冷熱エネルギー輸送用界面活性剤添加低温水の管内流動抵抗と熱伝達特性

概要

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効率的な熱エネルギーの管内輸送手段の一つとして、水に鎖状高分子や界面活性剤を適量添加することにより、管内乱流流れを層流化し、管内圧力損失の軽減（トムズ効果）をする試みがなされている。鎖状高分子を添加した水溶液においては、鎖状高分子が形成するランダムコイルによる管内乱流渦の発生や発達の抑止効果が、流動抵抗の減少を持たらすと言われている。しかしながら、その鎖状高分子は高いせん断力のもとでは鎖状構造の切断による劣化を生じるため、流体に大きなせん断力が掛かり、かつ循環系として利用される高温・低温水を用いた熱エネルギー輸送システムの搬送動力軽減には、この種の高分子化合物の活用は不適当であると判断されている。一方、界面活性剤が形成する棒状ミセル構造は、鎖状高分子化合物と同じ働きで管内流動抵抗の減少に寄与することが明らかにされており、また、高せん断力流れ領域においては、再び元の棒状ミセル構造となるため、熱エネルギー輸送系に適した流動抵抗軽減材料の一つであると言われている。筆者らも前報において、界面活性剤として臭化セチルトリメチルアンモニウムを用い、また対イオン添加剤としてサリチル酸ナトリウムを採用し、その水溶液の非ニュートン挙動や管内輸送における流動抵抗及び熱伝導特性の実験結果を報告し、界面活性剤添加水溶液が、効率的な熱エネルギー輸送媒体であることを明らかにした。このように前報ではマクロ的観点より、常温状態における界面活性剤添加水溶液の乱流軽減効果を明らかにした。本研究では、極性（イオン性）界面活性剤の棒状ミセル構造形成の詳細な観察を電子顕微鏡によって行い、その棒状ミセル構造が対イオンの存在によってどのように変化するのかを解明するものである。また、この対イオンの添加量の大小による流動抵抗に与える影響についても実測を試みた。さらに、界面活性剤添加水溶液による管内流動抵抗軽減効果を、レーザ―ドッフラー流速計による管内流速分布の測定結果からの確認をも行うものである。最終的には実用面から、低温熱エネルギー輸送媒体として利用可能な界面活性剤として、塩化ドデシルトリメチルアンモニウム（C12H25N(CH3)3Cl）添加水溶液の管内流動抵抗及び熱伝達特性を測定し、これらに影響を及ぼす諸因子の効果を検討し、それらの有用な無次元実験整理式の提案をも行い、この種の界面活性剤添加水溶液特性の基礎資料を提供するものである。Investigation of characteristics of cold water pipe flow with surfactant is important to develop a cold heat energy transport system. Both flow drag and heat transfer reductions by the Toms effect occur due to a rod-like micell structure of surfactant. When a counter-ion (sodium salicylate) was added to water solution containing of dodecyltrimethylammonium chloride (DATC) surfactant in the present study, the rod-like micell structure of DTAC was formed by connection of spherical micells of DTAC. Moreover, the reduction characteristics of flow resistance and heat transfer were influenced by the amount of the counter-ion. Useful nondimensional correlative equations for flow resistance and heat transfer are derived in terms of various nondimensional parameters.
1997-04-25

冷熱エネルギー輸送用界面活性剤添加低温水の管内流動抵抗と熱伝達特性

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