Процессы адресной доставки энергии и тепломассопереноса в системах с нано-, микро- и макроэлементами
Ключевые слова:
энергоемкость, теплообмен, массообмен, интенсификация, тепломассоперенос, микроволновое поле, адресная доставка энергии, диффузия, микрокапиллярная структура, нанокапиллярная структура, процесс обезвоживания, выпаривание
Аннотация
Введение. Производство современных технологий должно учитывать всесторонний анализ энергетических, биотехнологических и теплофизических явлений. Основными в пищевых технологиях являются процессы тепло- и массообмена, которые необходимо интенсифицировать.
Цель статьи. Исследование механизмов и моделирование кинетики тепломассопереноса в микроволновом поле в технологиях комплексной переработки пищевого сырья.
Материалы и методы. Комбинация тепловых, гидродинамических и диффузионных движущих сил при их согласованном действии способна решать проблемные вопросы обработки сырья, в первую очередь пищевого. С помощью принципов теории подобия предлагается безразмерный комплекс – число энергетического действия, которое отражает влияние электромагнитного поля. Предложена классификация режимов потока из микро- и нанокапиллярной структуры.
Результаты исследования. Непосредственный, адресный, подвод энергии к жидкой фазе сырья дает возможность получения в аппарате твердой фазы. Это принципиально новые возможности процесса обезвоживания. Скорости выпаривания при постоянной мощности поля зависят только от типа растворителя. В результате обработки всех точек эксперимента было получено критериальное уравнение, которое устанавливает зависимость числа энергетического действия от безразмерного давления и безразмерной теплоты фазового перехода.
Обсуждение и заключение. Разработан новый класс тепломассообменного оборудования – электродинамические аппараты. Предложенные экспериментальные результаты предполагают, что при организации процессов адресной доставки энергии с привлечением импульсного микроволнового поля поток из капилляров и нанокапилляров инициируется гораздо быстрее. Важное преимущество электродинамических экстракторов – возможность получения полиэкстрактов. Пищевые технологии с организацией процессов адресной доставки энергии при выпарке, сушке и экстрагировании являются ресурсо- и энергоэффективными и обеспечивают полное сохранение потенциала сырья.
Литература
1. Nanobiotechnology Approaches for Engineering Smart Plant Sensors / J. P. Giraldo [et al.] // Nature Nanotechnology. 2019. Vol. 14, Issue 6. Р. 541–553. doi: https://doi.org/10.1038/s41565-019-0470-6
2. Rawal M., Singh A., Amiji M. M. Quality-by-Design Concepts to Improve Nanotechnology-Based Drug Development // Pharmaceutical Research. 2019. Vol. 36, Issue 11. doi: https://doi.org/10.1007/s11095-019-2692-6
3. Understanding and Managing the Food-Energy-Water Nexus–Opportunities for Water Resources Research / X. Cai [et al.] // Advancesin Water Resources. 2018. Vol. 111. Р. 259–273. doi: https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2017.11.014
4. Clapp J., Newell P., Brent Z. W. The Global Political Economy of Climate Change, Agriculture and Food Systems // The Journal of Peasant Studies. 2018. Vol. 45, Issue 1. Р. 80–88. doi: https://doi.org/10.1080/03066150.2017.1381602
5. Govindan K. Sustainable Consumption and Production in the Food Supply Chain: a Conceptual Framework // International Journal of Production Economics. 2018. Vol. 195. Р. 419–431. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2017.03.003
6. Hosovskyi R. Diffusive Mass Transfer during Drying of Grinded Sunflower Stalks // Chemistry & Chemical Technology. 2016. Vol. 10, Issue 4. Р. 459–464. doi: https://doi.org/10.23939/chcht10.04.459
7. Sabarez H. T. Thermal Drying of Foods // Fruit Preservation. Food Engineering Series ; A. Rosenthal, R. Deliza, J. Welti-Chanes, G. Barbosa-Cánovas (eds). New York : Springer, 2018. P. 181–210. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-3311-2_7
8. Combined Drying of Apple Cubes by Using of Heat Pump, Vacuum-Microwave, and Intermittent Techniques / C. H. Chong [et al.] // Food Bioprocess Technol. 2014. Vol. 7, Issue 4. Р. 975–989. doi: https://doi.org/10.1007/s11947-013-1123-7
9. Kumar C., Karim M. A. Microwave-Convective Drying of Food Materials: A Critical Review // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019. Vol. 59, Issue 3. Р. 379–394. doi: https://doi.org/10.1080/10408398.2017.1373269
10. Microwave Vacuum Drying and Multi-Flash Drying of Pumpkin Slices / R. L. Monteiro [et al.] // Journal of Food Engineering. 2018. Vol. 232. doi: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.03.015
11. Multi-Scale Model of Food Drying: Current Status and Challenges / M. M. Rahman [et al.] // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2018. Vol. 58, Issue 5. Р. 858–876. doi: https://doi.org/10.1080/10408398.2016.1227299
12. Bozkir H., Baysal T. Concentration of Apple Juice Using a Vacuum Microwave Evaporator as a Novel Technique: Determination of Quality Characteristics // Journal of Food Process Engineering. 2017. Vol. 40, Issue 5. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.12535
13. Kumar A., Shrivastava S. L. Temperature, Concentration, and Frequency Dependent Dielectric Properties of Pineapple Juice Relevant to Its Concentration by Microwave Energy // Journal of Food Process Engineering. 2019. Vol. 42, Issue 1. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.13013
14. Influence of Three Different Concentration Techniques on Evaporation Rate, Color and Phenolics Content of Blueberry Juice / A. Elik [et al.] // Journal of Food Science and Technology. 2016. Vol. 53, Issue 5. Р. 2389–2395. doi: https://doi.org/10.1007/s13197-016-2213-0
15. Drying Characteristics and Modeling of Apple Slices during Microwave Intermittent Drying / J.-W. Dai [et al.] // Journal of Food Process Engineering. 2019. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.13212
16. Arballo J. R., Campañone L. A., Mascheroni R. H. Study of Microwave Drying of Vegetables by Numerical Modeling. Influence of Dielectric Properties and Operating Conditions // Food Science and Technology Research. 2018. Vol. 24, Issue 5. Р. 811–816. doi: https://doi.org/10.3136/fstr.24.811
17. Elik A., Yanik D. K., Göğüş F. Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Phenolics from Blueberry // Romanian Biotechnological Letters. 2019. Vol. 24, Issue 1. Р. 30–40. doi: https://doi.org/10.25083/rbl/24.1/30.40
18. Burdo O. G., Bandura V. N., Levtrinskaya Y. O. Electrotechnologies of Targeted Energy Delivery in the Processing of Food Raw Materials // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2018. Vol. 54, Issue 2. Р. 210–218. doi: https://doi.org/10.3103/S1068375518020047
19. Microwave Energy, as an Intensification Factor in the Heat-Mass Transfer and the Polydisperse Extract Formation / O. G. Burdo [et al.] // Problemele Energeticii Regionale. 2018. Vol. 1, Issue 36. Р. 58–71. doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.1217259
20. Burdo O. G. Nanoscale Effects in Food-Production Technologies // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2005. Vol. 78, Issue 1. Р. 90–96. doi: https://doi.org/10.1007/s10891-005-0033-6
21. Технологии селективного подвода энергии при выпаривании пищевых растворов / О. Г. Бурдо [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2017. № 1. С. 100–109. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29043965 (дата обращения: 27.09.2022).
22. Development of Wave Technologies to Intensify Heat and Mass Transfer Processes / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 4, Issue 11. Р. 34–42.
23. Гаврилов А. В. Исследование энерготехнологий процессов обезвоживания растительного сырья // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2018. Вып. 16. С. 82–89. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36774234 (дата обращения: 27.09.2022).
24. Studying the Operation of Innovative Equipment for Thermomechanical Treatment and Dehydration of Food Raw Materials / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. P. 24–32. URL: https://www.researchgate.net/publication/337229212_Studying_the_operation_of_innovative_equipment_for_thermomechanical_treatment_and_dehydration_of_food_raw_materials (дата обращения: 27.09.2022).
25. Energy Monitoring of Innovative Energy Technologies of Plant Raw Material Processing / O. G. Burdo [et al.] // Problemele Energeticii Regionale. 2019. Vol. 2, Issue 43. P. 23–38. doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.3367058
26. Гаврилов А. В. Анализ современных энерготехнологий переработки растительного сырья // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В. П. Горячкина. 2019. № 5. С. 31–39. doi: https://doi.org/10.34677/1728-7936-2019-5-31-39
27. Development of Power-Efficient and Environmentally Safe Coffee Product Technologies / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. Vol. 11, Issue 103. P. 6–14. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/b42c/578cef37a69eecc671825a5e20d950ec14f1.pdf (дата обращения: 27.09.2022).
28. Технологии адресной доставки энергии и термотрансформации при производстве продуктов питания / О. Г. Бурдо [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2016. Вып. 2. С. 55–68. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26638640 (дата обращения: 27.09.2022).
29. Гаврилов А. В. Экспериментальное моделирование процессов выпаривания водных растворов в условиях вакуума и микроволнового поля // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В. П. Горячкина. 2020. Вып. 1. С. 41–50. doi: https://doi.org/10.34677/1728-7936-2020-1-41-50
30. Determination of Basic Parameters of Solarpanels / K. Tepe [et al.] // Международный научный журнал: Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 2. С. 22–27. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=14671143 (дата обращения: 27.09.2022).
31. Prosekov A. Y., Ivanova S. A. Food Security: The Challenge of the Present // Geoforum. 2018. Vol. 91. Р. 73–77. doi: https://doi.org/10.1016/j.geoforum.2018.02.030
2. Rawal M., Singh A., Amiji M. M. Quality-by-Design Concepts to Improve Nanotechnology-Based Drug Development // Pharmaceutical Research. 2019. Vol. 36, Issue 11. doi: https://doi.org/10.1007/s11095-019-2692-6
3. Understanding and Managing the Food-Energy-Water Nexus–Opportunities for Water Resources Research / X. Cai [et al.] // Advancesin Water Resources. 2018. Vol. 111. Р. 259–273. doi: https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2017.11.014
4. Clapp J., Newell P., Brent Z. W. The Global Political Economy of Climate Change, Agriculture and Food Systems // The Journal of Peasant Studies. 2018. Vol. 45, Issue 1. Р. 80–88. doi: https://doi.org/10.1080/03066150.2017.1381602
5. Govindan K. Sustainable Consumption and Production in the Food Supply Chain: a Conceptual Framework // International Journal of Production Economics. 2018. Vol. 195. Р. 419–431. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2017.03.003
6. Hosovskyi R. Diffusive Mass Transfer during Drying of Grinded Sunflower Stalks // Chemistry & Chemical Technology. 2016. Vol. 10, Issue 4. Р. 459–464. doi: https://doi.org/10.23939/chcht10.04.459
7. Sabarez H. T. Thermal Drying of Foods // Fruit Preservation. Food Engineering Series ; A. Rosenthal, R. Deliza, J. Welti-Chanes, G. Barbosa-Cánovas (eds). New York : Springer, 2018. P. 181–210. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4939-3311-2_7
8. Combined Drying of Apple Cubes by Using of Heat Pump, Vacuum-Microwave, and Intermittent Techniques / C. H. Chong [et al.] // Food Bioprocess Technol. 2014. Vol. 7, Issue 4. Р. 975–989. doi: https://doi.org/10.1007/s11947-013-1123-7
9. Kumar C., Karim M. A. Microwave-Convective Drying of Food Materials: A Critical Review // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2019. Vol. 59, Issue 3. Р. 379–394. doi: https://doi.org/10.1080/10408398.2017.1373269
10. Microwave Vacuum Drying and Multi-Flash Drying of Pumpkin Slices / R. L. Monteiro [et al.] // Journal of Food Engineering. 2018. Vol. 232. doi: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.03.015
11. Multi-Scale Model of Food Drying: Current Status and Challenges / M. M. Rahman [et al.] // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2018. Vol. 58, Issue 5. Р. 858–876. doi: https://doi.org/10.1080/10408398.2016.1227299
12. Bozkir H., Baysal T. Concentration of Apple Juice Using a Vacuum Microwave Evaporator as a Novel Technique: Determination of Quality Characteristics // Journal of Food Process Engineering. 2017. Vol. 40, Issue 5. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.12535
13. Kumar A., Shrivastava S. L. Temperature, Concentration, and Frequency Dependent Dielectric Properties of Pineapple Juice Relevant to Its Concentration by Microwave Energy // Journal of Food Process Engineering. 2019. Vol. 42, Issue 1. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.13013
14. Influence of Three Different Concentration Techniques on Evaporation Rate, Color and Phenolics Content of Blueberry Juice / A. Elik [et al.] // Journal of Food Science and Technology. 2016. Vol. 53, Issue 5. Р. 2389–2395. doi: https://doi.org/10.1007/s13197-016-2213-0
15. Drying Characteristics and Modeling of Apple Slices during Microwave Intermittent Drying / J.-W. Dai [et al.] // Journal of Food Process Engineering. 2019. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.13212
16. Arballo J. R., Campañone L. A., Mascheroni R. H. Study of Microwave Drying of Vegetables by Numerical Modeling. Influence of Dielectric Properties and Operating Conditions // Food Science and Technology Research. 2018. Vol. 24, Issue 5. Р. 811–816. doi: https://doi.org/10.3136/fstr.24.811
17. Elik A., Yanik D. K., Göğüş F. Optimization of Microwave-Assisted Extraction of Phenolics from Blueberry // Romanian Biotechnological Letters. 2019. Vol. 24, Issue 1. Р. 30–40. doi: https://doi.org/10.25083/rbl/24.1/30.40
18. Burdo O. G., Bandura V. N., Levtrinskaya Y. O. Electrotechnologies of Targeted Energy Delivery in the Processing of Food Raw Materials // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2018. Vol. 54, Issue 2. Р. 210–218. doi: https://doi.org/10.3103/S1068375518020047
19. Microwave Energy, as an Intensification Factor in the Heat-Mass Transfer and the Polydisperse Extract Formation / O. G. Burdo [et al.] // Problemele Energeticii Regionale. 2018. Vol. 1, Issue 36. Р. 58–71. doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.1217259
20. Burdo O. G. Nanoscale Effects in Food-Production Technologies // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2005. Vol. 78, Issue 1. Р. 90–96. doi: https://doi.org/10.1007/s10891-005-0033-6
21. Технологии селективного подвода энергии при выпаривании пищевых растворов / О. Г. Бурдо [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2017. № 1. С. 100–109. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29043965 (дата обращения: 27.09.2022).
22. Development of Wave Technologies to Intensify Heat and Mass Transfer Processes / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 4, Issue 11. Р. 34–42.
23. Гаврилов А. В. Исследование энерготехнологий процессов обезвоживания растительного сырья // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2018. Вып. 16. С. 82–89. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36774234 (дата обращения: 27.09.2022).
24. Studying the Operation of Innovative Equipment for Thermomechanical Treatment and Dehydration of Food Raw Materials / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. P. 24–32. URL: https://www.researchgate.net/publication/337229212_Studying_the_operation_of_innovative_equipment_for_thermomechanical_treatment_and_dehydration_of_food_raw_materials (дата обращения: 27.09.2022).
25. Energy Monitoring of Innovative Energy Technologies of Plant Raw Material Processing / O. G. Burdo [et al.] // Problemele Energeticii Regionale. 2019. Vol. 2, Issue 43. P. 23–38. doi: https://doi.org/10.5281/zenodo.3367058
26. Гаврилов А. В. Анализ современных энерготехнологий переработки растительного сырья // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В. П. Горячкина. 2019. № 5. С. 31–39. doi: https://doi.org/10.34677/1728-7936-2019-5-31-39
27. Development of Power-Efficient and Environmentally Safe Coffee Product Technologies / O. Burdo [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. Vol. 11, Issue 103. P. 6–14. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/b42c/578cef37a69eecc671825a5e20d950ec14f1.pdf (дата обращения: 27.09.2022).
28. Технологии адресной доставки энергии и термотрансформации при производстве продуктов питания / О. Г. Бурдо [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2016. Вып. 2. С. 55–68. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26638640 (дата обращения: 27.09.2022).
29. Гаврилов А. В. Экспериментальное моделирование процессов выпаривания водных растворов в условиях вакуума и микроволнового поля // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В. П. Горячкина. 2020. Вып. 1. С. 41–50. doi: https://doi.org/10.34677/1728-7936-2020-1-41-50
30. Determination of Basic Parameters of Solarpanels / K. Tepe [et al.] // Международный научный журнал: Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 2. С. 22–27. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=14671143 (дата обращения: 27.09.2022).
31. Prosekov A. Y., Ivanova S. A. Food Security: The Challenge of the Present // Geoforum. 2018. Vol. 91. Р. 73–77. doi: https://doi.org/10.1016/j.geoforum.2018.02.030
Опубликован
2023-03-23
Раздел
Электротехнологии и электрооборудование
