よくある質問 - 熱 温度 技術計算 エクセル受託解析 - FutureEngineer

熱 温度 技術計算 エクセル受託解析 - FutureEngineer

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Q) 放熱の計算に、Nu数(ヌセルト数)、熱伝達率どちらで評価すべき?

A) 熱伝達率で評価すべきです

熱伝達率の計算式は

「Nu数×流体の熱伝導率/その流れ場の代表長さ」
で表されます。

熱伝達率、Nu数の定義はこちら

一方Nu数の定義としては、

「固体表面を流れる、流体の移動による熱交換量と、
流体の物質内を熱伝導で移動する熱交換量の比」

と言えます。

物体表面から、流体によって放熱する量を計算する場合は、、

専門書に様々な場合のNu数が掲載されていますので、
実務上は、計算しようとしている放熱計算対象に適当なNu数を調べて計算する事になります。

その後、定義式から熱伝達率を求めて、ニュートンの冷却則によって、放熱量が求まります。

ニュートンの冷却則の定義はこちら

Q) サウナの温度90(℃)はOKでも、90(℃)のお風呂はやけどするのはなぜ?

A) 人体との接触面温度が、接触物の密度、比熱、熱伝導率に関係しているからです

 異なる温度の物質が接触した瞬間の接触面の温度を求める式を以下に示します。

接触面温度 空気 水

記号の意味

T:温度 ρ:密度 λ:熱伝導率 C:比熱

数式から分かる事は、、、

接触部の温度は、接触物の密度、比熱、熱伝導率さらに、接触前の温度
影響をうけるので、実際にサウナ内の水蒸気と水では物性値が異なり
皮膚表面温度に違いが出てきます。

 これと同じ現象は、100(℃)の鉄と木の板を触ってみた時に感じる温度の差からもうかがえられます。

Q) 太陽からの日射影響はどのくらいある?

A) 太陽定数1.37(KW/m2)から計算できます。

 これは、太陽光線が1(m2)の完全黒体である平面に垂直に入射する場合、1.37(KW)のふく射熱量が供給される
という事を意味しています。

 このふく射熱量がどのように物体の温度に影響するかは、ステファンボルツマン定数を
乗じて計算する事になります。

Q) ビニールハウスへ埋設温水配管を敷設した場合の放熱量は?

A) 熱伝導の形状係数を用いて以下のように計算できます

温水パイプからハウスへの放熱量 14.5(KW)

使用した条件

配管長さ 50(m)
配管埋設深さ 500(mm)
配管並列埋設数 5(本)
配管ピッチ 3(m)
配管外径 50(mm)
配管表面温度 70(℃)
ハウス内地表温度 20(℃)

計算方法

配管からハウス地表への放熱量は、
地面の熱伝導率、
地面と配管の温度差
配管本数
配管と地面の位置関係から計算される形状係数
を掛け合わせる事によって求まります。

Q) 配管内の熱伝達率は層流、乱流でどれくらい違う?

A) 臨界レイノルズ数 約2300を境に同じ流速でも2倍以上異なります

 内径10(mm)の管に0.07(m/sec)の水を流す場合、レイノルズ数Re=1.066E+03
となり、層流熱伝達の数式を使い、
熱伝達率は2.301E+02 (W/m2 K)と計算されます。

 一方、内径50(mm)の管に0.07(m/sec)の水を流す場合、レイノルズ数Re=5.332E+03
となり、乱流熱伝達の数式を使い、
熱伝達率は5.571E+02 (W/m2 K)と計算されます。

Q) 熱伝導率の単位 (W/m K) 中の"W"の意味について

A) 1(m)の厚みの材質の両端の温度差が1(K)の時に、1(秒)間に1(J)の熱量が流れる

材質の熱伝導率を1(W/m K)の熱伝導率といいます。

具体的な定義は、熱伝導率についてのページで説明しています。
(W)の単位は1(秒)間に1(J)の熱量が移動するもしくは、消費するという単位です。

Q) 熱伝導率λと熱抵抗値Rthの関係について

A) 固体内の熱の伝わりにくさをRthで表せます

具体的な数式は、熱抵抗についてのページで説明しています。
熱が伝わる道筋の長さを分子に、固体の熱伝導率と道筋の断面積を
分母に置いて計算できます。
熱回路網法でよく使う式です。

Q) 温度を一定に保つための熱量を計算するには?

A) 外側に放熱する熱量を計算する必要があります

温度が一定、つまり製品全体の温度が時間的に変化しない定常状態の時は
発生熱量=放熱量というように、等式が成り立ちます。

つまり、この時の放熱量を計算すれば、必要は熱量を計算できます。
放熱量は外側から空気や、水なので冷却する場合は、強制対流熱伝達率を、
水槽内や室内、屋外の雰囲気に放置する場合は、自然対流熱伝達率を求めてから、
ニュートンの冷却則を使い求めます。

Q) 流速を増やすとなぜ熱伝達率が増えるのか?

A) 温度境界層が薄くなるからです。

熱伝達率は、「流体の熱伝導率/温度境界層厚さ」にほぼ等しく
つまりは温度境界層厚さが減少すると熱伝達率が増加します。

温度境界層はこちらのページで説明している通り
「壁面表面に接した壁面温度と等しい流体温度が壁から離れるに従い、一様流温度に等しくなるまでの領域」
という事ができます。

つまり、流速が速くなると流体温度が壁面近傍の層に与える影響が大きくなるので
境界層が薄くなります。

(質問) 計算可否を検討するのに費用はかかりますか?

お見積りをさせていただくのは無料です。

複雑な案件ほど、計算自体可能かどうか見極めるのに
お時間を頂きますが、ご安心ください。


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