著者の所属・活動拠点の国は、ペルー、ブラジルです。

掲載誌：Energy

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

製糖工場では、サトウキビなどから搾った糖汁（ジュース）を温めるために、多数の管を円筒形の胴の中に収めた「シェル・アンド・チューブ式」のジュースヒーターが使われています。この装置は通常運転に入る前の起動時に蒸気で予熱する必要がありますが、管の壁がどのように温まるかと、工場で実際にかけられている予熱時間との関係ははっきりしていませんでした。研究チームは、管壁の温度の応答を理論的に求めるとともに、起動時に装置全体として必要なエネルギーとエクセルギーを見積もることを目指しました。

何を、どのように調べたか

著者らは、管壁の中を半径方向に熱が伝わる様子を表す解析モデルを、ベッセル関数と呼ばれる数学的な関数を使った級数展開によって構築しました。管の表面の条件としては、表面温度が決められた値に保たれる理想的な場合と、蒸気側から対流で熱が伝わる場合の二つを考えました。後者では、管壁内部の熱の伝わりにくさと表面での熱の受け渡しにくさの比を表す「ビオ数」を変えて計算しています。さらに、工場の実データを用いて、装置レベルで必要なエネルギーと、エネルギーのうち仕事として取り出せる価値を表す「エクセルギー」をそれぞれ評価しました。蒸気の供給が安定するまでの時間を仮定として与えた簡略モデル（低次元モデル）による計算も行っています。

主な報告結果

理想的な表面条件では、管の内側表面は1.17秒で最終的な温度変化の99%に達しました。対流条件ではビオ数1.50から0.50の範囲でこの時間が2.87秒から6.46秒に延びました。装置の金属部分全体を25℃から125℃まで加熱するには147.98メガジュールが必要で、これは理論上の最小蒸気量67.63キログラム、供給熱に伴うエクセルギー37.17メガジュールに相当すると報告されています。金属自体のエクセルギーの増加は20.37メガジュールで、熱源から金属への理想化した収支では16.80メガジュールのエクセルギーが失われる（不可逆性によって消費される）と計算されました。900秒間に周囲へ逃げる熱は、金属を温めるのに必要な熱の約0.68%と見積もられました。蒸気が安定するまでの時間を仮に30秒から300秒とした簡略モデルでは、内壁が温まるまでの時間は138.45秒から1381.85秒と予測されました。

この報告が示すこと

研究チームは、管壁そのものを熱が半径方向に伝わる速さは工場での予熱時間よりかなり速く、局所的な温度の変化は蒸気側でどのように温度が立ち上がるかに強く左右されると結論づけています。一方で、この解析は熱交換器全体の起動を何が支配しているかを明らかにしたものではなく、今後の実験的な検証のための土台を示したものだと著者らは述べています。

※出版社のサイトから本文を取得できないため、本記事は原著論文の抄録だけで作成しています。

原著論文の著者・所属：Alexander Y. Marchena Garcia、Diogo E.V. Andrade（Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), Department of Mechanical Engineering – (DEMEC), Graduate Program in Mechanical Engineering (PROMEC), Rheology and Non-Newtonian Fluid Flow Laboratory (ReoSul), Rua Sarmento Leite 425, 90050-170 Porto Alegre, RS, Brazil）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Alexander Y. Marchena Garcia, Diogo E.V. Andrade. Industrial Juice-Heater Start-Up: Analytical Tube-Wall Heating and Equipment-Level Energy–Exergy Assessment. Energy（出版社：Elsevier BV） 2026-11-01. DOI: 10.1016/j.energy.2026.143057. 原著ライセンス：CC BY.