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© 2014 Dilip Kumar De,Muwa Nathaniel,and Olukunle Olawole. Elsevier B.V.出版,信息工程研究所可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9(2014)148 - 1552014年环境系统科学与工程国际会议最低能耗烹饪与环境和健康保护Dilip Kumar Dea,Muwa Nathanielb,Olukunle Olawolea一尼日利亚奥贡州奥塔迦南地圣约大学物理系b尼日利亚塔拉巴联邦理工学院物理系摘要本文介绍了环境和健康的影响,有毒排放物的能源使用的烹饪随着简单的物理应用程序的详细实验研究的程序,减少“在炉子上的时间”和烹饪的最低能量(热)使用一种新的创新的节能烹饪技术与一个简单的廉价的绝缘盒。采用新的烹饪技术烹饪1公斤干米、1公斤干豆、1公斤生土豆和1公斤山羊肉所需的最低总热量Qm用功率为626 ± 10W的炉子,测得的能量为:562± 3kJ,708± 4kJ,278± 2kJ,716 ± 2kJ,+4kJ。的能量节省新的烹饪方法是前所未有的。每公斤生食转化为熟食所需的最低(感)热h_s分别为:440±3kJ、609± 4kJ、212± 2kJ和626±4kJ。我们的新烹饪方法提供了最低限度的烹饪能源,减少二氧化碳和其他有毒气体的排放,保护环境和健康。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/)。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词:显热转化;节能烹饪; CDM潜力;保温箱;环境;健康保护和有毒排放1. 介绍大米、肉类、豆类和土豆是全球最常见的烹饪和消费食品。大米是世界上一半以上人口的主食,占全球大米热量摄入量的20%以上。预计每年消费量约为5亿吨[1 到2050年全球干豆烤豆每年约为3.5x1010 kg [2-4]。每年肉类总消费量为2.5x1011公斤 [5]。平均而言,肉类和豆类烹饪所需的能量比米饭和土豆多得多。最近的实验(见讨论)表明,在有控制的烹饪中(不使用木柴),平均烹饪1公斤干米大约需要3兆焦耳的能量。因此,全球用于烹饪的能源是巨大的。2002年,与食物有关的能源消耗为每人3.4亿BTU [6]。以目前70亿人口的速度,目前全球每年用于烹饪的能量消耗可以估计为2.380x1018 BTU = 2.519x1021 J。除了太阳能、核能和水力发电之外,来自木材和其他生物质、煤油、煤、天然气等的所有能量产生过程都会产生CO2和有毒气体的排放,从而导致环境污染和健康影响。在许多国家和村庄这些食物是用木材、煤和煤油中的热量烹饪的,浪费了大量的能源,气体,造成环境污染。随着对可用能源(石油产品,2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/)。信息工程研究所负责的选择和同行评审Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148149木柴、煤等),最终这些能源将在不久的将来耗尽。这将导致能源供应短缺[7]。过度使用能源对我们的收入和环境有双重影响[8-10]。在大多数政府层面,能源问题的解决是为了生产更多的能源和提供更多的能源,而不是使能源利用过程更有效。根据热力学原理,超过必要的能量浪费会由于过量的温室气体排放而引起环境污染。这种过度浪费大多可以通过使能源利用过程节能来防止[12]。在非洲和部分人口不断增长的亚洲国家,越来越多地使用木材燃料(木柴和木炭)主要用于烹饪,导致森林砍伐率增加[13]和有毒排放造成的环境污染。这主要是由于使用的烹饪方法效率低下,因此对木柴的需求不断增加。特别是在发展中国家的农村地区,有25亿人依靠生物物质,如薪柴、木炭、农业废物和动物粪便来满足做饭的能源需求。在许多国家,这些资源占家庭能源消耗的90%。以下,我们会简述煮食对环境造成的污染及对健康的影响。1.1 第三世界(发展中)国家不同能源的排放量已被量化[22]。急性呼吸道感染(ARI)是世界上儿童死亡的主要原因之一,占五岁以下儿童死亡人数的20%,几乎所有这些儿童都是由烹饪污染引起的。这使得固体燃料成为继受污染的水传播疾病之后的第二大环境疾病原因,以及继营养不良、不安全性行为和水传播疾病之后发展中国家总体死亡率过高的第四大原因。早期的环境损害可能对人类健康和生产力产生长期影响[17]。较高浓度的总悬浮颗粒物(TSP)与较高的婴儿死亡率密切相关;已经发现,环境TSP增加1%会导致存活至1岁的婴儿比例下降0.35%[18]。1.1.1柴炉在印度,生物质烹饪燃料(木材或粪便)与结核病密切相关(即使在校正了一系列社会经济因素后),得出的结论是,在20岁以上的受试者中,51%的活动性结核病患病率可归因于烹饪烟雾[20-21]。1.1.2黑色,元素碳(EC)在高温密闭空间内暴露于煤油炉排放物可能会引起麻醉作用,如嗜睡症、昏厥和意识模糊[23-24]。如果烹饪方法可以做到高能效,那么对木材和其他形式的生物质、煤、煤油等能源的需求就可以减少。根据上述关于烹饪时燃烧这些能源产生的排放物的高度有害影响的讨论,最大限度地减少烹饪的能源使用可以大大减少烹饪炉灶的有毒排放物,从而增加对我们环境和健康的保护。本研究的目的是应用物理学来探索找出一种新的烹饪技术的可能性,以最低的能量烹饪食物,从而导致相当大的节省能源(燃料)和炉子上的时间比传统的方法在家庭烹饪中使用。为此,使用节能的烹饪方法,我们找出了在炉子上的时间,ti,实际的热量,QN,最小热量,Qm,和显热(最小热量),hs需要煮1公斤干豆,1公斤干米,1公斤生肉和1公斤生爱尔兰马铃薯使用新技术和传统的方法,用高压锅烹饪。炉上时间在这里被定义为烹饪锅在被转移到绝缘箱之前需要放在炉上的最小时间,绝缘箱的详细结构已经在我们的早期工作中讨论过。豆类和大米的数据已在早些时候公布[25-26]。在本文中,我们发表了肉类和马铃薯的实验数据,引用早期的数据[25,26]进行比较和讨论。与我们的主要目标一致,我们还根据显热的概念,h s [25]和可能的清洁发展机制(CDM)估计了烹饪方法的效率。烹饪每种食物的新方法的潜力,以及在全球范围内应用于烹饪的潜力。2. 材料和方法我们在早期出版的作品中详细描述了材料和方法[25,26]。本文计算了大米、豆类、马铃薯和山羊肉的蒸煮效率。图1 -3显示了基于新烹饪方法的熟食项目。 为保证每次烹饪时炉灶功率相同,炉灶内煤油和灯芯的水平保持一致。3. 数据分析150Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148(c本工作中的主要数据是罐外壁的为了计算大米、豆类、马铃薯和山羊肉的(QN,Qm,hs)和烹饪效率,需要Tp与ti的数据,如表 1-8所示。’表1在炉时间与锅外温度T P 在使用新的创新方法(技术)1);室温:30 ℃;加入的水:1.6升;使用的煤油体积:31 ml最终煮熟的米饭产品的质量= 2.55 kg。在炉时间,t1(min)+2 s 0 2 4 6 8 10 12 14 15.11<303 317 328 352 354 359 363 367 370锅S外部诱惑。Tp(K) +1<表2使用传统方法的压力锅完全烹饪1 kg干米饭时的在炉时间和锅外温度Tp(技术2);室温:34 ℃;使用的水体积:1.6升;t1=1357秒;使用的煤油体积:47 ml;mf= 2.55 kg在炉时间(min)+ 2 s t104812162022.37锅外诱惑。Tp(K) +1305325343359360365369表3使用技术1烹饪方法烹饪1kg山羊肉的在炉时间和锅外部温度TP。使用的煤油体积= 43 ml。添加的水= 0.3升。mf= 1.3公斤。在炉时间(min)02468101214161819.25锅外诱惑。Tp(K)305316326337345351358365365367368表4在炉时间和锅外温度。使用技术2烹饪方法完全烹饪1 kg肉时的TP。室温:34 C;使用的水体积300 ml; ti =2451秒;使用的煤油体积:89 ml;mf= 1.2 kg炉上时间(min)0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 40.51030532434335636436636836937037137237 3Pote x te r n a lte m p t. Tp表5使用烹饪室温度的技术1方法烹饪1 kg豆类的在炉时间和在炉时间期间锅的外部温度TP:32 ℃;加入的水:1.2升;ti= 1144秒;使用的煤油体积:42 ml;mf = 2.2 kg在炉时间(min),ti + 2 s0 246 8 101214161819.04锅外诱惑。Tp(K)+1304 317322328 333 338343348356366368Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148151’表6:在炉时间和锅的外部诱惑。使用技术2烹饪方法完全烹饪1 kg豆类时的TP。室温:31 C ; vol.用水量1.3升; ti = 2943秒;所用煤油体积:112 ml; mf = 2.1 kg炉上时间(分钟)+2s 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 49.03’锅的外部温度Tp(K)302 321 333 342 355 368 369 370 371 372 372 372 372 372+1个表7使用技术1的烹饪方法烹饪1kg爱尔兰马铃薯的在炉时间和在炉时间期间的锅外部温度T P室温:35 C =308 K;加入的水:150 ml;ti= 466秒;使用的煤油体积:15 ml;mf= 1.038 kg表8在炉时间和锅的外部诱惑。在技术2烹饪方法中完全烹饪1公斤爱尔兰马铃薯时的TP。房间诱惑。33.3 C = 306 K;使用的水的体积为150ml;ti= 1041秒;使用的煤油的体积为39 ml;在炉时间(min),ti +2 s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 17.51<大麻是外在的诱惑。Tp(K)+130 320 339 353 367 369 370 371 372 37243.1QN、Qm、hs的计算,以及新的和传统的烹饪方法的烹饪效率QN使用简单公式QN = Ps ti计算。Qm与Qm=QN-Qrh Qrh是通过下面描述的方法从每个表中计算的:从表1可以看出,从t = 0 min到t = 6 min,锅(包含食物)的温度上升与从t = 6 min到t = 15.11 min的时间间隔相比相当快。我们使用下面的方法分别计算这两个时间间隔的辐射热损失Qrh1和Qrh2。İସฬฬ ସ(一)对于每个表,数据被划分为2-4个区域,其中每个连续的阈值彼此非常接近,并且差别不大。方法二:它涉及绘制Tp(K)与t(s)的曲线,并找到一个多项式的时间(t)的第三次(0 tti)的最佳拟合的Tp与t的曲线。然后我们有一个方程Tp=Tp(t)。在等式中使用Tp关于t的表达式Tp(t)ሻ ସݐሺ İସ(二)为了获得Qrh。例如,表1数据的方程式为:Tp(t)=(-0.8 10-5t2 + 0.1472 t+303.16)(0 t 907 s)。这里Tp的单位是开尔文,t的单位是秒。然后,上述方程得出Δε ε= 6.12 kJ。这两种方法的平均值是,按照方法1和2,我们可以从每个表(1-8)的数据中找到这两种方法如果应用正确,应产生两个非常一致的值。因此,对于新方法和传统方法,对豆类、马铃薯和肉类测定的Qrh在在炉时间(min)+ 2 s02467.46潜在的诱惑。Tp(K)+1306321341357369’152Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148表9不同食物的新烹饪方法和传统烹饪方法的在炉时间ti和辐射损失参数Rice豆马铃薯山羊肉Qrh(kJ)+0.1 6.07.12.27.2ti(Min)+2s15.1119.047.4619.25表9b:对流烹饪方法参数Rice豆马铃薯山羊肉Qrh(kJ)+0.1 6.07.12.27.2ti(Min)+2s15.1119.047.4619.25计算显热hs我们在前面已经表明[26],当锅 不随时间变化,则它几乎等于内壁的温度(Ti)这也是真实的,当水的温度以约0.10C/s的低速率上升,这通常是所有表中的温度上升的情况下面介绍。利用这一思想估算了坩埚升温过程中的总辐射热损失和Qm。我们还展示了[25],如何非侵入性地(即使不使用任何类型的测温法)估计内部食物蒸汽温度Ts由蒸汽温度压力确定[28]第114话。显热计算为:(三)没关系ȀቀοȀቄο=蒸发损失的水的质量。罐内压力:(四)T i = 163992Pa Ti =罐壁内部的温度。Ti等于Tp(见上文);Ts=平均蒸汽温度;Ti=平均内部温度,等于Ti和蒸汽温度Ts的平均总和,Ts使用中的P值估算。Ȁሺାାା் ሻ(五)ଶTp=罐外壁温度ȀȀቀାାା்ቁ(六)ଶ方程中的压力P。(4)对应于蒸汽温度,Ts,1140 C(387 K)Keenan等人[28]。从热平衡方程出发,假定Ti= Tp。(11a)。通过测量重量损失, 然后可以从等式11计算ht。(3)如果Qm是已知的。为了从等式Qm=QN-Qrh计算Qm同样的方法用于计算Qm,豆类、土豆和山羊肉的腌制品新烹饪方法和传统烹饪方法所涉及的在炉时间和能量的比较:炉子的热额定功率,Qr = 626 J/s表10a使用压力锅的创新方法(技术一)确定的参数大米土豆豆山羊时间,t1(min)15.11 7.4619.04 0.1 19.25 0.1Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148153QN+ Kj568+ 3280+ 2715+4个7234Qm+ Kj560+ 327827084716+4个hs+ Kj465+ 3212+ 2609.0+ 4626+4个Vk+ 1 ml311 ml151 ml421431 mlEN= H krV k(MJ)1.0690.521.451.48表10b使用压力锅的对流方法(技术二)参数水稻马铃薯豆山羊确定时间,t1(min)22.37米0.217.51磅 0.2磅49.03分40.51磅 0.7磅QN+ kJ840+565841.84+0.011.520.01兆焦耳Qm+ kJhs+ Kj831+**56413**1.81ͲǤͲͳ**1.48MJ+ 0.01**Vk+ 1 ml46毫升39 ml163毫升136毫升EN= H krV k(MJ)1.591.345.624.68炉子的功率,Ps= 626 W+ 3。Vk =所用煤油的体积。给出了每个项目和方法的误差。** 在使用高压锅烹饪的传统方法中,ht的定义并不适用,因为它是可以很好地烹饪食物的绝对最小热量(吃起来很软)。表11用具有功率W= 626 J/s的炉子的压力锅烹饪的新方法和传统方法的热效率项目新方法 烹饪压力锅效率常规方法使用压力锅高效烹饪水稻百分之七十八百分之五十三马铃薯百分之七十六百分之三十二豆百分之八十五百分之三十三山羊肉百分之八十七百分之四十一炉灶的正常额定功率,Ps= 626 W+ 3。Vk =所用煤油的体积。4.结果和讨论这项研究工作的目的是强调烹饪的能源使用总是(直接或间接)与影响环境和健康的排放有关,并探索节能烹饪方法,以在烹饪过程中最大限度地节省能源,从而将排放量降至最低,以保护健康和环境。有毒排放物在发展中国家非常明显,大多数人使用生物质、煤油、煤等做饭。据报道,烹饪1磅豆类所用的能量相当于0.08美元的电能[29]。按照这个比率,烹饪1公斤豆类所使用的能量相当于0.18美元的电能。按每千瓦时0.12美元的费率计算,这相当于1.3千瓦时的电力。以焦耳计,它是4.7 MJ的能量。 我们烹饪豆类的新方法(见表10)仅需710 kJ的能源,节省了近85%的报告能源使用量。干豆的显热hs值为609千焦,与山羊肉相当。测定结果表明,山羊肉和豆类的QN值相当接近,而大米和马铃薯的Q N值相差较大。马铃薯具有最低的QN和hs值。它不同于[表10a、10 b]中所示的炉子燃烧的能量EN,因为炉子的传热比htr不同。htr取决于炉子中的煤油含量。本文中使用的术语“传统方法”是指使用压力锅,盖子关闭,并计算从压力锅发出蒸汽的第一声哨声开始的时间,如烹饪参考时间表[参考文献11b中的附录I]所示,考虑到炉子的功率,626 W而不是参考文献11a中的650 W。在我们的情况下[技术I],在炉时间从冷锅放在炉子上的时间开始计算。我们已经看到,在功率为626 W的炉子上,从锅放在炉子上的那一刻起,米饭的在炉时间为15分11秒(第一声哨声的时间)。现在,根据高压锅的制造商的计算时间(从第一声哨响开始计算),如附录I所示,1.2 Kg水的米饭的计算时间为5分钟,功率为1 KW。使用1.6 Kg水,计数时间为6.67分钟。因此,我们的方法与由Multi-Insurance Safe Type Aluminum Pressure Cooker Company Ltd.提出的使用压力锅的传统方法相比,在烹饪1Kg米饭时节省至少400 kJ的能量,154Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148Shunjin和中国[参考文献25中的附录]。在烹饪山羊肉的会计时间是15分钟,从而使用900千焦以上的能量比所需的在我们的新方法烹饪山羊肉。由于豆类也需要几乎相同数量的能源山羊肉烹饪的能源节省近900千焦每公斤豆类相比,该公司的建议方法的烹饪。我们在这项工作中还确定,没有压力锅的传统烹饪方法需要至少76分钟和69分钟的炉子上时间(使用功率为626 W的炉子),对应于2.85 MJ和2.50 MJ。2.59 MJ能量因此,我们的新烹饪技术(技术I)在节省能源和时间方面优于使用或不使用压力锅的传统烹饪方法。因此,在家庭烹饪中,使用我们的方法节省能源和在炉时间,预计将达到迄今为止任何其他烹饪方法都无法达到的水平。这种方法主要是将压力锅内的食物的温度升高到加压蒸汽点(约115 C),并且一旦炊具的哨声开始,将压力锅锅取出并将其封闭在一个隔热良好的盒子中(体积约为锅的两到三倍),并将其留在那里约30分钟。如果最初的水刚好足够,食物就会煮得很好。我们相信,如果我们的方法用于烹饪的普及压力锅的使用将增加和节省能源极大。这将自动减少排放,从而保护全球健康和环境。在我们早期的工作26中,我们讨论了与已发表的关于烹饪米饭中的能源使用的著作[30,31]相比,我们烹饪米饭的新方法节省了大量能源。对于电炉,热传递比预计接近于1,因此,QN不会远小于EN。我们将hs定义为烹饪1 kg生食品所需的绝对最小热量(显热)。因此,据我们所知,这种测定以前从未在文献中进行过。 确定hs需要从用于烹饪的总热输入中消除所有其他热损失(例如辐射、对流、烹饪锅中使用的能量和水蒸发中使用的能量)。如果确定不同食物的hs,则可以帮助制造具有如我们早期工作[25]中所示的设计的新电压力锅,以最低的能量烹饪食物。在这里,线圈中的加热电流可以调节,使得在锅内传递的总能量仅比转变热ht多5-8%。它也可以被关闭时,锅内温度达到最高值~ 116℃。烹饪锅将是高度节能的,如果两个金属壁之间的空间可以制成真空并高度反射,而不是像在烹饪箱中那样放置金属箔和白纸三明治[25]。然而,这将使压力锅锅昂贵。如果难以形成[25]的第二金属壁,则具有自动时间能量控制的压力锅可以保持在食物加热器内,使得由加热线圈传递到食物的热量不会损失到周围环境中。这将使炊具具有成本效益。如参考文献[25]的图4所示的这样的炊具,其以等于显热hs的输入能量烹饪食物,可以说是世界上最节能的炊具。在我们的早期工作中讨论了简单廉价的轻质隔热箱的保温能力[25,26]。我们的节能和减少污染的烹饪方法的结果可以在餐馆和厨房中找到许多应用,特别是在节省能源和炉灶烹饪时间方面。如果这项研究的结果在发展中国家用于烹饪以及高能效的木材炉[32],可以防止由于收集柴火而导致的快速森林砍伐,这有助于保护我们的环境。5. 本烹饪方法的能源效率以及与传统烹饪理想情况下,烹饪方法的效率应通过以下等式定义:λcm = 100 × hs/QN。而Q-N值已由几位工作者测定,但除本工作中测定的食品外,对所有类型的食品材料的h-s值的了解尚不清楚。用本方法烹饪米饭的能量效率(技术I)计算为79%(0.79),而使用压力锅的常规方法发现为53%(0.53)(表11)。我们建议一些进一步的工作,确定能源效率的烹饪方法使用上述的想法。这是在这项工作中发现的一个重要参数到目前为止,普通烹饪使用的热能远远超过过量的HS。现在,整体节能取决于微波炉和微波炉的产品。为了最大限度地减少烹饪过程中的排放(从而保护环境和健康),我们需要使该产品尽可能接近统一。 因此,如果我们的节能烹饪方法与节能炉灶一起应用,烹饪产生的有毒气体排放将在全球范围内降至最低,烹饪可以以最少的能源使用完成。确认提交人感谢圣约大学行政部门不断鼓励开展良好的研究。Dilip Kumar De等人/ IERI Procedia 9(2014)148155引用[1]20062206A0838659A0838659A0838659A0838659A0838659A083866A0838659A083866A083866A083866A08386A08386A08386A08386A08386A08386A08386A08386A08A08386A08A08386A08A08A08386A08A08386A08A08386A08A08386A08386A08A08A08386A08A08386A08A08A08A08386A08A08A08A08A08A08A见参考文献11 b的参考文献1中的FAO 2004。[2]作者:Robyn Flipse,MS,RDhttp://beaninstitute.com/dry-bean-consumption-in-the-us/[3]http://www.mapsofworld.com/world-top-ten/world-top-ten-bakedbean-consumer-countries.html。(二零零四年)[4][4]美国http://www.geohive.com/earth/population_now.aspx的网站。GeoHive当前世界人口(排名)人口:总人口,今天(排名)[5]http://www.google.com.ng/search? q=全局+肉类+消耗&tbm=isch& tbo=u&源=univ& sa=X&ei=Pz2fUeGtErGa0AX0t4HwDw& sqi=2& ved=0CC8QsAQ& biw =1280& bih=675[6]http://dusp.mit.edu/sites/all/files/attachments/project/Energy_in_Food_System.pdf[7]Pastor,J.,1988年,《迈向可持续能源政策》,电子数据交换工作文件[8]Ahmed和Kassass,1991年,尼日利亚可再生能源杂志,尼日利亚[9]Asuamah,K.是的,阿吉蓬湾T.,奥科罗湾P. 一、Kyiogwan,U.B、1987年,第25届科学年会尼日利亚索科托,22日和27次1984年7[10] Botkin,D. 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