伝熱の基本計算

伝熱の基本計算は、物体の温度差によって熱が移動する現象を、熱量、温度差、面積、寸法の関係として定量的に扱う計算である。伝熱は、伝導、対流、放射の三つの形態に分けて考えられ、実際の機器では複数の形態が同時に起こる。本節では、各形態の基本式と、それらを組み合わせた熱貫流の計算を整理する。

熱移動の三形態

熱の移動は、伝導、対流、放射の三つの形態に分類される。伝導は、物質の内部または接触した物体間で、媒質そのものが移動せずに高温側から低温側へ熱が伝わる形態である。対流は、流体が移動することに伴って熱が運ばれる形態である。放射は、物体が電磁波の形で熱エネルギーを放出し、媒質を必要とせずに伝わる形態である。

三つの形態を、媒質の要否と代表的な基本式で比べると次のとおりである。

熱伝導と熱抵抗

平板の定常熱伝導では、熱流量が伝熱面積と温度差に比例し、壁の厚さに反比例することが基本である。 熱伝導率をλ、伝熱面積をA、両面の温度をT1、T2、厚さをLとすると、熱流量Qは次の式で表される。

Q = λA(T1 − T2) / L

この関係をフーリエの法則といい、熱伝導率λの単位はW/(m·K)である。熱流量の式を電気回路のオームの法則と対応させると、温度差が電位差に、熱流量が電流に、熱抵抗が電気抵抗に対応する。熱抵抗は、厚さをLとするとR = L/(λA)で表され、単位はK/Wである。

複数の層が一列に重なる壁では、全体の熱抵抗は各層の熱抵抗の和として求められる。熱流量は、全体の温度差を全体の熱抵抗で割った値となる。