温水箱が熱を集めるしくみ

さて、温水箱についてはいろんな事を研究することが出来そうです。
まずは本筋である「加熱能力」に関わる、温水箱の仕組みについてです。

温度が伝わるしくみとして、「放射」「伝導」「対流」があります。
「放射」:物体から光が出ることをいい、それが他の物体に当たり吸収されると熱エネルギーがその物体に伝わったことになります。
点火されているストーブの赤熱した芯に向けて手をかざすと手が暖かくなります。これはストーブの芯から放出された赤外線が手にあたることで、ストーブの芯から手に「放射」で熱が伝わったためです。

「伝導」:接触している物体同士が熱のやりとりを行う熱の伝わり方です。
たとえば暖かい飲料が入ったペットボトルを握ると手が暖かく感じます。これはペットボトルから人の手に熱が伝導したためです。

「対流」:熱を有している物体自体が流動して位置を変えることで熱を伝える伝わり方です。
コンロにかけた味噌汁が流動するのは「対流」を起こしているためです。

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※やかんでの反射やアクリルでの吸収など影響が小さいであろう項目は省略しています

さて、温水箱では、太陽からの光を受けて、まずやかんのほうろう鋼板が加熱されます。

発生した熱はやかん内の水に放射(二次的に赤外線が発生)や伝導で伝わります。一方で水からやかんのほうろう鋼板に伝わる熱もあります。

やかん表面からは常々赤外線が外部に放射し、また温水箱内の空気に熱が伝導されます。赤外線の一部は反射されますが、それ以外はわずかな吸収を除いて外部に逃げてしまいます。また温水箱内の空気から温水箱のアクリル板、そして温水箱外の空気へと伝導で逃げる熱もあります。

温水箱はほぼ密閉されているため、内部の空気が熱せられてもその空気自体が外に逃げる(対流による)ことがわずかです。このことが温水箱の保温に一役かっています。

昼間太陽の光が当たっている時に、やかん内の水に伝わる熱のほうが逃げる熱より大きければ水は加熱していきます。光が不十分だったり夜になったりすると熱はどんどん逃げていきます。

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晴れた日に南向きのベランダに温水箱置いた場合の温度変化は上図のようになると思われます。
太陽の光がやかんにあたる時間帯や角度でやかん内の水が受ける熱(A)は変化します。箱の構造や季節に左右されますが、正午頃に最大となるでしょう。

一方でやかん内の水から逃げる熱(B)は、外の気温にも左右されるでしょうが、やかん内の水温に最も大きな影響を受けるとおもわれます。水温が高くなるに従い熱は逃げやすくなるからです。

その総合(A)+(B)は図のとおりになり、太陽の光を受け一旦プラスになるものの午後にマイナスに転じます。
これにより図のように水温が変化します。

温水箱の能力を高くするためには、受ける熱を多くして、逃げる熱を出来るだけ少なくするということが必要になってきます。

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