加圧時の温度

質問

いつもお世話になっています。

φ245ｘ189.5mmの密閉のSUS製の容器の中に
□100ｍｍの大きさのヒータブロック（加熱元）
を取り付けた設備を設計しました。

ヒータブロック（以下HB）を加熱させると
大気圧状態では、設定温度に対し
HB温度は設定通りになりますが
容器の中に空気を加圧させて
0.5MPaすると、温度が下がります。
10℃以上下がり
それ以上上昇もしません。

なぜでしょうか？

勉強不足のため
原理がわかりません。

どなたかアドバイスをお願いします。

回答No.7

noname#230359

熱計算
http://www.nippon-heater.co.jp/material/calculation/calculation.html
１基本式　：熱量＝比熱×（密度×体積）×温度差Δt

熱計算：例題２　空気加熱
これの空気圧力と密度と比熱を加圧後の値に補正して計算

尚、手計算が面倒なら↓に自動計算してくれる
http://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/index2.htm

回答No.6

noname#230359

(5)さんが言われるように、熱バランスで温度が決まります。
圧力が上昇すれば密度が上昇し、比熱も若干上昇するので、（４）さんが言われるように熱容量増加と圧力Uｐのため低温の空気が混ざれば温度が下がると思います。
ここで、気になるのはブロックの温度が一定なるように温度制御していると思いますが、圧力上昇に伴って、空気の密度が増加し熱容量の増加、熱伝導率が増加するので、ヒータの容量が小さいと、逃げる熱量が大きくなると、ヒータを最大で加熱しても、温度が下がると思います。
（１）さんの指摘のように、電力がどのように変化しているのか、またヒータとブロックの温度センサーの位置関係が気になります。
ヒータの容量が小さいので、圧力上昇伴って熱容量増加、熱伝達率上昇で温度が下がったと思いますが。
　電力の測定をし、ヒータ電力が目一杯になっていないか確認してみて下さい。

回答No.5

noname#230359

温度が下がるのは、回答（4）さんが妥当かと思います。

温度が上がらないのは、熱収支がバランスしているから。
加圧側コンプレッサとの接続はどうなっているか？
加圧後　遮断、密閉されているのかどうか。

下がった温度は常温に対しどうなのか確認ください。

回答No.4

noname#230359

＞容器の中に空気を加圧させて0.5MPaすると、温度が下がります。

常温の圧縮空気を吹込んで圧を増せば、既に加熱していた分との加重平均になり温度は下がります。
　　　＜＜　ピストンのように密封し中の空気だけを圧縮すれば温度は上がる（断熱圧縮）＞＞

＞10℃以上下がりそれ以上上昇もしません。

加熱し続けて全く上昇しないということは有り得ず、表現の問題かと

加熱しているが能力が不足して、逃げる熱に追いつかずと釣り合った飽和状態。極端に加熱能力が弱ければ、10℃以上下がってから釣り合うことも考えられる。
圧が上がるほど熱容量が増すのと熱を伝えやすくなる（放熱しやすい）

しかし加熱をやめるとゆっくり室温にまで下がる。

回答No.3

noname#230359

大気中の水分が影響していると考えます。

空気中の水分が蒸気に変わった時に、気化熱を周りから奪う。

夏に打ち水をした時に、周りが数℃冷えることと同じです。

気化熱 ＞ ヒータブロック（加熱元）になった10℃以上下がったと考えます。

また、温度が上場しないのは、0.5MPaの水分/蒸気の状態にもよります。

水は大気圧では100℃で沸騰、富士山等の気圧が低い場所では100℃を下回っても沸騰。

逆に、圧力の高い場所では100℃を上回っても沸騰なので、10℃以上下がった温度が、0.5MPaの

沸点かな？空気中の水分が全て蒸気になったら、また上昇するかもしれません。

また、蒸気の乾き度で、潜熱が生まれるので、蒸気の蓄熱の方にヒータブロックの

熱エネルギーが行ってて、温度上昇の方へ熱エネルギーが行っている条件下なのか？

以上のように、推測します。

0.5MPaの水の蒸気圧は、150℃余りなので、その温度であれば、気化熱です。

そうだね。
常温の体積４倍の空気を入れる(0.5MPaにする)と、温度は下がるよな。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B8%E6%B0%97%E5%9C%A7 http://www.tlv.com/ja/steam_story/0712simeri_jyouki.html

回答No.2

noname#230359

回答ではありません。

ヒータブロックで、加圧空気(0.6MPa)を加熱している。
ヒータブロックは温度センサが付加され温度調整器によって制御され、設定温度に達する。
しかし加圧空気は、ヒータブロックよりも10度ほど小さい温度で飽和してしまう。
ちなみに空気が大気圧の時には、ヒータブロックとの温度差は無い。

なぜか???

こんな質問ですか??

回答No.1

noname#230359

0.5MPaはゲージ圧であり、絶対圧で0.6MPaと思いますが、・・・・・
だとすると、空気の密度は常圧の６倍ということです。

熱を運ぶ媒体が、常圧の場合よりもずっと多くなったので、発熱体を
冷却する力が増加したと考えるのが素直だと思います。

念のためにお尋ねしますが、
発熱体には、特に温度制御は付属しておらず、一定電力を投入している
状態と考えてよろしいでしょうか？

＞冷却する力が増加したとすれば
＞いずれは、温度は上昇すると言うことでしょうか？
冷却力が増加するということは、時間がたっても温度上昇を抑えることが
できることを意味します。

＞発熱体は、温度制御をしています。
温度制御装置が、圧力の影響を受けた可能性もあります。
どのような温度制御装置をお使いでしょうか？
古典的なサーモスタットのようなものでしょうか？

また、投入電力は、常圧時と加圧時で変化ないでしょうか？

回答(4)さんのご指摘
「圧力を上げると温度が下がる」は、　
容器内よりも高圧で、常温の空気を容器内に吹き込めば、
吹き込まれた空気は断熱膨張によって温度が低下し、容器全体としても
平均として温度が低下するものと考えればよろしいかと思います。

そのほかにも、水蒸気の影響についてもご指摘があります。

0.5 MPaに加圧するとともにヒーターを加熱するのではなく、温度的に
定常化するのを待ってから、ヒーターをに通電して温度上昇の様子を観測
してみてください。その際、ヒータに加わる電力（または流れ込む電流）
をモニターして、加熱パワーの変化も観測し、現象の切り分けをすること
がよさそうに思います。

実験結果がわかったら、追記してくださるようにお願いします。

お礼

早速の回答ありがとうございます。

冷却する力が増加したとすれば
いずれは、温度は上昇すると言うことでしょうか？

大気圧では、6分程度で温度は上昇するのですが
加圧時は、10分以上立っても、上昇する気配もありません。

実験して試してみます。

また、発熱体は、温度制御をしています。

ありがとうございました