熱の移動方法
熱伝達は、熱力学の基本概念であり、圧縮空気システムを含むさまざまな産業プロセスを理解する上で不可欠です。
熱力学の序論に続き、この記事では、熱伝達（伝導、対流、放射）の3つの主な種類と、さまざまな用途におけるその重要性について説明します。
熱伝達は、次の3つの方法で行われます。
伝導
対流
放射
実際の熱の移動では、これら3種類の移動が同時かつ不均一に起こります。
いずれの場合も、熱は高温から低温へと流れます。これは熱力学の基本原理であり、熱は高温領域から低温領域に自然に流れます。
3種類の熱伝達
伝導
伝導とは、固体物質を介した熱の伝達です。物質中の分子が振動し、隣接する分子にエネルギーを伝達すると発生します。このプロセスは、物質が効率的に熱を発生させる必要がある多くの産業用途で重要です。
伝導の例：一端が加熱された金属ロッドに触れます。熱はロッドを通して手に移動します。
対流
対流とは、流体（液体または気体）の移動による熱の伝達です。このタイプの熱伝達は、熱を均等に分散するために流体の動きが必要なシステムでは不可欠です。
対流の例：熱湯を使用します。コンロからの熱で底部の水は密度が下がって上昇し、温度の低い水が下降します。
放射
放射とは、電磁波による熱の伝達です。伝導や対流とは異なり、放射は媒体を必要とせず、何もない空間でも発生します。
放射の例：あなたの顔を暖める太陽の熱、または火で焼いたマシュマロを使用します。太陽のエネルギーは真空空間を移動して地球上の物体を温めます。
熱伝導率および熱伝達の式
熱伝導率の式
熱伝導率は、物質の熱伝導能力の尺度です。式は次のとおりです。
Q = λ * A * t *（Δ T / Δ x）
ここで、
- Qは熱伝達（J）、
- λは熱伝導率係数（W/m*K）、
- Aは熱流面積（m2）、
- tは時間、
- ΔTは温度差（K）、
- Δxは距離（m）です。
対流の場合の熱の移動の式
対流熱伝達の式は次のとおりです。
Q = - h * A * t * Δ T
ここで、
- Q は熱伝達（J）、
- h は対流熱伝達係数（W/m2*K）、
- A は表面積（m2）、
- t は時間、
- ΔT は、表面と流体の温度差（K）です。
負の記号は、高温から低温への熱伝達が発生したことを示します。
放射熱の移動の式
対流熱伝達の式は次のとおりです。
Q = - k * A * t * Δ T
ここで、
- Q は熱伝達の合計（J）、
- k は熱伝達係数（W/m2*K）、
- A は面積（m2）、
- t は時間、
- ΔT は温度差（低温 - 高温）（K）です。
熱交換器の対数平均温度差（LTMD）
熱交換器内の熱伝達は、各点において、主要な温度差の関数であり、総熱伝達係数の関数です。この場合は、線形演算のΔTの代わりに対数平均温度差Өmを使用する必要があります。
対数平均温度差（LMTD）の式は、次のとおりです。
Өₘ = Ө₁ - Ө₂ / ln （ Ө₁ / Ө₂ ）
ここで、
- Өₘ は対数平均温度差（K）、
- Ө₁ は熱交換器の一端の2つの流体間の温度差（⁀1）、
- Ө₂ は熱交換器のもう一方の端の2つの流体間の温度差（⁀2）、
- ln は自然対数を表わします。
熱伝達および熱回収の応用
熱伝達と熱回収は、製造、自動車、エネルギーなどのさまざまな産業で重要です。熱伝達には、ある場所から別の場所への熱の移動が含まれますが、熱回収では、廃熱を回収して再利用することに重点を置いています。
製造
製造業では、金属鍛造、プラスチック成形、および化学生産に効率的な熱伝達が不可欠です。適切な温度管理により、製品の品質を確保し、エネルギー消費を削減します。一方、熱回収システムは、これらのプロセスから発生した廃熱を回収し、原料の予熱や暖房など、施設内の他の場所で再利用します。
自動車産業
自動車産業では、エンジン冷却、温度調節、および電気自動車バッテリの管理に熱伝達は重要です。効果的な熱システムは、重要なコンポーネントから熱を効率的に移動することで、自動車の性能と寿命を向上させます。一方、熱回収システムは、エンジンおよび排気システムで発生した熱を回収して、燃料効率を向上させたり、追加の自動車システムに電力を供給したりできます。
エネルギー
エネルギー分野では、従来の化石燃料や、太陽光や風力などの再生可能なエネルギー源など、発電の鍵となるのが熱伝達です。効率的な熱交換システムは、エネルギー出力を最大化し、無駄を最小限に抑えます。一方、熱回収には、発電プロセスからの廃熱を回収し、地域暖房や熱電併給（CHP）システムを介した追加の発電など、他の目的に使用することが含まれます。
圧縮空気システムの熱伝導
圧縮中の発熱
圧縮プロセス中、空気に対する作業により空気圧と温度が上昇します。この熱は、システムの効率を維持し、損傷を防ぐために管理する必要があります。
圧縮空気の冷却の重要性
圧縮空気システムの熱が制御されていないと、機器の損傷、効率の低下、水分の結露につながる可能性があります。圧縮空気を冷却することは、これらの問題を防止する上で不可欠です。
付属機器での熱利用
圧縮空気システムで発生する熱は、ドライヤや乾燥タンクなどの付属機器で利用できるため、全体的なシステム効率が向上します。
熱回収
熱回収には、圧縮時に発生した廃熱を回収して再利用することが含まれます。このプロセスは、無駄なエネルギーを最小限に抑えることで、エネルギー消費を削減し、運用コストを削減し、持続可能性を促進します。
熱回収のメリット：
エネルギー消費の削減：廃熱を利用することで、外部の加熱源への依存を低減します。
運用コストの削減：省エネは運用コストの削減につながります。
このビデオでは、コンプレッサの熱回収について説明します。コンプレッサで消費される電気エネルギーの大部分が熱に変わり、無駄になることが多いということをご存知でしたか?
熱回収システムでは、シャワーや、ボトル洗浄やチョコレートのテンパリングなどの産業プロセスのために、この余分な熱を加熱、乾燥、温水の生成に再利用できます。
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熱回収およびその他のエネルギー効率の高いソリューションの詳細については、熱回収ページをご覧ください。
よくある質問と、日常生活における熱伝達の例
3種類の熱伝達とは
熱伝達には、伝導、対流、放射の3種類があります。伝導とは、金属ロッドがその長さに沿って温まるときに見られるように、物質間の直接接触による熱の伝達です。
熱が高温から低温に流れる理由
高温から低温への熱の流れは、孤立した系ではエントロピーまたは無秩序が増大する傾向があるという熱力学の第2法則によって引き起こされます。
伝導による熱の移動方法
熱は、固体物質中の分子間の直接接触を介して伝導によって伝達されます。
対流による熱の移動方法
熱は、流体の移動による対流によって伝達され、熱を均等に分散します。
放射による熱の移動方法
熱は、媒体を必要とせずに電磁波による放射によって伝達されます。
伝導による熱伝達の例
伝導の一例としては、金属スプーンを熱い液体に入れると、柄から先端まで熱くなることが挙げられます。
対流による熱伝達の例
対流の一例としては、暖められた室内の暖かい空気の循環が挙げられます。
放射による熱伝達の例
放射の例としては、暖炉からの暖かさや太陽からの熱などが挙げられます。
熱湯はどの種類の熱伝達ですか?
熱湯は対流を伴い、熱によって水が循環し、熱を伝達します。
何もない空間でも発生する熱伝達の種類はどれですか?
放射は、媒体を必要としないため、何もない空間でも発生します。
太陽はどの種類の熱伝達ですか?
太陽は、放射により熱を地球に伝達します。
ドライヤはどの種類の熱伝達を利用しますか?
ドライヤは通常、対流を利用して熱を伝達し、物質を乾燥させます。
電子レンジはどの種類の熱伝達ですか?
電子レンジは、放射を利用して熱を伝達し、食料品を調理します。
マシュマロを焼くときの化学反応とは
マシュマロを焼くと、放射による熱伝達が化学変化を引き起こします。砂糖はカラメル化とメイラード反応を経て、水分子が蒸発して炭素が残り、外側を黒くしてカリカリ感を与えます。この化学反応の組み合わせにより、マシュマロを焼いて、独特な味と食感を生み出します。
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