JP2012201781A

JP2012201781A - 熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システム

Info

Publication number: JP2012201781A
Application number: JP2011067106A
Authority: JP
Inventors: Akira Kishimoto; 章岸本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP5706728B2

Abstract

【課題】配管などへの界面活性剤分子の吸着を抑え、界面活性剤の濃度低下を抑えることができる熱搬送媒体を提供する。
【解決手段】熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がカチオン系化合物であることを特徴とする熱搬送媒体。熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がジアミド化合物であることを特徴とする熱搬送媒体。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱供給側システムから熱需要側システムに熱を搬送するために用い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などでは、熱供給（熱発生）側から熱需要（熱利用）側まで熱を移動させるために熱搬送システムが用いられている。この熱搬送システムでは、熱を搬送するための媒体として水を用いる場合が多く、この場合、熱供給側システムと熱需要側システムとの間を水を循環させるために配管が用いられる。このような熱搬送システムにおける配管の長さは、数ｋｍ以上になり、その水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、この水の搬送動力を低減させる（換言すると、水の流動摩擦損失を低減する）ための有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用い、配管内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（特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。

この粘弾性を示す界面活性剤による流動摩擦抵抗の低減効果は、以下に起因するといわれている。即ち、配管内を流動する水に界面活性剤を数１００〜数１０００ｐｐｍの濃度で溶解させると、界面活性剤が水中で疎水基部を中心にして外周に親水基部を配置してミセル（所謂、会合体）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よるものである。

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

このような流動摩擦抵抗の低減効果を示す界面活性剤の濃度には、特定の範囲があることが知られており、常に所望の摩擦低減効果を得るためには、配管内の界面活性剤の濃度を所定の濃度範囲に保つ必要がある。

しかしながら、界面活性剤の分子は、金属に吸着し易いという特性を有しており、それ故に、水溶液中の界面活性剤は、配管や熱交換器などの機器材料の表面に吸着し易く、初期に投入した水溶液中の界面活性剤の濃度は、配管などの金属表面への吸着により、経時的に減少する傾向にある。従って、熱搬送システムを運転すると、水溶液中の界面活性剤の濃度は、運転時間の経過とともに下がり、これによって、界面活性剤による流動摩擦抵抗の低減効果が低下する。

このように摩擦低減効果が低下すると、界面活性剤水溶液を搬送するポンプの動力が一定であるとすると摩擦低減効果の減少により圧力損失が増大し、その結果、配管内を流れる界面活性剤水溶液の流量が減少する。この流量減少が生じると、熱需要側（熱利用側）において熱量不足が起こるために、ポンプの動力を増加しなければならない。また、摩擦低減効果を維持しながら熱搬送システムを省エネルギー運転するためには、界面活性剤の濃度が低下する毎に界面活性剤を添加しなければならず、この界面活性剤の添加に手間がかかり、運転効率も悪くなる。

本発明の目的は、配管などへの界面活性剤分子の吸着を抑え、界面活性剤の濃度低下を抑えることができる熱搬送媒体を提供することである。

また、本発明の他の目的は、配管、熱交換器などへの界面活性剤分子の吸着を抑え、長期にわたって摩擦低減効果を維持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。

本発明者らは、摩擦低減効果を有する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に使用する場合に、この水溶液中にある種の金属吸着剤を添加すると、水溶液中の界面活性剤濃度が減少せず、摩擦低減効果を長期にわたり持続させることができ、上述の目的が達成できることを見出した。
即ち、本発明は、下記に示すとおりの熱搬送媒体及び熱搬送システムを提供するものである。

本発明の請求項１に記載の熱搬送媒体は、熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、
界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がカチオン系化合物であ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、前記カチオン系化合物がポリジアリルジメチルアンモニウム塩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は、熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、
界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がジアミド化合物であることを特徴とする。

更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムは、請求項１〜４のいずれかに記載の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、水溶液中に摩擦低減効果を有する界面活性剤及び金属吸着剤が添加され、金属吸着剤としてカチオン系化合物が用いられているので、このカチオン系化合物によって、界面活性剤の濃度低下を抑えて摩擦低減効果の減少を抑制することができる。

一般的に、界面活性剤が添加された熱搬送媒体を使用する場合、界面活性剤が、流路を構成する配管や熱交換器などの金属表面へ吸着し、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度が減少し、これによって、界面活性剤の摩擦低減効果が減少してしまう現象が生じる。そこで、このような現象を防止するために、界面活性剤を含む水溶液に、金属吸着剤としてカチオン系化合物を添加するものである。このようにカチオン系化合物を溶解すると、水溶液中にイオンが生成され、この生成されたイオンが界面活性剤よりも優先的に配管や熱交換器などの金属表面に吸着し、このイオンの吸着によって、界面活性剤が金属表面に吸着するサイトが少なくするものと考えられる。その結果、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度低下が抑制され、界面活性剤による摩擦低減効果が長期にわたって維持することができる。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体によれば、カチオン系化合物がポリジアリルジメチルアンモニウム塩であるので、水溶液中に添加したときに発生するイオンが優先的に配管や熱交換器の金属表面に吸着し、これによって、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度低下を効果的に抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の熱搬送媒体によれば、水溶液中に摩擦低減効果を有する界面活性剤及び金属吸着剤が添加され、金属吸着剤としてジアミド化合物が用いられているので、このジアミド化合物によって、界面活性剤の濃度低下を抑えて摩擦低減効果の減少を抑制することができる。

更に、本発明の請求項４に記載の熱搬送システムによれば、請求項１〜４のいずれかに記載の熱搬送媒体を用いるので、配管、熱交換器などへの界面活性剤分子の吸着を抑え、これによって、界面活性剤の濃度低下を抑えて長期にわたって摩擦低減効果を維持することができる。

本発明に従う熱搬送システムの一実施形態を示す簡略図。界面活性剤の濃度と摩擦低減率との関係を示す図。経過時間に伴うポンプ動力低減率の変化を示す図。

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の一実施形態について説明する。図１において、
について説明する。図１において、この熱搬送システムは、熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側システム２と、熱搬送媒体の熱を消費する熱需要側システム４とを備え、この熱供給側システム２と熱需要側システム４とは、往き流路６及び戻り流路８を介して接続されている。これら往き流路６及び戻り流路８は、流路配管から構成され、往き流路６には、熱搬送媒体を送給するための循環ポンプ１０が配設され、戻り流路８には、戻り流路８を通して流れる熱搬送媒体の流量を計測するための電磁流量計１２が配設されている。

このような熱搬送システムでは、循環ポンプ１０の作用によって、熱搬送媒体が往き流路６及び戻り流路８を通して矢印で示すように循環され、熱供給側システム２において供給された熱（温熱又は冷熱）は、熱搬送媒体の流れによって熱需要側システム４に送給され、この熱需要側システム４において消費される。そして、熱が使われた熱搬送媒体は、戻り流路８を通して熱供給側システム２に戻され、このようにして熱搬送媒体が往き流路６及び戻り流路８を通して循環され、熱供給側システム２において供給された熱が熱需要側システム４に供給される。

この熱搬送システムにおける熱供給側システム２の具体例としては、例えば、ガス吸収式冷温水機、油吸収式冷温水機、ターボ冷凍機、ボイラなどであり、また熱需要側システム４の具体例としては、例えば、エアーハンドリングユニットやファインコイルユニットなどの空気調和装置、ファンコンベクタや床暖房装置などの暖房装置、プレート式熱交換器などの熱交換ユニットなどである。

このような熱搬送システムに用いられる熱搬送媒体は、水性液体（具体的には、水）に摩擦低減効果を有する界面活性剤が添加される。この界面活性剤による摩擦低減効果は、一般的に、添加する界面活性剤の濃度によって変化することが知られている。その一例として、界面活性剤として、ステアリルトリ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１：１．５のモル比で混合させたものを使用し、その水溶液中の界面活性剤の濃度と摩擦低減率の関係を示すと、図２に示す通りとなる。図２における摩擦低減率とは、同じ直管配管内を同じ流速条件下で、界面活性剤が添加されてない場合に計測した圧力損失値に対する界面活性剤を添加した場合に計測した圧力損失値における摩擦低減割合（％）であり、この値が大きいほど摩擦低減効果が大きいことを示す。

図２における圧力損失計測条件は、使用配管：サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管、熱搬送媒体の流速：２ｍ／ｓである。この図２から明らかなように、界面活性剤の濃度が０〜５００ｐｐｍまでは、摩擦低減率は比例的に増加するが、界面活性剤の濃度が５００ｐｐｍ以上になると、摩擦低減率はほぼ一定になることが観察された。このことから、所望の摩擦低減効果を発現させるためには、界面活性剤の濃度を５００ｐｐｍ以上に維持する必要があることが分かる。
この熱搬送媒体に添加する界面活性剤の種類については、特に制限されるものではなく、例えば、セチルトリメチルアンモニウム塩、ステアリルトリメチルアンモニウム塩、ドデシルトリメチルアンモニウム塩、ヘキシルトリメチルアンモニウム塩、ヘプチルトリメチルアンモニウム塩、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウム塩、オレイルヒドロキシエチルジメチルアンモニウム塩、オレイルトリヒドロキシエチルアンモニウム塩などがあり、これらとサリチル酸塩の混合物などでもよい。この界面活性剤の濃度は、図２に示す通り、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えず、経済的に無駄となり、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、５００〜２５００ｐｐｍであるのがより好ましい。

界面活性剤を含む熱搬送媒体に添加される金属吸着剤としては、カチオン系化合物又はジアミド化合物を用いることができる。ジアミド化合物としては、例えば、１，５-ジアミノペンタン二塩酸塩、１，５-ジアミノペンタン硫酸塩、１，５-ジアミノペンタン二硝酸塩などから選ぶことができる。また、カチオン系化合物としては、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、ポリジアリルジメチルアンモニウムブロマイドなどから選ぶことができる。界面活性剤を含む水溶液に上述した金属吸着剤を添加すると、金属吸着剤によるイオンが生成され、この生成されたイオンが界面活性剤よりも優先的に配管や熱交換器などの金属表面に吸着し、その結果、水溶液中の界面活性剤の濃度低下が抑制されると考えられる。

金属吸着剤の濃度に関しては、少ないと配管や熱交換器などの金属表面への吸着量が少なく、界面活性剤の金属表面への吸着を抑制する効果（水溶液中の濃度減少を抑制する効果）が低くなり、また多すぎると特に界面活性剤の金属表面への吸着を抑制する効果（水溶液中の濃度減少を抑制する効果）は変わらないが、経済的に無駄となり、このようなことから、添加する金属吸着剤の濃度は、２〜２０ｐｐｍであるのが好ましい。

界面活性剤及び金属吸着剤を添加した水溶液（熱搬送媒体）には、更に、必要に応じて、配管の腐食を防止するための腐食防止用添加剤、水溶液の凍結を防止するための凍結防止用不凍液などを配合するようにしてもよい。これらの添加剤、不凍液などとしては、従来から用いられている成分のものを用いればよく、配合量も従来と同様でよい。

上述した熱搬送媒体では、界面活性剤に加えて金属吸着剤が添加されているので、金属吸着剤によるイオンが界面活性剤よりも優先的に配管や熱交換器などの金属表面に吸着し、これによって、水溶液中の界面活性剤の濃度低下が抑制され、その結果、長期にわたって所望の摩擦低減効果を維持することができる。

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一実施形態について説明したが、本発明はかかる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更乃至修正が可能である。

本発明の効果を確認するために、次の通りの模擬循環ラインにて実験を行った。模擬循環ラインは、配管サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管（ＳＧＰ黒管）を用いた長さ３０ｍの密閉系ループラインで、このループラインに片渦巻式ポンプ（三和ハイドロテック株式会社製、型式：ＭＰＬ−８５１５）及び電磁流量計（株式会社日立製作所社製、型式：ＦＭＲ１０４Ｗ−４０）を配設し、電磁流量計で模擬循環ラインを流れる熱搬送媒体の流量を計測した。

実施例１の熱搬送媒体として、水性液体としての水に、プロピレングリコールと、界面活性剤（摩擦低減剤）としてのステアリルトリ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モル比１：１．５で混合させた混合物と、そして金属吸着剤としてジアミド化合物である１，５-ジアミノペンタン二塩酸塩とをそれぞれ、１０重量％、５００ｐｐｍ、１０ｐｐｍの濃度で溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を用いた。片渦巻きポンプの動力は定格（６０ｋＨｚ）では７．５ｋＷであり、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。
まず、３０℃の摩擦抵抗低減水溶液の流量を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（α）は、
ポンプ動力低減率（α）＝｛１−（インバータ周波数／６０）^３｝×１００
で求められる。実施例１の熱搬送媒体を用いたときのポンプ動力低減率の経時変化は、図３において白丸印で示す通りであった。図３には、摩擦低減剤水溶液をサンプリングし、そのサンプリング液中の界面活性剤の濃度を液体クロマトグラフィーにて求めた結果もプロットの近傍にカッコ内で示した。

実施例２として、金属吸着剤としての１，５-ジアミノペンタン二塩酸塩に代えて、カチオン系化合物であるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドを用いた以外は全て実施例１と同じ条件のものを用い、実施例１と同じ条件でポンプ動力低減率を求めた。

実施例２の熱搬送媒体を用いたときのポンプ動力低減率の経時変化は、図３において黒三角印で示す通りであった。実施例２についても、同様に、摩擦低減剤水溶液をサンプリングし、そのサンプリング液中の界面活性剤の濃度を液体クロマトグラフィーにて求めた結果もカッコ内で示した。

比較例として、熱搬送媒体に金属吸着剤を添加しない以外は全て同じ条件のものを用い、実施例１と同様のポンプ動力低減率を求めた。比較例の熱搬送媒体を用いたときのポンプ動力低減率の経時変化は、図３において白黒三角印で示す通りであった。実施例２についても、同様に、摩擦低減剤水溶液をサンプリングし、そのサンプリング液中の界面活性剤の濃度を液体クロマトグラフィーにて求めた結果もカッコ内で示した。

図３から理解されるように、実施例１及び２では１００日経過後もポンプ動力削減率及び界面活性剤の濃度は初期の値といずれもほぼ同じであるのに対し、比較例では、１０日経過の段階で、ポンプ動力削減率が急激に低下し、それに対応して界面活性剤の濃度も急激に低下することが分かった。

以上の結果から分かるように、界面活性剤添加系熱搬送媒体に特定の金属吸着剤を添加することによって、水溶液中（液相中）に存在し、摩擦低減効果に寄与する界面活性剤の濃度を一定に保つことができ、それに対応してポンプ動力削減効果も一定に維持することがきることが分かった。

２熱供給側システム
４熱需要側システム
６往き流路
８戻り流路
１０循環ポンプ

Claims

熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、
界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がカチオン系化合物であることを特徴とする熱搬送媒体。
前記カチオン系化合物がポリジアリルジメチルアンモニウム塩であることを特徴とする請求項１記載の熱搬送媒体。
熱供給側システムと熱需要側システムとの間を循環して熱を搬送する熱搬送媒体であって、
界面活性剤及び金属吸着剤が水性液体に添加され、前記金属吸着剤がジアミド化合物であることを特徴とする熱搬送媒体。
請求項１〜３のいずれかに記載の熱搬送媒体を用いることを特徴とする熱搬送システム。