化学プラント大全 
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伝導・対流・ふく射って何が違うの？
プラントではどれが効くの？
そんな悩みを解決します。
・伝熱の3形態と、それぞれの支配式
・ふく射が効き始める温度（数字で確認）
・化学プラントのどこでどれが効くか
私の仕事は化学プラントの設計です。
伝熱を学ぶ最初の一歩を、実務の視点で整理します。
熱の伝わり方には伝導・対流・ふく射の3つがあります。教科書の最初に出てくる分類ですが、実務では「どれを計算に入れ、どれを無視してよいか」を判断するために使います。
熱交換器の設計で扱うのは主に伝導と対流です。しかし加熱炉や保温、高温配管の放熱を考えるときは、ふく射を無視できません。
・伝導は物質の中を、対流は流体の移動とともに、ふく射は電磁波として熱が伝わります。
・熱交換器の設計は、伝導と対流の組合せで組み立てます。
・ふく射は絶対温度の4乗に比例するため、高温になるほど急激に効いてきます。
・表面温度200℃前後で、ふく射は自然対流と同程度。400℃を超えるとふく射が主役になります。
・常温付近でも、ふく射は放熱の4割程度を占めます。「無視できる」わけではありません。
伝導 ― 物質の中を伝わる
物質が動かないまま、分子や自由電子のやりとりで熱が伝わる形態です。固体の中、そして静止した液体・気体の中で起きます。
$$Q=λA\frac{T_1−T_2}{δ}$$
λ：熱伝導率［W/(m・K)］── 物質固有の物性値
A：伝熱面積［m2］
δ：厚さ［m］
プラントでどこに効くか
・熱交換器の伝熱管の壁（ただし熱抵抗としては数％しかない）
・保温材（熱を通さないために使う。伝導の応用）
・汚れの層（これも伝導。性能低下の主因）
・炉壁、耐火物
熱交換器では、金属の壁そのものは熱抵抗としてほとんど効きません。むしろ汚れの層という「意図しない伝導」のほうが問題になります。
熱伝導率と熱伝達率の違い【計算例で整理する3つの係数】
対流 ― 流体の移動とともに伝わる
流体が動くことで熱が運ばれる形態です。厳密には、壁のごく近くでは流体が動けないため伝導が起き、その外側で流体の移動が熱を運びます。この一連をまとめて対流と呼びます。
$$Q=hA(T_w−T_f)$$
h：熱伝達率［W/(m2・K)］── 物性値ではない。流れの状態と形状で決まる
自然対流と強制対流
| 自然対流 | 強制対流 | |
|---|---|---|
| 駆動力 | 温度差による密度差（浮力） | ポンプ・ファン・撹拌 |
| 熱伝達率 | 小さい | 大きい |
| プラントでの例 | タンク表面からの放熱、静置した液 | 熱交換器、配管内流れ |
熱交換器はほぼすべて強制対流です。流速を確保することが伝熱を確保することである理由がここにあります。
熱伝達率の求め方【実測から逆算する方法と、実験式から予測する方法】
ふく射 ― 電磁波として伝わる
物体はその温度に応じて電磁波（赤外線など）を出しています。間に何もなくても伝わる点が、伝導・対流と決定的に違います。真空中でも成立します。
$$Q=εσA(T_1^4−T_2^4)$$
ε：放射率［−］（0〜1）。黒い粗い面ほど大きい
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］（℃ではない）
絶対温度の4乗という点がすべてです。温度が2倍になれば熱量は16倍。だから低温では目立たず、高温では支配的になります。
放射率の目安
| 表面 | 放射率 ε |
|---|---|
| 磨いたアルミ・ステンレス | 0.05 〜 0.2 |
| 酸化した鋼 | 0.7 〜 0.9 |
| 塗装面（色によらず） | 0.85 〜 0.95 |
| 耐火物・レンガ | 0.8 〜 0.95 |
| すす・黒体に近い面 | 0.95 〜 1.0 |
金属光沢のある面は放射率が小さく、酸化したり塗装したりすると大きくなります。保温材の外装に光沢のあるアルミ板を使うのは、ふく射による放熱を抑えるためです。
どの温度からふく射が効くのか ― 数字で確認
表面が周囲（20℃）に放熱する場合を計算してみます。放射率 ε = 0.9、面積 1 m2 あたりです。
| 表面温度 | ふく射 | 自然対流 | ふく射の割合 |
|---|---|---|---|
| 50℃ | 180 W | 240 W | 43％ |
| 100℃ | 613 W | 800 W | 43％ |
| 200℃ | 2,181 W | 2,160 W | 50％ |
| 400℃ | 10,101 W | 5,700 W | 64％ |
| 600℃ | 29,284 W | 10,440 W | 74％ |
読み取れること
・常温付近でも、ふく射は放熱の4割程度を占める。完全には無視できない
・200℃前後で自然対流と同程度になる
・400℃を超えるとふく射が主役。加熱炉の伝熱がふく射主体なのはこのため
等価熱伝達率で捉える
ふく射を対流と同じ土俵で比べるため、等価的な熱伝達率 hr に直すと分かりやすくなります。
| 表面温度 | 等価ふく射熱伝達率 hr［W/(m2・K)］ |
|---|---|
| 50℃ | 6.0 |
| 100℃ | 7.7 |
| 200℃ | 12.1 |
| 400℃ | 26.6 |
自然対流の h が 5〜25 W/(m2・K) 程度であることを思えば、ふく射は自然対流と同じオーダーだと分かります。保温の計算では両方を足して扱うのが普通です。
プラントでの効き方の整理
| 場面 | 支配的な形態 | 備考 |
|---|---|---|
| 熱交換器 | 対流＋伝導 | ふく射はほぼ無視できる |
| 加熱炉・ボイラの炉内 | ふく射 | 高温火炎からのふく射が主体 |
| 保温・保冷 | 伝導（保温材）＋対流・ふく射（外表面） | 外装の放射率が効く |
| 高温配管の放熱 | 対流＋ふく射 | 両方を足して計算する |
| タンクの自然放熱 | 自然対流＋ふく射 | 同上 |
| 火災時の輻射熱 | ふく射 | 離隔距離の設計根拠になる |
熱交換器の設計でふく射を無視できるのは、伝熱面の温度差がせいぜい数十Kで、しかも対流の h が数百〜数千と大きいからです。hr が10前後では相手になりません。
逆に、対流が弱い場面（静止した空気に面している）ではふく射が効いてきます。保温や放熱の計算で無視すると、放熱量を4割ほど過小評価することになります。
3形態の比較まとめ
| 伝導 | 対流 | ふく射 | |
|---|---|---|---|
| 媒体 | 必要（物質の中） | 必要（流体） | 不要（真空でも伝わる） |
| 支配する量 | λ（物性値） | h（流れで決まる） | ε と絶対温度 |
| 温度依存 | 1乗（温度差に比例） | 1乗 | 4乗 |
| 熱交換器での役割 | 管壁・汚れ | 主役 | ほぼ無視 |
| 高温での役割 | 炉壁 | ─ | 主役 |
まとめ
・伝導は物質の中を、対流は流体の移動とともに、ふく射は電磁波として熱が伝わります。
・熱交換器の設計は伝導と対流の組合せ。ふく射はほぼ無視できます。
・ふく射は絶対温度の4乗に比例します。200℃前後で自然対流と同程度、400℃を超えると主役になります。
・常温付近でも、ふく射は放熱の4割程度を占めます。保温の計算で無視すると過小評価になります。
・熱交換器で本当に問題になる「伝導」は、金属の壁ではなく汚れの層です。
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