【プラント設計の基礎】熱伝達についての基本的な考え方その2:対流熱伝達




以前「プラントエンジニアのお勉強【熱伝達についての基本的な考え方その1:伝導】」の記事で、伝導による熱伝達について説明しました。

その際は熱が固体の金属ブロックを通って高温から低温にどのように流れるかを示しました。

今回は対流熱伝達として知られている別の熱伝達方法に焦点を当てます。

対流熱伝達とは?:自然対流

熱が固体表面表面と移動する流体の間で伝達されると、対流が起こります。伝導と同様に、熱は常により高い温度からより低い温度へと流れます。対流熱伝達には、自然と強制の2種類があります。

自然対流の例としては、晴れた夏の日に道路の路面から上昇する熱気があります。

地面の近くの冷たい空気は、日光により熱せられた路面から熱を奪います。空気が加熱されると、密度が下がり、軽くなります。暖かくて軽い空気が路面から上がり、より冷たい空気が流れ込んできます。

これにより、路面から熱を除去する連続的な自然気流が発生します。実際には、この気流は路面の真上の蜃気楼として見ることができます。

自然対流では、表面とその表面上を移動する流体との間の熱伝達が重要です。熱伝達を計算するためには、表面の面積と表面と流体との間の温度差を考慮する必要があります。

以前の熱伝達の例で見たように、厚さは考えなくても問題ありません。

伝導熱伝達率ではなく、対流熱伝達率で作業する必要があります。自然対流熱流は次のように計算できます。

熱流=(対流熱伝達率)x(熱が流れている面積)x(温度差)

それでは、どのように計算できるか確かめるために路面の上で考えてみましょう。

暑くて晴れた夏の日にどのくらいの熱が大気に移動しているか知りたいとします。まず面積を決めなければなりません、100メートル×100メートルになるように仮定してみます。

これは、100×100、つまり10,000平方メートルの路面です。

路面の表面温度を測定したところ65°Cですが、路面から離れた地面近くの気温は30°Cと低くなります。さて、どれほどの熱が移動したでしょうか?

最初に参考書などで熱伝達率を調べます。水平面上の静止空気の対流熱伝達率は15 (W/m2K)であることがわかります。

「K」は「ケルビン」で測定された温度を表します。これは、摂氏度または「℃」で測定された温度に273.15を加算することによって計算されます。

したがって、計算を実行するためにすべての単位を一致させるには、路面は65°C + 273.15 = 338.15Kの温度になります。冷たい空気の温度は30℃+ 273.15 = 303.15Kです。私たちの方程式は次のようになります。

熱流=(15 W / m 2 K)x(10,000 m 2)x(338.15K – 303.15K)= 5,250,000ワット

結果、大気中の空気が路面から500万ワットを超える割合で熱エネルギーを奪うと計算できました。これで、なぜ周辺の田園地帯と比べて都市部は熱いのかが説明できます。

暗いアスファルト舗装と暗い屋根ふき材料の存在はどんな暗い表面のように太陽から熱を吸収します、そしてこの熱の蓄積は自然の対流の過程を通して周囲の大気に熱をどんどん放出します。

対流熱伝達とは?:強制対流

もう1つの強制型はその名前が示すとおりです。それは流体を動かすのに必要な動力がついている装置を必要とします、すなわちそれは太陽のような自然なエネルギー源に頼る必要がありません。

強制対流の一例で最も身近なものはヘアドライヤーです、それは加熱線の熱を空気に移動させるために小型の送風機がついています。

強制対流のもう1つの例は車のウォーターポンプにあります。このポンプは、水をエンジン内に循環させて、熱を吸収してラジエータのフィンの上を流れる空気に放出します。これはエンジンが過熱するのを防いでくれるのです。

強制対流問題における熱伝達率の計算は、高度な数学や高度な流体力学の概念を含むことで非常に複雑になります。いくつかの問題は非常に複雑で、専用のプログラムの助けを借りて解決することができます。

まとめ

対流熱伝達も熱伝導の基本的な考えの一つです。伝熱関係の勉強というの苦手な人はとても苦手で(僕もそうですが)、いまいち頭の中でイメージできない人も多いと思います。

そんな時は今回の例のように自然現象と絡めて考えてみると理解しやすいと思います。