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伝熱の計算及び考え方を教えてください
- 自動車のオイルパン内に加熱器を設け、エンジン始動前にオイルの温度を50℃ほど加熱したい場合の加熱器のおおよその出力を求めたいですが、伝熱計算の方法が分かりません。
- 伝熱計算には加熱器とオイルの熱伝達、オイルとオイルパンの熱伝達、オイルパンと外気の熱伝達、オイルの熱容量、オイルパンの熱容量の計算が必要です。
- オイルパンと他の部品の伝熱や加熱器以外からの放熱は考慮していません。おおよその値を試算することを希望します。
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こんばんは。MILDでございます。 愛車にはMobil-1使っています。 冗談はさておき・・・ 概算としても、必要な熱量は、 ・OIL加熱の為の熱容量 ・オイルパン加熱の為の熱容量 ・エンジンブロック(一部の)加熱の為の熱容量 ・オイルパンの表面からの放熱量(大気への放熱) ・オイルパンからエンジンブロックへの熱伝導による放熱量 ・オイルからエンジンブロックへの熱伝導による放熱量 をそれぞれ計算し、これらの和となります。 (昇温容量と放熱量の和ですね) 温度が低いので、輻射による放熱は無視します。 そうしますと、計算に必要なパラメータが足りません。 ・OILを何℃から60℃に上げるのですか？ ・オイルパンの質量は何kgですか？ ・エンジンブロック(加熱部のみ)の質量は何kgですか？ ・オイルパンの表面積(放熱面積)は何m2ですか？ ・オイルパンの厚さは何mmですか？ ・オイルパンとエンジンブロックの接触部分の長さ (周長さ)は何mですか？ ・エンジン本体に触れているオイルの面積は何m2ですか？ 教えて下さい。 余談ですが、 ・オイルパンから大気への放熱量が大きそうですね。 ・電圧が低いので、計算結果の電気容量が大きいと 電流値も大きくなりそうですね。 -- 60℃→50℃ですね。失礼しました。 MILDでございます。 ＞オイルからオイルパンへの熱伝導は含まれない･･･？ OILとオイルパンを同じ温度と想定し、熱の移動がない ものと考えています。 ＞電気は使わないつもりですので･･･ ドレンプラグからカートリッヂヒータを挿入すると 解釈していましたが、違うのですね。 まず、回答の半分を追記します。 昇温（加熱）の計算です。具体的な数値は書きません。 恐ろしくレスが長くなる為です。了承下さい。 1）OILとオイルパンの昇温容量計算 Ｑ＝ｍ×ｃ×?Ｔ／（3.6×ｓ） ｍ：被加熱物の質量[kg] ｃ：同比熱[kJ/(kg･K)] ?Ｔ：温度差[℃] ｓ：昇温時間[Hr] 以上でそれぞれを計算下さい。 放熱の計算は別途追記します。 （お昼休み終了の為） MILDでございます。 続いて、 2)オイルパンの表面からの放熱量(大気への放熱) Ｑ＝α×Ｓ×?Ｔ α：オイルパン表面熱伝達率[11.6W/(m2･K)] Ｓ：オイルパン表面積[0.126m2] ?Ｔ：50[℃] Ｑ＝11.6×0.126×50 ＝73.08[W] となります。 熱伝導による放熱は、現状計算できない為、 ひとまず終わりにします。
取り急ぎ質問だけですみません。 オイルの初期温度 ５０℃にするまでの時間が必要となりますが。 設定としてどの程度をお考えですか。 ５０℃に保つ熱量と５０℃にする熱量 今回は、熱がオイルパン意外に伝わる熱量分を 加熱容量と考える事も出来ますがもう少し設定した方が 計算しやすくなります。 オイルの体積＊比熱＊密度＝指定数オイルを１℃上げる為の熱量となります。 冷却される熱以外の他の値は小さいので、初期温度からどれほどの時間で５０℃にするかで発熱量が決まります。 １J(ジュール）＝２．７７７７８ｘ１０（－７乗）ｋW・ｈ のように仕事率（発熱）＊時間 となりますから 時間が短ければそれだけ大きな熱量が必要です。 上記で私は計算しますが、如何でしょうか。
お礼
ありがとうございます。 前半のコメントに関しては、下記に書かせていただきました。 オイルを５０℃上昇させるときに必要な熱量までは計算したのですが、オイルから他の物質（代表としてオイルパン）への伝熱がどう関与してくるかが分かりません。恐らく、tak-s様のおっしゃっているようなことでいいと思います。 １０秒というのは運転手が車のエンジンをかけるまでの時間（長めに仮定してありますが）となります。 よろしくお願いいたします。
取り急ぎ質問だけですみません。 オイルの初期温度 ５０℃にするまでの時間が必要となりますが。 設定としてどの程度をお考えですか。 ５０℃に保つ熱量と５０℃にする熱量 今回は、熱がオイルパン意外に伝わる熱量分を 加熱容量と考える事も出来ますがもう少し設定した方が 計算しやすくなります。 密度の単位が違うような気がしますがm3→L 4*2.13*0.852*50=7.259ｋJ （7.259*1000)*（3600秒／10秒）*(2.7778Exp-7)=0.7259≒750Wとなるのですが。 話が入れ違いになっているようですみません。 余計なことかもしれませんが、 10秒でオイルパン内のオイルは温まりますが、(車の場合）機関内(トルコン、ミッション等）のオイルが冷えたままで良いのでしょうか。 北欧では、駐車場に電気スタンドがあり、オイルパンに直接入れたヒーターにエンジン(機関を含め）が冷えないようにヒーターコードを電気スタンドに接続して冷えないように(温めて）しています。 今回10秒でオイルパン内のオイルだけ暖めるなら、北欧のようにエンジン全体を６０℃を保つ用に(冷やされる熱量分の）使用方法、容量を考えた方が良いのではないでしょうか。
お礼
早々のコメントありがとうございます。 初期温度１０℃のオイルを１０秒で６０℃まで加熱したいという条件でお願いいたします。また、エンジンを始動させる前にオイルの温度を５０℃上昇させたいので、温度を保つというよりは５０℃上昇させるときの必要熱量を求めることが目的となります。 以上で、よろしいでしょうか？ 知識不足でご迷惑おかけいたしますが、ご指導よろしくお願いいたします。 大変失礼いたしました。 オイルの密度はm3ではなくLでした。 ＞4*2.13*0.852*50=7.259ｋJ ＞7.259*1000)*（3600秒／10秒）*(2.7778Exp-7)=0.7259≒750Wとなるのです＞が。 とおっしゃられたのですが、 4*2.13*0.852*50≒362.952kJ 必要入力熱量はおよそ37kWになると思いますがいかかでしょうか？ この値は加熱器で直接オイルのみを加熱した場合で、実際にはオイルからオイルパンに熱損失すると考えています。このときの熱損失はどうなるのでしょうか？オイルの熱伝達、オイルパンの熱伝導をそれぞれ計算し、先に求めた値に加えていけばいいのでしょうか？ 寒冷地では電気ヒーターでエンジンを直接温めるために家から電力を引っ張ってくるとは聞いたことがありましたが、北欧でそのような対策が取られているのは初めて伺いました。一度調べてみようと思います。 蓄熱材を用いてオイルを温めることができないかという検討をしており、そのための蓄熱材を選定するために今回の試算を行なっております。
お礼
返答が遅くなり申し訳ございません。 コメントありがとうございます。 Mobil 1 はすごくいいオイルですよね。私も非常に気に入っております。 本題ですが、 >概算としても、必要な熱量は、 > ・OIL加熱の為の熱容量 > ・オイルパン加熱の為の熱容量 > ・エンジンブロック(一部の)加熱の為の熱容量 > ・オイルパンの表面からの放熱量(大気への放熱) > ・オイルパンからエンジンブロックへの熱伝導による放熱量 > ・オイルからエンジンブロックへの熱伝導による放熱量 >をそれぞれ計算し、これらの和となります。 >必要な熱量の中にオイルからオイルパンへの熱伝導は含まれないのでしょう >か？ ↑この中にオイルからオイルパンへの熱伝導は含まれないのでしょうか？ >そうしますと、計算に必要なパラメータが足りません。 > ・OILを何℃から60℃に上げるのですか？ > ・オイルパンの質量は何kgですか？ > ・エンジンブロック(加熱部のみ)の質量は何kgですか？ > ・オイルパンの表面積(放熱面積)は何m2ですか？ > ・オイルパンの厚さは何mmですか？ > ・オイルパンとエンジンブロックの接触部分の長さ > (周長さ)は何mですか？ > ・エンジン本体に触れているオイルの面積は何m2ですか？ >教えて下さい。 についてですが、現在分かっている（仮定している）ことは下記になります。 ・OILは10℃→60℃（昇温幅ΔT=50℃） ・オイルパンの厚み 3mm ・オイルパンの表面積 0.126m2 ・オイルパンの質量 2.98kg またエンジンブロックについてはこれから検討いたしますので、申し訳ございませんがしばらくお待ちください。 >余談ですが、 > ・オイルパンから大気への放熱量が大きそうですね。 > ・電圧が低いので、計算結果の電気容量が大きいと > 電流値も大きくなりそうですね。 オイルパンからの放熱量は確かに大きくなりそうです。場合によってはオイルパンの断熱も考えなければいけないと思っていますが、そうなると今度は冷却効果が落ちてしまうので・・・という課題はあると思います。 電流値のお話ですが、それは電気ヒーターを使った場合ということでしょうか？電気は使わないつもりですので、その点は問題ないかと思っておりますが・・。何しろ知識がないので明確な返事が出来ず申し訳ございません。 以上になりますが、よろしくお願いいたします。 ありがとうございます。 一度自分で一通り計算してみます。 第一段階としてエンジンブロックは考慮せずに算出しようと思います。 算出し終わったら改めてエンジンブロックの方の検討に入ろうと思っております。 丁寧なご指導ありがとうございました。