垂直上昇界面活性剤水溶液流れ に及 ぼす気泡混入 の影響

垂直上昇界面活性剤水溶液流れ に及 ぼす気泡混入 の影響

荒 賀 浩 一*,中 溝 陽 介**,村 田 圭 治*

Effect of Air Injection on Drag Reducing Surfactant Solution Vertical Flow

Koichi ARAGA, Yosuke NAKAMIZO and Keiji 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 transfer enhancement effects by air injection. This paper presents an experimental investigation on the heat transfer and flow characteristics in an air-surfactant solution two-phase flow through a vertical tube. The air was injected through the porous metal. In this condition, the flow pattern of two-phase flow was bubbly flow which contains many fine bubbles in any flow rate. The bubble diameter was changed by using different types of porous metal. In every condition of air injection, heat transfer coefficients were enhanced drastically with air injection.

However, the effects depend on the diameter of bubbles. The heat transfer coefficients was Increased as the diameter of bubbles decreases. This result means that the bulk concentration of rod-like micelles in a surfactant solution in bubbly flow was reduced because micelle was concentrated on the surface of bubbles.

Keyword Drag Reduction, Surfactant Solution flow, Heat transfer enhancement, Two phase 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 ら重 要 な 技 術 的 課 題 で あ る.管 内 流 れ の 流 動 抵 抗 低 減 法 の 一 つ と して 界 面 活 性 剤 水 溶 液 に よ る 方 法 が あ る(1).

これ は あ る種 の 界 面 活 性 剤 を水 な どの 溶 媒 に微 量 添 加 す る と管 摩 擦 抵 抗 が 溶 媒 に 比 べ て 大 幅 に減 少 す る とい うも の で, 水 溶 液 中 に形 成 され た 棒 状 ミセ ル 構 造 が 乱 流 渦 の 発 生 ・成 長 を 抑 制 し,高 レイ ノル ズ数 ま で 層 流 状 態 が持 続 す る た め 抵 抗 低 減 現 象 が 生 じ る と言 われ て い る 。

一 方 で,こ うし た抵 抗 低 減 流 れ で は,熱 伝 達 率 も 同 時 に 低 下 す る こ とが 指 摘 され て い る。 した が っ て,熱 交 換 器 等 の熱 輸 送 媒 体 に こ の 界 面 活 性 剤 添 加 に よ る抵 抗 低 減 法 を 効 果 的 に 用 い るた め に は,抵 抗 低 減 流 れ に お け る適 切 な伝 熱 促 進 技 術 の 開 発 ・提 案 が 必 要 不 可 欠 と考 え られ る.

本 研 究 室 で は 界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ の 伝 熱 促 進 法 の 一 つ と して 空 気 混 入 に よ る方 法 を提 案 した.こ れ は,空 気 混 入 に よ る混 合 ・撹 拝 効 果 に よ り抵 抗 低 減 流 れ の伝 熱 特 性 を 改 善 し よ う とす る も の で あ る.本 研 究 室 の 過 去 の研 究 で は, 界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に空 気 を 混 入 す る と,空 気 混 入 量 と

と もに 熱 伝 達 率 が増 加 す る こ と を 明 らか に した.ま た,界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 流 動 様 式 は 空 気 混 入 方 法 に 依 存 す る こ と,お よび,伝 熱 促 進 効 果 は 流 動 様 式 に依 存 し, 同 一 空 気 混 入 量 に お い て は ス ラ グ流 状 態 よ り も気 泡 流 状 態

の ほ うが,伝 熱 促 進 効 果 が 大 き い こ と を 明 らか に した(2).

しか し,界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に 空 気 を 混 入 した 流 れ の伝 熱 促 進 の メ カ ニ ズ ム を 考 え る 上 で 重 要 で あ る と考 え られ る 流 動 伝 熱 特 性 に 及 ぼ す 気 泡 径 の 依 存 性 に つ い て は 不 明 な ま ま で あ る。

本 研 究 は界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 流 動 伝 熱 特 性 に及 ぼ す 微 細 気 泡 の径 の 影 響 を調 べ る もの で あ り,垂 直 上 昇 界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に2種 類 の焼 結 金 属 管 を 介 して 空 気 を 混 入 す る こ と で気 泡 径 の異 な る界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 を 生 成 し,そ の 界 面 活 性 剤 水 溶 液 一空 気 二 相 流 の 流 動 伝 熱 特 性 を実 験 的 に 調 べ た 結 果 を報 告 す る.

2.実 験 装 置 お よ び 方 法

*近 畿 大 学 工 業 高 等 専 門学 校

総 合 シ ス テ ム エ 学 科 機 械 シ ス テ ム コ ー ス

**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 機 械 工 学 系

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③ に よ る 強 制 循 環 型 と した.溶 液 タ ン ク① 内 の作 動 流 体 は 冷 却 器 ② を 通 過 後,浮 遊 式 流 量 計 ⑤ を経 て鉛 直 に設 置 され た 試 験 管 路 へ と流 入 され る.試 験 管路 は内径D‑5.Ommで あ り,助 走 区 間 は 全 長2100mmの ア ク リル 製 円管,テ ス トセ ク シ ョ ン は全 長900mmの 銅 円 管 と した.作 動 流 体 は試 験 管 路 を 通 過 後,気 液 分 離 タ ン ク ① を経 て溶 液 タ ン クへ と流 れ る.空 気 は 浮 遊 式 流 量 計 ⑤ を 通 過 後,試 験 管 路 上 流 部 よ り濾 過 精 度Af=10μmも し く は100μmの 円筒 型 焼 結 金 属 ⑥ を介 し て混 入 させ た.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 を8ヶ 所 に 設 置 し,そ の 上 か ら シ ー ス ヒ ー タ ー を テ ス トセ ク シ ョン入 り口 か ら50〜850mm間 で 等 ピ ッチ で巻 き付 け た.熱 伝 達 率 は,テ ス トセ ク シ ョン入 口か ら450mm下 流,加 熱 開始 位 置 か ら350mm下 流 に お

一1一

け る 局 所 熱 伝 達 率 を 代 表 値 と して 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.流 動 様 式 判 別 用 お よび 気 泡 径 測 定 用 可 視 化 写 真 撮 影 は試 験 管 路 入 口部 よ り1750mm 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500ppm(重 量 濃 度)と した.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 お よ び 考 察

界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 流 動 様 式 の 一 例 を 図2 (a),(b),(c)に 示 す 。 図2(a),(b)は そ れ ぞ れ 濾 過 精 度 琢=

10μm,100μmの 焼 結 金 属 を介 して 空 気 を混 入 させ た 場 合 の 界 面 活 性 剤 水 溶 液 一空 気 二 相 流 の 可 視 化 写真,図2(c) は4=10μmの 場 合 の 水 一空 気 二 相 流 の 可 視 化 写 真 で あ り, いず れ も空 気 流 量 聡=0.5L/minで あ る.な お,実 際 に は 垂 直 上 昇 流 で あ る が,図2で は90° 回 転 させ て 表 示 して い る.図2よ り,界 面活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 流 動 様 式 は 図2(c)の 水 一空 気 二 相 流 とは 大 き く異 な り,微 小 な気 泡 が 多 数 連 続 的 に流 動 す る気 泡 流 状 態 で あ る の が わ か る.こ こ で は 省 略す る が,本 実 験 の範 囲 内 に お い て は い ず れ の 焼 結 金 属 を用 い た 場 合 で も,界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の流 動 様 式 は ほ ぼ気 泡 流 状 態 で あ っ た.

次 に,界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 中 に存 在 す る微 小 気 泡 径Dbの 分 布 の 一 例 を液 相 レイ ノル ズ数RθL≒8000,空 気 流 量 砺=0.5L/minに つ い て 図3に 示 す.図3よ り濾 過 精 度 ル=10μmお よび ル=100μmの 焼 結 金 属 を用 い た 場 合 の 平 均 気 泡 径Dmは そ れ ぞ れ400μm,1000μmで あ り, 焼 結 金 属 の濾 過 精 度 を 変 え る こ と で液 相 中 に流 動 す る気 泡 径 が 変 化 す る の が わ か る.次 に,空 気 流 量 聡=0.5L/min を例 と して気 泡 径 の液 相 レイ ノル ズ数 依 存 性 に つ い て調 べ た 結 果 を 図4に 示 す.横 軸 は 液 相 レイ ノル ズ 数Rθ ム,縦 軸 は 平 均 気 泡 径Dm(μm)を 表 す.図4よ り,い ず れ の焼 結 金 属 管 を 用 い た 場 合 に お い て も,R8Lが 増 加 す る につ れ て Dmが 減 少 す る こ と が わ か る.し か しな が ら,い ず れ のRεL に つ い て は,再=100μmの 焼 結 金 属 管 を 用 い た 場 合 よ り も4=10μmの 場 合 の ほ うが,流 動 す る気 泡 径 が 小 さ くな

っ て い る の が わ か る.こ の こ と よ り,本 実 験 の 目 的 で あ る 界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 流 動 伝 熱 特 性 に 及 ぼ す 微 細 気 泡 の 径 の 影 響 を 調 べ る 上 で,本 実 験 装 置 に よ る 空 気 混 入 方 法 は 妥 当 で あ る と い え る.

界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流 お よ び 空 気 流 量7G=0.5,1.O L/minの 界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 管 摩 擦 係 数 λ を 図5に 示 す.図 中,濾 過 精 度 ル=10μmの 焼 結 金 属 の λ を 白 塗 り記 号 で 巧=100μmの λ を 黒 塗 り記 号 で あ ら わ す.

な お,こ こ で は 省 略 す る が,水 単 相 流 の 場 合,本 実 験 装 置 に お け る 臨 界 レ イ ノ ル ズ 数 は お よ そRθ 。=2300で あ っ た

(水 の 実 験 結 果 に つ い て は 既 報(3)を 参 照 さ れ た い).図5よ り,界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流(O)はRεL=11000に お い て 乱 流 遷 移 し始 め て い る の が λ の 変 化 よ りわ か る.界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 に つ い て,砺=0.5L/min,!望 ∫=10μ mの λ(◇)は,空 気 混 入 の 混 合 擁 拝 効 果 等 に よ り界 面 活

(a) Surfactant solution (ReL

(b) Surfactant solution (Re,

Fig.

=8100 , Al =10 IA m)

=7500 , A, = 001,1 m)

(c) Water (ReL =9400. A, =10 1.t m) 2 Flow visualization ( VG= 0.5 Umin)

,一

Fig. 3 Bubble size distribution ( VG= 0.5 Umin)

Fig. 1 Experimental apparatus Fig.

L

4 Dependence of bubble size on Reynolds number

性 剤 水 溶 液 単 相 流 の λ よ り も 大 き く な っ て い る が,RεLの 増 加(す な わ ち ク オ リテ ィ の 減 少)と 共 に 液 単 相 流 の 値 に 近 づ い て い る 様 子 が わ か る.一 方,聡=0.5L/min,身=100

μmの λ(◆)に つ い て も 同 様 に,液 単 相 流 に 比 べ て λ は 増 加 し て い る が,RθL〈10000に お い て 身=10μmと100

μmの λ を 比 較 す る と,再=10μmの ほ う が よ り大 き く な っ て い る の が わ か る.こ の 傾 向 は 砺=1.OL/minの λ(△,

▲)に お い て も 同 様 に 認 め られ る.図4で 示 し た よ う に, 4=10μmの 焼 結 金 属 を 用 い た 場 合(◇)よ り も,100μ

mの 場 合(◆)の 方 が 同 一 液 相 レイ ノ ル ズ 数 で 比 較 し た 場 合,流 動 す る 気 泡 径 は 大 き い.し た が っ て,同 一 空 気 混 入 量,同 一 液 相 レ イ ノ ル ズ 数 で 比 較 し た 場 合,混 入 さ せ る 気 泡 径 が 小 さ い ほ う が よ り λ を 増 加 さ せ る 効 果 が 高 い と い え る.ま た,Rε ゐ>20000に お い て は い ず れ の λ も ほ ぼ 等 し い こ と か ら,抵 抗 低 減 効 果 が 完 全 に 消 失 し た 乱 流 状 態 に お い て は,λ は 混 入 さ せ る 気 泡 径 に ほ と ん ど 依 存 し な い の が わ か る.

界 面 活 性 剤 水 溶 液 単 相 流 お よ び 空 気 流 量7G=0.5,1.O L/minの 界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 の 熱 伝 達 率 翫/P㌃1β を 図6に 示 す.図 中 の 記 号 等 は 図5と 同 様 で あ る.

界 面 活 性 剤 水 溶 液 一 空 気 二 相 流 に つ い て,砺=0.5L/min, ル=10μmの 熱 伝 達 率(◇)は,λ の 変 化 と 同 様 に 界 面 活

性 剤 水 溶 液 単 相 流 の 値(0)よ り も 大 き く な っ て い る が, RθLの 増 加 と 共 に 液 単 相 流 の 値 に 近 づ い て い る 様 子 が わ か る.ま た,7G=1.OL/min,ル=10μmの 熱 伝 達 率(△)は 砺=0.5L/minの 値 よ り も 大 き く な っ て い る こ と か ら,空 気 混 入 量 の 増 加 と と も に 熱 伝 達 率 は 増 加 す る の が わ か る.一 方,7G=0.5L/min,巧=100μmの 熱 伝 達 率(◆)に つ い て も オブ=10μmの 結 果(◇)と 同 様 に,液 単 相 流 に 比 べ て 増 加 し て い る が,Rε 〆10000に お い て 身=10μmと100 μmの 値 を 比 較 す る と,4=10μmの ほ うが よ り 大 き な 値

と な っ て い る の が わ か る.こ の 傾 向 は 陥=1.OL/minに お い て も 同 様 に 認 め られ る こ と か ら,伝 熱 促 進 を 目 的 と し て 界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に 空 気 を 混 入 させ る 場 合,混 入 させ る 気 泡 径 が 小 さ い ほ うが 伝 熱 促 進 効 果 が 高 い と い え る.ま た,図6よ り,RεL>20000に お い て は 流 れ は す で に 乱 流 状 態 で あ る が,こ の 場 合 に は,本 実 験 の 空 気 混 入 量 に お い て は 空 気 混 入 に よ る 伝 熱 促 進 効 果 は 確 認 で き ず,ま た,気 泡 径 の 依 存 性 も確 認 で き な か っ た.

4.ま と め

界 面 活 性 剤 水 溶 液 の抵 抗 低 減 流 れ に お い て,伝 熱 促 進 を 目的 と して助 走 区 間 上 流 部 よ り焼 結 金 属 を介 して 空 気 を 混 入 させ た.そ の 結 果,界 面 活 性 剤 水 溶 液 一空 気 二 相 流 の熱 伝 達 率 は 液 単 相 流 に 比 べ て 増 加 す る が,そ の効 果 は 気 泡 流 中 に 存 在 す る気 泡 径 が 小 さ い ほ うが,よ り高 い とい う結 果 が得 られ た.一 般 的 に は 界 面 活 性 剤 分 子 は 気 液 界 面 に 吸 着 す る.し た が っ て,よ り小 さな微 細 気 泡 を多 数 混 入 す る こ とで 水 溶 液 中 の 界 面 活 性 剤 分 子 が 気 液 界 面 に よ り多 く集 中 す る こ と が推 察 され る.そ の結 果,よ り小 さな気 泡 を含 む 二 相 流 の ほ うが 抵 抗 低 減 効 果 が 大 幅 に減 少 して伝 熱 促 進 効 果 が 高 く な っ た の で は な い か と推 察 され る.し か し な が ら, これ らの メ カ ニ ズ ム の解 明 に つ い て は 水 溶 液 濃 度 測 定 等 に よ り詳 細 に検 討 す る 必 要 が あ るが,こ れ ら につ い て は今 後 の課 題 と した い.

謝辞

Fig. 5 Friction factor 本 研 究 を実 施 す る に あ た り,近 畿 大 高 専 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

(1)Zakin,J.L.,Lu,B.andBewersdorfCH.W.:Sur飴ctant DragReduction,Re肌Chem.Eng.,14(4‑5)(1998),253‑320.

(2)Araga,K.andMurata,K.:PressureLoss,HeatTrans艶r Coef丘cientandFlowPatteminDrag‑ReducingTwo‑Phase FlowofAirandSurfactantSolutionInsideaVerticalTube, JournalofJSEM,Specialissue,8(2008),6‑ll.

(3)荒 賀 浩 一,糸 川 信 一,中 溝 陽 介,村 田 圭 治,抵 抗 低 減

界 面 活 性 剤 水 溶 液 流 れ に 及 ぼ す 空 気 混 入 の 影 響,実 験 力 学,9(4)(2009),357‑362.

Fig. 6 Heat transfer coefficient