加熱負荷・必要蒸気量 計算

加熱負荷と必要蒸気量の計算式

1. 計算の考え方

連続して流れる流体を加熱するときの顕熱負荷は、質量流量・平均比熱・入口から出口までの温度上昇の積です。 乾き飽和蒸気が凝縮すると、蒸気圧力に対応する蒸発潜熱を放出します。 顕熱負荷を、蒸気 1 kg あたりに有効利用できる潜熱で割って必要蒸気量を求めます。

本ツールの総合熱利用率は、蒸気の凝縮潜熱のうち被加熱流体へ入る割合です。 ボイラー効率、熱交換器の温度効率、機器単体のカタログ効率とは異なります。

2. 使用する式

流体の顕熱負荷

ΔT = Tout − Tin　　Q = ṁ Cp ΔT / 3600

ṁ を kg/h、Cp を kJ/(kg·K) とすると積は kJ/h になり、3600 で割ると kW になります。

必要蒸気量

Wsteam = 3600 Q / (r η)

蒸発潜熱 r は入力した絶対圧に対する掲載蒸気表の値を線形補間します。η は総合熱利用率を小数で表した値です。

ゲージ圧から絶対圧への換算

P [MPaA] = P [MPaG] + 0.101325

G はゲージ圧、A は絶対圧です。飽和物性は絶対圧から求めます。

3. 記号と単位

4. 入力値の目安

• 質量流量には定常運転時の被加熱流体の値を使います。体積流量しか分からない場合は、使用温度に対応する密度を使って質量流量へ換算してください。
• 比熱には入口から出口までの温度範囲における平均値を使います。初期値 4.18 kJ/(kg·K) は常温付近の水を想定した操作例です。
• 蒸気圧力には供給ヘッダーではなく、制御弁などの圧力低下を考慮した熱交換器蒸気室の圧力を使います。 G/A を含む単位を確認し、必要なら 飽和蒸気表 で物性を照合してください。
• 総合熱利用率 100% は損失のない理論条件です。初期値 90% は操作確認用であり、一般的な設計値を示すものではありません。 実設備の熱収支や測定値から設定してください。
• 出口温度は蒸気飽和温度より低くする必要があります。近い温度を指定する場合は、温度差・総括伝熱係数・伝熱面積も確認してください。

5. 適用範囲と注意点

• 定常連続流の単相流体を、間接式熱交換器で顕熱加熱する概算です。平均比熱は温度範囲内で一定とみなします。
• 乾き飽和蒸気が熱交換器内の一定圧力で凝縮し、ドレンはおおむね同圧の飽和温度で排出される条件を扱います。
• バッチ昇温、容器・配管の熱容量、放熱、立上げピーク、同時使用率、反応熱、被加熱物の相変化は自動では加算しません。 これらを総合熱利用率だけに含めると負荷を過小評価することがあるため、個別の熱負荷として検討してください。
• 過熱蒸気、湿り蒸気、直接蒸気吹込み、ドレン過冷却による顕熱回収は対象外です。湿り蒸気では乾き度に応じて有効潜熱が小さくなります。
• 比熱が温度で大きく変わる流体や反応・相変化を伴う場合は、平均比熱ではなく入口と出口の比エンタルピー差を使う詳細な熱収支が必要です。
• 必要蒸気量だけを求める計算です。実際に出口温度へ到達できることや、伝熱面積・制御弁・スチームトラップ・ボイラーの容量は保証しません。

6. 出典

• 国立研究開発法人 建築研究所「設備機器の性能確認方法」 — 温水側の質量流量・比熱・温度差による熱量と、蒸気側の流量・比エンタルピー差による熱量の算定式。
• Spirax Sarco, Methods of Estimating Steam Consumption — 連続流・バッチ加熱における加熱負荷と蒸気消費量の算定方法および検算例。
• IAPWS R7-97(2012), IAPWS-IF97 公式リリース — 掲載する飽和温度・蒸発潜熱の計算元。