今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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煮物にはアルミ鍋が最適!~加熱時の温度ムラの比較
【今日の料理】 2011/12/17 夕食
 明日は,フリーマーケットに出店予定です.妻は,朝から商品の値付けや,売上げの皮算用に,余念がありません.明日は,私と娘(10.2ヶ月)も動員予定です.どうなることやら,とても楽しみです.売るぞー! 
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★米飯,黒米入り

★卵スープ,ほうれん草・ブロッコリー・人参

★サバ味噌煮
 レシピは[1].いつもは圧力鍋を使っていました(→前回のサバ味噌は,こちら)が,今回は普通の鍋で調理しました.最後に,長ネギを加えました.
 毎回,「味噌煮」でなく「味噌汁煮」になってしまうのですが,今回はうまくいきました.濃厚に見えますが,サバにはそれほど味がしみていません.味噌を付けながら食べると,ちょうどよいです.
[1]浅田峰子;基本の台所,グラフ社,(2002)

★ほうれん草,大和芋がけ

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【今日の料理工学】 煮物にはアルミ鍋が最適!~加熱時の温度ムラの比較
 前回は,厚手鍋と薄手鍋とで,炒め物の最中の温度の変化を調べました.その結果,厚手鍋は材料や調味料の投入時に,温度の低下が生じにくいことが分かりました.
 厚手鍋は,温度のムラが生じにくいので,煮物にも向くと言われています.今回は,この点について,考察してみます.


★煮物に向く鍋は,どんな鍋?
 図1は,ガスコンロで煮汁(サバ味噌の煮汁)を加熱する様子です.煮汁は,鍋の縁周辺では煮立っていますが,中央ではあまり煮立っていません.
<図1>
20111217z01.jpg
 このように,場所によって煮え方が異なるのは,ガスコンロの構造に起因すると思われます.つまり,図2のように,ガスコンロの炎は,鍋の裏面に当たって,鍋の縁のほうに広がります.しかし,鍋の中心付近には,あまり炎が当たりません.
<図2>
20111217z02.jpg
 このように,ガスコンロでは,鍋の縁周辺が加熱されやすく,中央は加熱されにくいと考えられえます.鍋の種類によっては,この加熱ムラが,そのまま温度ムラになります.温度ムラができると,煮汁の場所によって,煮えが足りなかったり,焦げ付いてしまったりするおそれがあります.
 たとえ加熱ムラがあっても,温度ムラが生じにくい鍋が,煮物には適していると考えられます.

 今回は,次の3種類の鍋について,加熱時の温度ムラを比較してみます.
a)薄手鍋,鍋底厚さ:1mm,ステンレス
b)厚手鍋,鍋底厚さ:4mm,ステンレス
c)厚手鍋,鍋底厚さ:4mm,アルミ
 アルミの鍋は,熱伝導が良い(温度伝導率が高い)ので,温度ムラが生じにくいと言われています.

 鍋の直径は,全て同一で,次の値とします.
 ・直径:200mm


★鍋の温度分布を計算してみる
●計算モデル
 下図3のように,鍋の底面を,正方形の板に置き換えます.実際には,鍋には材料が入りますが,今回は簡単のため,「空焚き」(材料なし)とします.
 ・実際の鍋底は,直径d[mm]の円形だが,これを1辺がd[mm]の正方形に置き換える.
 ・コンロ中央は,直径e[mm]の非加熱範囲を持つとする.これを,中央の幅e[mm]の部分に置き換える.
 ・鍋底の厚さは,h[mm]とする.
 ・加熱範囲以外では,断熱(熱が外部に出入りしない)とする.
 ・鍋底の幅方向にx軸,厚さ方向にy軸をとる.
 ※本来は,円筒座標系を用いるべきですが,当方の技量の制限で,平面座標系としました.
<図3>
20111217z11.jpg
 図3のモデルを用いて,鍋の底面を加熱したときの,温度変化を計算します.計算は,熱伝導の基本式,式1に基づいて行います.
<式1>
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 ここで,
 ・T:時間t[s]における温度[℃]
 ・t:時間[s]
 ・D:材料の温度伝導率[m^2/s]
  D=k/(ρ・c)
  ・k:熱伝導率[W/m・K]
  ・ρ:密度[kg/m^3]
  ・c:比熱[J/kg・K]
 ・x,y:x,y座標[m]

 式1を離散化することで,数値計算を可能にします.左辺はオイラー法で,右辺は差分法で,離散化します.(以前,哺乳ビンの温度分布を計算しようとしたときと,同様の方法です.詳しくは,→こちら
 離散化のために,下図4のように,鍋底を短冊に分割します.短冊は,幅方向にΔx[mm],厚み方向にΔy[mm]の幅を持ちます.
<図4>
20111217z12.jpg
 注目する短冊の温度をT0[℃],各方向に隣接する短冊の温度T+x,T-x,T+y,T-yを,図のように定めます.そうすると,式1は,次式2のように離散化されます.Δt[s]は,時間キザミです.
<式2>
20111217s2.jpg
 時間t[s]における温度分布が与えられれば,式2によって,時間t+Δt[s]における温度分布を,計算できます.これによって,鍋底の温度変化を予測可能です.


●境界条件
 境界条件は,次のように定めます.
 ・鍋底下面の加熱範囲 :一定の熱流量が流入
 ・鍋底下面の非加熱範囲:断熱
 ・鍋底上面と側面(縁) :断熱
 これらの境界条件を,簡単に与えるために,次のような方法をとりました.すなわち,下図5のように,解析対象の範囲(白色の短冊)の周辺に,ダミーの短冊(水色,橙色)を置きます.
<図5>
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 これらのダミーの短冊の温度をうまく設定することで,「一定熱流量」や「断熱」の条件を与えられます.
・一定熱流量
 ダミー短冊の温度Td[℃]を,次のように定める.
 Td=T1+(Δy・Q1)/(k・S)
 ここで,
 ・T1 :隣接する(鍋表面の)短冊の温度[℃]
 ・Δy:短冊のy方向(厚み方向)の幅[m]
 ・Q1 :短冊1個に流入する熱流量[W]
 ・k :熱伝導率[W/m・K]
 ・S :熱の流入面の面積=d×Δx
     ・d :鍋の直径[m]
     ・Δx:短冊のx方向(幅方向)の幅[m]
・断熱
 ダミー短冊の温度=隣接する(鍋表面の)短冊の温度,とする.

 また,初期条件は,鍋の温度=20℃で一様,としました.


●計算に用いる数値(物性値など)
 物性値は,次の通りです[1].
 ・ステンレス(18-8ステンレス)
  ・熱伝導率 :k=15.1[W/m・K]
  ・密度   :ρ=7833[kg/m^3]
  ・比熱   :c=460[J/kg・K]
  ・温度伝導率:D=0.415×10^-5[m^2/s]
 ・アルミ(純アルミ)
  ・熱伝導率 :k=204[W/m・K]
  ・密度   :ρ=2707[kg/m^3]
  ・比熱   :c=896[J/kg・K]
  ・温度伝導率:D=8.418×10^-5[m^2/s]
[1]黒崎他;伝熱工学,コロナ社,(2009)

 寸法などは,次の通りとしました. 
 ・非加熱範囲  :e=70[mm]
 ・ガスコンロ出力:Q=300[W]…前回と同じ

 短冊の分割数および短冊の幅は,次の通りです.
 ・x方向:20分割,Δx=10[mm]
 ・y方向:5分割,Δy=0.4[mm](薄手鍋),0.8[mm](厚手鍋)

 以上の条件で,計算を行いました.


★温度ムラが小さい鍋は,どの鍋?
 計算結果を示します.
 まず,下図6は,加熱開始から10[s]後の温度分布です.横軸はx方向(幅方向)の位置,縦軸はy方向(厚さ方向)の位置です.色で温度を表しています(青:低温→赤:高温).3種類の鍋について,示しています.
<図6>
20111217z21.jpg
 最初20℃だった鍋は,10[s]後の状態では,まだ100℃以下です.熱容量の少ない薄手鍋が,もっとも温度が上がっています.
(せっかくの2次元熱伝導解析だったのですが,厚み方向には,温度の違いはあまり見られません.1次元の解析で,十分だったかもしれません.)

 次に,加熱開始から30[s]後の温度分布が,下図7です.
<図7>
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 薄手鍋では,150℃を超えるところも出ています.しかし,中央付近はまだ50℃以下です.温度ムラが大きいといえます.
 これに対して,アルミ鍋では,中央もムラなく温度が上がっているように見えます.

 さらに,加熱開始から60[s]後の温度分布を,下図8に示します.
<図8>
20111217z23.jpg
 薄手鍋では,中央が50℃以下なのに,縁のほうでは250℃を超えています.ひどい温度ムラです.(実際には,温度が高いほど放熱されやすいので,これほどの温度差は出ないかもしれません.)このような温度ムラがあると,煮物は均一に煮えなかったり,鍋の縁の近くで焦げ付いたりしてしまいそうです.
 ステンレスの厚手鍋でも,温度は50℃以下の部分と150℃超の部分があります.温度ムラは,小さくありません.
 しかし,アルミの厚手鍋では,温度は130℃~180℃程度の範囲に,おさまっています.アルミ鍋は,加熱ムラがあっても,温度ムラが生じにくいと言えそうです.アルミは,ステンレスに比べて,温度伝導率Dが1ケタ大きいため,温度ムラが生じにくいのです.

 以上をまとめると,
 ・アルミの厚手鍋は,もっとも温度ムラが生じにくい.
 ・ステンレスの薄手鍋は,もっとも温度ムラが生じやすい.

 なお,今回の計算結果は,鍋を「空焚き」した場合です.鍋に煮汁が入っている場合には,煮汁の流動によって鍋表面の温度がならされるので,これほどの温度ムラは生じないと思います.ただ,煮汁の粘度が高い場合は,流動しにくいので,温度ムラが是正されにくいかもしれません.粘度が高い煮汁(シチュー,カレー,煮詰める煮物など)の調理の際には,特に注意が必要になりそうです.


(補足)
 「銅」も,温度伝導率が高いので,煮物に向いていそうです.以下,文献[1]の記載値.
 ・銅    :温度伝導率=11.234×10^-5[m^2/s]
 ・アルミ  :温度伝導率=8.418×10^-5[m^2/s]
 ・ステンレス:温度伝導率=0.415×10^-5[m^2/s]


【今回の結論】
 ガスコンロでは加熱ムラが避けられないため,鍋に温度ムラが生じます.煮物で温度ムラがあると,煮えの不均一や,焦げ付きなどの懸念があります.
 薄手鍋より厚手鍋が,ステンレス鍋よりアルミ鍋が,調理中の温度ムラを生じにくいようです.煮物には,厚手のアルミ鍋が,もっとも好適なようです.


我が家にはアルミ鍋はありません.したがって,煮物が焦げ付くことが多いです.しかし,「忘れていた」が理由ですので,アルミ鍋があっても,焦げ付きは防げそうにありません.
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はじめまして♪
訪問リストからおじゃまさせていただいております。
☆ビーズと布小物☆のminny*ともうします。

おなべの材質と火の当たり方についての記事、むずかしすぎて途中からは良くわからなかったんですが、うちはIHコンロなので、逆に真ん中から焦げるんです。
ガスから切り替えたばかりのころは、それを知らなかったので、苦労しました。
今はだいぶ慣れたので問題はないんですが、いまだに困っているのは、餃子を焼くときです。
このときばかりは、カセットコンロで焼こうかと思ってしまいます。

初コメにて、愚痴のようなことをいってしまい、申し訳ありませんでした。
お料理をこのように科学していらっしゃって、すごいです!!!
私は、なんとな~く感覚でやっちゃってますので。。。。。

鯖の味噌煮は私も大好きだし、得意です。
一昨日も作ったばかりです。
ネギをいれるのは、うちも定番になっていますよ。
入れるタイミングは、最初のしょうゆベースのおだしを水から温める時に入れて、それからゆっくり時間をかけてとろっとなるくらいまで鯖といっしょに煮込みます。
最後の味噌を入れる前には引き上げて、味噌誰に絡めた鯖の横に添えます。

マツジョンさんの鯖味噌もおいしそう♪
栄養のバランスも完璧ですね!!!
いただいてみたいわ~

初コメにて、長々と失礼しました。
minny* | URL | 2011/12/18/Sun 07:03 [編集]
> minny* さん
 コメントありがとうございます.

 理屈ばかりで読みにくいブログなのに,細かいところまで読んでくださっているようで,とてもありがたいです.

 鯖,さんま,かれい,などなど,今の季節,いろいろな魚がおいしいですよね.私は料理一年生なので,まだまだ「得意料理」と呼べるものはありません.もっと料理上手になれるといいなあ,と思っています.
マツジョン | URL | 2011/12/18/Sun 21:47 [編集]



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