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【流体】ビールと結露

2023年06月01日

以前のコラムで、熱流体解析ソフトSimcenter FLOEFDを使用し、真空断熱タンブラーの熱伝導解析を行った事例を紹介いたしました。真空断熱タンブラーは真空層で伝導伝熱と対流伝熱を断熱できるため、普通のタンブラーと比較して保温性能が優れていることが分かりました。
今回の流体コラムでは応用編として、Simcenter FLOEFDのLEDオプションを使用し、ビールの入ったタンブラーの結露解析を行った事例を紹介いたします。

解析条件

解析対象はビールとタンブラーです。夏場のビールはとても美味しいですが、すぐにぬるくなってしまい、タンブラーも結露でビチョビチョになります。この身近な現象を例に、今回も真空断熱タンブラーと普通のタンブラーを対象とし、ビールの温度変化とタンブラーの結露状態を比較しました。

■　解析モデル
図１にモデルと計算領域を示します。普通のタンブラーでは真空部分をステンレスとしました。簡略化のために、ビールの部分には5℃における水の物性値を設定した固体材料を割り当てました。また、計算領域は重力の影響を十分考慮できる大きさとしました。

図１：解析モデルと計算領域

■　解析条件の設定
表１に解析条件を示します。

表１：解析条件

表2にメッシュ数と計算所要時間、計算ステップを示します。時間ステップは計算負荷と精度を考慮し、結露し始める初期には小さくし、その後は徐々に大きくしていきました。

表２：メッシュ数と計算時間

解析結果

図2にビールの平均温度の時間変化を、図3,4に各タンブラーでの中心の断面温度の時間変化を示します。

図２：ビールの平均温度の時間変化

図３：真空断熱タンブラーの断面温度

図４：普通のタンブラーの断面温度

図2-4より、10分後で比較すると、ビールの温度は赤線の真空断熱タンブラーで13℃、青線の普通のタンブラーで17℃程度となりました。真空断熱タンブラーでの温度変化は8℃、普通のタンブラーでの温度変化は12℃程度であることから、保温性能に1.5倍程の差があることが分かります。
飲み頃という観点では、例えば、私の大好きなアサヒスーパードライの適温は4～8℃らしいので、普通のタンブラーでは30秒くらいで飲みたいところですが、真空断熱の場合には1分くらいはゆっくり飲むことができます。

続いて、図5, 6に、タンブラー外側面の水膜厚さと温度の時間変化を示します。

図５：真空断熱タンブラーの水膜厚さと温度

図６：普通のタンブラーの水膜厚さと温度

図5,6より、10分後で比較すると、タンブラー外側の結露量（水膜厚さ）は真空断熱の場合は15ミクロン、普通の場合は25ミクロンと分かります。真空断熱の場合、比較的結露を抑制できていることが分かります。
35℃75%の空気の露点は約30℃なので、30℃を下回ると結露します。図5,6のグラフから、タンブラー外側の温度は真空断熱の場合は2分で、普通の場合は1分で30℃を下回り、結露し始めていることが分かります。
真空断熱タンブラーでは、真空層による断熱効果でタンブラー外側面の温度が下がりにくく、外気との温度差が比較的小さいために、保温に加えて結露の抑制もできています。

まとめ

今回の解析事例では、ビールの入ったタンブラーの結露解析を行いました。真空断熱タンブラーでは、冷えたビールの保温に加えて結露防止にも効果があることが分かりました。
これから夏になりビールがより一層美味しく感じられますね。ちょうど来週ビアガーデンに行きますので、ジョッキの結露に注目しながらビールを飲みたいと思います。

[From K. Sugahara]

備考

解析タイプ	非定常、ふく射、重力、外部流れ
解析物理時間	10 min
タンブラーの固体材料	SUS321
タンブラーの放射率	0.074
初期および環境条件	タンブラー：35℃ ビール：5℃ 外気：35℃、75% 初期水膜厚さ：0ミクロン