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炉の温度計算と円筒形状の銅を加熱する方法
- 円筒形状の銅を加熱するための計算方法について、アドバイスやヒントをお願いします。
- 材質やサイズなどの情報を元に、銅を０℃から１００℃まで加熱する方法を考えていますが、炉の雰囲気温度と加熱時間の関係がわかりません。
- 炉の温度計算や円筒形状の銅の加熱方法について詳しい方からのご教授をお待ちしています。
- 機械設計
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No.37424で回答した内容と基本的には同様ですが、再度ご紹介します。 参考ＵＲＬの「熱の計算」「温度上昇計算」で数値を知ることができます。 物体の温度上昇または温度降下 物体の質量A：0.01 kg 物体の比熱B：390 J/kg ℃ 放熱部分の表面積C：0.0023 m2 物体の初期温度D：0 ℃ 物体表面の放射率E：0.072 対流による熱伝達率F：7 W/m2 K 雰囲気温度G： 200 ℃ 加熱容量H： 0 W を代入して計算実行させると 0℃の銅の円筒は、145秒ほどで、100℃ まで上昇する結果が得られます。 雰囲気温度を変化と、100℃に到達する時間の関係は以下のとおりです。 雰囲気温度（℃） 100℃到達時間（秒） 150 236 200 145 300 80 400 52 500 37 上記の計算は、炉内壁の温度と炉内雰囲気の温度が等しく、炉内の雰囲気は 自然対流の状態としています。また、円筒の内面も熱伝達に有効な面積とし て計算しています。内面は、外面に比べ雰囲気に対する熱伝達が低下するの で、実際は上記の計算値よりも、もう少々時間が掛かるかもしれません。 ブロワなどを使って炉内の風速を高めれば、熱伝達がよくなりますので、到 達時間を短縮することができます。
その他の回答 (5)
状況がよくわからないなかで、想定をしたうえで回答しました。 想定：１００℃の温度は厳重な制限値、処理個数は少ない。 しかし、どうやら違っていたようです。 それなら、少々値が張りますが添付したような「マッフル炉」 の採用をご検討されてはいかがですか。 １００℃以上で、０．５℃刻みの温度設定が出来ます。 電気炉ですから製品を汚す心配はありません。即納です。 加熱に必要な時間は、目標温度の許容巾により決まります。 例えば銅を厳密に１００℃にしたいとするなら、 炉の温度を１００℃に設定して、長時間炉の中に入れておかねばなりません。 仮に、１００～２００℃まで許容されるなら、炉の温度設定を２００℃ として一定時間後に取り出せばよいことになります。 マッフル炉のなかに銅の厚板でも入れておいて、その上に試料をのせる ことにすれば管理は容易でしょう。 つまり、２００℃の雰囲気温度で、２００℃の銅ブロックに乗った 銅試料が０℃から２００℃までの温度上昇カーブを描くのは 難しくありません。 しかし、２００℃を超える温度になることはあり得ませんが、 ちょうど１００℃になった瞬間に取り出すのは難しいでしょう。 検討の出発点は仕上がり温度の許容幅を決めることだと思います。
お礼
ありがとうございます。 説明不足でもうしわけありませんでした。 マッフル炉は今後の参考にさせてもらいます。
回答（3)さんの言われるとおり、提示の寸法の純銅材なら約20ｇ/個 です。これら16個を20°から100℃にするには 銅の比熱が0.385J/ｇ℃ ですから、必要熱量は約200ｋJ（48kcal）になります。 炉壁の断熱効率が50％として、30分程度で加熱するのに200W位のヒータが 必要です。
補足
ありがとうございます。 熱量の計算部分をもう少し詳しくお願いします。 熱量＝質量＊比熱＊温度差 320[g]*0.385[J/gK}*80 として 9856[J] という計算をしていました。 よろしくお願いします。
銅製の密閉蓋付きの容器を作って、 ぐらぐら沸いたお湯の中につけて３０分ほど煮てください。 ただし、密閉容器では空気が膨張して爆発しますので、 蓋に取っ手となる管をくっつけてください。 さらに、取扱の際には蒸気と銅の接触が触れないよ注意して下さい。 温度変化が知りたければ、ダミーの１７個目の銅に熱電対をくっつけて 取っ手の管を通じて配線を外に出し、温度測定をしてください。 ところで体積Ｖ＝(π/4)(do^2－di^2)*H＝(π/4)(2^2－1.6^2)*2＝2.26cm^3 純銅の比重は 8.92 なので２０ｇとなり、質量１０ｇと倍半分です。 本当に銅なのですか？
お礼
ありがとうございます。 次工程の関係で水、油は製品に付着するのは問題があります。 あと重さですが、実際の製品には、穴や溝などがあるためこのような重さになっています。 今回は、セラミックヒータで加熱してみようかと考えました。 アドバイスありがとうございました。
たしかに・・・100℃は？ ハンダ付けでもないし？ この温度、サイズなら迷路から抜けて、、、ホットプレートでしょう。 仕事でつかうからと立派そうなもので無くとも家庭用でイケますよ。 温度精度が欲しいなら確認のための温度計におカネ掛けて置き方などを試す。
お礼
ありがとうございます。 ホットプレートでの加熱も候補にあげましたが、 温度ムラの管理、時間の管理が難しいと思い断念しました。
アドバイス・ヒントになるかどうかはわかりませんが…。 銅は、３００℃以上に加熱しないと硬さなどは変化しません。 ０～１００℃程度の加熱する意味が解りかねます。 添付ＵＲＬにて参照ください。 雰囲気温度と銅の温度の関係を調べる手段としては、 熱電対を取り付けるなどといったやり方で、独自に調べた方が 良いのではないかと思います。 次工程の作業内容(或いは熱する目的)はどんなことでしょうか？ (差し支えなければ教えてください) 変色等を気にしないのであれば、お湯(水)に漬けて加熱(均一に温められる) での加熱といったことも考えられます。 小生も、一応銅屋さんなので…。 あと、すみません。 細かいことですが、 ?空気雰囲気だど、表面は酸化します。(変色の原因) 一般的には窒素雰囲気(低温ならば酸化しにくい)だと思われます。 ?加熱では成分変化はしません。状態変化です。 揚げ足を取るようですみません。 最後に蛇足。 銅の内径にみょうばんを固める作業をしてた時に、ホットプレートを使ってました。 当該サイズであれば、さほど気にすることなく温められると思いますよ。
お礼
ありがとうございます。 次工程については、申し訳ありません。 次工程の関係上、水や油が製品につくのは問題があります。 酸化の問題は見落としてました。 アドバイスありがとうございます。 また、今回はセラミックヒータで検討してみようと思います。 またよろしくお願いいたします。
補足
今回の銅への加熱は成分変化を期待するものではなく、 次工程の為に行うものです。
お礼
ありがとうございます。 参考URLありがとうございます。 さっそくお気に入りに登録しました。