JP5571418B2 - 熱搬送媒体及びこれを用いた熱搬送システム - Google Patents

Description

本発明は、界面活性剤水溶液を用いて流動摩擦を低減するようにした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においては、熱供給側システムと熱利用側システム（例えば、ビルの空調装置など）との間を熱搬送媒体（例えば、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。
そこで、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、配管を流れるとき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（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。このような方法では、配管内を流動する水に特定の第四級アンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物からなる界面活性剤を数１０〜数１０００ｐｐｍ溶解させると、この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といわれている。

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いる。従って、常に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常に効果の得られる範囲内に保つ必要がある。

しかしながら、界面活性剤の分子は、配管や熱交換器などの機器材料である金属に吸着しやすいという特性を持っている。それ故に、初期に投入した水溶液中の界面活性剤の濃度は、機器材料としての金属への吸着により、経時的に減少する傾向にあり、長期間熱搬送システムを運転すると、溶液中の界面活性剤の濃度が下がり、界面活性剤による摩擦低減効果が低下する。

このように摩擦低減効果が低下した場合、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、摩擦低減効果の低下により圧力損失が増大し、これにより、配管内を流れる界面活性剤水溶液の流量が減少する。このように流量が減少すると、熱（冷熱又は温熱）の搬送能力が低下し、熱利用側システムにおいて熱量不足が生じるおそれがあり、この熱量不足を解消するためには、ポンプ動力を増加しなければならず、その結果、消費エネルギーが増大するという問題が生じる。

このようなことから、常に摩擦低減効果を維持するために、界面活性剤水溶液中の界面活性剤の濃度を所定範囲に保つようにその濃度を制御するように構成することも考えられるが、界面活性剤の濃度を維持するためには、その濃度が低下する度に界面活性剤を添加しなければならず、そのための構成及び制御が複雑になるとともに、システムの運転効率も悪くなる。
本発明の目的は、配管や熱交換器の金属表面に界面活性剤分子が吸着すること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、配管や熱交換器の金属表面への界面活性剤分子の吸着を抑え、これによって、界面活性剤の経時的な濃度低下を少なく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。

本発明者は、摩擦低減効果を有する界面活性剤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被膜剤を添加すると、この金属被膜剤が界面活性剤の金属材料（配管内面、熱交換器の壁面など）への吸着を抑え、これによって、水溶液中の界面活性剤濃度が低下せず、界面活性剤による摩擦低減効果を長期にわたって持続させることができ、上述した目的を達成することが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利用側システムとの間を往き流路及び戻り流路を通して循環される熱搬送媒体であって、金属被膜剤及び界面活性剤が、水性液体に添加されてい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、前記金属被膜剤がエチレンジアミン四酢酸又はエチレンジアミン四酢酸塩であることを特徴とする。

更に、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利用側システムとの間を往き流路及び戻り流路を通して熱搬送媒体を循環する熱搬送システムであって、請求項１又は２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、界面活性剤が添加された水性液体に金属被膜剤が添加されているので、この熱搬送媒体を使用する場合、添加した金属被膜剤が、配管内面や熱交換器の壁面に吸着され、水性液体中の界面活性剤の配管や熱交換器などの金属表面への吸着が抑えられれる。従って、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度が減少することが抑えられ、かくして、界面活性剤による摩擦低減効果の低下を抑え、長期にわたって摩擦低減効果を維持することができる。

この金属被膜剤の働きは、水溶液中に溶解することによってイオンが生成され、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され、この吸着によって、界面活性剤が金属表面に吸着されるサイトを少なくするものと考えられ、金属被膜剤のこのような働きによって、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度の低下を抑制し、摩擦低減効果の経時的な低下を防止することができる。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体によれば、金属被膜剤がエチレンジアミン四酢酸又はエチレンジアミン四酢酸塩であるので、このような金属被膜剤は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され、これによって、水溶液中（液相中）の界面活性剤の濃度の低下を効果的に抑制することができる。

更に、本発明の請求項３に記載の熱搬送媒体によれば、請求項１又は２に記載の熱搬送媒体を用いるので、金属被膜剤の働きによって、界面活性剤の配管や熱交換器などへの吸着を抑制し、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て摩擦低減効果を長期的に維持することができる。

本発明に従う熱搬送システムを簡略的に示す簡略説明図。 熱搬送媒体中の界面活性剤の濃度と摩擦低減率との関係を示す図。 実施例及び比較例におけるポンプ動力削減効果の経時変化を示す図。

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実施形態について説明する。図１は、本発明の熱搬送システムの一実施形態を簡略的に示す簡略図である。

図１において、この熱搬送システムは、例えば、熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側システム２と、熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側システム４と、熱供給側システム２と熱利用側システム４との間で熱搬送媒体を循環させる往き流路６及び戻り流路８とを備え、往き流路６及び戻り流路８は、例えば金属製配管などから構成される。往き流路６にはポンプ１０が配設され、このポンプ１０は、往き流路６及び戻り流路８を通して熱搬送媒体を循環する。また、戻り流路８には電磁流量計１２が配設され、この電磁流量計１２は、戻り流路８を流れる熱搬送媒体の流量を計測する。

熱供給側システム２は、例えば暖房用に用いるときには熱搬送媒体を加熱するボイラなどであり、例えば冷房用に用いるときには熱搬送媒体を冷却するガス吸収冷凍機などであり、また熱利用側システム４はビルの空調装置などであり、熱供給側システム２及び熱利用側システム４は、図示していないが、循環される熱搬送媒体との間を熱交換を行うための熱交換器を含んでいる。

一般的に、このような熱搬送システムに用いられる界面活性剤水溶液では、摩擦低減効果は界面活性剤の濃度によって変動することが知られている。界面活性剤水溶液の一例として、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、水性液体として水（例えば、水道水）を用いた場合、この水溶液中の界面活性剤の濃度（ｐｐｍ）と摩擦低減率（％）との関係は、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の低減割合を示した値であり、この摩擦低減率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の摩擦低減率を得るために圧力損失を計測したときの計測条件は、使用配管：サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管、熱搬送媒体流速：２ｍ／ｓであった。

図２から明らかなように、界面活性剤の濃度が０〜５００ｐｐｍの範囲では、摩擦低減率は界面活性剤の濃度に比例して増加するが、界面活性剤の濃度が５００ｐｐｍ以上の範囲になると、摩擦低減率はほぼ一定になることが観察された。この結果から、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。
熱搬送媒体に含まれ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、ドデシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘキシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘプ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、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などがある。界面活性剤の濃度は、図２から容易に理解される如く、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加せず、経済的に無駄となり、このようなことから、水性液体に添加される界面活性剤の濃度は、３００〜４０００ｐｐｍが好ましく、５００〜２５００ｐｐｍがより好ましい。

この熱搬送媒体の摩擦低減効果を長期にわたって維持するためには、この水性液体に金属被膜剤を併せて添加することが重要である。熱搬送媒体に加えられる金属被膜剤の種類については、特に制限されるものではないが、エチレンジアミン四酢酸又はエチレンジアミン四酢酸塩などから選ぶことができ、エチレンジアミン四酢酸塩としてはエチレンジアミン四酢酸ナトリウム、エチレンジアミン四酢酸カリウムなどを用いることができる。

この金属被膜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、経済的に無駄であり、このようなことから、その濃度は、２〜２０ｐｐｍであるのが好ましい。

このように界面活性剤及び金属被膜剤を含有する水溶液では、金属被膜剤が水溶液中に溶解することによってイオンが生成され、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され、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されるサイトが少なくなるものと考えられ、金属被膜剤のこのような働きによって、水溶液中（液相中）の界面活性剤の金属表面への吸着が抑制され、その濃度の低下を抑えることができる。

本発明の効果を確認するために、模擬循環装置を製作して次の通りの実験を行った。模擬循環装置のラインは、配管サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管（ＳＧＰ黒管）３０ｍと片渦巻式ポンプ（三和ハイドロテック株式会社製、形式ＭＰＬ−８５１５）及び電磁流量計（株式会社日立製作所製、形式ＦＭＲ１０４Ｗ−４０）で密閉系ループラインを構成した。熱搬送媒体としては、水性液体として水（水道水）を用い、この水性液体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とをモル比１：１．５で混合させた化合物と、そして金属被膜剤としてのエチレンジアミン四酢酸（和光純薬工業株式会社製）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）をつくり、この水溶液を実施例として次の実験を行った。用いたポンプの動力は定格（６０ｋＨｚ）７．５ｋＷであり、このポンプを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。

模擬循環装置を用いた実験では、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、ポンプの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 ・・・（１）
で求められる。この（１）式で算出されるポンプ動力低減率αの経時変化は、図３に示す通りであった。図３における丸印が実施例の結果を示し、その結果は、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ものであり、プロットの近傍にカッコ内で示した数字（ｐｐｍ）は、求めた界面活性剤濃度である。

比較のために、上述した実施例において熱搬送媒体にエチレンジアミン四酢酸を添加しない以外は全て同じ条件の熱搬送媒体をつくり、この水溶液を比較例とし、上述した実施例と同様の評価実験を行った。図３における四角印が比較例の結果を示し、プロットの近傍にカッコ内で示した数字（ｐｐｍ）は、液体クロマトグラフィーにて求めた界面活性剤濃度である。

図３から明らかなように、実施例では５０日経過後もポンプ動力削減率及び界面活性剤濃度は初期の値といずれも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濃度も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金属被膜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の低下を抑え、それに対応して、ポンプ動力削減効果も安定して維持することができる。

２ 熱供給側システム
４ 熱利用側システム
６ 往き流路
８ 戻り流路
１０ ポンプ

Claims (3)

1. 熱供給側システムと熱利用側システムとの間を往き流路及び戻り流路を通して循環される熱搬送媒体であって、
   （Ａ）エチレンジアミン四酢酸又はエチレンジアミン四酢酸塩からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属被膜剤、
   及び、
   （Ｂ）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、ドデシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘキシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘプ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、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、及び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からなる群から選ばれた少なくとも１種
   が、水性液体に添加されていることを特徴とする熱搬送媒体。
2. 前記（Ａ）の濃度が２〜２０ｐｐｍであり、前記（Ｂ）の濃度が３００〜４０００ｐｐｍである請求項１に記載の熱搬送媒体。
3. 熱供給側システムと熱利用側システムとの間を往き流路及び戻り流路を通して熱搬送媒体を循環する熱搬送システムであって、請求項１又は２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。
   

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