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熱膨張について

ASAさん
質問日時: 2014/06/21 11:22

断熱のため約1000°の鉄板の下に断熱材を敷いて遮熱したいのですが、環境が厳しくパック状にした断熱材が膨張してしまいます。
下記環境でなぜ膨張してしまうのか?又、膨張しない様にするにはどうしたら良いのか?ご教授願います。
【使用環境】
雰囲気;大気
雰囲気温度;約800°(鉄板と製品は30mm程空間が有り非接触)
使用場所;屋外及び雨や水冷のため水を大量にかける。
大量にかけられた水が鉄板の熱でかなり水蒸気を発生させる。
製品形状;900✖️350✖️20t(数枚w並べて使用)
内部に低熱伝導の断熱材を入れSUS箔(64μ)で4方を完全封止(シーム溶接)し内部に水が入らない様にしている。但しこのままでは膨張することはわかっているため、1箇所2mmの穴を開けて弁を付け内部に水が入りにくくしている。通常加熱しても膨張しなかった。(写真添付:シーム溶接状態、穴、弁)
又、SUS箔の酸化防止対策のため耐熱塗料塗布、別の断熱材を上部に取り付けている。
【課題】
1.断熱材に水分が付着すると効果が激減するため、極力水分の混入を防ぎたい。
2.SUS箔パックを膨張させない。

以上の通り拙い説明では有りますが、通常この様な環境では煉瓦やキャスター等を使用するのですが熱伝導率が高く、尚且つ施工に手間がかかりすぎるため、なんとしても本製品を利用したいと考えております。
何卒、ご教授よろしくお願いします。

追記1
追記日時: 2014/06/22 11:41

Mr.sunさん
アドバイス有難うございます。

SUS箔パック内の断熱材、実はマイクロサームです。
(1)SUSパックと高熱源との間に・・・
 セラミックファイバーを敷いています。これは単純にSUS箔酸化遅延効果のため。
(2)計算上?径の穴を?箇所開ければよいかわかりますか?
(3)「耐水型の没水型にして水槽内で行い上昇を抑える。」の
 方法を今一度詳しくご教授頂けないでしょうか?

また、1)内部に水蒸気が入り込み膨張増進したことも考えられますか?
   2)蒸気が入ると想定した場合、穴の数を増やすだけで対応可能でしょうか?

以上、ご教授をお願いします。

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回答1
回答日時 : 2014/06/21 17:34

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回答2
回答日時 : 2014/06/21 18:55

Mr.sunさん

図が不明なために想像で回答していますが、
1.まず断熱材ですが低熱伝導率で高温用としては下記の例があります。
マイクロサーム=シリカ粒子、ケイ酸カルシウムを原料とするもので1200度までの耐熱性ありとうたっています。
2.SUSパックの膨張ですが、1000度の高熱と接触させて内部に空間を持った構造と想像します。空気膨張は、もし常温からだと(1000+273)/(30+273)=4、すなわちおよそ4倍に膨張します。低密度・低比熱の空気ですから多分瞬時に膨張するでしょう、しかも本体の大きさが1m規模だとするとこれを排気するには2mm径の管と弁ではとても間に合わなくて、膨張するのが当然と思われます。64ミクロンの箔が瞬時に破断する大変危険な作業に思われます。

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回答3
回答日時 : 2014/06/21 18:56

Mr.sunさん

回答の追記です。
膨張を抑える方法として3つを提案します。
(1)SUSパックと高熱源との間に例えば上記断熱材等をおいて、温度上昇速度を抑えること。
(2)排気系を大きくすること。2mmなら数を増やす、あるいは径を大きくする。
(3)SUSパック本体を耐水型の没水型にして水槽内で行い上昇を抑える。全体が不可能なら底面は水槽に接しておく。
内部に水を入れない工夫はいろいろありますから可能だと思います。

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Mr.sunさんへのお礼 お礼日時: 2014/06/22 11:42

Mr.sunさん
アドバイス有難うございます。

SUS箔パック内の断熱材、実はマイクロサームです。
(1)SUSパックと高熱源との間に・・・
 セラミックファイバーを敷いています。これは単純にSUS箔酸化遅延効果のため。
(2)計算上?径の穴を?箇所開ければよいかわかりますか?
(3)「耐水型の没水型にして水槽内で行い上昇を抑える。」の
 方法を今一度詳しくご教授頂けないでしょうか?

また、1)内部に水蒸気が入り込み膨張増進したことも考えられますか?
   2)蒸気が入ると想定した場合、穴の数を増やすだけで対応可能でしょうか?

以上、ご教授をお願いします。

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回答4
回答日時 : 2014/06/22 22:07

Mr.sunさん

そうでしたか。
2mm径1個での流速を計算してみます。以下はすべて小生仮定値でのものです。
全空間が100L(=0.1m3)、これが30秒で1000度Cに上昇したとしますと、平均流速はV=100L・4/30sec=13L/s、 13L/s/3.14・0.1・0.1cm2=4100m/sと途方もない流速で、これは全く成立しません。今まで一応事故もなしにやってこられたことから想像しますに、実際は空間はもっと小さいし、温度上昇速度ももっと緩やかなのだろうと想像します。

では管径を2cmにしたら、V=41m/sになり、まあ気体の流速としてはありうる速度です。
従って2mm径を本数増やすよりも2cm径を1~2本にする方が手間もかからずよいのではと思いますが。

回答続きは別便とします。



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回答5
回答日時 : 2014/06/22 22:17

Mr.sunさん

次に別な方法を述べます。
いまSUSパックはシーム溶接されているわけですから、この溶接をきちんとやって気密を保持します。そのうえでSUSに管を溶接取り付けて真空ポンプで真空引きします。真空度は1/10気圧程度まで引けばよいでしょう。あと管には気密を維持できる弁を2個ほどシリーズに付けて完全閉鎖します。気密が維持できれば一度引けばあとは維持できますが、断熱材やSUS内部の汚れなどから気体が蒸発して徐々に真空度が悪くなる可能性があります。その時はまたポンプで引けばよいのです。
さすれば内部の空気は除去されますから温度上昇しても膨張は起きません。若干起きますがせいぜい大気圧ぐらいまで。また水が内部に入ることもなくなります。
文面から危険と隣り合わせの作業をやられていると想像します。よってくれぐれも安全には留意されますように。

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回答6
回答日時 : 2014/06/22 22:18

Mr.sunさん


また私が提案しました水槽に底面を接するというのはパックが入る大きさの水槽に多数の穴あきの底板を敷きその上にパックを載せて、自重で沈む深さまで没水させます。穴あき底板は底面が常時水に接して水冷されるようにです。

以上参考にしてください。

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回答7
回答日時 : 2014/06/22 22:27

Mr.sunさん

も一つの質問:
内部に入った水が膨張の要因になっていないかですが、これは大いにあり得ます。大体水が水蒸気になりさらに過熱されて気体になりますと、多分水体積を基準にみると1000倍程度に体積は増えます。
今回は1000度ですから、この現象は起きて当然。水を入れないことは膨張と安全作業の点からは絶対条件でしょう。
従って第2便で回答しましたように、SUSパックは完全密閉の真空パック状にするのが安全、かつ、そうすれば断熱も格段に良くなります(空気の対流伝熱がなくなるために)。

以上ご検討ください。

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Mr.sunさんへのお礼 お礼日時: 2014/07/25 23:07

ご返事遅くなり申し訳ありません。
なかなか良い結局解決策はなく、
とりあえず穴数を増やし対応する事としました。
色々とアドバイス有難うございました。

また、よろしくお願いいたします。

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