【二級ボイラー技士・燃焼】伝熱の基礎｜伝導・対流・放射と伝熱量の計算

結論から言うと、ボイラーの伝熱は「火炎・燃焼ガスから管表面へ」「管壁を通って」「水へ」という経路で進み、その途中に放射・対流・伝導が同時に現れます。三つを別々に暗記するだけでは、スケールで管が過熱する理由や、通風を強くしすぎても効率が上がるとは限らない理由を説明できません。

ボイラーの伝熱経路を一枚でつかむ

炉内では火炎・高温ガスから伝熱面への放射が大きく、燃焼室を出た後のガス通路では対流の寄与が相対的に大きくなります。ただし、境界で急に一方式だけへ切り替わるわけではありません。実機では温度、ガス組成、流速、表面状態、形状によって各方式の割合が変わります。

伝導・対流・放射の違い

伝導は「厚さ÷熱伝導率」の熱抵抗で考える

平板を通る定常一次元伝導の基本形は、熱流量を Q＝λAΔT/L と表します。λは熱伝導率、Aは面積、ΔTは温度差、Lは厚さです。同じ材料なら薄いほど、同じ厚さなら熱伝導率が大きいほど熱を通します。

重なった層を比べるときは、単位面積当たりの熱抵抗 R＝L/λ が便利です。以下は仕組みを理解するための仮定値で、実機の設計値ではありません。

これは管壁とスケールだけを比べた学習用計算です。実際の総合伝熱にはガス側・水側の境膜抵抗、付着状態、沸騰なども入ります。それでも、スケールが水側への熱移動を妨げ、同じ蒸発量を保とうとすると火側金属温度が上がりやすい理由は見えます。詳しい障害は「スケールと腐食」で確認できます。

対流は流体と表面の間の熱移動

対流熱伝達の基本形は Q＝hAΔT です。hは熱伝達率で、流速だけでなく流体の粘度・密度・熱伝導率、管の形、層流か乱流か、沸騰の状態などで変わります。

したがって「通風を強くすれば必ずボイラー効率が上がる」は誤りです。過剰空気が増えれば排ガスが持ち去る熱が増え、ファン動力も必要です。伝熱と燃焼の両面から、設備ごとの適正空気比・ガス流量へ調整します。空気比は「燃焼の基礎理論」、ファン制御は「通風装置」で解説しています。

放射は絶対温度の4乗差で考える

理想化した放射熱交換は Q∝εFA（T₁⁴－T₂⁴） の形で考えます。TはK（ケルビン）で表す絶対温度、εは放射率、Fは向き合い方を表す形状係数です。単に「温度の4乗」ではなく、相手面との絶対温度の4乗差で正味の熱移動が決まる点が重要です。

200℃の上昇でも、理想表面が放出するエネルギーは約2倍になる計算です。ただし、実炉で伝熱面が受け取る正味熱量は、受熱面温度、放射率、火炎の充満度、CO₂・水蒸気などの放射性ガス、汚れにも左右されます。「炉内なら必ず何℃」「放射だけで全量が伝わる」と固定しません。

放射伝熱面と接触伝熱面は場所の分類

二級ボイラー技士試験では、燃焼室に面して主に放射熱を受ける面を放射伝熱面、燃焼室を出たガス通路に置かれ、主にガスとの接触で熱を受ける面を接触伝熱面と呼びます。「接触伝熱」は伝導・対流・放射と並ぶ第四の基本方式ではなく、ボイラー内の伝熱面を位置と受熱の特徴で分ける用語です。

安全衛生技術試験協会の公表試験問題でも、この二つを逆にした選択肢が出ています。炉内に直面＝放射、炉後のガス通路＝接触、という対応を先に押さえましょう。

総合伝熱量は一番大きな抵抗に左右される

ガスから水までをまとめた基本形は Q＝UAΔT です。Uはガス側対流、付着物、管壁伝導、水側対流などを一つにまとめた総括熱伝達率です。

Uが汚れで15％低下し、面積と温度差が同じなら、伝熱量も15％低下して約0.92MWになります。実際の熱交換器では場所ごとに温度差が変わるため対数平均温度差などを用いますが、試験学習ではまず「U・A・温度差のどれかが小さくなると熱量も小さくなる」と整理すれば十分です。

汚れを排ガス温度・燃料量・差圧から見つける

一つの指標だけで断定しません。負荷、燃料、外気温、ブロー量などの条件をそろえて過去値と比べます。清掃方法と隔離手順は「ボイラーの清掃・整備」を参照してください。

理解度チェック

関連学習とまとめ

伝熱は三つの用語を覚えるだけでなく、熱が通る順番と抵抗を追うのが近道です。炉内では放射、ガス通路では対流、管壁では伝導が中心ですが、実機では重なって働きます。

最終更新日：2026年7月28日