ボイラーの熱量計算(比熱・比エンタルピ・蒸発潜熱)

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ボイラー技士試験の「ボイラーの構造に関する知識」科目では、熱量の基本計算が出題されます。比熱・比エンタルピ・蒸発潜熱の意味と計算式を押さえることで、換算蒸発量・ボイラー効率・給水加熱量などの計算問題を確実に解けるようになります。

熱量の基本単位

単位 意味
kJ(キロジュール) エネルギー・熱量の SI 単位。1 kJ = 1,000 J
kJ/kg 質量1kgあたりの熱量(比エンタルピ等の単位)
kJ/(kg·K) 質量1kgの物体を1K(1℃)温度上昇させるのに必要な熱量 = 比熱(単位)
kW 電力または熱の流れ(1kW = 1kJ/s)。ボイラー出力の単位として使われることがある

比熱とは

比熱(specific heat)は、物質 1 kg の温度を 1 K(1℃)上昇させるのに必要な熱量です。

Q = m × c × (T₂ − T₁)

記号 意味 単位
Q 加えた(または放出した)熱量 kJ
m 物質の質量 kg
c 比熱 kJ/(kg·K)
T₂ − T₁ 温度変化(加熱前後の温度差) K または ℃

水の比熱は約 4.18 kJ/(kg·K)(≒ 4.2 kJ/(kg·K) で近似することが多い)です。

計算例 1:給水加熱量

給水流量 500 kg/h、給水温度 20℃、給水を 80℃ に予熱するときの加熱量を求めよ。

Q = 500 × 4.18 × (80 − 20)
 = 500 × 4.18 × 60
 = 125,400 kJ/h(= 34.8 kW)

比エンタルピ(エンタルピ)とは

比エンタルピ h(kJ/kg)は、物質が持つ熱エネルギーの量を質量あたりで表した値です。ボイラーの計算では次のように使います。

  • 給水の比エンタルピ h₁:給水温度 T(℃)のとき、水の比エンタルピは近似的に h₁ ≒ 4.18 × T(kJ/kg)で計算できる
  • 飽和蒸気の比エンタルピ h₂:蒸気表から読み取る。例:0.1MPa(大気圧)の乾き飽和蒸気の比エンタルピは約 2,676 kJ/kg
  • 蒸気と給水の比エンタルピ差(h₂ − h₁):ボイラーが水 1 kg に与えた熱量。ボイラー効率・換算蒸発量の計算に使う

計算例 2:h₁の計算

給水温度 40℃のときの給水比エンタルピを求めよ。

h₁ ≒ 4.18 × 40 = 167.2 kJ/kg

蒸発潜熱とは

蒸発潜熱(latent heat of vaporization)は、液体が温度を上げずに蒸気に変わるために必要な熱量です。温度変化を伴わない熱移動(相変化の熱)です。

  • 100℃・大気圧での水の蒸発潜熱は 2,257 kJ/kg(換算蒸発量の計算で使う標準値)
  • 圧力が高くなると飽和温度が上がり、蒸発潜熱は減少する
  • 臨界圧力(22.1 MPa)では蒸発潜熱はゼロになる(液体と気体の区別がなくなる)

計算例 3:水から蒸気を作るのに必要な熱量

給水温度 60℃の給水を、0.5 MPa の乾き飽和蒸気(h₂ = 2,749 kJ/kg)にする場合、1 kg あたりの必要熱量を求めよ。

h₁ ≒ 4.18 × 60 = 250.8 kJ/kg
h₂ − h₁ = 2,749 − 250.8 = 2,498.2 kJ/kg

総まとめ:ボイラー熱計算の関係式

計算 式 使用場面
温度上昇に必要な熱量 Q = m × c × ΔT(ΔT = T₂ − T₁) 給水予熱・エコノマイザ加熱量の計算
給水比エンタルピ(近似) h₁ ≒ 4.18 × T(℃) ボイラー効率・換算蒸発量の h₁ として使用
ボイラーが水に与えた熱量 Q = G × (h₂ − h₁)(G:蒸発量kg/h) ボイラー出力・効率計算の分子
換算蒸発量 G_e = G × (h₂ − h₁) ÷ 2,257 ボイラーの性能を標準状態に換算する
ボイラー効率 η = G × (h₂ − h₁) ÷ (B × H_L) × 100 燃料の低発熱量との比で効率を算出

試験で間違えやすいポイント

  • 「水の比熱は 1 kJ/(kg·K)」は誤り。水の比熱は約 4.18 kJ/(kg·K)(旧単位では 1 kcal/(kg·℃) = 4.18 kJ/(kg·K))
  • 「蒸発潜熱は温度が上がるほど大きくなる」は誤り。高圧(高飽和温度)になるほど蒸発潜熱は小さくなる
  • 「比エンタルピはボイラー効率計算に不要」は誤り。h₂ − h₁ が分子に入る重要な値
  • 「換算蒸発量の計算で使う値 2,257 kJ/kg は任意の圧力での蒸発潜熱」は誤り。100℃・大気圧(標準状態)での蒸発潜熱

この記事のまとめ

  • 比熱:物質1kgを1K上昇させる熱量。水は約4.18 kJ/(kg·K)
  • 給水比エンタルピ h₁ ≒ 4.18 × 給水温度(℃)で近似できる
  • 蒸発潜熱:液体→蒸気の相変化熱。100℃・大気圧で2,257 kJ/kg(換算蒸発量の計算に使う)
  • ボイラーが水に与えた熱量 = 蒸発量 × (h₂ − h₁)。これが効率・換算蒸発量計算の基礎

出典:ボイラー及び圧力容器安全規則(e-Gov法令検索)・ボイラー構造規格(昭和47年労働省告示第33号)・安全衛生技術試験協会 公表試験問題
作成:fufumumu_design|更新:2026年11月

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この記事を書いた人

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