JP2913007B2 - 摩擦抵抗低減流体用熱交換器 - Google Patents

摩擦抵抗低減流体用熱交換器

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JP2913007B2
JP2913007B2 JP6278321A JP27832194A JP2913007B2 JP 2913007 B2 JP2913007 B2 JP 2913007B2 JP 6278321 A JP6278321 A JP 6278321A JP 27832194 A JP27832194 A JP 27832194A JP 2913007 B2 JP2913007 B2 JP 2913007B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、摩擦抵抗低減流体を
熱媒体として使用する熱交換器に関するものである。こ
のような熱交換器は地域熱供給システム、温熱・冷熱輸
送システム、または温水を熱媒体として用いる化成品、
食品等を製造する工業プロセスに使用される。
【０００２】
【従来の技術】熱交換器においては伝熱面を介して熱交
換する２つの熱媒体と伝熱面との間に摩擦抵抗があるた
めに熱媒体を輸送するポンプ動力が大きくなることは知
られている。例えば、地域暖房のように長いパイプライ
ン中を温水等の熱媒体を輸送する場合に、その熱媒体と
配管との間の摩擦抵抗が大きいためにポンプ動力として
極めて大きなものが必要となっている。この摩擦抵抗の
減少はポンプ動力の削減につながるところから熱媒体と
して摩擦抵抗低減流体（以下ＤＲ流体と称する）を用い
ることが考えられている。ＤＲ流体は界面活性剤を水に
混入したものや水溶性高分子を混入させたものであっ
て、管内摩擦抵抗を１／５程度に低減させることができ
ることが知られている。このように熱輸送においてＤＲ
流体を用いることにより地域暖房システムの運転費の３
０％を占めるポンプ動力費を１／５程度にまで減少させ
られることがわかっている。（Bewesdorff,H.W.,Struct
ure ofTurbulence and Drag Reduction,(1990),293,Spr
inger他）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＤＲ流体にお
いては摩擦抵抗の低減と熱交換器における熱交換性能は
うらはらな関係にあり、摩擦抵抗が減少すると熱交換性
能は悪くなることが一般に知られている。このため、Ｄ
Ｒ流体を用いた摩擦低減技術を地域暖房システムに用い
るためには大型或いは複雑な形状の熱交換器を設置する
必要があり、初期投資がかさむとともに期待ほどのポン
プ動力の削減が実現できないという問題を有している。
【０００４】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、ＤＲ流体の特殊な性質を用いて小さい
流体摩擦を実現するとともに熱交換器における高い熱交
換性能とも両立させることができる熱交換器を提供する
ことを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の摩擦抵抗低減流体用熱交換器は、熱交換を行う
２つの熱媒体のうちの少なくとも一方の熱媒体として摩
擦抵抗低減流体を用いた熱交換器であって、前記摩擦抵
抗低減流体側の伝熱面に凹凸を設け、かつ前記伝熱面を
前記摩擦抵抗低減流体の粘性率が急減少するミセル構造
変態点以上にして熱交換を行うように構成したことを特
徴としている。
【０００６】
【作用】ＤＲ流体用の熱交換器においてＤＲ流体の物性
が温度によって敏感に変化する現象を利用できるように
熱交換器の伝熱面の形状を設計することによりＤＲ流体
の摩擦抵抗低減効果を利用しつつ、熱交換器の伝熱促進
を計ることができる。
【０００７】
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。図１において１は熱交換器の伝熱部
分を模式的に示しており、伝熱部分１では伝熱壁２を境
にして２つの流路３及び４が設けられており、流路３を
流れる熱媒体としてはＤＲ流体７が使用される。ＤＲ流
体は純水中に界面活性剤や水溶性高分子を溶解して摩擦
抵抗を低減させた流体である。このようなＤＲ流体を構
成するための界面活性剤としては、例えばナカライテス
ク社製、塩化ヘキサデシル・トリメチルアンモニウム
（Ｃ19Ｈ42ＮＣｌ別名セチル・トリメチルアンモニウム
・クロライド、略称ＣＴＡＣ）を用いることができる。
このようなＤＲ流体は広く知られていて公知であり、市
販のものを入手することができる。流路４に流れる流体
は水である。流路３側の伝熱面６は凹凸に形成されてい
る。凹凸の形状としては図に示すような波型リブやひれ
状やその他の凹凸形状を選択することができる。
【０００８】このような熱交換器における伝熱の状態は
次の通りである。すなわち、図２に示すように界面活性
剤水溶液ＣＴＡＣからなるＤＲ流体の温度効果は図２に
示す通りである。すなわち図２において縦軸は溶液の粘
性率、横軸は溶液の絶対温度である。ＤＲ流体は温度効
果を有しており、Ｃ点付近から温度を上昇させると、初
めは粘性率が低く水の物性と一致しているが、温度がＢ
点に達すると粘性率が急に増加し、ＤＲ流体はＤＲ効果
を発揮し、同時に熱伝達率は低下する。図中Ａ点の温度
を越えると粘性率が急に減少し、水の物性に一致するこ
とがわかる。これと同時にＤＲ効果が消失する。すなわ
ち、Ｂ以上の温度では、粘性率μａは水に比べて１０倍
程度まで上昇する。温度がさらに上昇すると、μａは徐
々に減少してゆくが、Ａにおいて急激に減少し、再び水
の粘性率に近づく。 温度ＢとＡの間で、水に比べてμａ
の高い領域は、ＤＲ流体のロッド状ミセルが形成されて
いる状態に対応し、Ａは熱運動によってＤＲ流体のミセ
ルの分解が起こる温度（ミセル構造変態点）であると考
えられる。
【０００９】このような温度効果をもつ流体が、熱輸送
システムを流れている場合について、本熱交換器の作用
を以下に説明する。まず、熱輸送システムの長距離配管
において、流れる流体の温度は往還とも図２Ａ点より低
温（例えばＤ，Ｅ点）であるものとする。こうすること
により、熱輸送システムの流動抵抗の大部分を占める長
距離配管における摩擦抵抗は低減するとともに、熱伝達
率が低下することから配管部からの熱の逃げを小さく止
めることができる。
【００１０】次に、熱交換器においては、温度Ｄの流体
が乱流の状態で流入し、伝熱壁面の近傍のみにおいて流
体温度が図２Ａ点より高温となるように条件を選んでお
く。このようにすると、図１の伝熱壁２近くの小範囲、
区間ａからｃにおいて流体はＤＲ効果を失い、摩擦抵抗
が増加するとともに伝熱壁２の壁面近傍の熱伝達率も増
加する。その結果、この部分での熱伝達率は上昇し、図
１中ａからのｃの区間で活発な熱交換が行われる。ま
た、摩擦抵抗の増加と同し機構によって剥離点が下流に
移動する現象が表れるため、ｂｃ間の距離が増加し、交
換熱量はより大きくなる。図１においてａ点は流れの再
付着点、ｂ点は凸部の頂点、ｃ点は流れの剥離点を表
す。一般に区間ａからｃの間で熱伝達率を上昇させると
同時に区間ａからｃの長さを長くすることが有効であ
る。
【００１１】高温となった流体は壁面近傍に限定されて
存在しているため、その分量は大きくない。そのため流
体が熱交換器を出ると混合によって温度が平均化し、全
体の平均温度は図２Ａ点より低温（例えばＥ点）に止ま
るため、再度ＤＲ効果が発生し、管路における摩擦抵抗
は低下する。
【００１２】
【発明の効果】このように、この発明の熱交換器では、
ＤＲ流体の特殊な性質を利用し、かつ伝熱面の凹凸を設
けた特殊な形状を利用して、伝熱面からの受熱中は摩擦
抵抗を大きくして伝熱面との接触範囲を大きくし、かつ
熱伝達率を良くして熱交換率を高め、伝熱面から剥離し
た後はＤＲ流体にＤＲ効果を持たせて摩擦抵抗を小さ
く、これによって小さな流体摩擦と高い熱伝達率を熱交
換ライン全体として両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱交換器の熱交換部の拡大説明図。
【図２】ＤＲ流体の温度効果を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 伝熱部分 ２ 伝熱壁 ３ 流路 ４ 流路 ５ 伝熱面 ６ 伝熱面 ７ ＤＲ流体 ８ 壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F28F 3/04 F28F 13/02 F28F 13/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱交換を行う２つの熱媒体のうちの少な
    くとも一方の熱媒体として摩擦抵抗低減流体を用いた熱
    交換器であって、前記摩擦抵抗低減流体側の伝熱面に凹
    凸を設け、かつ前記伝熱面を前記摩擦抵抗低減流体の粘
    性率が急減少するミセル構造変態点以上にして熱交換を
    行うように構成したことを特徴とする摩擦抵抗低減流体
    用熱交換器。
JP6278321A 1994-10-18 1994-10-18 摩擦抵抗低減流体用熱交換器 Expired - Lifetime JP2913007B2 (ja)

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