熱と蒸気・伝熱の基礎

ゲージ圧力と絶対圧力はどう違う？

ゲージ圧力は大気圧を0として測った圧力で、絶対圧力は完全な真空を0として測った圧力です。両者の関係は絶対圧力＝ゲージ圧力＋大気圧で、標準大気圧は101.325kPa、およそ0.1MPaです。

ボイラーの圧力計は、大気に開いた状態で針が0を指すように作られています。読んだ値はゲージ圧力なので、圧力計が0.5MPaを指していれば絶対圧力は約0.6MPaです。蒸気表は絶対圧力で書かれているため、表を引くときは0.1MPaを足してから探します。

圧力の単位はパスカル（Pa）で、1MPaは1,000kPaです。古い資料や古い機器には kgf/cm² の目盛りが残っていることがありますが、試験も現在の法令もMPaで表します。

顕熱と潜熱は何が違う？

顕熱は物の温度を上げるのに使われる熱で、潜熱は温度を変えずに状態を変えるのに使われる熱です。水を大気圧のもとで加熱すると、100℃までは温度が上がり（顕熱）、100℃で沸騰している間は温度が一定のまま蒸気に変わっていきます（潜熱）。

水の比熱は約4.2kJ/(kg・K)で、1kgの水を1K上げるのに約4.2kJが要ります。これに対して、100℃の水1kgを全部蒸気にするには約2,257kJが必要です。20℃から100℃まで温める熱の7倍近い熱が、温度計には現れない形で蒸気に入っています。

蒸気が暖房や加熱に使われるのは、この潜熱を凝縮のときに放出させられるからです。

飽和蒸気と過熱蒸気はどう違う？

飽和蒸気は、その圧力の飽和温度で水と共存している蒸気です。水滴を含むものを湿り蒸気、水滴を含まないものを乾き飽和蒸気といいます。乾き飽和蒸気を同じ圧力のまま加熱すると、温度が飽和温度より上がって過熱蒸気になります。

飽和温度は圧力が高いほど高くなり、蒸発熱は圧力が高いほど小さくなります。圧力を上げていくと、約22.1MPa（絶対圧力）、約374℃の臨界点で蒸発熱は0になり、水と蒸気の区別がなくなります。

比エンタルピは何を表す？

比エンタルピは、質量1kgの水や蒸気が持っている熱量で、単位はkJ/kgです。蒸気表では0℃の水をほぼ0として、圧力や温度ごとに値が並んでいます。

飽和蒸気の比エンタルピは、飽和水の比エンタルピに蒸発熱を足した値です。標準大気圧では飽和水が約419kJ/kg、蒸発熱が約2,257kJ/kg、乾き飽和蒸気が約2,676kJ/kgです。過熱蒸気には過熱の分の熱が加わるので、同じ圧力の乾き飽和蒸気より比エンタルピが大きくなります。

ボイラーが水に与えた熱量は、発生蒸気の比エンタルピから給水の比エンタルピを引いて求めます。仮に発生蒸気が2,780kJ/kg、給水が80kJ/kgなら、蒸気1kgあたり2,700kJを水に与えた計算です。給水の温度を上げると、この差が小さくなって燃料が節約できます。

熱はどうやって伝わる？

熱の伝わり方は、熱伝導、熱伝達（対流）、放射の3つです。熱伝導は固体の中を高温側から低温側へ熱が移ること、熱伝達は流れている流体と固体の壁との間の熱の移動、放射は電磁波で空間を越えて熱が伝わることです。物体が放射する熱量は、その絶対温度の4乗に比例します。

ボイラーの伝熱面では、燃焼ガスから壁へ（熱伝達と放射）、壁の中（熱伝導）、壁から水へ（熱伝達）と熱が移ります。この一連の流れを熱貫流（熱通過）といいます。炉壁の水管のように火炎を直接受ける面を放射伝熱面、煙管のように燃焼ガスの流れで熱を受ける面を対流伝熱面（接触伝熱面）と呼びます。

すすやスケールは熱を伝えにくく、薄く付いただけで熱貫流を大きく妨げます。

ボイラー水はなぜ循環する？

水管ボイラーでは、加熱されて気泡を含んだ軽い気水混合物が上昇管を上がり、加熱の弱い降水管では重い水が下がります。この密度の差で生まれる流れが自然循環です。

循環が良いと伝熱面が常に水でぬれて冷やされ、管壁の温度は水温に近く保たれます。循環が悪いと管の中に蒸気がたまり、管壁が過熱して膨出や破裂の原因になります。圧力が高くなると水と蒸気の密度差が小さくなり、自然循環が弱まるので、高圧のボイラーではポンプで水を送る強制循環式が使われます。循環水量を蒸発量で割った値を循環比といいます。

職場ではどう使う？

炉筒煙管ボイラーの圧力計が0.7MPaを指しているとき、絶対圧力は約0.8MPaで、蒸気表で引くと飽和温度は約170℃です。蒸気ヘッダの温度計が170℃付近なら、送っているのはほぼ飽和蒸気だと判断できます。

蒸気配管の保温材がはがれた箇所では、蒸気が潜熱を失って凝縮し、ドレンが増えます。蒸気トラップからの排出が急に増えたとき、まず保温の破損を疑うのはこの熱の流れを知っているからです。

試験ではどう問われる？

正誤問題では、対になる語を入れ替えた選択肢がよく作られます。顕熱と潜熱の説明の入れ替え、ゲージ圧力と絶対圧力の足し算と引き算の入れ替え、「圧力が高いほど蒸発熱は大きい」のような増減の逆転が代表的な型です。

数値では、100℃の蒸発熱（約2,257kJ/kg）と飽和水の比エンタルピ（約419kJ/kg）の取り違えを誘う選択肢に注意します。伝熱では熱貫流・熱伝達・放射の定義の入れ替え、循環では密度差と圧力の関係の逆転がねらわれます。