Calefacción Joule

La fórmula más fundamental para el calentamiento Joule es la ecuación de potencia generalizada: $${\displaystyle P=I(V_{A}-V_{B})}$$ dónde

• ${\displaystyle P}$es la potencia (energía por unidad de tiempo) convertida de energía eléctrica a energía térmica,
• ${\displaystyle I}$es la corriente que viaja a través de la resistencia u otro elemento,
• ${\displaystyle V_{A}-V_{B}}$es la caída de voltaje a través del elemento.

La explicación de esta fórmula (${\displaystyle P=IV}$) es: ^{[ 6 ]}

Suponiendo que el elemento se comporta como una resistencia perfecta y que la potencia se convierte completamente en calor, la fórmula se puede reescribir sustituyendo la ley de Ohm .${\displaystyle V=IR}$, en la ecuación de potencia generalizada: $${\displaystyle P=IV=I^{2}R=V^{2}/R}$$ donde R es la resistencia .

Cuando la corriente varía, como sucede en los circuitos de CA,

$${\displaystyle P(t)=U(t)I(t)}$$

donde t es el tiempo y P es la potencia activa instantánea que se convierte de energía eléctrica a calor. Con mucha más frecuencia, la potencia promedio es de mayor interés que la potencia instantánea. Para una resistencia ideal, con reactancia cero , la potencia promedio de calentamiento Joule es

$${\displaystyle P_{\rm {promedio}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=(I_{\text{rms}})^{2}R=(U_{\text{rms}})^{2}/R}$$

donde "avg" denota el promedio (media) sobre uno o más ciclos, y "rms" denota la raíz cuadrática media .

Si la reactancia es distinta de cero, las fórmulas se modifican. La potencia de calentamiento Joule promedio es

$${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =(I_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Z)=(U_{\text{rms}})^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})}$$

dónde${\displaystyle \phi }$es la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje,${\displaystyle \operatorname {Re} }$significa parte real , Z es la impedancia compleja y Y* es el conjugado complejo de la admitancia (igual a 1/ Z* ). Tenga en cuenta que${\displaystyle \operatorname {Re} (Z)=R}$, y

$${\displaystyle \operatorname {Re} (Y^{*})=\operatorname {Re} {\frac {1}{Z^{*}}}=\operatorname {Re} {\frac {Z}{|Z|^{2}}}={\frac {R}{|Z|^{2}}}}$$.

Para obtener más detalles sobre el caso reactivo, consulte Alimentación de CA.

El calentamiento Joule también se puede calcular en un punto específico del espacio. La forma diferencial de la ecuación de calentamiento Joule proporciona la potencia por unidad de volumen.

$${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} }$$

Aquí,${\displaystyle \mathbf {J} }$es la densidad de corriente, y${\displaystyle \mathbf {E} }$es el campo eléctrico. Para un material con una conductividad${\displaystyle \sigma }$,${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }$y por lo tanto $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} {\frac {1}{\sigma }}=J^{2}\rho }$$

dónde${\displaystyle \rho =1/\sigma }$es la resistividad . Esto se asemeja directamente a la "${\displaystyle I^{2}R}$"término de la forma macroscópica.

En el caso armónico, donde todas las magnitudes del campo varían con la frecuencia angular${\displaystyle \omega }$como${\displaystyle e^{-\mathrm {i} \omega t}}$fasores de valor complejo${\displaystyle {\sombrero {\mathbf {J} }}}$y${\displaystyle {\sombrero {\mathbf {E} }}}$Se suelen introducir para la densidad de corriente y la intensidad del campo eléctrico, respectivamente. El calentamiento Joule se lee entonces $${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}/\sigma ={\frac {1}{2}}J^{2}\rho ,}$$ dónde${\displaystyle \bullet ^{*}}$denota el conjugado complejo .

El calentamiento Joule es un proceso aséptico de pasteurización instantánea (también llamado "alta temperatura y corto tiempo" (HTST)) que hace pasar una corriente alterna de 50–60  Hz a través del alimento. ^{[ 8 ]} El calor se genera a través de la resistencia eléctrica del alimento. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} A medida que el producto se calienta, la conductividad eléctrica aumenta linealmente. ^{[ 3 ]} Una frecuencia de corriente eléctrica más alta es mejor, ya que reduce la oxidación y la contaminación metálica. ^{[ 8 ]} Este método de calentamiento es mejor para alimentos que contienen partículas suspendidas en un medio débilmente salino debido a sus propiedades de alta resistencia. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

El calor se genera de forma rápida y uniforme tanto en la matriz líquida como en las partículas , produciendo un producto estéril de mayor calidad apto para el procesamiento aséptico . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

La energía eléctrica se transforma linealmente en energía térmica a medida que aumenta la conductividad eléctrica , y este es el parámetro clave del proceso que afecta la uniformidad y la velocidad de calentamiento. ^{[ 11 ]} Este método de calentamiento es el mejor para alimentos que contienen partículas suspendidas en un medio con bajo contenido de sal debido a sus propiedades de alta resistencia . ^{[ 10 ]} El calentamiento óhmico es beneficioso debido a su capacidad para inactivar microorganismos mediante daño celular térmico y no térmico. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Este método también puede inactivar factores antinutricionales, manteniendo así las propiedades nutricionales y sensoriales . ^{[ 13 ]} Sin embargo, el calentamiento óhmico está limitado por la viscosidad , la conductividad eléctrica y los depósitos de incrustaciones . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Aunque el calentamiento óhmico aún no ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos ( FDA ) para uso comercial, este método tiene muchas aplicaciones potenciales, que van desde la cocción hasta la fermentación . ^{[ 11 ]}

Existen diferentes configuraciones para sistemas de calentamiento óhmico continuo, pero en el proceso más básico, ^{[ 11 ]} se necesita una fuente de alimentación o generador para producir corriente eléctrica. ^{[ 10 ]} Los electrodos , en contacto directo con los alimentos, hacen pasar corriente eléctrica a través de la matriz. ^{[ 10 ]} La distancia entre los electrodos se puede ajustar para lograr la intensidad óptima del campo eléctrico. ^{[ 10 ]}

El generador crea la corriente eléctrica que fluye hacia el primer electrodo y pasa a través del producto alimenticio colocado en el espacio entre los electrodos. ^{[ 10 ]} El producto alimenticio se resiste al flujo de corriente, lo que provoca un calentamiento interno. ^{[ 11 ]} La corriente continúa fluyendo hacia el segundo electrodo y regresa a la fuente de alimentación para cerrar el circuito. ^{[ 10 ]} Las tapas aislantes alrededor de los electrodos controlan el entorno dentro del sistema. ^{[ 10 ]}

La intensidad del campo eléctrico y el tiempo de residencia son los parámetros clave del proceso que afectan la generación de calor. ^{[ 11 ]}

Los alimentos ideales para el calentamiento óhmico son viscosos y con partículas. ^{[ 11 ]}

• Sopas espesas
• Salsas
• Guisos
• Salsa
• Fruta en almíbar mediano
• Leche
• Mezcla para helado
• Huevo
• Suero
• líquidos sensibles al calor
• leche de soja

La eficiencia con la que la electricidad se convierte en calor depende del contenido de sal, agua y grasa debido a sus factores de conductividad y resistencia térmica . ^{[ 13 ]} En los alimentos particulados, las partículas se calientan más rápido que la matriz líquida debido a una mayor resistencia a la electricidad y una conductividad similar puede contribuir a un calentamiento uniforme. ^{[ 11 ]} Esto evita el sobrecalentamiento de la matriz líquida mientras las partículas reciben suficiente procesamiento térmico. ^{[ 9 ]} La Tabla 1 muestra los valores de conductividad eléctrica de ciertos alimentos para mostrar el efecto de la composición y la concentración de sal. ^{[ 11 ]} Los valores altos de conductividad eléctrica representan una mayor cantidad de compuestos iónicos suspendidos en el producto, que es directamente proporcional a la velocidad de calentamiento. ^{[ 10 ]} Este valor aumenta en presencia de compuestos polares , como ácidos y sales, pero disminuye con compuestos no polares , como grasas. ^{[ 10 ]} La conductividad eléctrica de los materiales alimenticios generalmente aumenta con la temperatura y puede cambiar si hay cambios estructurales causados ​​durante el calentamiento, como la gelatinización del almidón. ^{[ 11 ]} La densidad, el pH y el calor específico de varios componentes en una matriz alimentaria también pueden influir en la velocidad de calentamiento. ^{[ 13 ]}

Los beneficios del calentamiento óhmico incluyen: calentamiento uniforme y rápido (>1 °C ^s⁻¹ ), menor tiempo de cocción, mayor eficiencia energética , menor costo de capital y calentamiento simultáneo en todo el volumen del alimento en comparación con el procesamiento aséptico , el enlatado y el PEF . ^{[ 12 ]} El calentamiento volumétrico permite el calentamiento interno en lugar de transferir calor desde un medio secundario. ^{[ 9 ]} Esto da como resultado la producción de alimentos seguros y de alta calidad con cambios mínimos en las propiedades estructurales, nutricionales y organolépticas de los alimentos. ^{[ 9 ]} La transferencia de calor es uniforme para alcanzar áreas de los alimentos que son más difíciles de calentar. ^{[ 11 ]} Se acumula menos suciedad en los electrodos en comparación con otros métodos de calentamiento. ^{[ 10 ]} El calentamiento óhmico también requiere menos limpieza y mantenimiento, lo que resulta en un método de calentamiento respetuoso con el medio ambiente. ^{[ 9 ] [ 11 ] [ 12 ]}

La inactivación microbiana en el calentamiento óhmico se logra mediante el daño celular térmico y no térmico del campo eléctrico. ^{[ 14 ]} Este método destruye los microorganismos debido a la electroporación de las membranas celulares , la ruptura física de la membrana y la lisis celular . ^{[ 11 ] [ 13 ]} En la electroporación, la fuga excesiva de iones y componentes intramoleculares produce la muerte celular. ^{[ 13 ]} En la ruptura de la membrana, las células se hinchan debido a un aumento en la difusión de humedad a través de la membrana celular. ^{[ 12 ]} La alteración pronunciada y la descomposición de las paredes celulares y las membranas citoplasmáticas causan la lisis celular. ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

La reducción de los tiempos de procesamiento en el calentamiento óhmico mantiene las propiedades nutricionales y sensoriales de los alimentos. ^{[ 9 ]} El calentamiento óhmico inactiva factores antinutricionales como la lipoxigenasa (LOX), la polifenoloxidasa (PPO) y la pectinasa debido a la eliminación de grupos metálicos activos en las enzimas por el campo eléctrico. ^{[ 13 ]} De manera similar a otros métodos de calentamiento, el calentamiento óhmico provoca la gelatinización de los almidones, la fusión de las grasas y la aglutinación de las proteínas . ^{[ 11 ]} Los nutrientes solubles en agua se mantienen en el líquido de suspensión, lo que permite que no haya pérdida de valor nutricional si se consume el líquido. ^{[ 15 ]}

El calentamiento óhmico está limitado por la viscosidad, la conductividad eléctrica y los depósitos de incrustaciones. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} La densidad de partículas dentro del líquido de suspensión puede limitar el grado de procesamiento. Un fluido de mayor viscosidad proporcionará más resistencia al calentamiento, lo que permitirá que la mezcla se caliente más rápido que los productos de baja viscosidad. ^{[ 11 ]} La conductividad eléctrica de un producto alimenticio es función de la temperatura, la frecuencia y la composición del producto. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Esto puede aumentarse agregando compuestos iónicos o disminuirse agregando constituyentes no polares. ^{[ 9 ]} Los cambios en la conductividad eléctrica limitan el calentamiento óhmico ya que es difícil modelar el proceso térmico cuando la temperatura aumenta en alimentos multicomponentes. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Las posibles aplicaciones del calentamiento óhmico abarcan desde la cocción, descongelación, escaldado , pelado, evaporación, extracción, deshidratación y fermentación. ^{[ 11 ]} Esto permite que el calentamiento óhmico pasteurice alimentos particulados para el llenado en caliente, precaliente productos antes del enlatado y procese asépticamente comidas listas para el consumo y alimentos refrigerados. ^{[ 10 ]} En la Tabla 2 se describen ejemplos potenciales, ya que este método de procesamiento de alimentos no ha sido aprobado comercialmente por la FDA. ^{[ 10 ]} Dado que actualmente no hay suficientes datos sobre conductividades eléctricas para alimentos sólidos, es difícil demostrar la alta calidad y seguridad del diseño del proceso para el calentamiento óhmico. ^{[ 16 ]} Además, aún no se ha validado una reducción exitosa de 12D para la prevención de C. botulinum . ^{[ 16 ]}

El calentamiento Joule instantáneo (calentamiento electrotérmico transitorio de alta temperatura) se ha utilizado para sintetizar alótropos de carbono , incluyendo grafeno y diamante. Calentar diversas materias primas de carbono sólido (negro de humo, carbón, posos de café, etc.) a temperaturas de ~3000 K durante 10-150 milisegundos produce láminas de grafeno turbostrático . ^{[ 17 ]} El FJH también se ha utilizado para recuperar elementos de tierras raras utilizados en la electrónica moderna a partir de residuos industriales . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Partiendo de una fuente de carbono fluorado, se pueden sintetizar carbón activado fluorado, nanodiamante fluorado , carbono concéntrico (capa de carbono alrededor de un núcleo de nanodiamante) y grafeno flash fluorado. ^{[ 20 ] [ 21 ]}