界面活性剤添加水溶液の管内流動抵抗軽減と熱伝達

The reduction characteristics of flow resistance and heat transfer of water solution flow with the surfactant (Cetyltrimethyl-ammonium Bromide) in tubes were investigated experimentally. The flow resistance and heat transfer of Water solution flow with the surfactant were markedly reduced as compared with those of pure water flow. Useful nondimensional correlative equations of flow resistance and heat transfer were derived in terms of various non-dimensional parameters.

近年、熱エネルギーの効率的な管内輸送手段として、温冷水にある種の鎖状高分子や界面活性剤を添加し、その管内圧力損失の低減効果（トムズ効果）を利用する試みが注目されている。トムズ効果は、数～数十ppm程度の鎖状高分子や界面活性剤を水に添加することにより、管内流動抵抗軽減効果を意味し、管内輸送において、摩擦損失の減少による流量増加やポンプ動力の減少が期待できる。このトムズ効果のメカニズムは、添加した鎖状高分子が糸巻き状（ランダムコイル状）となって流体中に混合し、そのランダムコイルが乱流渦の発生や発達を抑止することとされている。一方、ある種の界面活性剤は、その添加濃度を増大すると棒状のミセル構造を形成し、鎖状高分子のランダムコイルと同じ働きをすると言われている。トムズ効果を期待できる界面活性剤として、カチオン系界面活性剤である臭化セチルトリメチルアンモニウム（略して、CTAB：分子量364.46、図1参照）を添加した水溶液の場合には、高分子系のものと比較して、せん断力による劣化が少なく、循環系への利用に適していると考えられる。しかしながら、（CTAB）水溶液のような界面活性剤を添加した場合には、トムズ効果が有効に作用するには、ミセル構造の形成に関係する温度範囲が存在し、その使用条件が限られる。また、一般に非ニュートン流体であるため、その特性の解明には困難さを伴うものである。本研究は、高分子水溶液としてポリエチレングリコール（略して、PEG：平均分子量約200万）、そして界面活性剤水溶液としてCTABを使用し、両水溶液の粘性特性を明らかにした後、PEG水溶液のの管摩擦係数や熱伝達率に影響を及ぼす諸因子の効果を実測し、この種の界面活性剤の流動抵抗軽減および熱伝達特性を解明するものである。

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