カセットコンロに使われるガスが燃える時

質問

素人質問で済みません

カセットコンロは多くの場合ブタンとプロパンの混合ガスで
その混合比は使用環境の温度で決まり
常温対応は1：9
寒冷地では3：7
燃焼に必要な空気は酸素含有量21％の時
常温対応は混合比1：24.52位
寒冷地では混合比1：21.19位だと言うとこまでは解ったのですが
1、
各々の缶が室温20℃の時の気体部分の圧縮率

2、
各々の缶のその時のガスの粘性

3、
あの口(管)を正規の方法で全開にした時、
各々の缶で20℃1気圧の環境に毎秒どの位流出するか

4、
適正な混合比・好ましい条件化で室温20℃に放置された缶から得られたガスが燃焼した時の
各々の缶のガスと空気の混合気が達する温度
(※：水分子の存在を無視しない)
5、
各々の燃焼前後の体積比
(※：水分子の存在を無視しない)

が、ネットを探しても私の脳では解りません
とほほ

ご教示お願いします。

回答No.2

ankotare · ベストアンサー

No.1の回答者です。
補足説明に対しとりあえず調べた範囲で回答します。
ネットでプロパンとブタンの物性を調べたのですが、正確なデータが中々見つからなかったので、純物質に関する値の正確さは議論しない前提で計算しています。
まず、LPGの組成はJIS K2240 に規定されてますが、常温対応は１種２号、寒冷地対応は１種１号が対応すると思われます。（質問に書かれているのは逆です）
計算に先立ちそれぞれの成分の物性は下記の値を使用します。（出典により若干値が異なるため）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　プロパン　　　　　　ブタン
２０℃における純正分の蒸気圧(MPa)　　　　　　　　0.92　　　　　　　0.21
１７℃におけるガス粘度（　x10^-6 Poise）　 8.0　　　　　　　　7.4

１．ボンベの２０℃における内圧（１種１号の場合）
　厳密にはプロパンとブタンの気液平衡データが必要であるが、元々成分が完全に純粋でないこと、直鎖の低分子炭化水素であるのでラウールの法則が成り立つと仮定して計算してさほど違いはない。
　全圧＝プロパンの蒸気圧ｘプロパンの液のモル分率＋
　　　　ブタンの蒸気圧ｘブタンの液のモル分率
　　　＝0.92 x 0.9　+ 0.21 x 0.1
　　　＝0.849　MPa　

２．ガス相のプロパンのモル分率
　ｙ＝(0.92 x　0.9)/0.849
　　=0.975
　元々プロパンとブタンガスの粘度に大きな差がないので、片方の値で代表させても誤差はさほど大きくない。
どうしても混合ガスの値が必要なら計算は容易。例えば Wilke　の推算法などがある。圧力による粘度の変化は相当高圧でないと影響が出ないので、一般的には圧力補正まですることはしない。（数十MPa）以上になると無視は出来ないが・・・。

３．管の全開時どれ位のガス量が出るか？は計算するよりカセットコンロの発熱量から推算した方が早いのでは。当家で使用中のコンロには2,800Kcal/hと書かれているので、燃料の発熱量から逆算すれば、燃料噴出量が計算できる。
コンロからボンベを外し、ガス出口ノズルを全開（押さえつける）にすればこの数倍は出るであろう。
この後ボンベを分解して出口の構造を調べてみたが、さほど複雑なものではなかった。内径数ミリの樹脂パイプが内部のガスを吸い込む位置からバルブに繋がっており、その後流に径が3.5ミリ、高さ7~8ミリ程の金属パイプがつけてある。（外部から見えるパイプ）このパイプを押せばバルブが開きガスが出てくる。新しいボンベに入れ替えたときコンロの火力がほとんど変わらないのは、コンロ側に減圧弁のごときものがあるためと推測する。
上記のごとき構造でバルブを全開にしたとき、ボンベ内のガスがどれ位出てくるかの計算は簡単ではない。それは、短い距離で急激に圧力が下がる、即ちガス密度が大幅に変化するので、一般の摩擦損失の計算式が使えないからである。安全弁の吹き出し量の計算方式がこれに近いと思うので、必要があればこちらを調べられたい。確か、音速になる場合と亜音速では計算式が変わるはず。

４．燃焼温度お計算は次の手順で行う。
計算の基準を燃料ガス100kg mole　とおく。（１でも100でもいくらでもよいのだが、計算しやすいので100と置くのが化学工学では習慣のようになっている）
燃焼に必要な空気量は空気過剰率を決めれば定まる。
次に、ガスの組成それぞれの低位発熱量、燃焼ガス（炭酸ガスと水蒸気）および空気の比熱を調べる。（２０℃から予想燃焼温度まで、一般にガスの比熱は温度の２次式で近似できるので、２次式の係数を調べることになる）
燃焼系を一つのブロックと置きここに入ってくる熱量の出し入れを計算し、これがバランスする出口ガス温度を計算すればよい。入熱はガスの燃焼熱、出熱は各ガスが系外に出ていくときのエンタルピー。（放熱損失を考えるなら出熱に入れる）

具体的な計算を示したかったのだが、リタイアーの身で回りに資料もなく、ネット上で少し探したが、中々見つからないので計算要領にとどめる。
なお、企業でのこのような計算は、プロセスシミュレータでやるので、物性をいちいち調べることは無い。

５．燃焼温度が求まれば、ボイルシャールの法則で計算すればよい。

お礼

有り難うございます。

回答No.1

ankotare

相対的に質問の意図が不明。個々の質問でそれが分かって何の利用価値があるのか理解できない。個別に言うと
１，ここで言う圧縮率の定義が不明
２．ガスの粘性は計算可能だが、それを知ってどうするのか。大まかに言えば、２０℃におけるプロパンの粘度と見てさほど大きく違わない。
３．管を正規の方法で全開にしても、排出流量は時間と共に減少してゆく。最大は排出機構をオリフィスと見なして計算するしかないが、流路の構造と物理的寸法が必要になる。管を分解して寸法を測りるか。
４．これは理論火炎温度を求める問題になるが、現実の問題として、放熱ロスをどう考えるのか。
５．体積比の定義が不明。燃焼前の燃料ガス＋燃焼空気量　対　燃焼ガスの量？
当然後者の温度がこの値に大きく影響してくる。
以上の事項に対し、補足説明されたい。

お礼

お越し頂き有り難うございます

私は
訓練校にて、現在設計を教わっているものなのですが、
その卒業自主制作として
ガスエンジンからの出力抽出法の改良実現を目指しています。

今回は
レシプロエンジン機構そのものへの改良は　考えていませんので、
一応自分でも解る範囲内で　計算はしてみてはいるのですが、
解らない部分も現実としてあり
「解る方に解る分野を」お教え頂ければと
質問させて頂きました。

当然
1人の方から　全てお教え頂ければ　幸いなのですが、
それが叶わなくとも
多くの方から　解る分野についてご教示頂き、
それらを集めて「答えを見いだせれば…」
と　考えております。

これはこのサイトの趣旨にも繋がるものだ
と、考えているのですが
如何でしょうか？

さて、
前置きが長くなりましたが
補足致します。

１、単位容積内に詰め込まれた具合の変化比　と、お考え頂いて構わない
と、思います。

例えるなら
22.4Lに1MOLの気体が詰められていた所を
同条件下で4MOL詰めるようにした場合…
と、いった所です。
非常に端的だと思うのですが如何でしょうか？

２、ガスの粘性と流出口径と流出圧が解れば
流出速度に近づけると思ったのです
ただそれだけです。

ところで
缶内は大半がブタンだと思うのですが
ブタンとプロパンの粘度って 然程変わらないのですか？

３、本当に減少するのでしょうか？
十分な液化ガスの蒸発が見込まれる場合
つまり液量が十分に残っている場合、

確かに
気化熱が奪われる分、缶内の温度降下が見込まれ
これにつれて蒸発量も　幾分は下がるでしょうが、

しかし
十分な気化速度が見込めるということは
「圧倒的な再気化能力がある」と、いう事と同じであり
缶内温度低下が導く　再気化量減少を加味しても　

室温と気化熱量に導かれて
缶内温度が安定するに従い
再気化量は　余力を残して安定を観、

これにつれて
蒸発速度が　然程下がらない内に
缶内圧の安定と平行して　流出量も安定するものと
私は思われます。

ところで、
前置きにて致しました通り
「無理にでも全てについて答えてください」などといったような傲慢は
はなから　甚だも考えておりません。

お答え頂けるチャンスを持つ方のみが
お答え頂ければ…
と、考えております。

カセットコンロをよくご利用されている方なら
満タンの缶にも、空き缶にも
触れる機会が多いことでしょう
その中のいくらかを　安全な方法で計測願えれば…
と、思います。

解らない方に　無理矢理お答え頂くとか
チャンスに恵まれない方に　回答を押しつけるとか
そのようなものでは　決してありませんので
悪しからずご容赦頂きた上
ご安心頂ければ幸いです。

あ゛っ、でも
再気化欲とでも言うのでしょうか？
液化ガスが多いと
缶内圧の上昇も見込めるのでしょうかね？

この場合も
「標準的缶内圧下での流出」を想定頂ければ幸いです。
若しくは常識的な範囲値内で
全缶内容積と、液化ガス残量を添えて
ご回答頂ければ幸いです。

４、自然界が表す法則、
つまり“見えざる手”の導きのままに
お答え頂ければ、それで構いません。

何も
虚実を無理矢理語って頂こうなどといった事や、
劇的なフィクションを期待したり…
などといったような
そんな傲慢は考えておりませんので
ご安心ください。

ですので
見えざる手が指し示すままに　ご配慮頂ければ幸いです。
統計的ばらつきが　確かに予想されるものの
見えざる手はその中に置いても一貫性を示すもの、
ですよね？

５、一般的に言われる湿度を含む「空気」(以下単に空気と称す)と
一般的な条件で封入された　カセットコンロ内のガス(以下単に燃料、又はガスなどと称す)との
理想的比率における混合気体(以下混合気などと称す)が
通常缶及び寒冷地用缶に置いて一様な混合比と体積増加を
一定環境下で示すものと思います。

一般的に　
条件が指定されていない場合は
常温常圧、その他通常環境を想定し
計算値に想定条件添えて示すのが　慣例かと思いますが、
今回もこれに従って頂く形で構いません。

そのように
どうぞ宜しくお願い致します。

尚
以上を持ってしても尚、
注釈が必要な場合は
何なりとお申し付け頂ければ幸いです。

出来る範囲で最善を尽くさせて頂きます。