化学プラント大全 
熱Ⅱの流体輸送（ポンプと送風機）の論点を、表と例題で並べました。課目Ⅰの電動力応用で問われる運転点・相似則・風量制御も、ここで扱います。
ポンプの種類と特性曲線・運転点 ── 運転点は揚程曲線と管路抵抗曲線の交点
| 項目 | 式・決まり方 | 読み方 |
|---|---|---|
| 全揚程 H | ポンプの出口と入口の全ヘッドの差 | 運転点では、実揚程に管路の損失揚程を足した値と釣り合う |
| 駆動動力 P | ρgHQ/ηP | 効率で割る（掛けない） |
| 管路抵抗曲線 | 実揚程＋損失揚程 | 流量 0 でも実揚程の高さから始まり、流量とともに上がる |
| 運転点 | 揚程曲線と管路抵抗曲線の交点 | 吐出し弁を絞ると抵抗曲線が立ち、運転点は左上へ |
| 渦巻ポンプの締切り点 | 軸動力が最小（最高効率点の 50〜80%） | 吐出し弁を全閉にして始動 |
| 軸流ポンプの締切り点 | 軸動力が最大（最高効率点の 160〜250%） | 吐出し弁を開いて始動 |
なぜ：ポンプが出せる揚程は、流量が増えるほど下がります。配管が必要とする揚程は、実揚程に流量とともに増える損失が加わります。二つが釣り合う流量でしか流れは落ち着かないので、交点が運転点です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ターボ形ポンプは、出口の圧力が変わっても流量がほぼ一定に保たれる | × | それは容積形。ターボ形は大きく変わる |
| 渦巻ポンプを吐出し弁を閉じて始動するのは、締切り点で軸動力が最小だから | ○ | 最高効率点の 50〜80% |
| 軸流ポンプは締切り点で軸動力が最小なので、吐出し弁を閉じて始動する | × | 締切り点で最大。弁を開いて始動 |
| 管路抵抗曲線は、流量 0 でも実揚程の高さから始まる | ○ | 実揚程＋損失揚程 |
| 同じ流量に減らすなら、吐出し弁を絞るより回転速度を下げるほうが動力は小さい | ○ | 全揚程の小さい点で運転できる |
例題
水を 1.2 m³/min、全揚程 25 m で送るポンプがあります。効率 70% のときの軸動力を求めます（水 1,000 kg/m³）。
①流量を m³/s に直す：1.2÷60＝0.020 m³/s。
②水動力：ρgHQ＝1,000×9.81×25×0.020＝4,905 W≒4.9 kW。
③軸動力：4,905÷0.70≒7,007 W≒7.0 kW。効率は掛けずに割る。
④確かめる：Q［m³/min］のままなら水動力は Q·H/6.12＝1.2×25÷6.12≒4.90 kW で同じ。
- 斜流ポンプは、締切り点の全揚程が最高効率点の 160〜230% になる。締切り点の軸動力が他の点より大きいので、吐出し弁を全開で始動する。
- 渦巻ポンプの締切り点の全揚程は、最高効率点の 110〜120%。
- 流量・圧力の制御は、吐出し弁・調整弁の開度、速度制御、台数制御の3つ。
- 容積形（ピストン・プランジャ・ロータ）は押しのけて送る。いちばん広く使われるのはターボ形。
相似則 ── 流量はn、揚程はn²、動力はn³に比例
| 量 | 回転速度 n との関係 | 出どころ |
|---|---|---|
| 流量 Q | n に比例 | 羽根の周速が n に比例し、中の流れの速さも同じ割合で変わる |
| 全揚程 H | n² に比例 | 相似な運転点では、羽根が液に与えるヘッドは周速の2乗に比例 |
| 軸動力 P | n³ に比例 | P は ρgQH に比例するので n×n² |
| 比速度 Ns | N√Q/H3/4（N rpm、Q m³/min、H m） | 形が相似なら同じ値。無次元数ではない |
| 羽根車の形と Ns | 渦巻 100〜300（両吸込み約 400）、斜流 800〜1,000、軸流 1,200 以上 | Ns が大きいほど低揚程・大流量向き |
なぜ：形の同じ羽根車では、回転速度を変えると羽根の周速も中の流れの速さも同じ割合で変わります。流量は速さに、揚程は速さの2乗に、動力は流量×揚程に比例するので、1乗・2乗・3乗になります。これは特性曲線の対応する点（相似な運転点）どうしの関係です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 同じポンプの回転速度を半分にすると、全揚程も半分になる | × | 1/4（流量 1/2、軸動力 1/8） |
| 遠心ポンプの回転速度を 80% に下げると、相似則による軸動力は約 51% | ○ | 0.8³ |
| 比速度は無次元数なので、どの単位で計算しても同じ値になる | × | 単位で値が変わる。SI では形式数 K |
| 比速度は渦巻・斜流・軸流の順に大きく、低揚程・大流量の形式ほど大きい | ○ | 羽根車の形で決まる |
| 全揚程が回転速度の2乗に比例するのは、ヘッドが羽根の周速の2乗に比例するから | ○ | 周速∝回転速度 |
例題
1,500 min⁻¹ で流量 2.0 m³/min・全揚程 30 m・軸動力 15 kW のポンプです。1,050 min⁻¹（0.7倍）にしたときの、相似な運転点の値を求めます。
①流量：2.0×0.7＝1.4 m³/min。
②全揚程：30×0.7²＝30×0.49＝14.7 m。
③軸動力：15×0.7³＝15×0.343≒5.1 kW。
④確かめる：動力は流量×揚程に比例するので 0.7×0.49＝0.343 で③と合う。回転速度を3割下げると動力は約1/3。
- 相似な運転点は、原点を通る放物線（H∝Q²）の上に並ぶ。同じ流量で比べる関係ではない。
- 実揚程のある揚水ポンプは、回転速度を下げすぎると実揚程を出せないので下限がある。送風機には下限がない。
- 形式数 K＝2πn√q/(gH)3/4（n 1/s、q m³/s）。K＝2.44×10⁻³Ns。
- 回転速度を変える装置（インバータ）は課目Ⅰの電動機で扱う。
キャビテーションとNPSH ── 羽根の入口の圧力を飽和蒸気圧より上に保つ
| 項目 | 中身 | 要点 |
|---|---|---|
| 起こる場所 | ポンプの中で圧力がいちばん低い羽根の入口 | 羽根車の出口ではない |
| 起こること | 気泡ができ、高圧部へ運ばれて急につぶれる | 騒音・振動、揚程の急低下、羽根の入口の壊食 |
| NPSH（有効吸込み揚程） | 吸込み口の吸込み全揚程−飽和蒸気圧のヘッド | 大きいほど余裕がある |
| 発生の判定 | NPSH が、羽根車に液を押し込むのに要る値まで下がると発生 | 要る値はポンプ固有。回転数・流量一定なら NPSH だけで決まる |
| 吸込み比速度 S | N√Q/Hsv3/4（Hsv は NPSH） | 正常運転の流量では形式によらず約 1,200 |
なぜ：羽根車は入口で液を吸い込んで速くするので、そこの圧力がいちばん下がります。羽根の入口と吸込み口の圧力差はほぼ決まった値です。だから吸込み口での圧力の余裕（NPSH）で、羽根の入口が飽和蒸気圧まで下がるかを判定できます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ポンプの中で圧力が最も低く、キャビテーションが起きやすいのは羽根車の出口付近 | × | 羽根の入口 |
| NPSH は、吸込み口の吸込み全揚程から、その液温の飽和蒸気圧のヘッドを引いた値 | ○ | 有効吸込み揚程 |
| 吸込み側で決まる NPSH を、羽根車に液を押し込むのに要る値より大きく保てば防げる | ○ | 一致すると発生 |
| 吸い込む水の温度が上がると、ほかが同じでも NPSH は小さくなる | ○ | 飽和蒸気圧が上がる |
| 吸込み比速度は、正常運転の流量で求めるとポンプの形式で大きく違う | × | 形式によらずほぼ 1,200 |
例題
ポンプ中心の高さの吸込み口で、水が絶対圧 80 kPa・流速 2.0 m/s です。その水温の飽和蒸気圧を 5.0 kPa として NPSH を求めます（水 1,000 kg/m³）。
①圧力ヘッド：80,000÷(1,000×9.81)＝8.155 m。速度ヘッド：2.0²÷(2×9.81)＝0.204 m。
②吸込み全揚程：8.155＋0.204≒8.36 m。
③飽和蒸気圧のヘッド：5,000÷9,810≒0.51 m。NPSH＝8.36−0.51≒7.85 m。
④水温が上がって飽和蒸気圧が 20 kPa（2.04 m）になると、NPSH は約 6.32 m に減る。液温が高いほど余裕が減る。
- 液には空気が溶けているので、飽和蒸気圧まで下がる前に気泡が出ることが多い。
- 揚程が 3% 下がった点を発生開始とすると、S は渦巻・斜流で 1,500〜2,000、軸流で約 1,500。
- 定義から、NPSH を大きくするには吸込み口の圧力を上げる（吸込み液面を高く、吸込み管の損失を小さく）か、液温を下げる。
関連：ポンプの性能曲線の読み方（Q-H・効率・軸動力・NPSH3）
水撃とポンプのサージング ── 弁を急に閉めない、右上がりの領域で運転しない
| 項目 | 中身 | 補い |
|---|---|---|
| サージングの原因 | 山形の揚程曲線の右上がりの部分（小流量側）での運転 | 吐出し量と吐出し圧力が周期的に大きく変動 |
| サージングを防ぐ | 吐出し口に近い流量調節弁で調節。管路に空気だまりを作らない | 短時間ならバイパスで流量を増やし、右下がりの部分で運転 |
| 水撃作用の原因 | 出口の弁の急閉、停電によるポンプの急停止 | 弁の上流側の圧力が急上昇 |
| 水撃が強くなる条件 | 吸込み管が長い、流入速度が大きい | ポンプの振動、管路の破損を招く |
| 水撃を防ぐ | フライホイール、緩閉式仕切り弁、緩閉式逆止弁 | 停電時に働く自動水圧調節弁、サージタンク |
なぜ：揚程曲線が右下がりなら、流量が減ると揚程が上がって流れを押し戻し、元に戻ります。右上がりの部分では流量が減ると揚程も下がり、押し戻す力が働かず振れ続けます。水撃は、急に止められた液の運動のエネルギーが圧力に変わって管をたたく現象です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 山形の揚程曲線の右上がりの部分で使うと、流量と圧力が振れ続けるサージングになる | ○ | 乱れを押し戻す力が働かない |
| サージングを防ぐには、流量調節弁を吐出し口からなるべく離して設ける | × | 吐出し口の近く |
| 出口の弁を急に閉じると、弁の下流側で圧力が急上昇する | × | 上流側 |
| 水撃で生じる圧力は、吸込み管が長いほど、流れの速度が大きいほど高い | ○ | 管路の破損も招く |
- 斜流・軸流ポンプは吐出し量の全体で揚程曲線が右下がりなので、サージングを起こさず安定して運転できる。
- 圧力の上がり方は止める流速の変化で決まる。管が長いと圧力の波の往復に時間がかかり、弁を閉じる間に逃げにくい。
- 緩閉式の逆止弁は、高い圧力が上流側へ伝わりながら減るようにする。
関連：ウォーターハンマーの計算
送風機の種類と動力 ── 動力は風量×全圧差÷効率
| 区分・形式 | 中身 | 要点 |
|---|---|---|
| ファン | 吐出し圧力（ゲージ圧）1,000 mmH₂O 未満 | 送風機 |
| ブロワ | 1〜10 mH₂O | 送風機 |
| 圧縮機 | 98 kPa（10 mH₂O）以上 | 送風機と分ける |
| 多翼ファン（シロッコファン） | 回転方向に前向きの、短く幅の広い羽根 32〜64枚 | 同じ風量で最も小型。効率は低く騒音が大きい |
| ターボファン | 後向きの長い羽根 8〜24枚 | 効率が高く騒音が小さい |
| 駆動動力（圧力比 1.03 以下） | P＝Q₁(pt2−pt1)/ηc | 全圧の差を使う。Q₁ は吸込み状態の体積流量 |
なぜ：圧力比が小さいと、空気はほとんど縮まない流体とみなせます。空気に与える仕事は毎秒の体積×上げた全圧で、軸に入れる動力はそれを効率で割った分だけ大きくなります。送風機は圧縮の仕事が小さいので、出口の速度のエネルギーを無視できず、静圧でなく全圧で数えます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 吐出し圧力（ゲージ圧）が 10 mH₂O 以上のものは、送風機のうちブロワに分類される | × | 98 kPa（10 mH₂O）以上は圧縮機 |
| 前向き羽根の多翼ファンは、後向き羽根のターボファンより効率が高い | × | 多翼ファンは効率が低い |
| 圧力比 1.03 以下のファンの駆動動力は、吸込みの体積流量×全圧差÷全断熱効率 | ○ | 非圧縮性流体と同じ形 |
| 送風機の動力で速度エネルギーの増加を無視できないのは、圧縮の仕事が小さいから | ○ | 圧縮機では無視できる |
例題
吸込み状態で 3.0 m³/s の空気を送り、出入口の全圧差が 1.5 kPa のファンです。全断熱効率 75% として駆動動力を求めます。
①圧力比を確かめる：(101.3＋1.5)÷101.3≒1.015。1.03 以下なので簡単な式が使える。
②空気に与える動力：3.0×1,500＝4,500 W。
③駆動動力：4,500÷0.75＝6,000 W＝6.0 kW。
④確かめる：単位は m³/s×Pa＝N·m/s＝W。全圧差（静圧差ではない）を入れる。
- 圧力比 1.03〜1.07 は近似の式、1.07 を超えたら断熱圧縮の式で駆動動力を求める。
- 全断熱効率 ηc＝機械効率 ηm×断熱効率 ηad。
- 遠心式は羽根車出口の角度で多翼・ラジアル・ターボに分かれる。軸流ファンは動翼（羽根車）と静翼（案内羽根）をもつ。
- 送風機で扱う気体では、位置エネルギーの項は無視できるほど小さい。
送風機の特性・風量制御とサージング ── 速度制御が省エネ、極大点より左は不安定
| 項目 | 中身 | 要点 |
|---|---|---|
| ダンパの開度調整 | 送風抵抗曲線が立ち、運転点は同じ圧力曲線の上を左へ | 上げた圧力をダンパで捨てる |
| 回転速度制御 | 圧力曲線そのものが下がり、運転点は左下へ | 抵抗曲線が原点を通れば、動力は回転速度の3乗で減る。送風機には速度の下限がない |
| サージング | 圧力曲線の極大値より左の右上がり部分で、風量と圧力が変動 | 回転速度を下げるとサージング限界は左へ移る |
| サージングを防ぐ | 右上がり部分の小さい送風機を選ぶ。吐出し風量の一部を捨てる・バイパスする | 右下がりの部分の風量で運転する |
| 旋回失速（軸流送風機） | 失速した羽根が、回転方向と逆の隣の羽根へ移っていく | 外から気づきにくく、羽根が疲労破損することがある |
| ターボファン | 動力は最大風量の少し前で最大（リミットロード性）。効率 70〜80% | 電動機の余裕は 10〜20% でよい |
| 多翼ファン | 動力は風量とともに増える一方。効率 45〜60% | 電動機に 20〜30% の余裕が要る |
なぜ：ダンパで絞ると、送風機は同じ回転のまま高い圧力を出し、その圧力をダンパで損失として捨てます。回転速度を下げれば要る圧力だけを出すので、動力が大きく減ります。極大点より左では風量が減ると圧力も下がり、押し戻す力が働かず振れ続けます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 送風機のサージングを避けるには、ダンパで風量をさらに絞って極大値より小風量側で運転する | × | 一部を捨てる・バイパスして風量を増やす |
| 送風機の回転速度を下げると、サージング限界は小風量側へ移る | ○ | 一定速度より少ない風量まで安定 |
| 多翼ファンはリミットロード性をもつので、電動機の容量の余裕が小さくてよい | × | リミットロード性はターボファン |
| 軸流送風機の旋回失速では、失速した羽根が回転方向と同じ向きに隣へ移る | × | 回転方向と逆向き |
| 回転数制御の省エネ効果は、実揚程のある揚水ポンプのほうが送風機より大きい | × | 下限のない送風機のほうが大きい |
- ラジアルファンの圧力曲線は比較的平らで、管路の抵抗が変わると風量が大きく変わる。効率は 65〜75%。
- 軸流ファンは安定して運転できる風量の範囲が狭いが、抵抗が変わっても風量の変化が少なく、一定の風量を送る所に向く。
- インバータの可変速運転は、省エネに加えて始動加速時の回転子損失が少なく、頻繁な始動・停止ができる。
関連：送風機の風量制御と省エネ／調節計と操作端
煙突の通風力 ── 通風力は煙突の高さと内外の密度差で決まる
| 項目 | 式・中身 | 要点 |
|---|---|---|
| 通風力 | Z＝(ρa−ρg)gH［Pa］ | 外気と煙突内のガスの柱の重さの差 |
| 温度で書いた近似式 | Z≒3,459(1/Ta−1/Tg)H［Pa］ | 温度は絶対温度。mmH₂O なら係数は 353 |
| 必要な通風力 | Z＝Δpt＋½ρV² | 全通風抵抗に、煙突から出るガスの運動エネルギーを足す |
| 押込み通風 | 送風機で空気を大気圧より高くして送り込む | 燃焼ガスが漏れないよう燃焼室を気密に |
| 誘引通風 | 煙道の送風機で燃焼ガスを吸引する | 炉内は大気圧より低い。高温で体積が大きく大型の送風機 |
| 平衡通風 | 押込みと誘引を併用し、炉内を大気圧付近に保つ | 動力費は大きいが、燃焼用空気量の調節が容易 |
なぜ：煙突の頂部では、内も外も同じ大気圧です。下へ行くほど圧力は柱の重さの分だけ増えますが、中の高温ガスは外気より軽いので増え方が小さく、底で差ができます。この差が空気を引き込む力で、高さと内外の密度差（温度差）に比例します。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 高さ H の煙突の通風力は Z＝(ρa−ρg)gH | ○ | 外気の密度−ガスの密度 |
| 煙突内のガス温度が同じなら、冬に外気温度が下がると通風力は小さくなる | × | 外気が重くなり大きくなる |
| 煙突を高くすると通風力が大きくなるのは、内外の柱の重さの差が高さに比例するから | ○ | H に比例 |
| 誘引通風の送風機は冷たい空気を吸うので、押込み通風より小形ですむ | × | 高温の燃焼ガスで体積が大きく大型 |
| 必要な通風力は通風抵抗の合計で、煙突から出るガスの運動エネルギーは含めない | × | ½ρV² を足す |
例題
外気 15℃、煙突内の燃焼ガスの平均温度 220℃、高さ 60 m の煙突の通風力を、近似式で求めます。
①絶対温度にする：Ta＝288.15 K、Tg＝493.15 K。
②1/Ta−1/Tg＝0.0034704−0.0020278＝1.443×10⁻³。
③Z≒3,459×1.443×10⁻³×60≒299 Pa（mmH₂O なら 353 を使って約 30.6）。
④冬に外気が 0℃（273.15 K）になると約 339 Pa。外気が冷たいほど通風力は大きい。
- 近似式は、燃焼ガスのガス定数を空気と同じ 287 J/(kg·K) とおいたもの。大気圧は 1.013×10⁵ Pa を入れる。
- 全通風抵抗 Δpt は、伝熱面や流路の摩擦、曲がり、断面の変化、高さの変化による圧力差の合計。
- 自然通風は動力が要らず簡単なので小型の燃焼装置に使うが、大きな通風力が要る所には使えない。
- 煙突の高さと直径は、燃焼ガスの量と通風力から決める。
出典：エネルギー管理士試験講座 熱Ⅱ「熱と流体の流れの基礎」2編3章。共通Ⅰ 3編2章（電動力応用）。
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