第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会 研究会 2008年6月14日 京都） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 システム原理 ６：過熱蒸気発生部 ７：循環ダクト ５：エジェクタ ８：排気ダンパ 熱と空気と過熱水蒸気の話 ～乾燥と食品加工の研究から～ ３：タンク水位センサ ２：ポンプ １：水タンク 食品 工学研究科 生活科学研究科 ４：エンジンユニット ９：排水弁 大阪市立大学大学院工学研究科 機械物理系専攻 講師 伊與田 浩志 乾燥の基礎， 食品乾燥， 装置と応用 大阪市立大学大学院工学研究科 後期博士課程 大阪青山大学・大手前製菓学院（非常勤講師） 山形 純子 ヘルシオの紹介記事(SHARPテクニカルジャーナル テクニカルジャーナル, ヘルシオの紹介記事 テクニカルジャーナル 91, 40-44 (2005)) http://www.sharp.co.jp/corporate/rd/26/26-3-8a.html 大量調理，栄養士，スチコン 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 グリル皿からの伝導伝熱 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 空気中でタオルを乾かす スチームの潜熱 グリルヒーターからの輻射熱 グリル皿 （マイクロ波発熱体） 空気顕熱 スチーム加熱ユニット マイクロ波の放射 スチーム発生部 スチーム 吹出口 ふた加熱板で高温スチーム を約１３０℃に高める スチーム発生用 水容器 空気顕熱＋ 水蒸気潜熱 乾燥中は 約１４℃ １４℃ まで下がる （２０℃，相対湿度 ２０℃，相対湿度５０％ ，相対湿度５０％） ５０％） ふたＩＨ 側面ＩＨ 給水ﾀﾝｸ （乾き空気２０℃の場合：タオル温度（湿球温度）は約７℃まで下がる） 過熱水蒸気 水を沸騰 （乾燥前のタオル）20℃ 400ｇ （乾燥後） 20℃ 200ｇ タオルが保有している熱エネルギーは低下 気流乾燥： ・気流の顕熱を潜熱に変換する操作 ・蒸発中の材料温度≒湿球温度 スチーム発生ユニット スチームレンジ(松下テクニカルジャーナル： スチームレンジ 松下テクニカルジャーナル：52(6),38-42(2006)) 松下テクニカルジャーナル： http://panasonic.co.jp/mtj/v5206/pdf/p0303.pdf 炊飯器(松下テクニカルジャーナル： 33-37(2006)) 炊飯器 松下テクニカルジャーナル：52(6), 松下テクニカルジャーナル： http://panasonic.co.jp/mtj/v5206/pdf/p0302.pdf （補足）湿球温度測定の推奨流速 (ASHRAE standard 41.6 ) 温度計と交差する場合：風速3~5m/s， 軸方向流の場合：1.5~2.5m/s 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 過熱水蒸気と空気（利用チャート） 含水率・温度の変化 P steam =P total 水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ） 水ま た は水蒸 気のみ 80 60 過熱水蒸気 湿球温度 高 湿 度 気流条件（高湿度） 通常の湿り空気線図 での縦軸は絶対湿度 だが，過熱水蒸気も 同図上で表記したい ので，水蒸気分圧で 示した！ 湿った材料（水）表面の状態 40 飽和蒸気圧線 断熱冷却線 露点温度 濃度差（拡散移動） 20 材料初期条件 燃焼ガス 温度差（対流伝熱） 0 気流条件（低湿度） 乾き空気 0 50 湿球温度 空気 高温高湿度空気 過熱水蒸気 100 高温 150 気流温度 T g （℃） 200 ここでは，断熱冷却 線を近似的に等湿球 温度線としている！ 室内空気 空気のみ 250 対流伝熱量q 対流伝熱量 cv(W/m2) = 熱伝達係数× 熱伝達係数×温度差 材料の温度変化が無いとき 対流伝熱量q 対流伝熱量 cv(W/m2) = 潜熱× 潜熱×蒸発速度 露点温度＜ 露点温度＜材料初期温度＜ 材料初期温度＜湿球温度＜沸点温度＜ 湿球温度＜沸点温度＜気流温度 ＜沸点温度＜気流温度 材料初期温度＜ 材料初期温度＜露点温度＜ 露点温度＜湿球温度＜沸点温度＜ 湿球温度＜沸点温度＜気流温度 ＜沸点温度＜気流温度 材料初期温度＜ 材料初期温度＜露点温度＝ 露点温度＝湿球温度＝沸点温度＜ 湿球温度＝沸点温度＜気流温度 ＝沸点温度＜気流温度 1.2 ○ 1 160 T wet = 45 ℃ (Hot air) T we t = 70 ℃ (Humid hot air) □ 0.8 T wet = 100 ℃ (Superheated steam) △ 0.6 0.4 0.2 0 Material surface temperature T sf ℃ 露点温度飽和蒸気 =湿球温度= 蒸気 = 100℃ 飽和 湿球温度 100℃ Mean moisture content X kg-water/kg-solid （全圧P total ＝大気圧） 100 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 140 120 100 80 T wet = 45 ℃ (Hot air) T we t = 70 ℃ (Humid hot air) ○ 60 □ 40 T wet = 100 ℃ (Superheated steam) 20 △ 0 0 500 1000 1500 Drying time t s 2000 0 500 1000 1500 2000 Drying time t s Inoue, T. et al. (2007), Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol.73(728), pp. 1068-1076. 1 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会 研究会 2008年6月14日 京都） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 過熱水蒸気と空気（利用チャート） 反転過程モデル（凝縮過程~復元過程） Condensation Evaporation process process Restoration process Drying process 飽和蒸気 飽和蒸気 （全圧P total ＝大気圧） (a)反転時間 反転時間t 反転時間 rev t rev Initial weight λ (Tsf − Tl 0 ) = ・・ (1) πa q H (b)最大凝縮量 最大凝縮量Δmmax Reverse time 0 2 Restoration time ∆mmax t res t rev Time 対流熱流束 qH qcv qr t 放射熱流束 qH qcv qr qp qc -qp qcd 凝縮潜熱 1 λ (Tsf − Tl 0 ) = γq H πa ・・ (2) λ (Tsf − Tl 0 ) t res = 4 πa qH q cd 高温高湿度空気 高 湿 度 60 低温スチーム 湿り空気 40 飽和蒸気圧線 断熱冷却線 飽和空気 20 (霧入り空気) 霧入り空気) 2 (b)Evaporation process (t>trev) 気液界面における熱バランスモデル 室内空気 乾き空気 0 50 100 高温 150 気流温度 T g （℃） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 食品のもつ3つの機能 1.栄養機能 2.感覚刺激機能（嗜好機能） 3.生体調節機能 ＋安全性 食品・・・熱感受性の強い材料 食品乾燥・・・水分除去だけでなく， 食品としての機能化が期待される． 200 空気のみ 250 過熱水蒸気加熱，伊與田浩志，日本食品工学会第６回年次大会 講演要旨集，pp1-2,（2005） 伊與田ほか，日本機械学会論文集，B63-612，pp2764-2770， (1997) 食品と乾燥 過熱水蒸気乾燥 1.蒸発速度の優位性 蒸発速度の優位性 2.熱放射ガス 熱放射ガス 3.初期品温が露点温度よ 初期品温が露点温度よ りも低い場合は，凝 縮（結露）により急速 に加熱・加水される 4.防爆・非酸化性 防爆・非酸化性 湿度の表現方法について 「絶対湿度」，「相対湿度」 による表現は不適切 燃焼ガス 0 ・・ (3) 蒸発潜熱 (a)Condensation process (t<trev) 80 (c)復元時間 復元時間t 復元時間 res Superheated Steam Tsf =Const. Dried Materials qe 水ま た は水蒸 気のみ 空気入り蒸気 2 Reverse point 0 過熱水蒸気 100 水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ） Mass change Δ m Δ m max P steam =P total 半無限固体モデル 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 水蒸気利用技術の主な動向 ・蒸気機関 「熱エネルギー」から「運動エネルギー」へ変換するための作動流体 （主に産業革命以降） （高温空気中） 食品分野では，古くから水蒸気は巧みに利用されています． 法的な話題 1.総合衛生管理製造過程 （HACCPシステム，GMP，PP，1998年1月承認開始） 2.食品リサイクル法 （H18年までに20％目標， 2001.5施行） 3.保健機能食品 （特定保健用食品，栄養機能食品，2001.4施行） 4.電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法 （RPS法，自然エネルギの利用促進・義務付け，2003.4施行） 5.食育基本法 （健全な心身を培い豊かな人間性をはぐくむ，2005.7.15施行） 6.特定健康診査・特定保健指導実施に関する基準 （俗称：メタボ検診，４０歳以上７４歳以下， 2008.4.1施行） ・調理 「蒸す」 中国文明の影響の強い地域，モロッコなど 澱粉性食品（パンなど）の加工，焼成 （過熱水蒸気中） 乾燥麺の断面写真 ・業務用厨房機器，食品加工装置 スチームコンベクションオーブン，インスタント食品の乾燥 過熱水蒸気焼成装置，殺菌装置 ・調理家電 炊飯器・電子レンジへの水蒸気の利用 健康調理器 ナチュラルノンフライ麺 その他 ・環境分野，空気調和，各種製造プロセスなど 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 ・水蒸気を使いこなすには，「材料の初期温度，変性温度，気流の露点温度，湿球温度，沸点温度」の関係と「反転過程 反転過程」を制 反転過程 御することが重要です． 反転過程の予測を含め，食品以外の乾燥・加熱・加工プロ ・本研究室の基礎的な実験・数値解析技術は，これら重要な温度や反転過程 反転過程 セスの熱設計や，製品高品位化のための最適化への応用も目指しています． 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 実験装置 P steam =P total （全圧P total ＝大気圧） 過熱水蒸気 水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ） 100 水ま た は水蒸 気のみ 80 60 高 湿 度 40 飽和蒸気圧線 断熱冷却線 燃焼ガス 20 室内空気 ジャガイモスライス 0 乾き空気 0 水溶性成分（糖・塩）湿り澱粉球の乾燥 を含む多孔材料の乾燥 50 100 150 気流温度 T g （℃） 200 の乾燥 空気のみ 250 高温 水蒸気・空気の利用チャート 高機能食品アマランス（穀物）の膨化 研究室HP： http://www.mech.eng.osaka-cu.ac.jp/~netsu/ Drying of Sliced Raw Potatoes in Superheated Steam and Hot Air, H.Iyota, N.Nishimura, T.Onuma and T.Nomura, Drying Technology，19(7), pp1411-1424, (2001) 2 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会 研究会 2008年6月14日 京都） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 Superheated steam 170℃ Ｅｎｄｏｔｈｅｒｍｉｃ Ｆｌｏｗ 表面近傍断面の様子（SEM観察） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 均質系材料（収縮する材料）の乾燥計算モデルの例 dξ = M s dy Hot air 240℃ A Hot air 170℃ A0 y Raw potato y=y0 ξ=ξ0 64℃ 60 40 80 ξ ：固体質量基準座標 Ms ：単位体積中の固体の質量 y ：絶対座標 y>y0 ξ=ξ0 100 Temperature ℃ surface y<y0 ξ=ξ0 surface crust crust cavity cavity (a) t=0 (a) Hot air (c) t>tres 固体質量基準座標系の概念 （均質材料） (b) Superheated steam 100μm (b) 0<t<tres (Tg=170℃) 含水率によらず固体分 の質量は一定 Simulation of Superheated Steam Drying Considering Initial Steam Condensation, H.Iyota, N.Nishimura, M.Yoshida and T.Nomura, Drying Technology，19(7), pp1425-1440, (2001) 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 試料内部の温度・含水率分布の履歴の推算 9 220 8 初期表面位置 y0 =0.0044 140 t =2700 t =500 100 t =100 t =25 60 t =25 7 局所含水率 X 180 6 t =0 4 3 t =250 t =2000 1 t =0秒 凝縮過程（反転過程）の高度利用と制御 t =100 5 2 20 t =500 t =1000 t =2600 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 y (m) 0 （a）温度分布 0.001 0.002 0.003 y (m) 0.004 0.005 （b）含水率分布 過熱水蒸気中での材料内含水率・温度分布と履歴の計算結果例 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 60 表面温度 （湿球温度） （露点温度） 中心温度 50 (予熱区間) 40 (定率乾燥区間) 30 20 初期温度 最大凝縮量 ・マイクロ波加熱の併用 ・全圧変化（沸点制御） 10 0 -10 -20 凝縮過程 蒸発復元過程 反転時間 経過時間 ・初期温度 ・気流温度 ・気流流速 ・他の加熱，加湿手法と の複合化 ・赤外線加熱の併用 蒸発乾燥過程 復元時間 反転過程モデル （高湿度空気，湿球温度 70℃） ・凝縮水に他の成分が 含まれたとき（活量低下） （全圧P total ＝大気圧） P steam =P total 100 水 バッチ式の実装置庫内 飽和蒸気 b c d a e 過熱水蒸気 乾燥空気分圧( Pair ) 温度変化 ℃ 70 装置化：温度･水蒸気量の制御性とプロセス設計 80 水また は水蒸 気のみ 過熱水蒸気供給 空気から過熱水蒸気 への置換や，設定温 度に到達するまでの 所要時間も重要． 循環加熱 空気入り蒸気 低温スチーム 60 飽和蒸気供給 飽和蒸気供給 飽和蒸気圧線 飽和空気 40 高温高湿度空気 B 湿り空気 A C 水蒸気分圧( Psteam ) 制御パラメータ 80 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 水蒸気分圧 Psteam （ｋＰａ） 凝縮から蒸発への反転過程の制御（乾燥条件一定） 質量変化 材料温度 T (℃) t =3000 過熱水蒸気供給 20 霧入り空気 燃焼ガス (13Ａ) 室内空気 循環加熱 0 0 50 100 食品品質に影響を与 える可能性あり！ 断熱冷却線 乾き空気 150 200 空気のみ 250 気流温度 T g （℃） 3 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会 研究会 2008年6月14日 京都） 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 空気から過熱水蒸気への移行 （Total pressure: P total =101.3kPa） (a) T' wet=48ºC(RA) 0 50 T dew (Dry air) 100 Temperature 150 200 T （ºC） Regulator P steam (kPa) 120 (f) Change from 0 to 180 s 100 2.2 2.0 2.0 (c) T' wet=70ºC (b) T' wet=60ºC 0 2.2 1.8 1.6 △(e)T’ wet=100℃ ○(f) Change from 0 to 180 s ◇(g) Change from 0 to 360 s □(h) Change from 180 to 360 s ◆(i) Change from 360 to 540 s ▲(a)T ’ wet=48℃ 1.4 80 (g) 0-360 s 60 1.2 40 0 (h) 180-360 s 20 Material mass m (g) 20 Adiabatic saturated line (d) T' wet=80ºC Material mass m (g) Dry-bulb temp( T g ) Boiling point temp. (T boil ) 40 Gelatinization temp.(T gln) 60 過熱水蒸気への置換速度が初期の凝縮過程に与える影響 (e) T' wet =100ºC (SHS) ● Experimental conditions with measured wetted-wick temp. (T 'wet ) ○ Cross-pint with horizontal line shows dew point temp. (T dew) □ Cross-point with adiabatic saturated line shows adiabatic saturated temp. （T as ) Saturated steam pressure curve 80 Initial material temp.( T ini ) Steam partial pressure P steam （ｋＰａ） 100 120 (i) 360-520 s 240 360 Time t (s) 480 1.8 1.6 △(e)T’ wet=100℃ ○(f) 0-180 s ◇(g) 0-360 s □(h) 180-360 s ◆(i) 360-540 s ▲(a)T ’ wet=48℃ 1.4 1.2 600 0 120 240 360 Time t (s) 480 600 0 0 120 240 360 Time t (s) 480 600 (A)実験結果 (B)計算結果 H. Iyota, T. Inoue, J.Yamagata and N. Nishimura Drying Technology, 26(2), pp211-221 (2008.2) 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 メモ 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 栄養士法（第一条） ・「水」にはいろいろなものが溶けている． （水を使う装置の難しさ） ・「空気」にもいろいろな物質や微粒子が混ざっている． （空気利用，浄化の難しさ） ・「過熱水蒸気」利用にはプロセス設計も重要 （庫内容積は，小さい方が制御性が良い！） ・高効率化とクローズドシステム化技術が必要 ・空気～過熱水蒸気の広い温度・湿度領域の利用 栄養士（都道府県知事の免許） 栄養士の名称を用いて， 栄養の指導に従事することを業とする者 管理栄養士（厚生労働大臣の免許） 管理栄養士の名称を用いて， 傷病者に対する療養のため必要な栄養の指導 個人の身体の状況、栄養状態等に応じた高度の専門的知識及び技術を要す る健康の保持増進のための栄養の指導 特定多数人に対して継続的に食事を供給する施設における利用者の身体の 状況、栄養状態、利用の状況等に応じた特別の配慮を必要とする給食管理及 びこれらの施設に対する栄養改善上必要な指導等 を行うことを業とする者 過熱水蒸気加熱，伊與田浩志，日本食品工学会 第６回年次大会講演要旨集，pp1-2,（2005）など 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 健康増進法 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 （第二十一 （第二十一条） 二十一条） （特定給食施設における栄養管理） １ 特定給食施設であって特別の栄養管理が必要なものとして厚生労働省令で 定めるところにより都道府県知事が指定するものの設置者は、当該特定給食施 設に管理栄養士を置かなければならない。 人 給食管理 ２ 前項に規定する特定給食施設以外の特定給食施設の設置者は、厚生労働 省令で定めるところにより、当該特定給食施設に栄養士又は管理栄養士を置く ように努めなければならない。 調理員 ◇ 厚生労働省令で定める基準とは 医学的な管理を必要とする者に食事を提供する特定給食施設であって、継続的に１回３００ 医学的な管理を必要とする者に食事を提供する特定給食施設であって、継続的に１回３００ 食以上又は１日７５０食以上の食事を供給 食品 栄養の指導 管理栄養士 栄養士 作業環境 栄養 傷病者 生活背景 病院（許可病床数：３００床以上），介護老人保健施設（入所定員：３００人以上） 上記施設以外の、管理栄養士による特別な栄養管理を必要とする特定給食施設であって、 上記施設以外の、管理栄養士による特別な栄養管理を必要とする特定給食施設であって、 継続的に１回５００食以上又は１日１５００食以上の食事を供給 教護施設，更正施設，養護老人ホーム，特別養護老人ホーム，軽費老人ホーム，乳児院，児童養護施設， 知的障害児施設，盲ろうあ児施設，肢体不自由児施設，情緒障害児短期治療施設， 児童自立支援施設， 心身障害者福祉協会の設置する福祉施設， 身体障害者更正施設，身体障害者療護施設，身体障害者授 産施設，事業所、寄宿舎、矯正施設、自衛隊等 食品・栄養 環境 4 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会 研究会 2008年6月14日 京都） 有機化学 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 食品 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 水蒸気庫内投入口 食品学総論 給食経営管理 生化学 生体 栄養管理 風向 栄養生理学 食品学各論 経営管理（原価，品質，組織） 生産管理（衛生，食材，作業） 食品加工学 解剖生理学 ライフスタイル 施設管理（機器設備，環境，備品） 栄養学 調理学 運動生理学 病理学 給食経営管理論 中心温度計 熱交換器，ファン 臨床栄養学 スチームコンベクション オーブン 栄養教育 食品衛生学 公衆衛生学 カウンセリング論 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 排気(ヒータ) 排気 (ボイラ) 庫内洗浄用シャワー 気流温度 湿球温度 排気 (庫内) ヒータ Spherical copper F1 ボイラ Tb Tg qcd F3 水 qcv F2 排水 qr ガス(13A) 気流温度Tg 1000 1000 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1200 銅球温度Tb 伝導伝熱量qcv 対流伝熱量qcd 0 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Heat flux qcv, qcd kW/m2 蒸気なし 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1200 200 400 気流温度Tg 200 800 銅球温度Tb 伝導伝熱量qcv 0 600 Time t s 400 対流伝熱量qcd 600 Time t s 800 Temperature Tb ,Tg ℃ Heat flux qcv, qcd kW/m2 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 Temperature Tb ,Tg ℃ 第４回生活環境懇話会（日本熱物性学会研究会）2008.6.14 蒸気あり 良い装置を設計するためには．． 良い装置を設計するためには．． 機械工学 地球環境 装置 人 対象物 謝辞： 野邑奉弘先生（大阪市大名誉教授） 西村伸也先生（大阪市大工学研究科） 小西洋太郎先生（大阪市大生活科学研究科） 吉田正道先生（富山大学工学部） 今駒博信先生（神戸大学工学部） 藤原政嘉先生（大阪青山大学・（社）大阪栄養士会副会長） 渋川祥子先生（横浜国立大学名誉教授） ネスレ科学振興会，文科省科研費，ソルトサイエンス研究財団 ありがとうございました． 5
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