一級ボイラー技士 ① 構造1:熱・蒸気・ボイラー本体

ボイラーを理解する土台となる熱と蒸気の性質、そして本体の形式を扱う分野です。熱では顕熱と潜熱の区別、比熱と熱量の計算、伝熱の三形態(伝導・対流・放射)が基礎になります。蒸気では飽和温度と飽和圧力の関係、乾き度、比エンタルピーが中心テーマです。ボイラー本体では丸ボイラー(立て・炉筒煙管)と水管ボイラー(自然循環式・強制循環式・貫流式)の構造と特徴、それぞれの長所と短所が問われます。熱と蒸気の理解が全分野の前提になります。

この分野の問題40問を、選択肢・正解・解説つきで掲載しています。まず自分で解答を考えてから「正解と解説を見る」を開いて答え合わせをしてください。

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1セルシウス温度と絶対温度の関係について。セルシウス温度をt[℃]としたとき、絶対温度T[K]を求める式はどれか。

  1. AT = 273.15 + t
  2. BT = 273.15 - t
  3. CT = t - 273.15
  4. DT = 273.15 × t
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正解:AT = 273.15 + t

セルシウス温度tと絶対温度Tの間には、T = 273.15 + t の関係があります。

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2圧力の単位と測定について。ブルドン管式圧力計によって測定されるものは次のうちどれか。

  1. A絶対圧力
  2. B大気圧
  3. Cゲージ圧力
  4. D真空度
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正解:Cゲージ圧力

ブルドン管式圧力計はゲージ圧力を測定し、大気圧との差圧が表れます。

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3定圧比熱と定容比熱の大小関係として正しいものはどれか。

  1. A定圧比熱と定容比熱は常に等しい
  2. B物質の状態によって大小関係が逆転する
  3. C定容比熱は定圧比熱よりも大きい
  4. D定圧比熱は定容比熱よりも大きい
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正解:D定圧比熱は定容比熱よりも大きい

圧力一定で温度を上げる定圧比熱は、体積一定で温度を上げる定容比熱よりも大きくなります。

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4質量1kgの物体の温度を1K高めるのに要する熱量を何というか。

  1. A比エンタルピ
  2. B比熱
  3. C潜熱
  4. D顕熱
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正解:B比熱

質量1kgの物体の温度を1K(1℃)高めるのに要する熱量を比熱といいます。

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5水及び蒸気がもつ全熱量を表すエンタルピHを求める式はどれか。内部エネルギーをU、圧力をP、比体積をVとする。

  1. AH = U / PV
  2. BH = U - PV
  3. CH = U + PV
  4. DH = P + UV
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正解:CH = U + PV

物体の比エンタルピHは、内部エネルギーU、圧力P、比体積Vを用いて H = U + PV で表されます。

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6標準大気圧の下で、1kgの水を1℃だけ上昇させるのに必要な熱量はどれか。

  1. A418.7kJ
  2. B4.187kJ
  3. C3.6MJ
  4. D2.257kJ
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正解:B4.187kJ

標準大気圧のもとで1kgの水を1℃だけ上昇させるのに必要な熱量は4.187kJです。

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7物体に熱を与えても温度上昇を起こすことなく、物体の状態変化に費やされる熱量を何というか。

  1. A潜熱
  2. B顕熱
  3. C比熱
  4. D定容比熱
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正解:A潜熱

温度上昇を起こすことなく、状態変化に費やされる熱量を潜熱あるいは蒸発熱といいます。

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8飽和水と飽和蒸気の比エンタルピの差(蒸発熱)がゼロとなる点を何というか。

  1. A臨界点
  2. B沸点
  3. C飽和点
  4. D氷点
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正解:A臨界点

圧力が高くなるほど蒸発熱は小さくなり、臨界圧力でゼロになります。この点を臨界点といいます。

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9固体壁の両側に流体があり、その間に温度差があるとき、熱が高温流体から壁を通して低温流体に伝えられる現象を何というか。

  1. A対流熱伝達
  2. B熱放射
  3. C熱伝導
  4. D熱貫流
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正解:D熱貫流

高温流体から固体壁を通して低温流体に熱が伝わる現象を熱通過又は熱貫流といいます。

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10ボイラーの換算蒸発量を求める式における、基準の蒸発熱(kJ/kg)はどれか。

  1. A4.187
  2. B2257
  3. C2681
  4. D3600
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正解:B2257

換算蒸発量の基準となる蒸発熱は、100℃の飽和水を100℃の乾き飽和蒸気にするのに要する2,257kJ/kgです。

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11ボイラーには主として炭素含有量がどの程度の軟鋼が使用されるか。

  1. A2.5〜4.0%
  2. B1.5〜2.0%
  3. C0.5〜1.0%
  4. D0.1〜0.3%
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正解:D0.1〜0.3%

ボイラーには、主として炭素含有量が0.1〜0.3%程度の軟鋼が使用されます。

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12ボイラーの分類のうち、比較的小径のドラムと多数の管で構成され、低圧小容量用から高圧大容量用まで適するものはどれか。

  1. A丸ボイラー
  2. B鋳鉄製ボイラー
  3. C水管ボイラー
  4. D特殊ボイラー
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正解:C水管ボイラー

水管ボイラーは小径のドラムと多数の管で構成され、低圧小容量から高圧大容量まで適応します。

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13炉筒煙管ボイラーの特徴として正しいものはどれか。

  1. Aボイラー効率が低く、工場用には適さない
  2. B伝熱面積を広くとれないため小容量用に限られる
  3. C内部構造が単純なため、水管ボイラーより厳密な水管理が必要である
  4. D製造工場で組み立てて搬入するパッケージ形式が多い
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正解:D製造工場で組み立てて搬入するパッケージ形式が多い

炉筒煙管ボイラーは製造工場で組み立てて据付け場所に運搬できるパッケージ形式が多いです。

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14貫流ボイラーにおいて、超臨界圧ボイラーでは不要となる装置はどれか。

  1. A給水ポンプ
  2. Bエコノマイザ
  3. C気水分離器
  4. D過熱器
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正解:C気水分離器

超臨界圧ボイラーでは水から連続的に蒸気に変化するため、気水分離器は不要です。

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15鋳鉄製ボイラーの使用圧力の制限として、蒸気ボイラーの場合の上限はどれか。

  1. A0.1MPa
  2. B0.5MPa
  3. C1.0MPa
  4. D12MPa
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正解:A0.1MPa

鋳鉄製ボイラーの使用圧力は、蒸気ボイラーで0.1MPa以下に限られています。

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16鋳鉄製ボイラーにおいて、セクション底部にも水を循環させ、完全密閉構造で高い蒸発率を示すものはどれか。

  1. Aドライボトム形
  2. Bウェットボトム形
  3. Cドライバック式
  4. Dウェットバック式
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正解:Bウェットボトム形

底部にも水を循環させ、完全密閉構造で高い蒸発率を示すのはウェットボトム形です。

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17ボイラーの圧力表示に関して、ゲージ圧力0.4MPaのときの絶対圧力はおよそいくらか。大気圧を0.1MPaとする。

  1. A0.3MPa
  2. B0.4MPa
  3. C0.5MPa
  4. D0.6MPa
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正解:C0.5MPa

絶対圧力はゲージ圧力に大気圧を加えたものなので、0.4 + 0.1 = 0.5MPaとなります。

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18圧力1MPa、温度180℃の乾き飽和蒸気を加熱し、圧力1MPa、温度210℃の過熱蒸気とした。この時の過熱度はどれか。

  1. A30℃
  2. B180℃
  3. C210℃
  4. D390℃
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正解:A30℃

過熱度は過熱蒸気の温度と飽和蒸気の温度の差であり、210℃ - 180℃ = 30℃となります。

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19自然循環式水管ボイラーの循環力に関する記述で、循環力を大きくするための条件として適切なものはどれか。

  1. A下降管を加熱して管内の平均密度を小さくする
  2. B蒸気ドラムと水ドラムの高さの差を大きくする
  3. C上昇管の管径を細くして流動抵抗を大きくする
  4. D蒸気ドラムと水ドラムの高さの差を小さくする
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正解:B蒸気ドラムと水ドラムの高さの差を大きくする

循環力を大きくするには下降管を加熱せず、蒸気ドラムと水ドラムの高さの差を大きくします。

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20熱伝達において、液体の沸騰や蒸気の凝縮のように相変化を伴う場合の特徴はどれか。

  1. A熱伝達率は極めて小さくなる
  2. B固体壁の厚さに比例して熱移動が増す
  3. C熱の移動が完全に停止する
  4. D熱伝達率は極めて大きくなる
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正解:D熱伝達率は極めて大きくなる

液体の沸騰や蒸気の凝縮のように相変化を伴う場合の熱伝達率は極めて大きくなります。

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21放射伝熱によって伝わる熱量に関する記述として正しいものはどれか。

  1. A高温物体と低温物体の絶対温度の差に比例する
  2. B高温物体と低温物体の絶対温度の2乗の差に比例する
  3. C高温物体と低温物体の絶対温度の4乗の差に比例する
  4. D高温物体と低温物体の絶対温度の3乗の差に比例する
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正解:C高温物体と低温物体の絶対温度の4乗の差に比例する

放射伝熱による熱量は、高温物体と低温物体の絶対温度の4乗の差に比例します。

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22燃焼室を出た高温ガス通路に配置される伝熱面は、主に高温ガスとの接触によって熱を受ける。この伝熱面を何というか。

  1. A対流伝熱面
  2. B放射伝熱面
  3. Cスタッドチューブ壁
  4. D水冷壁管
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正解:A対流伝熱面

高温ガスとの接触によって熱を受ける伝熱面を接触伝熱面または対流伝熱面といいます。

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23応力ーひずみ線図において、鋼材の内部に発生する断面積当たりの力を何というか。

  1. Aひずみ
  2. B応力
  3. C引張強さ
  4. D比例限度
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正解:B応力

外力に対抗して発生する断面積当たりの力を応力といいます。

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24合金鋼は、引張強さやクリープ強さなどを改善するために炭素鋼に適量の元素を添加したものである。添加される元素の組み合わせとして適切なものはどれか。

  1. Aアルミニウムとマグネシウム
  2. B銅と鉛
  3. C亜鉛とすず
  4. Dクロムとモリブデン
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正解:Dクロムとモリブデン

ボイラーに使用される合金鋼には、クロムやモリブデンなどを添加したクロムモリブデン鋼などがあります。

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25炉筒煙管ボイラーで採用される「戻り燃焼方式」に関する記述として正しいものはどれか。

  1. A燃焼火炎が炉筒の前方へ流れそのまま煙突へ排出される
  2. B炉筒後部と鏡板を煙管群で直接つなぐ構造である
  3. C炉筒の周囲に水を循環させず直接大気で冷却する
  4. D燃焼火炎が閉じられた炉筒後端で反転し前方に戻る
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正解:D燃焼火炎が閉じられた炉筒後端で反転し前方に戻る

戻り燃焼方式は、燃焼火炎が閉じられた炉筒後端で反転し前方に戻る方式です。

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26水冷壁のうち、特殊なフィンチューブの相互間を溶接して板状にまとめ、完全な気密が得られるものはどれか。

  1. Aスペースドチューブ壁
  2. Bフィンチューブ壁(メンブレンウォール)
  3. Cタンゼントチューブ壁
  4. Dスタッドチューブ壁
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正解:Bフィンチューブ壁(メンブレンウォール)

フィンチューブ相互間を溶接して板状にし、完全な気密が得られるものをフィンチューブ壁(メンブレンウォール)といいます。

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27自然循環式水管ボイラーにおいて、熱負荷を増した場合に起こる現象として正しいものはどれか。

  1. A上昇管内の平均密度が減少し循環力が増すが、出口の管壁温度は上昇する
  2. Bボイラー水の循環量が増加し流動抵抗は減少する
  3. C上昇管内の平均密度が増加し循環力が弱くなる
  4. D循環力が低下し、上昇管内の管壁温度は低下する
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正解:A上昇管内の平均密度が減少し循環力が増すが、出口の管壁温度は上昇する

熱負荷を増すと気水混合物の平均密度が減少し循環力は増しますが、上昇管出口の管壁温度は上昇します。

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28強制循環式水管ボイラーが自然循環式水管ボイラーに比べて有利な点はどれか。

  1. A蒸気と水の密度差を利用するためポンプが不要になる
  2. B大型の蒸気ドラムと水ドラムが必須となり保有水量が増す
  3. C水管を細くしたり水平に配置したりしても循環が可能になる
  4. D起動から蒸気発生までの時間が非常に長く安定する
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正解:C水管を細くしたり水平に配置したりしても循環が可能になる

循環ポンプで強制的に循環させるため、細い水管や水平の上昇管を用いることが可能になります。

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29貫流ボイラーの特徴について、負荷変動があった場合の説明として適切なものはどれか。

  1. A保有水量が多いため圧力変動はほとんど生じない
  2. B応答の速い自動制御がなくても安全に運転できる
  3. C圧力変動を生じやすいため応答の速い自動制御を必要とする
  4. D給水量と燃料量の比が変化しても蒸気温度は一定に保たれる
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正解:C圧力変動を生じやすいため応答の速い自動制御を必要とする

負荷変動により大きな圧力変動を生じやすいため、応答の速い自動制御を必要とします。

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30鋳鉄製ボイラーの特徴について、鋼製ボイラーと比較した場合の記述として正しいものはどれか。

  1. A引張強さが大きく、高圧や大容量に適している
  2. B強度は弱いが、熱による不同膨張で割れることはない
  3. C伝熱面積当たりの保有水量が多く、蒸発量も非常に大きい
  4. D強度は弱く、高圧や大容量には適さない
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正解:D強度は弱く、高圧や大容量には適さない

鋳鉄製ボイラーは鋼製ボイラーに比べ強度が弱く、高圧や大容量には適しません。

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31重力式蒸気暖房返り管において、低水位事故を防止するためによく用いられる連結法はどれか。

  1. Aハートフォード式連結法
  2. Bスパイラル連結法
  3. Cドライバック式連結法
  4. Dタンゼント式連結法
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正解:Aハートフォード式連結法

重力式蒸気暖房返り管では、低水位事故を防止するためにハートフォード式連結法が用いられます。

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32流動層ボイラーにおいて、多孔板や散気管に石炭とともに供給される流動媒体として適切なものはどれか。

  1. A水と黒液
  2. B木くずとバガス
  3. C砂や石灰石
  4. D重油と有機溶媒
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正解:C砂や石灰石

流動層ボイラーでは、石炭とともに砂や石灰石を供給し、流動化状態で燃焼させます。

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33ボイラー水の比体積に関する説明として、誤っているものはどれか。

  1. A比体積は、質量1kgの水や蒸気の占める体積のことである
  2. Bボイラーの運転圧力が低いほど蒸気の比体積は小さくなる
  3. C飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど小さくなる
  4. D比体積の逆数は密度と呼ばれる
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正解:Bボイラーの運転圧力が低いほど蒸気の比体積は小さくなる

ボイラーの運転圧力が低いほど蒸気の比体積は大きくなります。

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34顕熱と潜熱に関する記述として、正しくないものはどれか。

  1. A受けた熱量に比例して温度が上昇する熱量を顕熱という
  2. B潜熱は、温度上昇を起こすことなく状態変化に費やされる
  3. C水の沸騰時に加えられる熱は、蒸発に費やされ温度は変化しない
  4. D潜熱は定圧比熱とも呼ばれ、温度を1K上げるのに要する熱量である
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正解:D潜熱は定圧比熱とも呼ばれ、温度を1K上げるのに要する熱量である

潜熱は状態変化に費やされる熱であり、温度を上げる定圧比熱とは異なります。

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35ボイラーの附属装置及び附属設備の説明として、誤っているものはどれか。

  1. Aエコノマイザは、低温の給水と燃焼排ガスを熱交換させて予熱を行う
  2. B空気予熱器は、排気された蒸気を再度加熱し低圧タービンに送る装置である
  3. C過熱器は、飽和蒸気を飽和温度以上に加熱するものである
  4. D燃焼安全装置は、計測・制御装置に含まれる
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正解:B空気予熱器は、排気された蒸気を再度加熱し低圧タービンに送る装置である

蒸気を再度加熱するのは再熱器です。空気予熱器は燃焼用の空気と燃焼排ガスを熱交換させます。

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36ボイラー用材料に関する記述として、誤っているものはどれか。

  1. Aボイラーのバルブやコックには、非鉄金属のうち黄銅の方が青銅より鋳造しやすく多く用いられる
  2. B溶接を行う軟鋼は、硬化し割れを防ぐため炭素量が0.35%以下でなければならない
  3. C鋳鉄は展延性が低いため、鍛造や圧延を行うことができない
  4. D炭素鋼はボイラー用の材料として最も多く使われている
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正解:Aボイラーのバルブやコックには、非鉄金属のうち黄銅の方が青銅より鋳造しやすく多く用いられる

銅合金のうち、黄銅よりも青銅の方が鋳造しやすく、バルブ等に使用されます。

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37丸ボイラーに関する記述として、誤っているものはどれか。

  1. A容量の大きいものや高圧用のものには適さない
  2. B起動から蒸気発生まで時間がかかる
  3. C伝熱面積当たりの保有水量が少ないため、水位変動が激しい
  4. D破裂の際の被害が大きいというデメリットがある
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正解:C伝熱面積当たりの保有水量が少ないため、水位変動が激しい

丸ボイラーは伝熱面積当たりの保有水量が多いので、水位変動は小さいのが特徴です。

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38炉筒煙管ボイラーに関する記述として、正しくないものはどれか。

  1. Aエコノマイザや空気予熱器を設けることで、ボイラー効率は90%以上になるものがある
  2. B後部煙室が胴の後部鏡板の外に置かれた構造をウェットバック式という
  3. Cパッケージ形式が多く、工場用又は暖房用として広く用いられる
  4. D煙管には熱伝達率を向上させるためスパイラル管を用いたものが多い
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正解:B後部煙室が胴の後部鏡板の外に置かれた構造をウェットバック式という

後部煙室が胴の後部鏡板の外に置かれた構造はドライバック式です。

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39水管ボイラーの特徴として、誤っているものはどれか。

  1. A燃焼室を自由な大きさに作ることが可能である
  2. B負荷変動により圧力や水位が変動しやすい
  3. C給水及びボイラー水の処理に注意を要し、厳密な水管理が必要である
  4. D伝熱面積当たりの保有水量が大きいため、起動時間が非常に長い
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正解:D伝熱面積当たりの保有水量が大きいため、起動時間が非常に長い

水管ボイラーは伝熱面積当たりの保有水量が小さいので、起動から蒸気発生までの時間が短いです。

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40鋳鉄製ボイラーの構造に関する記述として、誤っているものはどれか。

  1. Aセクションは側二重柱構造で、燃焼室側の側柱が下降管の役割を果たす
  2. B燃焼室や煙道などの熱接触部には、壁面に多くのスタッドが取り付けられている
  3. C重力循環式の場合、返り管の取り付け位置は安全低水面の高さと一致させる
  4. D鋳鉄製ボイラーは、復水を循環使用することを原則としている
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正解:Aセクションは側二重柱構造で、燃焼室側の側柱が下降管の役割を果たす

側二重柱構造において、燃焼室側の側柱は上昇管、外側の側柱が下降管の役割を果たします。

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