JP4508450B2

JP4508450B2 - 伝熱管及び熱搬送システム

Info

Publication number: JP4508450B2
Application number: JP2001084372A
Authority: JP
Inventors: 隆敬嘉数; 勝久徳満; 章岸本; 洋基薄井; 均菅原; 誠山内; 善雄五町; 一小野島
Original assignee: Lion Corp; Obayashi Corp; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Lion Corp; Obayashi Corp; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002277189A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷熱および温熱を水の顕熱により搬送するシステムにおいて、界面活性剤を水に添加することにより流動摩擦を低減させる方法に際し、熱交換器内で摩擦低減と同時に発現する伝熱性能低下を防止する熱交換器用伝熱管およびそれを用いた熱搬送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、地域冷暖房システムにおいて、熱供給側プラントから熱利用側のビルまで熱搬送媒体である水を循環させるための配管の長さは数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。
【０００３】
最近、この水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、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。
【０００４】
これは、配管内を流動する水に特定の陽イオン性界面活性剤とサリチル酸ナトリウムをそれぞれ数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（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起因するといわれている。
【０００５】
このような特性を示す界面活性剤および水搬送配管内の摩擦抵抗低減方法として、例えば特公平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公報等に記載された方法がある。
【０００６】
しかしながら、これらの水溶液の特性として、流動摩擦抵抗の減少と同時に伝熱特性も低下することが知られている。つまり、これらの水溶液を地域冷暖房やビル空調等の熱搬送システムに利用することを考えた場合、確かに流動摩擦抵抗は減少し、それにともなって搬送動力も削減され、省エネルギー型熱搬送システムが構築されると考えられるが、その一方で、熱供給側プラントと熱利用側空調機内にそれぞれ設置されている熱交換器における伝熱性能が低下してしまうことになる。従って、従来の水または配管等機器材料の腐食を防止する添加物を溶解した水溶液を熱搬送媒体として用いたシステムと比較して、熱供給側プラントおよび熱利用側熱交換器の伝熱部分の面積を大きくする必要が生じることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、粘弾性界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として使用した時に、熱交換器部の伝熱部分の面積を従来の水系熱搬送媒体を用いるシステムと同じにしながら、従来の水系熱搬送媒体を用いる場合に比べて熱交換器部における伝熱特性が低下しない伝熱管およびそれを用いた熱搬送システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、粘弾性界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いる搬送動力削減型熱搬送システムにおいて、熱供給側プラント内で熱搬送媒体に熱を伝達させる（熱搬送媒体を加熱または冷却する）熱交換器と、熱利用側プラント内で熱搬送媒体から熱を伝達させる（熱搬送媒体を加熱または冷却する）熱交換器に関し、それらの熱交換器で使用されている伝熱管に、熱搬送媒体が流動する管内部の中心軸に沿って、管内面に密着する円筒状の充填物を伝熱管の上流部の一部に挿入することにより、上記目的が達成されることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、下記に示すとおりの伝熱管およびそれを用いた熱搬送システムを提供するものである。
項１．界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いる熱交換器の伝熱管であって、前記熱搬送媒体が流動する管内部の中心軸に沿って、管内面に密着する円筒状の充填物を伝熱管の上流部の一部に挿入した伝熱管。
項２．界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いる熱搬送システムであって、前記熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側プラントと、前記熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側プラントと、前記熱供給側プラントと前記熱利用側プラントとの問で前記熱搬送媒体を循環させる配管とを備え、前記熱供給側プラント及び前記熱利用側プラントの少なくとも一方は、項1に記載の伝熱管を有する熱交換器を備えた熱搬送システム。
項３．項２記載の界面活性剤が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であることを特徴とする項２の熱搬送システム。
【００１０】
【発明の実施の形態】
粘弾性界面活性剤水溶液の伝熱性能は、伝熱管内部の加工形状により大きく変化する。そして、粘弾性界面活性剤水溶液が流動する伝熱管内部の中心軸に沿って、管内面に密着する円筒状の充填物を伝熱管の上流部の一部に挿入した場合には、例えば地域冷暖房システムの熱供給側プラントで実際に使用されている冷凍機の伝熱管のような、配管口径（内径）１０〜２０ｍｍの範囲内で、実際に使用される流速範囲域である１〜２ｍ／ｓで、従来型の水搬送時と同じ伝熱性能（熱伝達率）を提供することができる。
【００１１】
このように、伝熱管内部の中心軸に沿って管内面に密着する円筒状の充填物を伝熱管の上流部の一部に挿入した場合には、粘弾性界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いても伝熱性能が低下しないのは、円筒状充填物の空洞部に界面活性剤水溶液が流入する時、界面活性剤水溶液の流路が急激に縮小され、次に円筒状充填物の空洞部から界面活性剤が流出する時、界面活性剤水溶液の流路は急激に拡大されることになるため、界面活性剤水溶液は縮小および拡大流れの強い損失エネルギーを受けて棒状ミセルの高次構造が乱され、円筒充填物通過時および通過後しばらくは粘弾性が消失するためであると考えられる。
【００１２】
本発明の伝熱管における円筒状充填物の内面空洞部の断面形状は、特に限定されるものではないが、例えば円形、四角形、三角形、半円形等が挙げられる。好ましくは、円形等である。
【００１３】
また、円筒状充填物の内面空洞部の断面積についても特に限定されるものではないが、大きいと界面活性剤水溶液に与える縮小・拡大流れの損失エネルギーが小さくなるため効果がなく、逆に小さいとそれ自身が流れの妨げとなってしまうため良くない。よって伝熱管内部の断面積の１０〜９０％であるのが好ましく、１５〜８０％であるのがより好ましく、１８〜７５％であるのが特に好ましい。
【００１４】
さらに、円筒状充填物の長さについても特に限定されるものではないが、短いと界面活性剤水溶液に縮小・拡大流れの損失エネルギーを与える時間が短くなるため効果がなく、逆に長いとコスト的に無駄である。伝熱管の上流側に伝熱管の全長の０．１〜１０％の長さで挿入されているのが好ましく、より好ましくは０．５〜５％の長さであり、特に好ましくは０．７〜２％の長さである。
【００１５】
円筒状充填物の材質は、特に限定されないが、合成樹脂または金属が好ましい。合成樹脂としては、アクリル樹脂、ポリ塩化ピニル、メラミン樹脂、ポリエチレン等が挙げられ、アクリル樹脂、ポリエチレン等が好ましい。金属としては、鉄、銅、金、銀、ステンレス、真ちゅう等が挙げられ、コストの面から鉄、銅、ステンレス等が好ましい。
【００１６】
円筒状充填物は、伝熱管の内部に挿入された状態で固定されている。その固定手段は特に限定されないが、例えば、円筒状充填物の外部と伝熱管の内面を接着剤で密着して固定させればよい。
【００１７】
熱搬送媒体として用いる界面活性剤水溶液に含まれる界面活性剤は特に限定されず、従来用いられているものでよいが、例えば、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、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等が挙げられる。好ましくは、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である。尚、これらの混合物は系内で塩交換を行って、相当する第四級アンモニウムカチオンのサリチル酸塩を生成するものと推測される。
【００１８】
界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度も特に限定されない。前記第四級アンモニウム塩の濃度は５０〜５００００ｐｐｍが好ましく、１００〜３００００ｐｐｍがより好ましく、２００〜１００００ｐｐｍが特に好ましい。サリチル酸塩の濃度は、同時に使用される第四級アンモニウム塩のモル量の０．１〜５倍モル量が好ましく、０．３〜３倍モル量がより好ましく、０．５〜２倍モル量が特に好ましい。
【００１９】
本発明の伝熱管を、地域冷暖房システムやビル空調システムの熱搬送、ゴミ焼却場や工場の排熱の搬送、または、河川水、海水、下水処理水等の温度差エネルギーの搬送に利用した場合には、粘弾性界面活性剤水溶液の流動摩擦抵抗低減により、水搬送動力が削減されるだけでなく、熱供給側プラントおよび熱利用側プラントにおいて、それぞれ、熱搬送媒体に熱を伝達する熱交換器を大型化したり、改良したりする必要がなくなり、従来の水用のもので対応可能となる。
【００２０】
【実施例】
先ず、熱搬送システムに使用される熱交換器の一例として、地域冷暖房システムの熱供給プラント内における冷凍機の構造について説明する。
【００２１】
冷凍機内で発生する冷熱を熱搬送媒体に伝達する部分は一般に蒸発器と呼ばれ、図１に示すようなシェルアンドチューブ型熱交換器で構成されている。図１に示すように、熱交換器１０は、シェル１１、伝熱管１２を備える。シェル内は減圧下に保持され、多数の伝熱管（チューブ）１２が一定方向に平行して設置されている。それぞれの伝熱管１２の内部に熱搬送媒体が連続的に流動する一方で、シェル１１内では、吸収式冷凍機の場合は水が、電動式ターボ冷凍機の場合はフロン液が、それぞれ連続的に噴出され、その液が伝熱管１２の外側をたれ落ちながら蒸発（気化）する。その時の気化熱によって、伝熱管１２内の熱搬送媒体は冷却される。冷却された熱搬送媒体は、ポンプにより配管を通じて、熱利用側に供給され、冷房の冷熱として利用される。
【００２２】
図２は、熱搬送媒体の伝熱特性を評価するための評価装置の構成を示す図である。図２に示すように、１０℃に調整した熱搬送媒体を媒体タンク２１に充填し、ポンプ２２により媒体タンク２１内の熱搬送媒体を配管２３〜２５を介して伝熱特性計測部２６に導入する。伝熱特性計測部２６は、伝熱管１２と、伝熱管１２の周りを覆う円管２７とを備え、円管２７は、ステンレス製の呼び径４０Ａの円管である。伝熱管１２と円管２７とから構成される二重管（二重管熱交換器）の内側、すなわち円管２７と伝熱管１２との間の環状部分には、伝熱管１２の管壁の温度が８℃になるように、約２〜３℃の冷水が常時流入される。この冷水により、伝熱管１２内に流動する１０℃の熱搬送媒体が冷却される。
【００２３】
前記の構成により、本評価装置では、冷却時の伝熱管１２の内側の伝熱特性として熱伝達率を算出する。なお、実際の冷凍機内蒸発器と評価装置では伝熱管内を流動する熱搬送媒体を冷却させる方法が異なるが、それらはいずれも伝熱管の外側に関することであり、この発明で議論する伝熱管の内側を流動する熱搬送媒体の伝熱特性（熱伝達率）には何ら影響はない。
（比較例１）
前述の評価装置の伝熱管として、管内径１４ｍｍの平滑銅管を使用した。熱搬送媒体として、上水を用い、この熱伝達率を計測した。
（実施例１）
前述の評価装置の伝熱管として、管内径１４ｍｍの平滑銅管の内部中心軸に沿って、外径１３．９ｍｍ、内径１０ｍｍのアクリル樹脂製円筒状充填物を管上流部の１％のみに挿入して固定したものを使用した。
【００２４】
伝熱管１２の横断面図を図３に示す。また、伝熱管１２の上流部の長手方向の断面図（縦断面図）を図４に示す。図３および図４において、１３は円筒状充填物を示す。
【００２５】
この伝熱管を装置に設置し、熱搬送媒体として、上水に塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウム５００ｐｐｍとサリチル酸ナトリウムを３００ｐｐｍ添加して、オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムのサリチル酸塩からなる界面活性剤水溶液（ＯＢＨＥと略す。）を用い、この熱伝達率を計測した。
（比較例２）
実施例１において、円筒状充填物を用いない以外は全て同じ条件で、熱搬送媒体の熱伝達率を計測した。
（実施例２）
実施例１において、熱搬送媒体として、上水に塩化オレイルトリヒドロキシエチルアンモニウム５００ｐｐｍとサリチル酸ナトリウムを２７５ｐｐｍ添加して、オレイルトリヒドロキシエチルアンモニウムのサリチル酸塩（ＯＴＨＥと略す。）からなる界面活性剤水溶液を用いる以外は全て同じ条件で、熱搬送媒体の熱伝達率を計測した。
（比較例３）
実施例２において、円筒状充填物を用いない以外は全て同じ条件で、熱搬送媒体の熱伝達率を計測した。
【００２６】
このようにして得られた各伝熱管における上水および界面活性剤水溶液についての熱伝達率を図５に示した。
【００２７】
図５から分かるように、実機での使用流速範囲１〜２m／sで、円筒状充填物を挿入していない伝熱管では、同一の流速において界面活性剤水溶液の熱伝達率は上水のそれより低減している。しかし、円筒状充填物を挿入した伝熱管では、界面活性剤水溶液の熱伝達率は円筒状充填物を挿入していない伝熱管を用いて計測した上水のそれとほぼ同じである。つまり、界面活性剤水溶液を使用しても、この棒状充填物挿入伝熱管内では、上水に対して、伝熱特性の低下を防止できることがわかった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の伝熱管によれば、粘弾性界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として使用した時に、熱交換器部の伝熱部分の面積を従来型と同じにしながら、従来の水系熱搬送媒体を用いる場合に比べて熱交換器部における伝熱特性が低下しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】シェルアンドチューブ型熱交換器の一例を示す槻略図である。
【図２】伝熱管の伝熱特性を評価するための評価装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の伝熱管の一例を示す横断面図である。
【図４】本発明の伝熱管の一例を示す長手方向の断面図（縦断面図）である。
【図５】実施例および比較例における熱伝達率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０・・・熱交換器
１１・・・シェル
１２・・・伝熱管
１３・・・円筒状充填物
２１・・・媒体タンク
２２・・・ポンプ
２３、２４、２５・・・配管
２６・・・伝熱特性計測部
２７・・・円管

Claims

界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いる熱交換器の伝熱管であって、
前記熱搬送媒体が流動する管内部の中心軸に沿って、管内面に密着する円筒状の充填物を伝熱管の上流部の一部に挿入した伝熱管において、該円筒状充填物の内面空洞部の断面形状が円形であり、かつ該円筒状充填物の内面空洞部の断面積が伝熱管内部の断面積の１８〜７５％であり、かつ該円筒状充填物の長さが伝熱管の全長の０．７〜２％である伝熱管。
界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いる熱搬送システムであって、前記熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側プラントと、前記熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側プラントと、前記熱供給側プラントと前記熱利用側プラントとの間で前記熱搬送媒体を循環させる配管とを備え、前記熱供給側プラント及び前記熱利用側プラントの少なくとも一方は、請求項1に記載の伝熱管を有する熱交換器を備えた熱搬送システム。
請求項２記載の界面活性剤が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であることを特徴とする請求項２の熱搬送システム。