アンモニア/水混合媒体のプール沸騰熱伝達の促進
井上利明*1, 門出政則*2

Enhancement of Nucleate Pool Boiling Heat Transfer inAmmonia/Water Mixtures
Toshiaki INOUE*1 and Masanori MONDE*2
Nucleate boiling heat transfer coefficients of ammonia/water mixtures have been measured
when a surface-active agent was added into the mixtures. The effect of the concentration of theammonia and the surface-active agent on the coefficients was experimentally clarified in theammonia fraction of 30 and 70 % and in the surfactant concentration of 0 – 3500 ppm. Theexperiment has been carried out to enhance the boiling heat transfer coefficients ofammonia/water mixtures on a horizontal heated fine wire at pressure of 0.4 MPa by adding thesurface-active agent into the mixtures. As a result, the coefficients were enhanced in lower
ammonia fraction, C = 0.3 and in low heat flux, which is just after onset of boiling. It was also
found that the enhancement effect by the surface-active agent disappeared in surfactant
concentration over 1000 ppm.
Key Words : Heat Transfer, Binary mixture, Pool Boiling, Surface- Active Agent, Enhancement
1. まえがき環装置 9 からの恒温液によって一定の飽和温度に保たれ，周囲の温度の影響を受けないようになっている．

小温度差熱機関や冷凍機の熱媒体として，２成分混発生した蒸気は凝縮器 6 で凝縮させられてバルク液の合媒体を用いることによって，サイクルの熱効率が改中に戻る．また，気液界面で発生する溶解熱と希釈熱(1)善されることがすでに報告 されている．しかし，混は凝縮器７で冷却される．

合媒体の沸騰熱伝達率が単成分媒体のそれよりも低下実験の手順としては，白金線への熱流束を段階的にすることも従来の研究(2)- (4)によって明らかにされてい上昇させながら，各熱流束において定常状態をバルクる．そこで，自然媒体として近年注目されているアン

液温度 (T1, T2），蒸気温度(T3) および系圧力計 10 によモニア/水混合媒体に界面活性剤を添加することによって確認した後，過熱度と熱流束を測定した．なお，って沸騰熱伝達率の向上を試みた．界面活性剤の濃度T1 は液面下約 7 mm の位置に取り付けられている．沸が 0- 3500 ppm の範囲において沸騰熱伝達率および沸騰開始過熱度の近傍では熱流束の上昇率を 5 %以内と騰開始点を測定した．そして, C = 0.3 および 0.7 の各した．したがって，沸騰開始過熱度の測定精度は 5 %アンモニア濃度における沸騰熱伝達率に及ぼす界面活性剤の影響を実験的に明らかにした.

Thermostat liquid
T３92. 実験装置および実験方法6

図 1 は実験装置の概要を示す．試験容器１内に水平に張られた白金線 2 (直径 0.3 mm, 長さ 37 mm) に直流7Brine

4電流を通電することによって発生するジュール熱で加熱面 2 が加熱される．また，白金線は抵抗温度計としても利用され，その温度－電気抵抗特性を利用して過熱度が測定される．なお，白金線の温度－電気抵抗特11３５２１８T１T210性は予備実験で求められている．試験容器 1 は恒温槽
8 内に沈められており，容器内の試験媒体は恒温液循
*1

久留米工業大学 工学部（〒830- 0052 久留米市上津町 2228）*2
佐賀大学 海洋エネルギー研究センター（〒840- 8502 佐賀市本庄町 1）

Fig. 1 Experimental apparatus
1.Pressure vessel
2. Heated wire 3.View window
4. Insulator
5. Electrode6. Condenser
7. Pressure gauge
8. Thermostat bath9. Thermostat with pump 10. Pressure gauge
11. Valve
T1, T2, T3. Thermocouples

以内である．試験容器内の圧力は凝縮器 6 および 7 の冷却液の流量を精密流量調整バルブ 11 で調節するこ

4. 実験結果とによって一定に保たれる。実験装置と実験方法の詳
細および測定の精度については、文献(5)に述べられて

4.1 沸騰の様子いるので，ここでは省略する．なお，界面活性剤濃度剤濃度および熱流束の変化に伴う沸騰状況の変化を示

は水の質量に対する濃度である．

す．C = 0.3 では界面活性剤の添加によって発泡点が著

図 3 はアンモニア濃度，界面活性しく増加している．また，C = 0.7 でも発泡点がわずか3. 界面活性剤に増加していることが分かる．また，C = 0.3 においては界面活性剤の添加によって気泡が合体し難くなるよ(6)

Inoue et al. は先に図 2 の(a)に示す分子構造を持つうである。

カチオン系の界面活性剤を用いてエタノール／水混合媒体のプール沸騰熱伝達の促進を試み，沸騰開始直後

4.2 h-q 関係に最大 2.64 倍の促進を確認した．
エタノールは水溶液

C = 0.3 における h- q 直線を示す．界面活性剤の添加に中でイオンに解離しないので，いかなる種類の界面活よって熱伝達率が向上し，活性剤の効果が濃度 CS =性剤でも水溶液中で界面活性効果を発揮する．しかし，1000 ppm で最大となり飽和する．また，h ∝ qn の関アンモニア水の場合は水溶液中にわずかながらアンモ係における対数グラフ上での h- q 直線の傾き n は活性ニウムイオンと水酸化物イオンが存在するため，イオ剤の添加によって小さくなる．このことは低熱流束域ン系の活性剤を使用することに問題がある．そこで，で，より大きく熱伝達が向上することを意味している．

予備実験としてカチオン系の界面活性剤を 1000 ppm

これは活性剤添加によって発泡しやすくなり，低熱流溶かした水溶液 100 ml に 6 mol/l のアンモニア水 0.5 ml

束で発泡点の数が増加するからである． Wang andを加えたら白濁を生じた．これは活性剤の解離定数がHartnett(8) も界面活性剤の添加によって沸騰開始直後

図 4 は核沸騰領域のアンモニア濃度生じないことを示す結果となっている．したがって，アンモニア水溶液よりも解離定数の大きい活性剤またはイオンに解離しない活性剤を使用する必要がある．
以上のような理由で図 2(b)に示す分子構造をもつ非イオン系のフッ素系界面活性剤 (Perfluoroalkyl 化合物)を使用した．図 2(b)中の m の値が 8,10 および 12 の混合物であり，平均鎖長は m = 9 である．なお，本界面活C = 0.7の状態で析出したためである．このことは活性効果がC = 0.3

アンモニア水の値よりも小さいために，活性剤が分子

Cs = 0 ppm

1000 ppm

q = 200 kW/m0 ppm

21000 ppm

q = 700 kW/m

2Fig. 3 Aspect of boiling

性剤の化学物理的な性質については大歳(7)によって詳しく述べられている．
3 x10
H

CmF2m+1－C－N－C－C－C－N－CH3 I
O H

HHH CH3(a) Cationic surfactant

HHH

10 1

H H

CmF2m+1－C－N－(C－C－O)9－C－C－O－H
OH

C = 0.3

H CH3H2Hh kW/(m K)

H

1H H(b) Nonionic surfactant

6x100
2 x 102

10 3q kW/m2

Fig.4 h – q relation in nucleate boiling heat transfer○CS =0, △CS = 250, □CS = 500, ▽CS = 1000

Fig. 2 Structure of surfactant adopted◇CS =1500, + CS = 2500, ◫ CS = 3500 ppm

の低熱流束域で沸騰熱伝達率が向上するという結果をはほとんど存在しないからである．

(6)

沸 騰 熱 伝 達 率の 向 上 率 (h’/h) を 図 8 に 示 す 。400によれば，高熱流束ほどおよび低沸点成分の濃度が高kW/m2 の比較的低い熱流束において, CS = 1500 ppm

いほど沸騰熱伝達に及ぼす界面活性剤の影響は小さい．

で熱伝達率の向上率は最も大きく，そのときの向上率報告している．しかし, 本実験結果および Inoue et al.

(6)

この事実とメカニズムについては Inoue et al. によっは 1.87 倍である．また，C = 0.7 ではあまり向上せず、て詳しく考察されている．

C = 0.3 で大きく向上することが分かる．また,自然対n

図 5 は h ∝ q における n に及ぼす活性剤濃度の影響を示す．活性剤濃度の増加とともに傾きは CS = 500
ppm までは小さくなるが，500 ppm 以上の濃度ではそ流に近い 200 kW/m2 と比較的高熱流束域である q ≧700 kW/m2 では活性剤の効果は小さい.
以上のことから沸騰熱伝達を向上させるためには1000 - 1500 ppm の界面活性剤の添加量が最適であるこ

れ以上小さくならない．とが分かった．
4.3 沸騰開始

図 6 は沸騰開始点の熱流束 qob に及ぼす活性剤濃度 CS の影響を示す．活性剤の添加によって5. まとめ

CS = 250 ppm で劇的に沸騰が早く始まることがわかる．
しか し， 250 ppm 以 上 ではほ とんど変 化しない ．

アンモニア/水混合媒体の沸騰熱伝達率に及ぼす界(9)Wasekar and Manglik も界面活性剤の添加によって沸騰が早く開始することを報告している．なお, 2500

30ppm での qob の増加は実験の誤差と考えられる．
図 7 は沸騰熱伝達率に及ぼ4.4 沸騰熱伝達率の促進

す界面活性剤の影響を示す．活性剤を添加することによって C = 0.3 では CS = 1000 ppm まで沸騰熱伝達率がh kW/(m 2 K)

25向上するが，それ以上の濃度ではそれ以上の向上は得201510られなかった．C = 0.7 では熱伝達率はほとんど向上し5ない．これは NH3 と H2O の水素結合の割合が最大 C =0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0.654 であるので，C ＞ 0.654 では混合液中に水分子

Fig.7 Effect of surfactant concentration on heattransfer coefficient

1C=0.70.9CS ppm

0.8

q = 200400700

○●△▲

□■

400600n

C = 0.3
C = 0.7

0.70.61000 kW/m2◇◆

20.50250

1.87
1.8500 1000 1500 2500 3500
Cs ppm1.6h'/hFig.5 Effect of CS on n

1.4300qob kW/m 2

C = 0.3250

1.21200200800

1000

Heat Flux q kW/㎡150

Fig.8 Enhancement rate of heat transfer
coefficient by surfactant

1000250 500 1000 1500 2500 3500CS ppm
Fig.6 Effect of CS on qob

CS =250500

1000

1500

2500

3500 ppm

C=0.3 ○
C=0.7 ●△▲□■◇◆+✻━✕面活性剤の影響を明らかにした．また，界面活性剤を(3) Schlünder, E. U., Heat Transfer in Nucleate Boiling of

添加することによって沸騰熱伝達率の向上を試みて次Mixtures, Int. Chem.Eng., Vol.23, (1983), 589- 599.の結果を得た．

(4) Inoue, T., Kawae, N. and Monde, M., Characteristics of

界面活性剤の添加によって(1) 沸騰熱伝達率はアンモニアの低濃度域である C =0.3 において大きく促進され，C = 0.7 では促進効
果は非常に弱くなる．

Heat Transfer Coefficient during Nucleate Pool
Boiling of Binary Mixtures, Heat and Mass Transfer
33, (1998), 337- 344.
(5) T. Inoue and M. Monde, Nucleate Pool Boiling Heat

(2) 沸騰熱伝達率は界面活性剤濃度 CS = 1000 ppm まで漸次向上する．

Transfer

inBinary

Mixtures,Wärme-undStoffübertragung 29, (1994), 171- 180.

(3) 沸騰開始直後の低熱流束域で沸騰熱伝達率が大き(6) Inoue T, Teruya Y and Monde M., Enhancement

く向上し，高熱流束域ほど向上率が小さくなる。

of Pool Boiling Heat Transfer in Water and

本研究は佐賀大学海洋エネルギー研究センター共同

Ethanol/Water Mixtures with Surface- Active

利用研究に基づくものである．

Agent, Int. J. Heat Mass Transfer 47 (2004),5555- 5563.

文献(7) 大歳幸男, フッソ界面活性剤の合成と特性, 石油学会誌, 32-6 (1989), 277- 285.

(1) Uehara, H., Ikegami, Y., Parametric Performance Anal-(8) Wang T. A. A. and Hartnett, J. P., Pool Boiling Heatysis of OTEC Using Calina Cycle, Jont Solar

Transfer from a Horizontal Wire to Aqueous Surfactant

Engng.Conf. ASME, (1993), 203- 207.

Solutions, Heat Transfer 1994, 5 (1994), 177- 182.

(2) H. Jungnickel, P. Wassilew and W. E. Kraus, Investiga-(9) Wasekar V. M. and Manglik, R. M., Pool Boiling Heattions on the Heat Transfer of Binary Refrigerant

Transfer in Aqueous Solutions of an Anionicmixtures, Int. J. Refrig., Vol. 3, (1980), 129- 133.

Surfactant, J. Heat Transfer, 122 (2000), 708- 715.