JP2005263961A

JP2005263961A - 熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システム

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Publication number: JP2005263961A
Application number: JP2004078092A
Authority: JP
Inventors: Akira Kishimoto; 章岸本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP4771351B2

Abstract

【課題】開放系循環配管において界面活性剤の水溶液を熱搬送媒体として用いても発泡が少ない熱搬送媒体を提供すること。
【解決手段】受熱側システム、放熱側システム、これらを接続する循環ラインを通して循環される熱搬送媒体であって、不凍剤、消泡剤及び界面活性剤が、水性液体に添加されている。界面活性剤が添加された熱搬送媒体を使用する場合、界面活性剤水溶液に気液界面で激しい刺激が加えられると泡が発生するが、消泡剤を加えることにより、水溶液中の界面活性剤の発泡が抑制され、摩擦低減効果が減少してしまうことが防止できる。特に、開放系循環配管にこの熱搬送媒体を用いることによって、充分な効果を得ることができる。界面活性剤としては第四級アンモニウム塩系界面活性剤を、また消泡剤としてはシリコーンエマルジョン系化合物を用いることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いて流動摩擦を低減させる熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システムに関する。

例えば、地域冷暖房システムにおいては、受熱（熱供給）側プラントからの熱が放熱（熱利用）側プラント、例えばビルなどの空調システムに供給され、このようなシステムにおける熱の搬送に、冷温熱媒体である水が用いられている。この冷温熱媒体を循環させるための配管は、その長さが数ｋｍ以上になり、冷温熱媒体としての水の搬送動力はかなり大きく、地域冷暖房システムのランニングコストの約６０〜７０％であるとも言われている。

このようなことから、水の搬送動力を低減させる有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用い、熱搬送媒体の流動摩擦抵抗を著しく低減させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。受熱側プラント及び放熱側プラントを接続する配管を通して流動される水に、特定の第四級アンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物からなる界面活性剤を数１０〜数１０００ｐｐｍ溶解させると、界面活性剤が水中で、疎水基部を中心に親水基部を外周部に配置してミセルを形成し、そのミセルが棒状の形態をなして高次に絡まって粘弾性を示すことに起因するといわれている。

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

このような界面活性剤を用いて摩擦低減効果を得られるのは、受熱側プラントと放熱側プラントとが密閉系循環配管（循環ライン）での使用に限定され、開放系循環配管ではこのような効果は得られない。何故なら、クーリングタワーに代表される開放系循環配管においてこのような界面活性剤を含む熱搬送媒体を用いると、界面活性剤の有する界面活性効果の影響で、クーリングタワーで激しく発泡し、発泡した泡が風により飛散し、熱搬送媒体（即ち、循環液）が減少するという問題がある。このようにして熱搬送媒体が減少すると、システムにおける熱搬送媒体の循環が滞ってしまい、システムダウンという致命的な問題が発生する。また、クーリングタワーにおいて発泡すると、発生した泡が風により飛散し、周辺地域を汚染するという問題が発生する。

本発明の目的は、開放系循環配管において界面活性剤の水溶液を熱搬送媒体として用いても発泡が少ない熱搬送媒体を提供することである。
本発明の他の目的は、運転時における熱搬送媒体の減少を抑え、長期にわたって安定して運転することができる熱搬送システムを提供することである。

本発明者は、摩擦低減効果を有する第四級アンモニウム塩系界面活性剤水溶液を熱搬送媒体に使用する場合に、この水溶液中にシリコーンエマルジョン系消泡剤を添加すると、水溶液中の界面活性剤が開放系循環配管においてもほとんど発泡せず、摩擦低減効果を持続させることができ、前記目的が達成できることを見出した。

本発明の請求項１に記載の熱搬送媒体は、受熱側システム、放熱側システム、これらを接続する往きライン及び戻りラインを通して循環される熱搬送媒体であって、第四級アンモニウム塩系界面活性剤と、グリコール及びアルコールから選ばれた少なくとも１種類以上の不凍剤と、シリコーンエマルジョン系消泡剤とが、水性液体に添加されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体では、前記消泡剤の濃度が８〜３００ｐｐｍであることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に記載の熱搬送媒体システムは、請求項１又は２に記載された熱搬送媒体を用いることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の熱搬送媒体によれば、熱搬送媒体に第四級アンモニウム塩系界面活性剤及びシリコーンエマルジョン系消泡剤が添加されているので、摩擦低減効果を維持維持しながら発泡現象の発生を著しく抑えることができる。低温度条件下においても凍結なく使用可能な不凍剤を含んだ水性液体に摩擦低減効果を有する界面活性剤が添加された熱搬送媒体を使用する場合、界面活性剤水溶液に気液界面で激しい刺激が加えられると泡が発生するが、この熱搬送媒体にシリコーンエマルジョン系消泡剤を加えることにより発泡を抑えることができる。これは、消泡剤が泡膜に付着し、そして泡膜に進入し、その後泡膜を拡張することで、泡膜を破泡させるためである（所謂、Ｒｏｓｓ説として知られている）。これにより、水溶液中（液相中）の界面活性剤の発泡が抑制され、発泡による摩擦低減効果の低下が防止できる。界面活性剤水溶液の発泡現象は開放系循環配管において発生するので、特に、開放系循環配管を備えた熱搬送システムにこの熱搬送媒体を用いることによって、充分な効果を得ることができるが、密閉系循環配管を備えた熱搬送システムにも用いることができる。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体よれば、シリコーンエマルジョン系消泡剤の濃度が８〜３００ｐｐｍであるので、熱搬送媒体の泡の発生を充分に効果的に抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の熱搬送システムによれば、上述した熱搬送媒体を用いるので、開放系循環配管に用いた場合においても、熱搬送媒体に泡の発生がほとんどなく、所望の摩擦低減効果が長期にわたって維持される。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システムについて説明する。図１は、本発明に従う熱搬送媒体を用いる熱搬送システムの一例を示す概略図である。

図１において、図示の熱搬送システムは、熱搬送媒体に熱（冷熱及び／又は温熱）を与える受熱側システム２と、熱搬送媒体の熱を放熱する放熱側システム４とを備えている。受熱側システム２は、例えば、冷温水機、発電用エンジンの冷却用熱交換器、ゴミ焼却炉の排熱回収機などであり、また放熱側システム４は、例えば、ビルの空調システムなどである。

受熱側システム２と放熱側システム４とは往きライン６及び戻りライン８を介して接続され、往きライン６及び戻りライン８は、受熱側システム２及び放熱側システム４を通して後述する熱搬送媒体を循環する循環配管を構成する。

この熱搬送システムでは、往きライン６に循環ポンプ１０が配設され、戻りライン８に流量計１２が配設されている。循環ポンプ１０は熱搬送媒体を循環配管を通して循環し、受熱側システム２にて熱を受けた熱搬送媒体は往きライン６を通して放熱側システム４に送給され、この放熱側システム４にて放熱され、放熱後の熱搬送媒体が戻りライン８を通して受熱側システム２に戻り、このようにして熱搬送媒体が循環される。流量計１２は、例えば電磁流量計から構成され、戻りライン８を流れる熱搬送媒体の流量を計測する。

熱搬送媒体は、このような熱搬送システムに適用され、その循環配管内に充填して使用される。この熱搬送システムにおいては、放熱側システム４、例えば空調システムのクーリングタワーが開放系機器であり、このような開放系循環ライン（循環配管）を備えたシステムに好都合に適用することができる。

この熱搬送媒体では、熱（冷温熱）媒体である水に界面活性剤及び不凍液が添加されているとともに、開放系循環ラインで特に問題となる発泡現象を抑えるための消泡剤が加えられている。

熱搬送媒体に含まれる界面活性剤は、第四級アンモニウム塩系界面活性剤が用いられ、この第四級アンモニウム塩系界面活性剤としては、例えば、セチルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ステアリルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ドデシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘキシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘプチルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルヒドロキシエチルジメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物などがある。この界面活性剤の濃度は、少ないと摩擦低減効果が発現せず、また多すぎても摩擦低減効果はある一定の値以上には増加しないので、経済的に無駄である。このようなことから、その濃度は、３００〜４０００ｐｐｍであるのが好ましく、特に５００〜２５００ｐｐｍであるのがより好ましい。

熱搬送媒体に加えられる消泡剤は、シリコーンエマルジョン系化合物から選ばれた少なくとも１種類以上の化合物が用いられる。第四級アンモニウム塩系界面活性剤とシリコーンエマルジョン系化合物とを組み合わせて用いることによって、摩擦低減効果を維持しながら消泡効果を得ることができ、熱搬送システムの熱搬送媒体として好適なものとなる。このシリコーンエマルジョン系化合物としては、例えば、ジメチルシリコーンオイル水分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイル水分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイル水分散エマルジョン、ジメチルシリコーンオイルアルコール分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイルアルコール分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイルアルコール分散エマルジョン、ジメチルシリコーンオイルエーテル分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイルエーテル分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイルエーテル分散エマルジョン、ジメチルシリコーンオイルグリコール分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイルグリコール分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイルグリコール分散エマルジョン、ジメチルシリコーンオイルアルカン分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイルアルカン分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイルアルカン分散エマルジョン、ジメチルシリコーンオイルアルケン分散エマルジョン、メチルフェニルシリコーンオイルアルケン分散エマルジョン、ポリオキシアルキレン系シリコーンオイルアルケン分散エマルジョンなどである。上記シリコーンエマルジョン系化合物は、他の消泡剤（例えば、金属石鹸系、シリコーンコンパウンド系、オイル系等）と比較して、本発明のような水性液体を含む熱搬送媒体に極めて良く溶解するので、取扱いも容易である。消泡剤の濃度に関しては、少ないと消泡効果が少なく、また多すぎると特に消泡効果は変わらないが、界面活性剤の摩擦低減効果を阻害してしまう。このようなことから、その濃度は５〜１０００ｐｐｍであるのが好ましく、８〜５００ｐｐｍであるのがより好ましく、特に８〜３００ｐｐｍであるのが更に一層好ましい。

また、熱搬送媒体に含まれる不凍剤は、エチレングリコールやプロピレングリコールなどのグリコールやメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールから選ばれた少なくとも１種類以上の化合物が用いられ、プロピレングリコールが特に好ましい。不凍剤の濃度に関しては、濃度が低いと熱搬送媒体の凝固温度が高くなるため、低温への使用可能な温度域が小さくなるため好ましくなく、逆に濃度が大きいと使用温度域がより低温まで拡張できるが、粘性が大きくなるため流動が困難となるため好ましくない。このようなことから、不凍剤の濃度は５〜４０重量％が好ましく、特に７〜３０重量％がより好ましい。

以上、本発明に従う熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システムの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、熱搬送システムとして開放系循環ラインのものに適用して説明したが、密閉系循環ラインのものにも当然に適用することができる。

次に、上述した熱搬送媒体の効果を確認するために、次の通りの試験を行った。
実施例１
実施例１として、熱媒体としての水に、不凍剤としてのプロピレングリコールを３０重量％、界面活性剤（摩擦低減剤）としてのオレイルトリ（ヒドロキシエチル）アンモニウムクロライドとサリチル酸ナトリウムをそれぞれ１０００ｐｐｍ、６００ｐｐｍを添加し、そして消泡剤としてシリコーンエマルジョン系消泡剤（サンノプコ株式会社製、商品名：ダッポーＨ−２０３）を添加し、消泡剤について種々の濃度（１ｐｐｍ、３ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ）に溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を調整した。

実施例２
実施例２として、熱媒体としての水に、不凍剤としてのプロピレングリコールを３０重量％、界面活性剤（摩擦低減剤）としてのオレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムクロライドとサリチル酸ナトリウムをそれぞれ１０００ｐｐｍ、６００ｐｐｍを添加し、そして消泡剤としてシリコーンエマルジョン系消泡剤（サンノプコ株式会社製、商品名：ダッポーＨ−２０３）を添加し、消泡剤について種々の濃度（１ｐｐｍ、３ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ）に溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を調整した。

比較例１
比較例１として、前記実施例１の熱搬送媒体に消泡剤を添加しない以外は全て同じ成分の水溶液を調整した。
比較例２
比較例２として、前記実施例２の熱搬送媒体に消泡剤を添加しない以外は全て同じ成分の水溶液を調整した。

比較例３
比較例３として、前記実施例１の熱搬送媒体において、消泡剤としてシリコーンエマルジョン系消泡剤に代えて金属石鹸系消泡剤（サンノプコ株式会社製、商品名：ノプコＮＸＺ）を用いた以外は全て同じ成分で、金属石鹸系消泡剤について種々の濃度（１ｐｐｍ、３ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ）に溶解させた水溶液を調整した。

（１）摩擦低減効果の評価試験
配管サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管（ＳＧＰ黒管）３０ｍと、片渦巻式ポンプ（三和ハイドロテック株式会社製、形式ＭＰＬ−８５１５）と、電磁流量計（株式会社日立製作所製、形式ＦＭＲ１０４Ｗ−４０）とを用いてループラインを構成した。片渦巻式ポンプの動力は、定格（６０ｋＨｚ）で７．５ｋＷであり、この片渦巻式ポンプをインバータ制御を行うことによりポンプ動力の調整を行った。配管を流れる流量がポンプの定格流量値（２５０ｄｍ^３／ｍｉｎ）で一定になるように、ポンプ動力をインバータ制御し、ポンプ動力削減率を計測して評価した。一般に、ポンプ動力はインバータ周波数の３乗に比例するので、ポンプ動力低減率は、｛１−（インバータ周波数／６０）^３｝×１００で求められる。

実施例１、実施例２、比較例１、比較例２及び比較例３の熱搬送媒体について、上述した摩擦低減効果の評価試験を行った。この評価試験においては、これら熱搬送媒体の温度は３０℃であった。

この摩擦低減効果の評価試験の結果は、表１に示す通りであり、この表１の結果内容を図２に示した。実施例１及び２においては、消泡剤の濃度が１００ｐｐｍまでの範囲ではポンプ動力削減効果はほぼ一定で約３０％の削減効果が得られたが、その濃度が１００ｐｐｍを超える範囲ではポンプ動力削減効果が除々に減少した。これに対して、比較例１及び２においては、ポンプ動力削減効果はそれぞれ約３６％、約３８％であった。また、比較例３においては、消泡剤の濃度が１ｐｐｍであるときには約３０％のポンプ動力削減率が得られたが、その濃度が１ｐｐｍを超えるとポンプ動力削減効果が急激に低減し、ほとんどその効果が得られなかった。

（２）発泡性の評価試験
発泡性の評価試験は、ＪＩＳＫ３３６２−１９９８「合成洗剤試験法」に従って行った。実施例１、実施例２、比較例１、比較例２及び比較例３の熱搬送媒体について、温度２５℃の熱搬送媒体２００ｍｌを９００ｍｍの高さから３０秒間で液面に落下させたときに生じる泡の高さを目視で計測することにより評価した。

この発泡性の評価試験の結果は、表２に示す通りであり、この表２の結果内容を図３に示した。実施例１及び２においては、消泡剤の濃度が１ｐｐｍより少ない範囲では、発泡現象が観察されたが、消泡剤の濃度が１ｐｐｍを超える範囲では、消泡剤の濃度が増加するにつれて発泡の程度が徐々に減少し、１０ｐｐｍ以上の濃度範囲では、発泡現象の発生は観測限界以下であった。比較例３においても、実施例と同様な発泡低減効果が得られた。これに対して、比較例１及び２では大きな発泡現象が観測された。

上述した摩擦低減効果の評価試験及び発泡性の評価試験から、次のことが判明した。シリコーンエマルジョン系消泡剤を用いた実施例１及び２では、ポンプ動力削減効果を維持しつつ、発泡現象を抑制できることが分かった。また、添加する消泡剤の濃度に、好ましい条件があることがこれらの評価試験により見出された。これに対して、金属石鹸消泡剤を用いた比較例３では、発泡性は実施例１及び２の結果とほぼ同じ傾向を示すが、ポンプ動力削減効果については消泡剤の濃度が１ｐｐｍより高くなると、急激にその効果が低減することが観察され、実施例１及び２のようにポンプ動力削減効果を維持しつつ、発泡性を抑制できず、添加する界面活性剤及び消泡剤の組み合わせに適合性があることが分かった。

この熱搬送媒体は、第四級アンモニウム塩系界面活性剤と、グリコール及びアルコールから選ばれた少なくとも１種類以上の不凍剤と、シリコーンエマルジョン系消泡剤とが添加されているので、摩擦低減効果を維持しながら発泡現象の発生を著しく抑えることができ、長期にわたって摩擦低減効果を維持することができる。また、この熱搬送媒体を用いた熱搬送媒体システムは、開放系循環配管においても、熱搬送媒体に泡の発生がほとんどなく、所望の摩擦低減効果が長期にわたって維持される。

本発明に従う熱搬送媒体が適用される熱搬送システムの一例を示す概略図である。熱搬送媒体に添加される消泡剤の濃度とポンプ動力削減率との関係を示す図である。熱搬送媒体に添加される消泡剤の濃度と発泡度との関係を示す図である。

符号の説明

２受熱側システム
４放熱側システム
６往きライン
８戻りライン
１０循環ポンプ

Claims

受熱側システム、放熱側システム、これらを接続する往きライン及び戻りラインを通して循環される熱搬送媒体であって、第四級アンモニウム塩系界面活性剤と、グリコール及びアルコールから選ばれた少なくとも１種類以上の不凍剤と、シリコーンエマルジョン系消泡剤とが、水性液体に添加されていることを特徴とする熱搬送媒体。
前記消泡剤の濃度が８〜３００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の熱搬送媒体。
請求項１又は２に記載された熱搬送媒体を用いることを特徴とする熱搬送システム。