 加 ブ ライ ン に対 して,前 報 と同様 に液 体 ク ロマ トグ ラ フ を使 用 した.一 方PA水 溶 液で のODEAO添 加 濃 度 は, 後 述 の よ うに十 分 な低 減 効 果 が 得 られ な か っ たた め, 液 体 ク ロマ トグラ フ を用 い た 測 定 は行 わず,添 加 した ODEAOの 量 か ら推 定 され た濃 度 と した. 4.3 実 験整 理方 法ODEAO添 加PG水 溶 液の 流 動 抵 抗 ・熱 伝 達 低 減 効 果 の 無 次 元 実 験 整 理 で は, ODEAO添 加EG水 溶 液で の整 理 と同 様(11)に ,ま ず レオ メー タ を用 いてODBAO添 加PG水 溶 液 の粘 性特 性 を測 定 し,測 定 結 果 をべ き乗 則 近 似(τ=Kγn,せ ん 断 応 力:τ,せ ん 断 速 強;γ)す る こ とで 得 られ た擬 塑 性 粘強K[Pa・sn],お よび構 造 粘 度 指 数n(一 例 と して Cpro,=30mass%の 場 合の 値 を 図2に 示 す)を 用 い て,次 式(4),(5)に よ り算 出 され た修 正 レイ ノル ズ 数(Re') (12)お よび 修 正 プ ラ ン トル 数(Pr')(12)を 使 用 した .(4)
(5)
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatusFig. 2 Pseudoplastic
viscosity K and power-law exponent n
(Cpro=
30mass%)
直円管内 を流動 する界 面活性剤添加有機 ブラインの流動抵抗 と熱伝達挙動(第2報) 2581 一 方PA水 溶 液に関 して は ,後 述の実験整理 におい て,ま ず は 溶 媒(PA水 溶 液)の 粘性 値 を用 いた 無 次 元整 理 を行 っ た際,ODEAOの 添 加 を行 っ て もそ の 粘 性 特 性に 大 き な変 化 が ない こ とが推 測 され た た め,本 実 験 で はODEAO添 加PA水 溶 液をニ ュー トン流 体(n =1)と 扱 い ,溶 媒(PA水 溶 夜)の 粘 性値 をKに 代 入 す る こ とで,Re'お よびPr'の 計 算 を行 った. 5. PG水 溶 液 を使 用 した 場 合の実 験 結 果 お よ び考 察 5.1 低 温 域 のPG水 溶 液 の場 合 本 実験 にお い て 測 定 され たODEAO添 加PG水 溶 液の 流 動抵 抗 と熱 伝 達 特性 に 関す る代 表 的 な 測 定結 果 と して,図3お よび 図4は,一 定 のPG濃 度(CPro=30mass%)お よび
ODEAO添 加 濃 度(Go=5160PPm)で あ るODEAO添
加PG水 溶 液に 対 して,PG水 溶 液 温 度(To=30,25,20, 15,10,5,0,-5,-10℃)を 実 験 パ ラ メー タ と した場 合の 流 動 抵 抗 お よび熱 伝達 特 性の 測 定結 果 を,そ れ ぞれ 修 正 レイ ノル ズ 数Re'と λ,お よびRe'とNu/Pr'1/3の 関 係 で 示 した もの で あ る.な お,図3と 図4に お い て実 線 で 示 した 直線 は,ニ ュー トン流体 が直 円管 内 を十 分 に 発 達 した 状 態 で流 動 す る場 合 の 管摩 擦 係数 と熱 伝 達 率 を示 した もの で,式(6)は 層 流 状 態 で の λを示す ナ ビ エ ・ス トー ク スの 式 の厳 密 解(13),式(7)は 乱 流状 態 の λを 示す ブ ラ ジ ウ スの 実 験式(13)で あ る,ま た 式(8)お よ び(9)は そ れ ぞ れ 層 流 と 乱 流 の 熱 伝 達 に 関 す る sieder-Tateの 実験 式(14)を 示 して い る.
(6)
(7)
(8)
(9)
な お,図3お よ び図4に 示 した以 外 の 測 定 条件 にお け るODEAO添 加PG水 溶 液の流 動 抵 抗 と熱 伝達 特 性 の 測 定 結 果 も,定 性的 に は 図3お よび 図4と 同様 の傾 向 を示 す こ とを予 め確 認 して あ る. 図3お よび 図4よ り,ま ず 低 温(To=-10∼5℃)で のODEAO添 加PG水 溶 液の 流 動 抵抗 と熱 伝達 率 の値 は,前 報 ま で のODEAO添 加EG水 溶 液と同 様 に,乱 流 域(Re'>2300)に お い て,層 流 式(6)お よび(8)の延 長 線 上 に漸 近 す る形式 の流 動 抵 抗 ・熱 伝 達 低 減 効果 を 示 し,か っ,PG水 溶 液 温 度の 上昇 と と もに低 減 効果 範 囲 が 増 加 して い る.こ の低 減 効 果 は,ODEAO分 子 が 形 成 す る棒 状 ミセル 塊(長 さ約400nm(15))の 変 形 に よ って 乱流 渦 の 発 生 や発 達 が 抑 制 され る こ とで 発 生 した もの(16)で あ り,こ の 場 合,水 溶 液温 度の 上 昇 に 伴 っ て ミセル の大 き さが若 干 増 加 して抑 制 可能 な乱 流 渦 の サ イ ズ が増 加 し,よ り高 い流 速 ま で 低減 効 果 が 維 持 可能 とな っ た ため と考 え られ る. この 棒 状 ミセ ル が 抑 制す る乱 流 渦 と して は,例 え ば 乱流 の直 接 数値 計 算 に よっ て示 され て い る コ ヒー レン ト微 細 渦 構 造(17)等 が 考 え られ る.し か しなが ら,こ の コ ヒー レン ト微 細 渦 構 造 の最 頻 直 径 は,本 実験 条 件 に お い て推 定 した場 合お よそ70μm程 度 で あ り,本 実 験 で のODEAOの 棒 状 ミセ ル 塊 の 長 さ(約400mm)よ り遙 か に大 きい.こ の ため,実 際 に は棒 状 ミセル 塊 が 単独 で低 減 効 果 を 引 き起 こす の で は な く,そ の ミセル 塊 同 士 が さ らに お 互 い に絡 み 合 っ て 巨大 化 した もの が 低 減 効果 を 引 き起 こす の で は な い か と考 え られ る.Fig. 3 Relationship between λ and Re'
(Cpro=30mass%,Co=5160ppm)
Fig. 4 Relationship between Nu/Pr'13 and Re'
(Cpro=30mass%,Co=5160ppm)
2582 直 円管内 を流動す る界面活性剤添 加有機ブ ラインの流動抵抗 と熱伝達挙動(第2報) 一 方,水 酒 液温度 の上 昇 と と もに棒 状 ミセル サ イ ズ が 増 減 す る現 象 は,陽 イ オ ン性 界面 活 性剤 の場 合,実 際 に そ の 棒 状 ミセ ル サ イ ズ の測 定 に よ って確 認 され て い る(18).一 方,非 イ オ ン性 界 面 活 性剤 で は,そ の 溶 解 が 非 イ オ ン 性界 面 活 性剤 の親 水 基 の 水 和 に よ って 行 わ れ,溶 液温 度 の 上 昇 時 に は水 和 部 分 の脱 水 作 用(19) が 発 生,す な わ ち非 イ オ ン性 界 面 活 性剤 の親 水 基 の極 性 が低 下す る と推 測 され る.ODEAOの 場合 では,使 用 したODEAOの 親 水性 を示 す 起 因 とな っ て い るオ キ シ レチ レン基(CH2-CH2-OH:親 水 基)が 溶 液 温 度の 上 昇 に伴 う水 和 部 分 の脱 水 作 用(19)に 伴 って 極 性 が低 下 した結 果,オ キ シ レチ レン基 間 の 斥力 も低 下 す る. これ に よ り親 水基 同 士 の反 発 も小 さ くな るた め ,球 状 ミセ ル よ り大 き く,親 水 基 の 配 列 に あ ま り曲 率 を必 要 と しな い 棒状 ミセ ル を形 成 しや す くな り(18) ,棒 状 ミ セ ル 構 造 が よ り大 き い もの へ と変化 した の で は な いか と推 測 され る.本 実験 で は,実 際 にODEAOの 棒 状 ミ セ ル サ イ ズ が水 溶 液温 度の 上昇 とと もに 増減 す る現 象 は確 認す る こ とはで きな か っ た.し か しな が ら,図5 に 示 す よ うに,棒 状 ミセル を破 壊 して 流動 抵抗 ・熱 伝 達 低 減 効 果 を消 失 させ た時 点 の せ ん 断 応力(限 界せ ん 断 応 力=τmax値,図5で は全 て の 測 定条 件 で の 結 果 を 表 示)の 値 が,前 報 と同様 に,PG水 溶 液の 場合 で も, 定 性 的 にPG水 溶 液 温 度Toの 上昇(ま た はODEAO添 加 濃 度Coお よびPG濃 度Cproの 増 加)に よっ て増 加 して い る こ とか ら,温 度上 昇 に伴 っ て ミセ ル の 大 き さ や 硬 さ等 の 変 化 した結 果 が,限 界せ ん 断 応 力値 の変 化 と して 現れ た もの と考 え られ る. 一 方 で 図5に 示 した よ うに ,水 にODEAOを 添 加 し た場 合の 値 よ り もODEAO添 加PG水 溶 液の τmax値の 方 が大 き な値 を 示 して い る こ とか ら,EG分 子 と同様 に,PG分 子 とODEAOの 棒 状 ミセ ル の 間 に も可 溶 化 反 応 が 発 生 した もの と考 え られ る.こ れ は,プ ロ ピ レ ン グ リコール のOH基 とODBAOの 親 水基 とが水 素結 合 を起 こす こ とに よ って,プ ロ ピ レン グ リコール 分子 内 にODEAO分 子 が入 り込 み,ODEAOの 棒 状(紐 状) ミセ ル の 形状 が変 化,ま た は ミセ ル 間 の 結合 強 さが強 化 され る 可溶 化 が 発 生 した もの で あ り,よ り大 き な限 界 せ ん 断応 力 ま で ミセル の維 持 を可 能 に した も の(20) と考 え られ る. 5.2 中 ・高 温域 のPG水 溶 液 の 場 合 低 温 域 の低 減 効果 に対 して,Cpro,=30mass%で の 中 温度 域To=10, 15℃ にお け るODEAO添 加PG水 溶 液の流 動 抵 抗 と熱 伝 達率 の 値 は,図3お よび 図4に 示 す よ うに,乱 流 域 (Re'>2300)に お い て 一度 乱 流 式(7)お よびて9)の値 に 一 致 して か ら ,Reの 増 加 と と もに乱 流 式 の 値 よ り低 下 す る形 で の低減 効 果 を示 して い る.そ して,さ らにPG 水 溶 液温 度が上 昇 した 高 温域(To=20,25,30℃)の 場 合 で は,ODEAO添 加PG水 溶 液の 流 動 抵 抗 と熱 伝 達 率 の値 は,乱 流 域(Re'>2300)に お い て も乱 流 式(7) お よび(9)の値 と完 全 に 一致 して お り,流 動抵 抗 お よび 熱 伝 達低 減 効果 を 示 して い なか った.こ れ らの低 減 効 果 の傾 向は,前 報 のEG水 溶 液使 用 時 に は測 定 され な か っ た傾 向 で あ る. こ の原 因 と して,界 面活 性 剤 の棒 状 ミセ ル 塊 には そ の構 造 や 大 き さ ・数 に よ って抑 制 で き る乱 流 渦 の ス ケ ー ル 範 囲 が 存在 す る と仮 定 す る と ,ま ずPG水 溶 液温 度 がTo=10,15℃ の 範 囲 ま で上 昇 した 場 合,溶 液中 の 棒 状 ミセル 塊 の 大 き さがTo=-10∼5℃ の 温 度域 で の値 に比 べ て増 大 す るが,こ の棒 状 ミセ ル が抑 制 で き る乱 流 渦 の ス ケー ル 範囲 とRe'=2300付 近 の 乱 流 へ の 遷 移領 域 で の乱 流 渦 の ス ケー ル とが うま く一 致 しなか っ た た め に,低 減 効果 が発 生 しな か っ た もの と考 え られ る.な お,中 ・高 温域 にお い て,一 度 乱 流 状 態 に 遷移 した後 に低 減 効果 を発 生 し始 め た時 点 での せ ん 断 応 力 の値(開 始 せ ん断 応 力=τmin値)を 算 定 した 場 合 ,図 6の よ うに 定性 的 にPG水 溶 液温 度Toの 上 昇 に よっ て 増 加 して い る こ とか ら,低 減 効果 開 始 域 に お い て も水 溶 液温度 の 上昇 に よ る棒 状 ミセ ル の 拡 大 の影 響 が あ る こ とが推 測 され る.こ の 場 合,Re'の 増加 に よ っ て 乱流 渦 が 大 き くな り,棒 状 ミセ ル が 抑 制 可 能 な 乱 流渦 の ス ケ ー ル に達 す る と,棒 状 ミセ ル 塊 が 乱 流 渦 を抑 制 可能 に な る た め,低 減 効 果 が発 生 し,λお よびNu/Pr'1/3の 値 は 乱流 式(7)お よび(9)よ りも低 い 値 を示 して い る .
直円管 内を流 動す る界面活 性剤添加有機 ブライ ンの流動抵抗 と熱伝達挙 動(第2報) 2583 ま た,Cpro=30mass%,PG水 溶 液温 度To=20,25, 30℃ の 場合 で は,逆 にODEAOの 棒 状 ミセル 塊 の変 化 が 大 き くな りす ぎ て しま い,発 生 してい る乱 流渦 の ス ケ ール に全 く一 致 しな か っ た た め,低 減 効 果 が発 生 し な か っ た か,も しくは,ミ セル を形 成 す る温 度範 囲 を はず れ た た め,棒 状 ミセル 自体 が形 成 され な か った た め と も考 え られ る.こ の 点 は,図2に 示 したCpro= 30mass%で のODBAO添 加PG水 溶 液構 造粘 度 指 数 の 値 がPG水 溶 液温 度To=20,25,30℃ の場 合 では1で あ る(非 ニ ュー トン性 を 示 さな か った)こ と も,棒 状 ミ セ ル の未 形 成 に よ る結 果 と考 え られ る.な お 実 験 を繰 り返 した結 果,測 定結 果 にPG水 溶 液温 度変 化 の 履 歴 は影 響 せ ず,再 現性 が あ る こ とが 確 認 され た. なお,他 のPG濃 度(CPro=20,10mass%)の 場 合で は,定 性 的 な傾 向は30mass%の 場 合 と 同 じで あ るが, 図6に 示 す よ うに,開 始 せ ん断 応 力 が測 定 され る温 度 範 囲 はCpro=20mass%で は20∼30℃ に増 加 す るが, Cpro=10mass%で は測 定 され て い な い こ とか ら も,PG 濃 度 の 低 減 に 伴 う可溶 化 反 応 量 の低 下 に よ り,定 量的 には 異 な る こ とが 明 らか とな った. 6. PA水 溶液 を使 用 した場 合の 実験 結 果 およ び 考察 6.1 ODEAO添 加 濃 度 の 検 討 これ まで のEGやPG の よ うな アル コー ル ブ ライ ン の場 合,EGやPGの 分 子 は 水 分子 と水 和 して溶 解 して お り,そ の 一 部 が 可溶 化 反 応 に使 用 され てい る と推 察 され る.一 方PAの よ う な塩 の溶 解 の場 合 で は,塩 の加 水 分 解 が 行 われ,そ の 水 溶 液中 に はOHとK+,お よ び弱 酸 のCH3COOHが わ ず か に 電 離 した 状 態 で 存 在 して い る.こ の た め,PA 水 溶 液にODEAOを 添 加 した 場 合,ODEAOの 親 水 基 (水酸 基)がK+イ オ ン お よびCH3COOイ オ ン と水 和 す る こ とでODEAO全 体 の親 水 性 が 低 下 してODEAO の 親 水基 と疎 水 基 の バ ラ ン スが 変 化 した結 果,界 面 活 性 剤 の親 水 基(水 酸 基)と 疎 水 基(炭 酸 水 素 基)の 作 用 に よっ て作 られ,流 動 抵 抗 低 減 効 果 の発 生 要 因 とな るODEAOの 棒状 ミセ ル が 形成 され ず,低 減 効 果 が 発 生 しな い 可能 性 が あ る.そ の た め,ODEAO添 加PA
水 溶 液(PA濃 度CPA=30mass%,PA水 溶 液温 度TPA=
15℃)の 流 動抵 抗 お よび 熱 伝達 率 の 測 定 を,ODEAO 添 加濃 度 をパ ラメ ー タ と して 行 っ た.そ の測 定 結 果 を 示 した 図7お よ び 図8の よ うに,PA水 溶 液 で は ODEAOを9000ppm程 度 添 加 した場 合 にお い て の み 流 動 抵 抗 ・熱 伝 達 低 減 効 果 が 確 認 され た.こ れ は, 0DEAOを9000PPmま で添 加 した場 合 に は,ODEAO 分 子 とK+イ オ ンお よびCH3COO-イ オ ン との 水和 反 応 が 飽 和 した 状 態 に な り,水 和 に 使 用 され た 以 外 の
Fig. 6 Relationship between τ min and To
Fig. 7 Relationship between Re' amd λ
(CPA=30mass%, TPA=15℃)
Fig. 8 Rdationship between Re' and Nu/Pr' 1/3
2584 直 円管 内を流動す る界面活性剤添加有 機ブ ライ ンの流動抵抗 と熱伝 達挙動(第2報) ODEAOに よ っ て,ODEAOの 棒 状 ミセ ル が 形成 され 始 め た た め と考 え られ る. 6.2 PA水 溶 液温 度 の 検 討 図9お よび図10は, 前 述 の 実 験 で 低 減 効 果 が あ る こ と が 確 認 さ れ た ODEAO濃 度Co=9000ppmの 場 合 にお いて,水 溶 液温
度(TPA)を パ ラ メー タ と したODEAO添 加PA水 溶
液 の 流動 抵 抗 お よび熱 伝 達 率 の測 定 結 果 を示 した もの で あ る.図9お よび 図10よ り,水 溶 液温 度TPA=5∼ 15℃ の 条件 にお い てODEAO添 加PA水 溶 液は,流 動 抵 抗 ・熱 伝達 低 減 効 果 を 示 して い る.さ らに,せ ん 断 応 力 の増 大 に伴 うODEAOの 棒 状 ミセ ル の破 壊 に よっ て,低 減 効 果 が 消失 を始 め るRe'数 の値 は,水 溶 液温 度 低 下 とと もに 低 下 す る傾 向 を示 して い る.な お,0℃ 以 下 の測 定 条 件 に お い て低 減 効 果 を示 さな か った の は, 棒 状 ミセ ル を破 壊 で き る だ けの せ ん 断応 力 が付 加 され, るRe'数 が 水 温 の低 下 に伴 う粘 性の増 加 に よ って, 2300以 下 とな っ た た めで あ る.さ らに20℃ の 条 件 で は, 水 温 上昇 に伴 っ て ミセ ル の 形成 条件 が変 化 して ミセ ル 自体 が形 成 され な か っ たた め,も し くは棒 状 ミセ ル と 発 生 してい る乱流 渦 の スケ ール に全 く一 致 しなか った た め,低 減 効 果 が現 れ な か っ た もの と考 え られ る. 7. ブラ イ ンの 種 類 の 違 い が低 減 効 果 に 与 え る影 響 7.1 PG水 溶 液 とEG水 溶 液 との 比 較5∼6章 に て 示 した よ うに,流 動 抵 抗 低 減 剤(ODEAO)を 添 加 す る ブ ライ ン を前 報 のEG水 溶 液か らPG水 溶 液お よび PA水 溶 液に 変 更 した こ とで,そ の 流動 抵 抗 ・熱伝 達 低 減 効 果 の傾 向 に 差 異 が 発 生 して い る.例 え ば 図11 お よび 図12は,同 濃 度(Co=6829∼9000ppm)の
ODEAOを,4種 類 の溶 媒(水,EG,PG ,PA水 溶 液
(同 じEG濃 度,PG濃 度,PA濃 度(Ce=CPro=CpA=30
mass%),水 溶 液温度5℃ とす る))に 添 加 した場 合
Fig. 9 Relationship between Re' amd λ
(CpA=30 mass%, C0=9000PPm)
Fig. 10 Relationship bemteen Re' and Nu/Pr'1/3
(CPA=30
mass%, Co=9000ppm)
Fig. 11 Relationship between Re' and λ
(Co=6829∼9000PPm, To=5℃)
Fig. 12 Relationship between Re' and Nu/Pr'1/3
直 円管内 を流動 する界面活性 剤添加有機 ブラインの流動 抵抗 と熱伝達挙動(第2報) 2585 の 流動 抵 抗 と熱 伝 達 の 比 較 で あ る.図11お よび 図12 で の水 溶 液温 度5℃ で の低 減 効果 の 発 現傾 向 は,何 れ の溶 媒 の 場 合 で も層 流 式(6)お よび(8)の延 長 に そ っ た 形 式 で あ る.し か しな が ら,可 溶化 反 応 に伴 うODEAO の棒 状 ミセ ル 塊 の 大 き さの増 大 の た め に,ODEAOを 水 に添 加 した 場 合 よ り もEG水 溶 液 お よびPG水 溶 液 に添 加 した場 合 の 方 が低 減 効 果 の 範 囲 が増 大 して い る が,可 溶 化 反応 が発 生 しな いPA水 溶 液の場 合で の低 減 効 果 の 範 囲 は,逆 に水 の場 合 よ り も減 少 して い る. これ は,PA水 溶 液に 添 加 したODEAOは あ る濃度 以 上 の 添 加 を行 って 始 め て棒 状 ミセル を形 成 で き るた め, 実 際 に棒 状 ミセル の形 成 に使 用 され たODEAOの 濃 度 は約9000ppmよ りもは るか に低 いた め で あ り,か つ 可 溶 化 反 応 自体 も発 生 しな いた め で あ る. 一 方,可 溶 化 反応 に よ り低 減 効 果 範 囲 が拡 大 したEG 水 溶 液とPG水 溶 液に 添 加 した 場 合 の測 定値 を比 較 し た結 果,PG水 溶 液に 添 加 した場 合の 低 減 効 果 の 範囲 は,EG水 溶 液添 加 時 と同 じか,わ ず か に大 き くな っ て い る.こ の 原 因 と して は,以 下の 要 因 が 考 え られ る. 図13に 示 す よ うに,プ ロ ピ レン グ リコール 分 子 は エチ レン グ リコー ル 分 子 に比 べ て分 子 量 が 大 き く,そ の 分,
(a) Ethylene glycol
(b) Propylene glycol
分 子 構 造 も大 き くな るの と考 え られ る.そ の た め,本 実 験 の よ うに高 い親 水 性 を持 っ エ チ レン グ リコー ル 分 子 お よび プ ロ ピ レン グ リコー ル 分 子 がODEAOの 棒 状 ミセ ル の表 面 を覆 うオ キ シエ チ レン基(親 水 基)に 対 して 親和 性 を示 して ミセ ル 表 面 に溶 解 す る可 溶 化 が発 生 す る(20)場 合,EG水 溶 液よ りもPG水 溶 液添 加 時 の ほ うが,ODEAOの 棒 状 ミセル の サイ ズが よ り増 大 す る もの と考 え られ る.実 際 に,棒 状 ミセ ル 長 さの 増 大 に 起 因 して限 界せ ん断 応 力 値 が増 加 す る もの と仮 定 す る と,図14に 示 したODEAO添 加EG水 溶 液と ODEAO添 加PG水 溶 液 の 限 界せ ん断 応 力 の 値 に お い て も,全 般 的 にEG水 溶 液よ りもPG水 溶 液の ほ うが 高 い 値 を示 して い る.さ らに 前 報 と実験 装 置 は 同 一 で あ るた め,本 実 験 装置 の直 円管試 験 部 で 発 生 す る乱 流 渦 の 大 き さが 一 定 で あ る こ とを 考 慮 す る と,ODEAO 添 加EG水 溶 液の棒 状 ミセ ル 塊 が全 ての 測 定 条 件 に お い て 低減 効 果 を示 す こ とが 出 来 た 大 き さ で あ る こ とに 対 して,そ れ よ り も大 き なODEAO添 加PG水 溶 液の 棒 状 ミセ ル 塊 は,5章 の よ うに低 減 効果 を示 す こ とが で きな い測 定 条 件 が発 生 した もの と考 え られ る. 7.2 PG・EG水 溶 液 とPA水 溶 液 と の比 較 図9お よ び 図10で 示 した水 温 の 変 化 に対 す るODEAO添 加PA 水 溶 液 の傾 向は,前 報 のODEAOをEGに 添 加 した 場 合 の傾 向 とほほ 同 じで あ るが,図3お よ び図4で 示 し たODEAOをPGに 添 加 した 場 合 に測 定 され た 傾 向(水 温 の 上 昇 に伴 って,低 減 効 果 が 層 流 式 の延 長 線 上 に 流 動 抵 抗 と熱 伝 達 を示す 形 か ら,一 度 乱流 式 に一 致 して か ら低 減す る形 に 変化 す る)は 測 定 され なか った.こ れ は,PA水 溶 液の場 合,ODEAOの 棒 状 ミセ ル との 可 溶 化 反応 が発 生 しな い た め,ODEAOの み で棒 状 ミセ ル が 形 成 され る こ とに よ り棒 状 ミセル の 大 き さが 小 さ い まま で あ り,水 温変 化 に対 す る傾 向 は,可 溶 化 反 応 を起 こ して も棒 状 ミセル の大 き さが よ り小 さいEG水 溶 液の 傾 向 に似 た た め と考 え られ る.こ の こ とは,図 14に お い て,EGお よびPG水 溶 液の 値 よ り もODEAO 添 加PA水 溶 液の 限界 せ ん 断応 力 の値 は,EGお よび PG水 溶 液の 値 よ りも低 く,水 の値 と一 致 す るか,わ ず か に高 くな る傾 向 を 示 してい る こ とか らも確 認 され る. 8. PG水 溶 液 で の実 験 整 理 式 の 導出 本 実 験 に お いて も,前 報(7)で のODEAO添 加EG 水 溶 液と同様 に,最 終的 にODEAO添 加PG水 溶 液 が 最 大 の 流 動抵 抗 ・熱伝 達低 減 効 果 を 示 した場 合で の 臨 界 管 摩 擦 係数)λc(式(10)),臨 界熱 伝 達 係 数(Nu/Pr'1/3)c Fig. 13 Molecular formulas of EG and PG
2586 直円管内 を流動 する界面 活性剤添加有機 ブラインの流動抵抗 と熱伝達挙動(第2報) (式(11)),お よ び最 大 の流 動抵 抗 ・熱 伝 達 低 減 効 果 が 得 られ る臨界 修正 レイ ノル ズ数Re'c(式(12))に 関 して,以 下 に 示 す 実験 整 理 式 の 導 出 を行 った.な お, ODEAO添 加PA水 溶 液 に関 して はは 現 状 で は特 定の PA濃 度 とODEAO添 加 濃 度 の とき のみ しか 低減 効 果 を示 さず,実 用 化 とい う点 では 満 足 の い く結 果 を示 し て い な い た め,実 験整 理 式 の導 出 は 見 送 っ た.実 験 式 (10)∼(12)にお いて,TsolはODEAO添 加PG水 溶 液の 凝 固 点 温度(同 一PG水 溶 液 濃 度 で のPG水 溶 液 の凝 固 点 温度 に相 当),ΔTは 凝 固 点降 下度 で あ る.
(10)
(11)
(12)
各 実 験 整 理 式(10)∼(12)に お け る各 パ ラ メ ー タ の適 用 範 囲 は,ODEAO添 加 濃 度C0=2000∼8300PPm,PG 水 溶 液 濃 度(Cpro=10∼30mass%,お よびEG水 溶 液 温 度To=-10∼30℃ で あ り,これ らの3つ の パ ラ メー タの 組 み合 わせ で実 験 整理 式(10)∼(12)は 計 算 され る.し か しな が ら,各ODEAO添 加PG水 溶液 の凝 固 点以 下 の 場 合,お よび 水 溶液 温 度 上 昇 に 伴 っ て低 減 効果 を示 さ な か っ た条 件 は適 用 範 囲 外 とす る. 図15∼17は,そ れ ぞ れ 実 験 整 哩式(10)∼(12)で 計 算 され た最 小 管摩 擦 係 数 λc,最 小 熱伝 達係 数(NU/Pr'1/3)c, お よび 最 大 の流 動抵 抗 ・熱 伝達 低 減 効 果 が得 られ る最 大修 正 レイ ノル ズ数Re'cに 対 して,そ れ ぞれ の実 測 直 との 比 較 を示 した もの で あ る.図15∼17に 示 す よ うに, 実 験 整 理式 に よ る最 小 管摩 擦 係 数 の値 はは 実 測 値 と の か た よ り誤 差 が13.81%,標 準偏 差10.29%で あ っ た. 以 下,実 験 整理 式 に よ る最 小 熱 伝達 係数 の値 はは 実 測 値 との か た よ り誤差 が23.86%,標 準 偏 差21.23%で あ り,実 験 整 理 式 に よ る最 大 修 正 レイ ノル ズ数 の 値 は, 実 測 直との か た よ り誤 差 が29.68%,標 準 偏 差21.81% で あ っ た. 9. 結 論 本 論 文 で は,ブ ライ ンへ の界 面活 性 剤(オ レイル ジ ヒ ドロ キ シエ チル ア ミンオ キ シ ド)の 添 加 に よ る低 温 熱 エネ ル ギ ー輸 送 シス テ ムへ の流 動 抵 抗 ・熱 伝 達低 減 Fig. 15. Comparison of predicted value of λcFig. 16. Comparison of predicted value of (Nu/Pr'1/3)c
直円管内 を流動す る界面活 性剤添加有機 ブラインの流動抵抗 と熱伝達挙動(第2報) 2587 効 果 の 実 現 を 目標 と して,前 報 で の エ チ レン グ リコー ル(EG)水 溶 液 の使 用 に 引 き続 き,プ ロ ピ レン グ リコ ー ル(PG)水 酒 液お よび 酢酸 カ リウム(PA)水 溶 液 を用 い た 場 合 で の流 動抵 抗 と熱 伝 達特 性 に関 す る実験 的 検 討 を行 い,そ の結 果,以 下の 事柄 が明 らか とな っ た. 1. PG水 溶 液 にODEAOを 添 加 した 場合 で も,流 動 抵 抗 ・熱 伝 達 低 減効 果 を得 る こ とが 出 来 る.し か しなが らPG水 溶 液 へ のODEAO添 加時 の 流 動 抵 抗 ・熱 伝 達 低 減 効果 の場 合 に は,EG水 溶 液 へ 添 加 時 とは 異 な り,水 浴 夜温 度 の 上 昇 に よ って,低 減 効 果 の 発 生 形 式 が 変化 す る. 2. こ のPG水 溶 液 にお け る低 減 効 果 発 生形 式 の変 化 は,BGよ りも大 きなPGの 分子 構 造 に 起 因 した可 溶 化 時 のODEAOの 棒 状 ミセ ル 塊 の 拡 大 に よ る も の と推 測 され る.実 際 に,棒 状 ミセ ル 塊 の 拡 大 の 影 響 に よ り,最 大 の低 減 効 果 時 に おい て,ミ セ ル が 耐 え うる こ との 出 来 る限 界せ ん断 応 力 値 が増 大 してい る こ とが確 認 され た. 3. PA水 溶 液 にODEAOを 添 加 した 場合 では,カ リ ウ ムイ オ ン と酢 酸 イ オ ンがODEAOと 水 和 結 合 を 起 こす た め,あ る濃 度 以 上 にODEAOを 添 加 しな い と流 動 抵 抗 ・熱 伝達 低 減 効 果 は発 生 しな い.さ ら に,ODEAOと 酢 酸 カ リ ウム 間 との 可 溶化 反 応 も発 生 しな い た め に,低 減 効 果 の範 囲 の 拡 大 は な く,水 にODEAOを 添 加 時 と同 じと な る. 4. EG水 溶 液 と同様 に,可 溶 化 反応 を発 生 し,界 面 活 性 剤 添 加PG水 溶液 が最 大 の流 動 抵抗 ・熱 伝 達 低 減 効 果 を示 した場 合 の 管 摩 擦 係数,熱 伝 達 係 数, お よび 修 正 レイ ノル ズ数 を求 め る 実験 整 理 式 の導 出 を行 った.
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Fundamentals, α4: Heat Transfer, (2006), p.70,
