【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1:伝導




熱が真空、気体、液体、固体の中をどのように移動するかの学問である熱伝達について説明します。

熱伝達を理解することは、断熱材を設計するときに重要です。断熱材は、パイプ、ボイラー、蒸気タービンなどの物の中に熱を蓄えておくことでエネルギーを節約するためです。

反対に、熱伝達の概念は、過熱を防ぐために、自動車のエンジンや電気機器などの余分な熱をどのように消散させるかを決定するためにも使用できます。

基本的な考え方=熱は高いほうから低いほうへ移動する

最も基本的な考えは、熱は常により高い温度の場所からより低い温度の場所へ移動するので熱移動が起こります。温度が平衡に達するまで、高い温度から低い温度の方向へ熱は流れ続けます。

これは、熱がガス、液体、または固体を通って移動しているかどうかを問わず当てはまります。

たとえば、冷蔵庫のプラグを抜いて止めてしまえば、キッチン内の空気からの熱が、冷蔵庫の壁から冷たい食べ物や氷などへどんどん侵入していきます。最終的には、冷蔵庫内の物の温度がキッチン内の空気の温度に等しくなります。

熱を伝達する手段は3種類ある

現在、熱を伝達する手段は大きく分けて3種類あります。これらには、伝導、対流、および放射が含まれます。熱伝達解析はこれらの手段の組み合わせを含む場合、複雑になる可能性があります。今回は伝導に焦点を当てましょう。

その名前が意味するように、熱が材料を通って伝導されると、伝導による熱伝導が起こります。単純なモデルで伝熱計算を考えていましょう。

3センチメートル(cm)の銅板の一方の面を400℃に熱し、他方の面は100℃になっているとします。プレートの高さは30cm、幅は20cmです。どのように熱流量を計算しますか?

熱は温度の高い方から低い方へ常に流れます。つまりプレートの400°C側から100°C側に流れることがわかります。しかしもう少し詳しく説明しましょう。導電性の熱の流れはこの温度差と、熱を伝導する材料自体の能力のようないくつかの他のものに依存しています。

一般的に使用されている他の材料やプロセスと同様に、「熱伝導率」と呼ばれる各材料の固有値があります。しかし、この熱伝導率に加えて、熱の流れは、材料の厚さだけでなく、流れている材料の面積にも依存します。今回の熱の流れは次のように計算することができます。

熱の流れ=(銅の熱伝導率)×(面積)x(温度差)/(板厚)

銅の熱伝導率は370ワット/メートル℃です。面積は20cm x 30cm、つまり600cm2です。単位が熱伝導率の単位と一致するように、面積と厚さをセンチメートル(cm)からメートル(m)単位に変換する必要があります。

したがって、600cm2は0.06m2となり、3cmは0.03mとなります。したがって、完成した式は次のようになります。

熱の流れ=(370W / m℃)×(0.06m2)×(400℃?100℃)/(0.03m)= 222,000ワット

これは、222,000ワットの熱が400℃の側から100℃の側に流れることを意味します。

この例で見ることができるように、「ワット」は電球に適用されるだけではありません。

ここで、ワット数は、与えられた時間内にどれだけの熱エネルギーが流れているかを表します。この熱エネルギーの流れは、銅板の各側の温度が同じになると停止します。

熱伝導について:まとめ

熱伝導は熱力学の非常に基本的な考えです。円管や二重管になると考えが変わり、配管の保温などの計算もできるようになります。

熱力学は一般的に難しい分野ととらえがちですが、基礎的な所から理解していけばむずかしいものではありません