Targeted Energy Delivery and Heat-Mass Transfer Processes in Systems with Nano-, Micro-, and Macroelements

Full Text

Введение

Производство пищевых продуктов питания в странах с развитой экономикой характеризуется показателем энергоемкости¹. Выбросы и отходы от производства продуктов питания загрязняют атмосферу и окружающую среду. В то же время технологии производства пищевых продуктов значительно отстают в практической реализации проектов инновации от других секторов экономики [1; 2]. При этом проблемы пищевых энергетических технологий в мире комплексно не решаются.

Сырье для производства пищевых продуктов специфичное. Состоит из макро- и микроэлементов и элементов наноразмерного типа. Более того, пищевые технологии нацелены именно на объекты микро- и наноразмерного типа. Эти объекты обладают большим диффузионным сопротивлением и определяют энергоемкость технологии, соотношение использованного сырья, а также сохранение пищевого потенциала. В связи с этим в отходах остается до 15–20 % целевых компонентов, которые находятся в микро- и нанокапиллярах и не извлекаются традиционными технологиями. Использование новых технологий в пищевой перерабатывающей промышленности даст возможность создавать новые продукты, принципиально отличающиеся от известных аналогов. Производство современных технологий должно учитывать всесторонний анализ энергетических, биотехнологических и теплофизических явлений. Основными процессами в пищевых технологиях являются процессы тепло- и массообмена, которые необходимо интенсифицировать. Эти процессы охватывают энергетику и качество пищевого готового продукта.

Цель исследования – анализ механизмов и моделирование кинетики тепломассопереноса в микроволновом поле (МВ-поле) в технологиях комплексной переработки пищевого сырья.

Обзор литературы

Этап развития общества неразрывно связан с ростом потребления энергоресурсов и снижением их запасов². В таких условиях возрастает роль экономически полезного расхода энергии, повышения энергетического коэффициента полезного действия инновационных технологий. В пищевых технологиях (ПТ) больше всего расходуется энергетических ресурсов, в основном в пищевом производстве происходит термическая обработка сырья [3]. А эффективность использования энергетических ресурсов и сырья остается на низком уровне [4; 5]. Если сравнить количество энергии, получаемое человеком с пищей, с затратам на ее производство, то получим энергетический КПД, который не превысит 10 % [6].

При снижении количества потребляемой энергии наблюдается повышение энергетического КПД ПТ, снижение себестоимости готового продукта и степени термического воздействия на него, а также сохранение термолабильных и биологически активных компонентов сырья.

Для ПТ характерны научные и технические противоречия. Известен факт, что при повышении температуры интенсифицируются процессы тепломассопереноса, но также происходит снижение пищевой ценности продукта вследствие разрушения функциональных компонентов сырья [7–9]. Известные технологии не позволяют разрешить эти противоречия.

Важным фактором ПТ является экологическая безопасность производства продукта. При производстве в отходах ПТ содержится большое количество нужных компонентов, экономическая ценность которых в разы больше стоимости готового продукта. Традиционные технологии не позволяют их извлекать, потому что они находятся внутри клеток (размеры оболочек от 7 до 30 нм), в капиллярах сырья (размер от 5 нм).

Чтобы отходы пищевых технологий являлись полноценными источниками пищи, нужно разрабатывать инновационные и экономически эффективные принципы организации процессов ПТ. Предлагается процессы стерилизации, экстрагирования, биотехнологий, сушки, сокоотдачи и прочие осуществлять с помощью технологий адресной доставки энергии (АДЭ). Осуществляемые принципы при переводе пищевого производства на технологии АДЭ позволят в разы снизить энергоемкость, степень воздействия температур на пищевое сырье и готовый продукт, а также получить новые продукты, принципиально отличающиеся от аналогов.

Многие ученые занимаются поиском инновационных средств обработки пищевого сырья. К таким средствам относятся электрические и электромагнитные интенсификаторы. Наиболее мощными и энергоэффективными являются микроволновые (МВ) генераторы [10–12]. Инновационные технологии применения МВ-поля известны в мире и активно исследуются при выпаривании продуктов [13–15]. В Китае создана сушильная установка с МВ-подводом энергии для производства яблочных чипсов [16–18]. В Аргентине получены образцы сушеного картофеля и сушеной моркови в условиях МВ-поля при атмосферном давлении, при t до 30 °С в вакууме до 3 кПа [19–21]. В Турции проводились исследования процессов экстрагирования фенолов из черники в состоянии порошка 60-процентным водным раствором этанола [22–24]. По результатам исследований получили 87-процентный экстракт.

Результаты этих исследований доказывают перспективность новых средств обработки пищевого сырья. Следует ожидать повышение показателей конечных концентраций при выпарке, снижение t обработки продукта, уменьшение экономических и энергетических затрат.

В статье определены задачи решения перечисленных проблем. Научная гипотеза работы – реализация эффекта адресной доставки энергии к необходимым элементам сырья при взаимодействии с электромагнитным полем [25–27].

Материалы и методы

Принятую классификацию процессов на механические, гидродинамические, тепловые и массообменные предлагается дополнить гибридными процессами, результат которых определяется последовательным действием нескольких движущих сил. Комбинация тепловых, гидродинамических и диффузионных движущих сил при их согласованном действии способна решать проблемные вопросы обработки сырья, в первую очередь пищевого. На основе предложенной концепции формулируются гипотезы (табл. 1).

 

Таблица 1 Энергетические и технологические противоречия пищевых производств

Table 1 Energy and technological contradictions in food production

 

№	Задача / Task	Традиционные решения / Traditional solutions	Гипотезы / Hypotheses
1	Выпаривание растворов / Evaporation of solutions	Энергия подводится непосредственно к раствору теплопередачей / The energy is brought directly to the solution by heat transfer	Возможности АДЭ непосредственно к растворителю / Possibilities of targeted energy delivery directly to the solvent
2	Сушка сырья/ Raw material drying	Энергия направляется к промежуточному потоку, который в свою очередь трансформирует влагу в пар / The energy is directed to the intermediate stream, which in turn transforms the moisture into steam	Возможности АДЭ непосредственно к влаге в объеме продукта / Possibilities of targeted energy delivery directly to the moisture in the product volume
3	Сушка сырья / Raw material drying	Удаляемая влага из продукта переходит в паровую фазу / Moisture removed from the product passes into the vapor phase	Возможности удаления влаги в виде двухфазного потока / Moisture removal capabilities in the form of two-phase flow
4	Извлечение целевых компонентов / Extraction of target components	Растворение компонента с помощью экстрагента и с помощью процесса диффузии в экстракт / Dissolution of a component using an extractant and using a diffusion process into the extract	Возможности перехода целевых компонентов из межклеточного пространства, а также из клеток нерастворимых компонентов / Possibilities of transferring target components from intercellular space as well as from cells of insoluble components

Примечание: таблица составлена по материалам статьи О. Г. Бурдо [28]

Note: Table was compiled based on the materials of the article by O. G. Burdo

 

 

Рассмотрим процесс тепломассопереноса с позиций классического уравнения Фика:

$\frac{dC}{d\tau }=D\frac{{\partial }^{2}C}{\partial x^2}+\frac{\partial C}{\partial x}{w}_X$ .        (1)

Первое слагаемое в (1) – это вялый процесс, воздействовать на который в условиях микро- и наномасштабных структур не удается. Ставится задача активизировать возможности второго слагаемого и организовать транспорт компонентов из капилляров за счет гидродинамической движущей силы, увеличить скорость потока w_x. Эта движущая сила определяется разностью давлений внутри капилляра и в среде. Но классическое уравнение гидравлики дополняется гидравлическим сопротивлением микроканала (диаметр d), вызванным силами поверхностного сопротивления σ:

$\Delta P=\frac{\rho \cdot w^2}{2}\left[\frac{\lambda \cdot l}{d}+{\displaystyle \sum \xi }\right]+\rho \cdot gl+\frac{\sigma }{d}$ . (2)

Запустить процесс транспортировки содержимого капилляров предложено с помощью электромагнитных источников энергии. Их влияние в уравнении энергии отражается как действие внутренних распределенных источников, мощность которых N в объеме V:

$\begin{array}{r}\frac{\partial t_1}{\partial \tau }=a_1\left(\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial r^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial t_1}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial {\varphi }^2}+\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial z^2}\right)+\\ +\frac{N\eta }{V_1{c}_{1V}{\rho }_1}.(3)\end{array}$

Индекс (1) в соотношении (3) относится к раствору в капилляре. Энергия поля избирательно поглощается полярными молекулами раствора. Максимальная температура окажется в глубине капилляра, там, где термическое сопротивление к среде максимально. Такое точечное повышение температуры приведет к локальному образованию паровой фазы, резкому росту давления в глубине капилляра, инициирует гибридный поток, который и выбрасывает содержимое через открытый торец в среду. Это явление назовем механодиффузией³ [29–31].

О. Г. Бурдо и соавторы отмечают: в связи с тем, что процесс АДЭ осуществляется гидродинамической движущей силой, которая во много раз больше традиционного диффузионного потока, возникает трудность определить влияние данного потока в традиционных уравнениях массопереноса. С помощью принципов теории подобия предлагается безразмерный комплекс – число энергетического действия B_u [28], которое отражает влияние электромагнитного поля. Число B_u отражает зависимость расходов энергии предлагаемой технологии Q и традиционной технологии: B_u = Q / Q_o. Для рассматриваемых процессов с помощью методов теории подобия установлены структуры моделей с обобщенными переменными и соотношения для расчета числа B_u (табл. 2) [28].

 

Таблица 2 Расчетные модели

Table 2 Calculation models

 

Процесс / Process	Число Вu / Number of Вu	Модель процесса / Process model
Активация и инактивация микроорганизмов / Activation and inactivation of microorganisms	Bu = N(ζVCpΔtρ)–1	Fo = ARenPrmBuk
Экстрагирование / Extracting	Bu = N(rwd2 ρ)–1	Sh = ARenScmBuk
Сушка / Drying	Bu = N(rVρ)–1	Sh = ARenScmPepBuk
Выпаривание / Evaporation	Bu = N(rVρ)–1	Bu = ARnPq
В соотношениях принято: N – мощности излучения; V – объемный расход удаляемой влаги; r – скрытая теплота фазового перехода; d – определяющий размер; ρ – плотность / The ratios assume: N – radiation power; V – volume flow rate of moisture removed; r – latent heat of phase transition; d – defining dimension; ρ – density

 

Механизмы транспортных процессов в микро- и нанокапиллярах

Предложена классификация режимов потока из микро- и нанокапиллярной структуры (рис. 1). Во-первых, это ламинарная бародиффузия, которая интенсифицирует внутридиффузионный массоперенос. Влага подается из объема сырья на поверхность фазового контакта и традиционным диффузионным потоком (диффузионное сопротивление в стесненных условиях капилляра R_c), но также бародиффузионным потоком (гидравлическое сопротивление R_b). Во-вторых, это турбулентная бародиффузия, которая интенсифицирует и внутри- и внешнедиффузионный массоперенос. В среду выносятся 2 потока: традиционный Jd и гидродинамический Jb. В-третьих, это специфичный гибридный поток, который переносит и растворимые, и нерастворимые экстрагентом компоненты («механодиффузия» [21]).

 

 

 

 

Рис. 1. Схемы транспортных процессов при бародиффузии: a) ламинарная; b) турбулентная

Fig. 1. Schemes of transport processes during barodiffusion: a) laminar; b) turbulent

 

Результаты исследования

Гипотеза доказана экспериментально. Исследования проводились на модели сырья (рис. 2). Капилляр заполняли водой, которая подкрашивалась чернилами. В оболочке сырья содержалось 3 капилляра. Модель сырья (оболочка с капиллярами) располагалась в термостате и в камере с МВ-генератором (рис. 2). Схема установки и результаты процесса бародиффузии показаны на рисунке 2.

 

 

 

Рис. 2. Модель сырья в МВ-камере

Fig. 2. Model of raw materials in the MV-chamber

 

 

Анализ результатов представлен в таблице 3.

Таблица 3 Результаты визуального исследования

Table 3 Results of visual studies

 

№	Стенд / Stand	Время, с / Time, s	Температура, °С / Temperature, °С	Характеристики процесса / Process features
1	Термостат / Thermostat	7 200	90	Из капилляров испарилось около 1 % воды. Чернила не выходили / About 1% of the water evaporated from the capillaries. The ink did not come out
2	МВ-камера / МВ-camera	16	66	Наблюдалось вытекание подкрашенной жидкости из капилляра 1, появление пузырьков пара в капиллярах 2 и 3 / Dyed liquid leaked from capillary 1, vapor bubbles appeared in capillaries 2 and 3
		36	66	Капилляр 1 оказался пустым / Capillary 1 was empty
		56	66	Наблюдалось вытекание подкрашенной жидкости из капилляров 2 и 3 / Dyed liquid was observed leaking from capillaries 2 and 3
		74	66	Все капилляры оказались пустыми / Все капилляры оказались пустыми

 

Стендовые испытания микроволнового вакуум-выпарного аппарата

Проведение процесса выпаривания при ГУ 2 рода (в отличии от 1 и 3 рода в традиционных аппаратов) предопределяет преимущества: возможность получения высококонцентрированных растворов. В инновационных аппаратах нет классической теплопередачи, нет проблемы пограничного слоя. 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.

Определено, что скорость влагоизвлечения в спиртосодержащих системах в 2,0–2,5 раза выше, чем в водорастворимых, а в растворах на основе ацетона – в 5 раз. Давление в системе не превышало 10 кПа, что обеспечило процесс выпаривания при относительно низкой температуре 20–45 °С. Конечная концентрация сухих веществ дошла до 80–95 °brix, это выше на 20–25 %, по сравнению с известными установками.

В качестве базовых значений принято: давление P_o = 10 кПа; теплота фазового перехода R_o = 525 кДж/кг.

Обсуждение и заключение

В статье с помощью видеосъемки доказан факт существования гидродинамического потока из каналов капилляров сырья.

Подтверждена гипотеза, сформулированная выше, что центры парообразования образуются в глубине капилляров. Установлено, что первоначально образуются центры парообразования в каналах капилляров, расположенных близко к генератору энергии.

Установлено, что процессом образования бародиффузионного потока, а также его мощностью возможно управлять. Факторами для управления процессом являются мощность и направленное электромагнитное излучение, при условии их согласования со структурой сырья и диаметрами капилляров.

Также видеосъемка доказывает, что характер потока отличается от классической бародиффузии. Большая концентрация электромагнитной энергии в точке объема капилляра практически приводит к фазовому переходу, ускоренному росту объема пара и моментальному видоизменению гидродинамической ситуации в капилляре. В результате происходит резкий выброс содержимого капилляра и, следовательно, разрыв клеточной оболочки с выбросом содержимого клетки.

Для наноиндустрии созданы образцы техники, которые реализуют эффект «механодиффузии». Разработан новый класс тепломассообменного оборудования – электродинамические аппараты. Получены совершенно новые результаты по интенсификации тепломассопереноса. Предложенные экспериментальные результаты предполагают, что при организации процессов адресной доставки энергии с привлечением импульсного МВ-поля поток из капилляров и нанокапилляров инициируется гораздо быстрее. Важное преимущество электродинамических экстракторов – возможность получения полиэкстрактов.

Проведение процесса выпаривания при ГУ 2 рода (в отличии от 1 и 3 рода в традиционных аппаратов) предопределяет преимущества: возможность получения высококонцентрированных растворов. В инновационных аппаратах нет классической теплопередачи, нет проблемы пограничного слоя. 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.

Пищевые технологии с организацией процессов адресной доставки энергии при выпарке, сушке и экстрагировании являются ресурсо- и энергоэффективными и обеспечивают полное сохранение потенциала сырья.

 

 

¹           Gabor D., Colombo U., King A. S. Beyond The Age of Waste: a Report to the Club of Rome. Elsevier, 2016. 258 p. URL: Available at: https://www.elsevier.com/books/beyond-the-age-of-waste /gabor/978-0-08-027303-7 (дата обращения: 27.09.2022) ; Рынок нано: от нанотехнологий к нанопродуктам / Г. Л. Азоев [и др.]. М. : БИНОМ, 2011. 319 с.

²           Gabor D., Colombo U., King A. S. Beyond The Age of Waste…

³           Gremenok V. F. Thin Film Solar Cells Based on Cu (In, Ga) Se2 // ECOBALTICA № 2008: Proceedings of the VI International Youth Environmental Forum. 2006. P. 24–28.

 

About the authors

Aleksandr V. Gavrilov

Agrotechnological Academy of the V. I. Vernadsky

Author for correspondence.
Email: tehfac@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3382-0307
ResearcherId: AAH-5137-2019

Cand.Sci (Engr.), Associate Professor of the Chair of Technology and Equipment for Producing and Processing of Livestock Products

Russian Federation, Agrarnoye, Simferopol 295492

Yuriy B. Gerber

Agrotechnological Academy of the V. I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: gerber_1961@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3224-6833
ResearcherId: B-6690-2019

Dr.Sci. (Engr.), Deputy Director, Head of the Chair of Technology and Equipment for Producing and Processing Livestock Products

Russian Federation, Agrarnoye, Simferopol 295492

References

Supplementary files