Improvement of energy efficiency of dehydration processes in the conditions of selective supply of electromagnetic energy

Abstract

An analysis of conventional dehydration processes used in food technologies—evaporation and drying—has been conducted, and their key challenges have been identified. The global research experience in dehydration technologies based on innovative microwave energy sources is reviewed. The studies carried out indicate that dehydration in an electromagnetic field holds clear promise both in terms of reducing energy consumption and improving the quality of the final product. At the same time, the existing research has been conducted using laboratory-scale setups; comprehensive studies and engineering design methods for electrodynamic—type equipment are lacking. The aim of this work is to develop the scientific foundations of dehydration processes under conditions of selective electromagnetic energy supply, to formulate design methods for continuous—flow dehydrators, and to create and test an experimental prototype of an electrodynamic dehydrator. To achieve the stated goal, the authors have synthesized previous research—where they hold priority—and formulated a hypothesis for the creation of apparatuses that address the scientific and technical contradictions inherent in traditional technologies. It is demonstrated that, under selective energy supply conditions, solutions can be concentrated within a single unit. The paper analyzes transformation schemes within the dehydrator, a parametric model, and the design of the experimental prototype. Results on the quality of obtained concentrates are provided. The most important outcome of the work is the development of theoretical foundations for dehydration in a microwave field, yielding high-quality concentrates. The significance of the study lies in the creation of an energy—efficient electrodynamic unit that replaces conventional evaporators and dryers.

Articolul prezintă analiza proceselor tradiționale de deshidratare a materiilor prime în tehnologiile alimentare – evaporare și uscare și sunt definite problemele cheie ale acestora. Este analizată experiența mondială a cercetării tehnologiilor de deshidratare bazate pe surse inovatoare de microunde. Studiile efectuate indică faptul că deshidratarea în câmp electromagnetic are perspective necondiționate, atât în sarcinile de reducere a intensității energetice, cât și în sarcinile de calitate a produsului finit. Totodată, studiile efectuate au fost efectuate pe standuri de laborator, dezvoltarea și testarea echipamentelor electrodinamice nu au fost găsite în literatura disponibilă. Prin urmare, scopul lucrării este de a crea un model experimental al unui deshidratator electrodinamic. Pentru atingerea acestui scop s-a realizat o generalizare a studiilor, a căror prioritate revine autorilor. Se formulează o ipoteză pentru crearea unor dispozitive care să rezolve contradicțiile științifice și tehnice ale tehnologiilor tradiționale. Problemele de evaporare și uscare sunt rezolvate într-un singur dispozitiv. Sunt analizate consecvent schemele de transformare în deshidrator, modelul parametric și proiectarea probei experimentale de plante. Sunt prezentate rezultatele testării deshidratorului în modurile de funcționare periodică și continuă. Sunt prezentate rezultatele calității concentratelor obținute. Cel mai important rezultat al lucrării este că au fost dezvoltate fundamentele teoriei deshidratării într-un câmp de microunde în condiții de producție cu indicatori înalți ai calității concentratului. Semnificația lucrării este că a fost creată o instalație electrodinamică eficientă din punct de vedere energetic, care înlocuiește evaporatoarele și uscătoarele tradiționale.

Проведен анализ традиционных процессов обезвоживания сырья в пищевых технологиях – выпаривания и сушки. Определены ключевые проблемы выпаривания: снижение интенсивности процесса с повышением концентрации, формирование пограничного слоя, снижение качества готового продукта. Сформулированы проблемы традиционных сушильных технологий: низкая интенсивность диффузионных процессов и высокая энергоемкость оборудования. Анализируется мировой опыт исследований технологий обезвоживания на базе инновационных источников селективного объемного подвода энергии микроволнового диапазона. Выполненные исследования свидетельствуют, что обезвоживание в электромагнитном поле имеет безусловные перспективы, как в задачах снижения энергоемкости, так и в задачах качества готового продукта. Вместе с тем, выполненные исследования проведены на лабораторных стендах, отсутствуют обобщающие исследования и методы инженерного проектирования оборудования электродинамического типа. Целью работы является разработка научных основ процессов обезвоживания в условиях селективного подвода электромагнитной энергии, методов проектирования дегидраторов непрерывного действия, создание и испытание экспериментального образца электродинамического дегидратора. Для достижения поставленной цели проведено обобщение исследований, приоритет в которых принадлежит авторам, сформулирована рабочая гипотеза создания аппаратов, которые решали бы научно-технические противоречия традиционных технологий, показано, что в условиях селективного подвода энергии можно концентрировать растворы в одном аппарате. Поскольку, задачи и выпарки, и сушки решаются в одном аппарате, используется термин дегидратация. Последовательно анализируются схемы трансформации в дегидраторе, параметрическая модель и конструкция экспериментального образца установки. Приводятся результаты испытаний дегидратора в периодических и непрерывных режимах работы. Рекомендуются параметры режимов работы дегидратора, оптимизированные по энергетическим и технологическим параметрам. Приведены результаты качества концентратов яблочного и виноградного соков, сухих ягод актинидии. Наиболее важным результатом работы является то, что разработаны основы теории дегидратации в микроволновом поле с высокими показателями качества концентратов. Значимость работы заключается в том, что создана энергоэффективная установка электродинамического типа, заменяющая традиционные выпарку и сушилку.