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冷却水の量の計算(必要な流量・出口の温度)

取り去る熱量(発熱量)と冷却水の温度の上がり幅から、要る冷却水の流量を求めます。流量が決まっているときは、出口の温度を求めます。

入力

Qt_int_outq_v
求めたいもの

温度の上がり幅を決めて要る流量を求めるか、流量が決まっているときの出口の温度を求めるかを選びます。

冷却水が受け取る熱の流れ(1 秒あたりの熱)。装置の発熱量、または「熱量の計算」で求めた値。例:1,400 W

冷却水(流れるもの)の密度。例:水 1,000 kg/m³(温度で少し変わる)

冷却水(流れるもの)の比熱。kcal/(kg·°C) の値は、単位の欄で kcal/(kg·°C) を選んでから入れる。出典の例:水 4.2 kJ/(kg·K)(SMC)、1 kcal/(kg·°C)(三菱電機)。

冷却水が入口から出口までに上がってよい温度。例:2 K(2 °C の差)

流れている(流せる)冷却水の体積流量。例:10 L/min

冷却水が入るときの温度。例:20 °C

結果

計算すると、ここに結果を図で示します。

入力すると、ここに結果が出ます。

参考

  • University Physics Volume 2「1.4 Heat Transfer, Specific Heat, and Calorimetry」・OpenStax(ライス大学)・熱量の式 Q = mcΔT(流量と温度差の関係のもとになる式)・資料を開く
    流量で書いた形(Q = ρ·qv·c·ΔT)は載っていません。
  • 必要システム総水量の計算・三菱電機・空冷ヒートポンプチラー MCHV-P1500A1(CGC-02816-2)の冷水出入口温度差・資料を開く

参考先は MechOwl が独自に選んだもので、参考先が推奨・保証するものではありません。

解説

冷却水が 1 秒に運べる熱は、1 秒に流れる質量(密度 × 流量)× 比熱 × 温度の上がり幅です。取り去る熱量が決まっていれば、温度の上がり幅を小さくするほど多くの流量が要ります。流量が決まっていれば、熱量 ÷(密度 × 流量 × 比熱)が温度の上がり幅で、入口の温度に足すと出口の温度です。

使い方

求めたいものを選び、取り去る熱量・冷却水の密度と比熱と、温度の上がり幅(または流量と入口の温度)を入れます。熱量がわからないときは「熱量の計算」で求めます。

例題(手計算)

  1. 例題 1:1,400 W・水 1,000 kg/m³・4.2 kJ/(kg·K)・上がり幅 2 K の流量

    q_v = 1,400 ÷ (1,000 × 4,200 × 2) = 1.6667 × 10⁻⁴ m³/s = 10.000 L/min(出典の SMC の例は 10 L/min・ΔT 2 K で 1,400 W。同じ式を流量について解いた)。

  2. 例題 2:21.89 kW・37.7 m³/h・1 kcal/(kg·°C) の温度の上がり幅

    ΔT = 21,890 W ÷ (1,000 kg/m³ × 37.7 ÷ 3,600 m³/s × 4,186.05 J/(kg·K)) = 21.89 × 860 ÷ 37,700 = 0.49935 K(出典の三菱電機の例は 218.9 kW × 0.1 × 860 ÷ (37.7 × 1,000) = 0.49 °C と書く)。入口の温度 15 °C はこのページの例の値(出典にない)で、出口の温度は 15.499 °C。

  3. 例題 3:5 kW・水 20 L/min・4.18 kJ/(kg·K)・入口 25 °C の出口の温度

    このページで決めた値の例(出典にない)。q_v = 20 ÷ 60,000 = 3.3333 × 10⁻⁴ m³/s。ΔT = 5,000 ÷ (1,000 × 3.3333 × 10⁻⁴ × 4,180) = 3.5885 K。出口の温度 25 + 3.5885 = 28.589 °C。

  4. 例題 4:取り去る熱量 0

    熱量が 0 なので、要る流量は 0(このページで決めた値の例)。

  5. 例題 5:温度の上がり幅 0 K(入力エラー)

    温度が上がらない冷却水は熱を運べない(0 で割る)。上がり幅は 0 より大きい。入力エラー(判定の語は出さない)。

  6. 例題 6:流量 0 L/min で出口の温度(入力エラー)

    流れていない冷却水では出口の温度が決まらない(0 で割る)。流量は 0 より大きい。入力エラー。

よくある間違い

  • 比熱の単位を取り違える:kcal/(kg·°C) と kJ/(kg·K) は約 4.19 倍違います。単位の欄で選びます。
  • 流量の単位を取り違える:L/min と m³/h は 1 m³/h = 16.67 L/min です。単位の欄で選びます。
  • 温度の上がり幅を小さく取りすぎる:上がり幅を半分にすると、要る流量は 2 倍になります。

よくある質問

冷却水が運ぶ熱量を求めたいときは。
流量と出入口の温度から熱量を求めるのは「熱量の計算」のページです。
チラーの能力はこの値で選べますか。
この値は熱の釣り合いだけです。チラーを選ぶときは、周りから入る熱などの余裕(出典の SMC の選定は 1.2 倍)と、チラーのポンプが出せる流量・圧力をメーカーの資料で確かめてください。

適用範囲

取り去る熱量をすべて冷却水が受け取るときの、要る流量と出口の温度(顕熱だけ、落ち着いた状態)。

この計算で扱わないこと:

  • 沸騰・凍結(潜熱)
  • 熱交換器の伝熱(伝熱面積・熱通過率)
  • チラー・ポンプの選定(余裕・流量と圧力)

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