(57)【要約】【課題】流路の変更や挿入物を設置することなく配管抵抗低減剤の添加によって形成されるミセルを破壊して熱伝達率を回復する。【解決手段】水槽１から熱搬送媒体を、ポンプ２で循環させた。加熱装置の前後の流体抵抗を差圧センサＡ、Ｂで計測することによってミセルの破壊がおこなわれているかを確認した。熱搬送媒体は、水道水にメチルアンモニウムクロライドを主成分とする界面活性剤：エソカードＯ／１２（ライオン社製）とサリチル酸ナトリウムを７５０ｐｐｍ、４５０ｐｐｍ溶解させたものであり、加熱装置はシーズヒータを配管に巻き付け、更に断熱材で覆ってある。加熱装置において熱搬送媒体を６９℃に管理し、圧力損失を加熱部の前後で計測したところ、流速１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲で、加熱装置の後方では圧力損失が増大しており、また、加熱装置を切ると圧力損失に差異はなく、加熱装置によってミセルが破壊されていることが確認できた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管抵抗低減剤を熱搬送媒体に添加した熱搬送システムにおいて、熱搬送媒体中に形成されたミセルを破壊する温度に加熱する加熱手段が配管に設けてある熱搬送システム。
【請求項２】
請求項１において、加熱手段が、熱交換型加熱装置、電熱加熱装置、または、高周波加熱装置のいずれか、またはそれらを組合わせたものである熱搬送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱搬送システムにおいて、熱搬送媒体の輸送動力を低減する配管抵抗低減剤が添加された流体の熱伝達率の低下を防止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビルや一般施設、工場等の空調設備や地域冷暖房システム等において、熱搬送媒体である水を熱供給システムから建築物まで循環させるための配管長は数百ｍから数ｋｍ以上になり、その搬送に要する動力は、大きなものである。このため、熱搬送媒体の流体を搬送するためのコストは、地域冷暖房システムの場合、ランニングコストに占める電気代の約６０％〜７０％を占める。
【０００３】
流体搬送動力を低減させる有効な方法として、界面活性剤を主体とする配管抵抗低減剤を添加することによって、配管内の流体摩擦抵抗を著しく低減させる方法が提案され、実用化されている。
【０００４】
配管内を流動する水に非イオン性界面活性剤や陽イオン性界面活性剤とサリチル酸ナトリウム等の対イオンを１０〜１０００ｐｐｍのオーダーで溶解させると、界面活性剤は、水中で疎水基部を中心にして外周に親水基部を配置した棒状のミセルを形成し、そのミセルが高次に絡まり、結果として流体が粘弾性を示すことによって熱搬送媒体の流体摩擦抵抗を顕著に低減する。
【０００５】
このような特性を示す界面活性剤が、配管抵抗低減剤として特公平３−７６３６０号公報、特公平４−６２３１号公報、特公平５−４７５３４号公報、特開平８−３１１４３１号公報等に開示されている。
【０００６】
一方、流動と伝熱の移動現象のアナロジー論より、ニュートン流体については流れの抵抗が減少すると熱伝達率も相似的に低下することが知られている。配管抵抗低減剤を含む水は非ニュートン流体であり、そのアナロジーについては未だ確立された理論はないものの、管外壁からの熱流束を一定として管路の入口と出口の温度差と管内壁温度を測定することによる伝熱特性実験をおこなうと、流体抵抗は７０％の減少が認められるものの、熱伝達率は８０〜９０％も減少するという実験結果が得られる。このように配管抵抗低減剤を含む水はニュートン流体（水）よりも熱伝達率の低下が著しい。
【０００７】
このようなことから、界面活性剤を添加した水溶液を用いた熱搬送システムでは、界面活性剤を添加していない従来の水及び腐食防剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いた熱搬送システムと比較して熱交換器に負荷がかかるということが懸念された。
【０００８】
空調設備や地域冷暖房システムにおいて、配管抵抗低減剤の使用によって流体摩擦抵抗が減少し、且つ熱伝達率が低下することは、配管内においては熱搬送媒体を輸送する動力の低減に効果があり、更に配管からの放熱を抑える効果がある。このため、配管内においては、棒状ミセルが形成されている必要がある。一方、熱交換器や空調器の内部においては、この部分での動力低減に効果があったとしても、本来の熱伝達が十分におこなわれないこととなり、熱搬送システムの性能は低下する。よって熱交換器や空調器の直前において、棒状ミセルの構造を破壊する必要がある。
【０００９】
熱伝達率の低下は、配管抵抗低減剤の主成分である界面活性剤によって生成される棒状ミセルによることが判明しており、そのミセルを破壊することによって流体の熱伝達率の低下を防止できるとして種々の方法が提案されている。
【００１０】
図４（１）に示すように、特許文献１（特開２０００−１２１２７１号公報）には、熱交換器の熱媒体が流入する手前に分岐管を設け、分岐管内でノズルから伝熱面に対して垂直方向の運動量成分をもつ流れを生成してミセルを破壊することが提案されている。
【００１１】
図４（２）に示すように、特許文献２（特開２０００−１２１２８３号公報）には、伝熱管の内面に、平坦部の幅が２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の螺旋状の突起を等間隔に設け、ミセルを破壊して熱伝達率の低下を防止している。
【００１２】
図４（３）に示すように、特許文献３（特開２０００−１２１２８４号公報）には、熱交換器の手前側に超音波発信部を設け、熱搬送媒体に超音波を照射してミセルを破壊するものである。
【００１３】
図４（４）に示すように、特許文献４（特開２０００−０４６４８５号公報）には、熱交換器の伝熱管の内側にねじり平板を固定し、界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体として伝熱管内を流動させ、ねじり平板により熱媒体に剪断力を加えて撹拌してミセルの破壊をおこない、熱伝達率の低下を防止している。
【００１４】
図４（５）に示すように、特許文献５（特開２００１−２４８９９１号公報）には、界面活性剤を添加した水を熱搬送媒体が流動する管内部の中心軸に沿って棒状の充填物を挿入し、乱流を起こしてミセルの破壊をおこない、熱伝達率の低下を防止している。
【００１５】
尚、破壊された棒状ミセルは熱交換器や空調器を通過して、配管内を流れる間に形状が再生される特徴をもっている。
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−１２１２７１号公報
【特許文献２】特開２０００−１２１２８３号公報
【特許文献３】特開２０００−１２１２８４号公報
【特許文献４】特開２０００−０４６４８５号公報
【特許文献５】特開２００１−２４８９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
空調設備における最終目的は熱の移動であるから、熱搬送媒体の流体の搬送動力を低減できても、熱伝達率が低下しては、必要熱量を移動させるための熱搬送媒体の搬送に要する動力が低減できても、熱搬送システム全体の省エネルギー化には効果が低いことになる。
【００１８】
熱伝達率の低下は、配管抵抗低減剤の界面活性剤によって生成されたミセルが原因であるということが、特許文献１〜５に記載されており、ミセルを破壊して熱伝達率を回復する手法が提案されているが、従来技術は、全て流体に対して剪断力を加えてミセルを機械的に破壊するものであり、配管中に挿入物を設置したり、配管の内面に突起を形成したり、または、配管に分岐を設けるなど流路内に障害物を形成するものである。しかし、これらは全て流れの抵抗を増加させるものであり好ましくない。
【００１９】
また超音波を放射する手段を除き、流体に加わる剪断力は配管壁から遠ざかるにつれ小さくなり、管中心でのせん断力はゼロとなる。すなわち、ほぼ全量の棒状ミセルの構造をせん断力で破壊することは不可能であり、熱伝達率の低減を完全に回避することはできない。
【００２０】
そこで本発明は、流路の変更や挿入物を設置することなく配管抵抗低減剤の添加によって形成されるミセルを破壊できるようにし、ひいては、流体の輸送動力の低減を図るというものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、界面活性剤からなる配管抵抗低減剤を添加することによって形成されたミセルに熱を加えると、ミセルが破壊するという知見に基づくものであり、配管の適当箇所に加熱手段を設けてミセルを破壊し、熱搬送媒体の低下した熱伝達率を回復させ、熱伝達を円滑におこなうというものである。
【００２２】
加熱手段は、特に限定されず、熱流体や蒸気を熱源として熱交換する熱交換型加熱装置、更に、電熱線等の発熱手段を設置する方法、また、高周波加熱を使用することが可能であり、適宜の加熱手段を採用することができる。
【００２３】
図２は、化学式（１）に示すカチオン系界面活性剤（Ｅｔｈｏｑａｕｄ  Ｏ／１２）と対イオン（ＮａＳａｌ．；サリチル酸ナトリウム）を水に溶解し、温度を１０℃から６７℃まで変化させた時の、剪断速度（横軸）に対する粘度（縦軸）の関係を示したものである。１０〜４０℃では剪断速度が増加すると粘度が急激に増加する現象がみられ、この時がミセルが形成されたことに対応する。６７℃では、この粘度の急激な増加がみられず、ミセルの形成が不安定となっており、ミセルが破壊された状態であるといえる。
【００２４】
【化１】
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【００２５】
図３は、同じ界面活性剤水溶液を使用し、温度を約２０℃から徐々に上昇させたとき、流体摩擦抵抗が界面活性剤の添加前の水に比べて何％低くなったかの抗力減少率（ＤＲ％と記す）を示したものである。ミセルが形成されているときはＤＲ％が６０から７０％の顕著な抗力減少が認められるが、６５℃を超えると急激に減少し、６９℃では５０％にまで低下する。それ以上の温度では効果がなくなっていることが判る。
【００２６】
ミセルが破壊に至る温度は、界面活性剤の種類とその濃度によって異なるものである。一般に、カチオン系界面活性剤の場合は、疎水基の炭素数が少ないほど低い温度でミセルが形成されなくなる。炭素数が１２程度で約３５℃、炭素数が１８で７０℃前後、炭素数が２０となると９０℃前後となる。したがって、界面活性剤の炭素数によってある程度のミセル破壊温度は予測できるが、個々の界面活性剤について、実験でミセル破壊温度を確認しておく。
【００２７】
熱搬送媒体の流体の温度を上昇させて界面活性剤の添加によって生成されたミセルを破壊に至らせるには、熱搬送媒体が配管内を流動しているため、ある程度の領域に渡って加熱する必要がある。流速と加温の関係などは系統的には明確になっていないが、個々の添加剤条件について、実験的に評価することは可能であり、ミセルが破壊される温度に数秒程度維持するとミセルが破壊されることが確認されている。また、流速が速いほどミセルの壊れやすさが大きくなるので、一定の領域の流体をミセル破壊温度に達するために加熱すれば十分である。ここで、流速が「速い」とは、１．０ｍ／ｓ以上を意味する。
【００２８】
以上のことから、界面活性剤の種類と流速に応じて加熱領域を決定することができる。
【００２９】
一般の熱交換器においては、流速が１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲となるように設計するのが通常であり、この領域でミセルが形成されないような高い温度になっていれば、数秒のオーダーの滞留時間で破壊できることになる。
【発明の効果】
【００３０】
配管内を流動する熱媒体を加熱することによって配管抵抗低減剤を添加した水溶液を熱媒体とした場合でも、熱伝達率が低下することがないので、流体搬送動力の低減がシステム全体の省エネルギー化に効果を発揮し、最適設計をおこなえば熱交換器の小型化も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
実験例
本発明が実際の熱搬送システムの配管路において、界面活性剤の添加によって生成されたミセルが破壊されることを確認した。
【００３２】
図１に示すように、水槽１から温度を１０℃に調整した熱搬送媒体を、ポンプ２により水槽１内の熱搬送媒体を還流させ、加熱装置３の前後の流体抵抗を差圧センサ４Ａ、４Ｂで計測することによってミセルの破壊がおこなわれているかを確認するものである。
【００３３】
熱搬送媒体としては、水道水にオレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムクロライドを主成分とする界面活性剤：エソカードＯ／１２（ライオン社製）とサリチル酸ナトリウムをそれぞれ７５０ｐｐｍ、４５０ｐｐｍ溶解させたものを使用した。
【００３４】
加熱装置３はシーズヒータを配管に巻き付け、更に断熱材で覆い、加熱部の後部に設けた温度計で熱搬送媒体を６９℃になるように管理し、熱搬送媒体の圧力損失を加熱部の前後で計測した。
【００３５】
加熱装置３を稼動させた場合と稼動させない場合について熱搬送媒体の圧力損失を計測をおこなったところ、流速１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲で、加熱装置の後方では、同一の流量における圧力損失が増大した。加熱装置３を稼動させない場合は加熱装置前後において、有意な圧力損失の差は認められず、配管を加熱することによって熱搬送媒体のミセルが破壊されていることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の効果を確認するための実験装置の概念図である。
【図２】配管抵抗低減剤を添加した溶液の剪断速度と粘度の関係を示すグラフである。
【図３】配管抵抗低減剤を添加した溶液の温度に対する抗力減少効果を示すグラフである。
【図４】従来のミセル破壊手段の説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１      水槽
２      ポンプ
３      加熱装置
４      差圧センサ
５      流量計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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