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ボイラーの伝熱は熱エネルギーをいかに効率よく缶水・蒸気に伝えるかに関わる基本概念です。一級ボイラー技士試験では伝熱の3形態（輻射・対流・伝導）とスケール・すすが伝熱に与える影響が問われます。
伝熱の3形態
1. 熱伝導（コンダクション）
固体内部で温度の高い部分から低い部分へ熱エネルギーが移動する現象です。ボイラー管壁を通した熱の移動がこれにあたります。
熱伝導量はフーリエの法則で表されます。
Q = λ × A × ΔT / δ
- Q：熱流量 [W]
- λ：熱伝導率 [W/(m·K)]
- A：伝熱面積 [m²]
- ΔT：温度差 [K]
- δ：壁厚 [m]
2. 対流伝熱（コンベクション）
流体（気体または液体）の流れによって熱が移動する現象です。ボイラー内では排ガスと管表面の間の熱移動（強制対流）や、缶水内での自然対流がこれにあたります。
対流熱伝達量：
Q = h × A × ΔT
- h：熱伝達係数（対流熱伝達率）[W/(m²·K)]
- 流速が大きいほど h が大きくなり、対流による熱移動が活発になる
3. 熱輻射（ふく射・放射）
物体が電磁波（赤外線等）として熱エネルギーを放出・吸収する現象です。炉内の火炎から管への直接的な熱移動が主な輻射伝熱です。輻射は媒体（空気・真空）を通じて伝わります。
輻射熱量はステファン=ボルツマンの法則で表されます。
Q = ε × σ × A × T⁴
- ε：放射率（黒体=1）
- σ：ステファン=ボルツマン定数（5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴)）
- T：絶対温度 [K]（温度の4乗に比例するため、高温ほど輻射が支配的）
ボイラーにおける伝熱形態の分布
| 位置 | 主な伝熱形態 | 特徴 |
|---|---|---|
| 炉（燃焼室） | 輻射が主体 | 火炎温度1,000〜1,500℃で高温輻射が大きい |
| 煙道（対流伝熱面） | 対流が主体 | 過熱器・節炭器・空気予熱器で排ガスの対流熱を回収 |
| ボイラー管壁 | 伝導 | 外側から内側の缶水・蒸気へ伝導 |
スケール・すすが伝熱に与える影響
スケールの影響（缶水側）
管の缶水側にスケール（水垢）が堆積すると、スケールの熱伝導率が金属に比べて非常に低いため、伝熱を妨げます。
- 主なスケール成分の熱伝導率：CaCO₃≒1.0〜3.0 W/(m·K)（鉄鋼は約45）
- スケールが堆積すると管外側の温度が上昇し、管材の過熱・バーストの原因になる
- スケール防止には軟化処理・pH管理・スケール防止剤添加が有効
すす（ばいじん）の影響（排ガス側）
不完全燃焼で生じたすすが管の外側（排ガス側）に堆積すると、スケールと同様に伝熱を妨げます。すすの断熱効果は大きく、薄い層でも熱効率を大幅に低下させます。
- すす除去にはスートブロワー（蒸気や圧縮空気を吹き付けて堆積すすを除去する装置）を定期的に作動させる
- 燃料の完全燃焼管理が根本的なすす発生防止策
総括伝熱係数（U値）
ボイラー管の総括伝熱係数（K値またはU値）は、排ガス側熱伝達・管材伝導・缶水側熱伝達・スケール・すすの熱抵抗を直列に組み合わせた値です。
1/U = 1/h₁（排ガス側） + δ/λ（管壁） + 1/h₂（缶水側） + R_scale + R_soot
スケール・すすの熱抵抗（R_scale、R_soot）が大きくなると U値が低下し、同じ伝熱面積でも熱回収量が減ります。
試験対策ポイント
- 輻射：温度の4乗に比例・炉内が主体
- 対流：流速が大きいほど活発・煙道側が主体
- 伝導：フーリエの法則・管壁を通した熱移動
- スケール・すすは熱伝導を妨げ、管の過熱・バーストの原因になる
- スートブロワーでの定期的なすす除去が必要
まとめ
- 伝熱の3形態：輻射（炉内・高温）・対流（煙道側）・伝導（管壁）
- 輻射はステファン=ボルツマン則（T⁴に比例）・対流はフォルセル則（h×A×ΔT）
- スケール（缶水側）・すす（排ガス側）が堆積すると伝熱効率が低下
- スートブロワーと水処理管理で伝熱効率を維持する
出典：ボイラー及び圧力容器安全規則・ボイラー構造規格・JIS B 8223・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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