繊維質系流動抵抗軽減剤添加水の直管内流動抵抗および熱伝達特性

Some kinds of surfactants are useful to reduce flow drag in a turbulent pipe flow by Toms effect. However, it needs a lot of cost to make these surfactant harmless material to the environment. On the other hand, the fibrous substance such as pulp fibers and cellulose are harmless additives to the environment. This paper has dealt with the flow drag reduction and heat transfer characteristics of the water suspension flow mixed with fine fibers in a straight pipe. Measurements of velocity and temperature profile in a circular pipe flow were made in order to examine the flow drag and heat transfer characteristics of the turbulent and laminar flow. The nondimensional equations of pipe flow resistance and heat transfer were derived in terms of various nondimensional parameters.

近年、効率的な熱エネルギーの管内輸送に関して、乱流抑制可能な添加剤を熱輸送媒体に添加することにより、その管内流動抵抗軽減効果を利用する研究開発が注目されている。特に、ある種の鎖状高分子や棒状ミセル構造を有する界面活性剤の微量添加水溶液は、管内流動抵抗を著しく減少させる。この現象をトムズ効果と呼び、多くの研究がなされている。現在も盛んにおこなわれているトムズ効果に関する研究は、例えば、富田によるポリエチレンオキサイド添加水溶液の流動抵抗および陽イオン性界面活性剤（塩化セチルトリメチルアンモニウムや、塩化オレイルビスヒドロキシメチルアンモニウム）添加水溶液の熱媒輸送系に関する研究などがある。さらに、Park らも塩化セチルトリメチルアンモニウムを用いた乱流構造に関する研究を行い、界面活性剤による乱流エネルギーの散逸効果を詳細な速度分布測定により明らかにしている。Fossa らは、高分子を用いた流動抵抗と熱伝達の実験を行った。筆者らも、前報において、棒状高分子（ポリエチレングリコール）や陽イオン性界面活性剤（臭化セチルトリメチルアンモニウム、そして塩化ドデシルトリメチルアンモニウム）を添加した水溶液の流動抵抗や熱伝達特性、管内速度分布に関する測定を行い、一般性のある無次元整理式の提案を行った。その結果、低温熱エネルギー輸送媒体として、界面活性剤添加水溶液を利用することで、流動ポンプ動力の低減、流量増加による装置全体の小型化や低コスト化、熱損失の低減効果などが可能であることを定量的に明らかにした。しかしながら、界面活性剤添加水溶液を実際に熱媒体として利用するには、様々な問題点が指摘されている。特に、界面活性剤添加水溶液の廃棄による周囲環境への汚染は深刻な問題となる。このため、活性炭などの投与による界面活性剤の吸着除去法などの対応策が提案されている。基本的には、界面活性剤添加水溶液と同じ流動抵抗軽減効果を有し、かつ環境負荷の少ない添加剤の使用が好ましい。従来の研究より、界面活性剤や鎖状高分子以外に流動抵抗軽減効果を示す添加剤として、ファイバあるいは石綿などの微細繊維、微細固体粒子の存在が報告されており、微細繊維懸濁液については加藤らやDaily らが、微細固体粒子懸濁液については渡辺らによる研究報告がある。しかしながら、これらの懸濁液の流動抵抗や熱伝達特性にわたる広範囲な機構を詳細に検討した研究報告は少ないようである。本研究では、界面活性剤以外のもので、その水溶液が流動抵抗軽減効果を示し、かつ環境負荷の少ない添加剤として繊維質添加剤を選定し、熱エネルギー輸送媒体としての管内流動抵抗及び熱伝達性の測定検討を行った。さらに、管内速度分布および管内温度分布の測定から、流動抵抗と熱伝達特性のメカニズムの解明を試みている。最終的には、環境負荷の少ない繊維質系添加剤添加水溶液による熱エネルギー輸送に関する基礎資料の提供を行った。

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