高温の流体を扱う場合、火傷防止や放熱ロスを削減するため保温は必須です。
しかし、いざ保温について検討しようと思うと何mm程度の厚みがあればいいのか？今、ついている保温の厚みは最適なのか？が分からないという方もいると思います。
そこで今回は保温の厚みと放熱ロスの関係、そこから分かる最適な保温の厚みについて検証した結果を書いていきたいと思います。
最適な保温の厚みはどれくらい？
今回は次の３パターンで計算を行いました。放熱ロスの計算方法についてはこちらの記事を参照にしてください。
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【配管】放熱量を簡単に計算する方法。保温の効果はどれくらい？
- 高温流体200℃、外気温20℃の場合
- 高温流体400℃、外気温20℃の場合
- 高温流体90℃、外気温20℃の場合
計算に用いる条件は次のものを用いています。
- 高温流体側熱伝達率 h1：10000 [W/㎡K]
- 熱伝導率(鉄) λ1：84 [W/mK]
- 配管厚み L1：5 [mm]
- 保温材の熱伝導率 λ2：0.05 [W/mK]
- 空気の熱伝達率 h2：20 [W/㎡K]
上記の条件で、配管の中に高温流体を流し、外気温20℃の時にどの程度の放熱ロスが発生するかを計算した結果、次のようなグラフが得られました。
横軸が保温の厚み(mm)で縦軸左が放熱量(W/㎡)、縦軸右が保温の表面温度(℃)を表しています。
どれも同じようなカーブを描いており、10mm程度までは放熱量が大きく下がっていますが、ある程度まで下がると、カーブは緩やかになっていきます。
つまり、保温の厚みは厚ければ厚いほど効果が得られるというものではなく、ある程度の厚みがあればそれ以上厚くしてもほとんど効果は得られないという事になります。
今回の場合、最適な保温の厚みは次のようになります。
- 高温流体200℃、外気温20℃の場合 ⇒ 20mm
- 高温流体400℃、外気温20℃の場合 ⇒ 20mm
- 高温流体90℃、外気温20℃の場合 ⇒ 15～20mm
内部流体の温度が２倍になったからと言って２倍の厚みが必要という訳でもなさそうです。
火傷防止という観点から見ても、保温の表面温度が50℃程度まで下がっていれば全く問題ないと言えます。
保温の厚みと省エネメリット
次に保温の厚みと省エネメリットについて考えてみたいと思います。
先ほどと同様の３パターンで、100A配管を100m保温した場合の放熱ロスを金額のグラフにしてみました。
年間ロス金額を計算するために次の条件を加えています。
- 年間稼働時間：7000 [時間]
- 熱量単価：0.002 [円/kJ]
- 100A配管表面積：35.91 [㎡](100m当たり)
すると、次のようなグラフが得られました。
横軸が保温の厚み(mm)で縦軸左が放熱ロス金額(円/年)、縦軸右が保温の表面温度(℃)を表しています。
例え5mmであっても保温をするだけで数百万円のメリットが出ることが分かります。ただ、保温を分厚くすればするほど、保温コストに対して得られるメリットが少なくなります。
そのため、経済的に最もバランスのいい厚みを探っていく事になります。
保温の厚みと表面温度
保温の厚みが厚くなればなるほど表面温度は下がっていきます。
どの程度下がるかは、これまでのグラフの通りですが計算方法は熱収支と同様の考え方で次のように行っています。
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【熱力学】ヒートバランスって何？計算方法や使い方は？
例えば、保温材表面で見た場合、単位面積あたりに入ってくる熱量(Qin)と出ていく熱量(Qout)は次の計算で表すことができます。
$$Qin=Uin×(t2-t1)$$
$$Qout=Uout×(t3-t2)$$
$$\frac{1}{Uin}=\frac{1}{h1}+\frac{L1}{λ1}+\frac{L2}{λ2}$$
$$\frac{1}{Uout}=\frac{1}{h2}$$
熱収支の釣り合う点によって温度は決まるので
$$Qin=Qout$$
t1：高温流体温度、t2：保温材表面温度、t3：空気温度
これらの方程式を計算することによって保温材の表面温度(t2)を計算することができます。
U値に関しては次の記事を参照してください。
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【伝熱工学】熱伝導率と熱伝達率の違いは！？２つを合わせたU値の求め方
実際には次のようなエクセルを用いて計算をしています。
実際にエクセルを使って条件を変えて計算したいという方は、ココナラでエクセルファイルを1000円で販売しているので購入していただけるとありがたいです。
「配管放熱の保温に関する計算を自動で出来ます」というサービスで検索してもらえると出てきます。
自分で１から作るとなると数時間はかかるので時間の削減になりますよ。熱の勉強をしたいという方にもおすすめです。
配管放熱の保温に関する計算を自動で出来ます 放熱計算を行い投資採算性を計算することができます。
まとめ
- 保温の最適な厚みは表面温度が50℃程度まで下がるポイント。
- 今回の場合は20mm程度あれば十分。
- 省エネ効果と投資のバランスを考えながら検討する。
高温流体の温度によってもう少し差が出るかと思いましたが、どちらも同じ厚みで問題なさそうという結果になりました。
保温の厚みについて計算したいという方は、是非参考にしてみてはいかがでしょうか？
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