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【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3:熱放射

2019年3月12日

現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。

学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。

今回は「熱放射」について語ります。

熱放射とは?

太陽は地球から約1億5千万キロ離れたところにある巨大な原子炉のようなものです。それらの間の空間は、つまり宇宙ですがそこは単なる真空であり、ほとんど物質が存在していません。

固体または液体物質がないと、伝導または対流による熱伝達は起こり得ません。

私たちが地球上で感じる熱は、太陽の表面から放出されたエネルギーを吸収するときに発生します。これらのエネルギーは何万キロもの空間を旅してきましたが、なくなることはありませんでした。

私たちの目はそれらの一部を太陽の光として認識しますが、他の多くは見えません。しかし、見ることができなくても、私たちの体は熱として感じる事が出来ます。

しかし、熱放射は太陽だけの現象ではありません。何かが燃えているときにも発生しています。

激しい炎は、かなりの距離を越えて大量のエネルギーを放出する可能性があります。直接接触を必要とせずに、それらは近くの可燃性物質を発火させることもある程です。

ただし、この現象は直線的にしか発生しません。

熱放射の計算の仕方

熱放射を計算するためには、伝導と対流の熱伝達の場合を考慮したときと同様に、物体間の温度差と熱伝達の面積を考慮する必要があります。

しかし、伝導や対流は発生していないので、熱伝導率や対流係数を気にする必要はありません。代わりに、ステファン・ボルツマン定数、(0.000000057W/m2K4)を使用して検討する必要があります。

理想的な熱放射問題はステファン・ボルツマン定数を使用して計算するだけで済みます。 「理想」とは、ある物体による放射線の完全な放出と、別の物体によるその放射線の完全な吸収があることを意味します。

しかし、現実はそれほど簡単なものではなく、熱放射問題は通常ステファン・ボルツマン定数以外のものを含む計算が必要です。それらは放射率係数等の追加計算が必要な場合があります。

放射率係数は、理想的な場合と比較して、物体が実際にどれだけ上手に放射線を放出および吸収するかに関係します。たとえば、光沢のある物体は黒い物体と同様な放射エネルギーを吸収する事はありません。

熱放射計算がどのように機能するかについての基本的な考えを理解する為に、理想的な状況を考えてみましょう。

あなたが平らな屋根の建物を所有しているとしましょう。屋根は鈍い黒で、20メートル×10メートルの大きさで、スポンジのように放射エネルギーを吸収します。

しかし、今日は暗く曇りで屋根の温度は25℃しかありません。さて、この状態で正午に太陽が突然雲の切れ目から飛び出した場合、それが屋根に伝達する輻射熱の量はいくらになるでしょうか?

  • 熱流=(ステファン – ボルツマン定数)x(屋根の面積)x((太陽の温度)^4 – (初期屋根温度)^4)

これで、上記の計算に代入する値は以下のようになります。太陽の温度は5,400°C + 273.15 = 5,673.15Kです。屋根の温度は:25℃+ 273.15 = 298.15K。屋根の面積は20メートル×10メートル= 200メートル2です。したがって、熱伝達率は次のとおりです。

  • 熱流=(0.000000057w/ m2k4)×(200m2)×((5673.15K)^4 – (298.15K)^4)= 11,808,605,250ワット

これが最大の熱伝達率になります。

まとめ

3回にわたって熱に関する基本的な事項を説明してきました。

どれも実際のプラントの運用やプロセス設計にあてる際は、さらに多くのことを検討することが必要ですのでこれほど単純ではありません。

ですが、まず基礎的な事項をきちんと理解することができれば、実務の方でもうまく運用できるので、基礎からしっかりと理解しましょう。

例題でわかる伝熱工学 – 熱の移動が図でみえる


 

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