界面活性剤による抵抗低減技術を利用した冷暖房システムにおける熱交換器の最適設計

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12555216
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 薄井 洋基 神戸大学, 工学部, 教授 (20107725)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅原 均 ライオン(株), 研究開発本部, 主任研究員 ; 鈴木 洋 神戸大学, 自然科学研究科, 助教授 (90206524)
• Keywords: 省エネルギー / 抵抗低減効果 / 界面活性剤 / 地域冷暖房 / 空調設備 / 乱流制御

Research Abstract

本研究では熱交換器における伝熱低減防止技術を検討し、界面活性剤を用いた省エネルギー型冷暖房システムの早期実用化に貢献することを研究目的とした。熱交換器の伝熱促進には界面活性剤の分子構造を種々変化させ、熱交換器入り口でミセルの高次構造を破壊し、熱交換器通過後は速やかにその高次構造を回復できるような分子設計を行なうことを検討し、本研究目的に合致する界面活性剤(塩化オレイルトリヒドロキシエチルアンモニウム)を提案できた。
また、ミセルの構造破壊は単に管径の小さい伝熱管に熱媒が流入しただけでは生じないので、機械的にアクティブなミセルの構造破壊を行なう必要がある。どのような破壊方式が最適なのかを探索することを目的として、実験的研究を行った結果、新たにミセルスクイーザーの挿入を提案し、その形状の最適化と実際の操作条件下における有効性を確認した。本ミセルスクィーザーは伝熱間入口部に急縮小、急拡大部を有するプラグを挿入するもので、管内流速が1m/s以上で実用上問題の無い伝熱減少の阻害を実現することが出来た。
本研究の抵抗低減系では陽イオン界面活性剤と対イオンの適当な組み合わせにより顕著な抵抗低減効果を発現することが知られている。実用上では界面活性剤と対オンの劣化速度が異なるため最適濃度比が崩れることが報告されている。対イオンの濃度比が大きく変化した場合の、抵抗低減効果ついて、レオロジー的観点から検討し、対オンの濃度比が大きい場合には従来知られている界面活性剤のミセル構造と異なる状態が出現し、良好な抵抗低減効果を発言することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Hiromoto Usui: "Optimization of Molecular Structure of Cationic Surfactants to Prevent the Heat Transfer Reduction"Proc. XIIIth Int. Congress on Rheology. Vol.2. 294-296 (2000)
• [Publications] 岸本章: "界面活性剤による抵抗低減系における伝熱特性に対する円管内部形状の影響"化学工学論文集. Vol.27. 347-351 (2001)
• [Publications] Hiromoto Usui: "Heat Transfer Augmentation by Micelle Squeezer in a Surfactant Drag-reducing Pipe Flow"Proc. 6^<th> World Congress on Chemical Engineering. 4220-4222 (2001)
• [Publications] Hiromoto Usui: "Effect of Counter-Ion on the Micelle Structure and Surfactant Drag Reduction"Proc. AIChE 2002 Annual Meeting. 95k (2002)
• [Publications] 岸本章: "ミセルスクィーザー挿入による界面活性剤溶液流の熱伝達促進"日本機械学会論文集,B編. Vol.68. 179-182 (2002)
• [Publications] Hitoshi Sugawara: "A Study on Cationic Surfactants as Drag-Reducing Additives"Chem. Eng. Comm.. Vol.189. 1671-1683 (2002)