エネルギー管理士の燃焼計算では、燃料の組成から必要な酸素量を求め、それを空気量に直し、最後に空気比を掛けると整理できます。酸素量と空気量を分けて書くことが、立式の出発点です。
この記事では、気体燃料の体積割合が与えられた場合を扱います。数値例は学習用に独自に設定したもので、公式問題の転載ではありません。出典の確認日は2026年11月12日です。熱分野全体の学習範囲は、エネルギー管理士の熱分野と4課目で確認できます。
最初に「燃料1 m³当たり」でそろえる
計算を始める前に、組成の割合、気体の温度・圧力、空気中の酸素割合を確認します。本稿では気体を理想気体として扱い、燃料・酸素・空気の体積はすべて同じ温度・圧力に換算した値とします。この条件なら、反応式の物質量比を気体の体積比として使えます。
| 確認する条件 | 本稿の置き方 | 読み違えやすい点 |
|---|---|---|
| 燃料の組成 | 体積割合 | 質量割合をそのまま代入しない |
| 計算の基準 | 混合燃料1 m³ | 可燃成分1 m³当たりと混ぜない |
| 空気中の酸素 | 体積割合21％ | 計算には0.21を使う |
| 燃焼の状態 | 完全燃焼 | 不完全燃焼の条件へそのまま広げない |
| 気体の体積 | 同一の温度・圧力で比較 | 標準状態の体積と現場の体積を混ぜない |
問題に標準状態や別の酸素割合が指定されている場合は、その条件を使います。ここでは酸素量をO₀、理論空気量をA₀、実際空気量をA、空気比をmと書きます。O₀・A₀・Aはいずれも燃料1 m³当たりの値です。
燃料組成から理論酸素量を求める
完全燃焼では、メタンとプロパンの反応式は次の形です。
- メタン：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
- プロパン：C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O
必要な酸素に注目すると、メタン1 molには酸素2 mol、プロパン1 molには酸素5 molが対応します。同じ温度・圧力の理想気体なら、メタン1 m³には酸素2 m³、プロパン1 m³には酸素5 m³という関係です。関西医療大学の公開解答・化学基礎5でも、この二つの反応式を確認できます。
メタン80％・プロパン20％の混合燃料を考えましょう。燃料1 m³の内訳はメタン0.80 m³、プロパン0.20 m³です。
O₀ = 0.80 × 2 + 0.20 × 5 = 2.60 m³-O₂／m³-燃料
成分ごとの酸素量を求めてから足し合わせます。80％を80として掛けたり、メタンの係数2だけを混合燃料全体に使ったりすると、組成を反映できません。
質量割合で与えられた場合は、各成分の質量をモル質量で割って物質量を求める段階が必要です。体積割合用の式へ、質量割合を直接入れないようにしましょう。
理論酸素量を空気量に直し、空気比を掛ける
理論空気量は、完全燃焼に必要な酸素を供給するための最小限の空気量です。空気中の酸素を体積割合21％とすると、空気1 m³に含まれる酸素は0.21 m³なので、次の式になります。
A₀ = O₀ ÷ 0.21
酸素量に0.21を掛けるのではありません。必要な酸素2.60 m³を含む空気は、それより大きな体積になります。
A₀ = 2.60 ÷ 0.21 ≒ 12.38 m³-空気／m³-燃料
続いて空気比を使います。空気比は、理論空気量に対する実際空気量の比です。したがって、m = A／A₀、A = mA₀となります。中小機構 J-Net21の空気比の説明
空気比を1.15と置くと、実際空気量は次の値です。
A = 1.15 ×（2.60 ÷ 0.21）≒ 14.24 m³-空気／m³-燃料
途中の値は丸めずに計算し、最後に表示する桁をそろえます。空気比1.15は、理論空気量より15％多く供給する条件です。余分に供給する空気量だけを求めるなら、A − A₀ =（m − 1）A₀を使います。この区別は産業環境管理協会の燃焼計算QA・Lesson3でも説明されています。
条件を変えたとき、どこから計算し直すか
同じ流れで、組成だけを変える場合と、空気比だけを変える場合を比べます。酸素割合21％、同じ温度・圧力という条件は共通です。
| 条件 | O₀：理論酸素量 | A₀：理論空気量 | A：実際空気量 |
|---|---|---|---|
| メタン80％・プロパン20％、m = 1.15 | 2.60 | 12.38 | 14.24 |
| メタン60％・プロパン40％、m = 1.15 | 3.20 | 15.24 | 17.52 |
| メタン80％・プロパン20％、m = 1.30 | 2.60 | 12.38 | 16.10 |
単位はO₀がm³-O₂／m³-燃料、A₀・Aがm³-空気／m³-燃料です。表示値は小数第2位に丸めています。
プロパンの割合を増やした行では、O₀ = 0.60 × 2 + 0.40 × 5 = 3.20となり、酸素量から変わります。一方、空気比だけを1.30に変えた行では、O₀とA₀は変わらず、Aだけが増えます。
つまり、組成が変わったら反応式に戻り、空気比だけが変わったらA = mA₀に戻ると判断できます。この比較は燃料の体積を同じにした場合です。同じ発熱量を得るための比較には、燃料の発熱量も必要になります。
答えの単位まで確認して復習する
燃料1 m³当たりの計算が終わったら、問題が求める量に合わせます。たとえば最初の条件で燃料流量が10 m³/hなら、実際空気流量は次のとおりです。
1.15 ×（2.60 ÷ 0.21）× 10 ≒ 142.38 m³/h
この流量も、燃料と空気を同じ温度・圧力で表した値です。燃料1 m³当たりの空気量と、1時間当たりの空気流量を区別して答えます。
復習では、計算用紙に「組成 → O₀ → A₀ → A → 流量」と書き、間違えた場所に印を付けてみてください。組成を変えたらどの段階からやり直すか説明できれば、同じ式を別の条件にも使いやすくなります。
公式問題で練習する際の探し方や記録方法は、熱分野の過去問と復習の進め方で紹介しています。TOKINASUのエネルギー管理士・熱分野コースも、学習用問題で復習する選択肢です。公式問題と対応を確かめながら利用してください。