BÁO cáo THỰC tập QUÁ TRÌNH và THIẾT bị TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM Bộ môn Công nghệ Thực phẩm BÁO CÁO THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD ThS HỒ THỊ THU TRANG TP HCM, tháng 32019 i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH IV DANH MỤC BẢNG V BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1 SẤY VẬT LIỆU ẨM 1 1 1 Tổng quan 1 1 1 1 Tổng quan về cà rốt 1 1 1 2 Tổng quan về thiết bị sấy 2 1 1 2 1 Động học quá trình sấy 2 1 1 2 2 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị sấy lạnh 3 1 1 2 3 Nguyên tắc hoạt động của.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM Bộ môn Công nghệ Thực phẩm BÁO CÁO THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: ThS HỒ THỊ THU TRANG TP HCM, tháng 3/2019 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH IV DANH MỤC BẢNG V BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1: SẤY VẬT LIỆU ẨM 1.1 Tổng quan 1.1.1 Tổng quan cà rốt 1.1.2 Tổng quan thiết bị sấy 1.1.2.1 Động học trình sấy 1.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động thiết bị sấy lạnh 1.1.2.3 Nguyên tắc hoạt động thiết bị sấy đối lưu 1.1.2.4 Nguyên tắc hoạt động thiết bị sấy hồng ngoại 1.2 Nguyên liệu phương pháp thí nghiệm 1.2.1 Nguyên liệu 1.2.2 Quy trình thí nghiệm 1.2.2.1 Sơ đồ quy trình .7 1.2.2.2 Giải thích quy trình 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 1.2.3.1 Xác định độ ẩm ban đầu 1.2.3.2 Xác định độ ẩm theo thời gian .8 1.2.3.3 Xây dựng đường cong sấy 1.2.3.4 Xây dựng đường cong tốc độ sấy 1.3 Kết thí nghiệm bàn luận 10 1.3.1 Kết sấy hồng ngoại 10 1.3.2 Kết sấy đối lưu .12 1.3.3 Kết sấy lạnh .13 1.3.4 Biện luận 14 1.3.5 So sánh tính chất cảm quan phương pháp sấy 15 1.3.5.1 Kết .15 1.3.5.2 Bàn luận .15 1.4 Tổng kết 16 1.5 Tài liệu tham khảo 16 i BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 2: LẠNH ĐƠNG THỰC PHẨM .18 2.1 Tổng quan .18 2.1.1 Tổng quan phương pháp lạnh đông 18 2.1.2 Phân loại kỹ thuật lạnh đơng dựa theo q trình làm lạnh 18 2.1.2.1 Lạnh đông chậm .18 2.1.2.2 Lạnh đông nhanh .19 2.1.2.3 Siêu cấp đông .19 2.2 Những biến đổi sản phẩm trình lạnh đông ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm 20 2.2.1 Biến đổi vật lý 20 2.2.2 Biến đổi hoá học .20 2.2.3 Biến đổi sinh học 21 2.3 Mục đích thí nghiệm .22 2.4 Nguyên liệu phương pháp tiến hành 22 2.4.1 Nguyên liệu 22 2.4.2 Phương pháp tiến hành 22 2.4.2.1 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 22 2.4.2.2 Giải thích quy trình 24 2.4.2.3 Phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ theo thời gian lạnh đông 24 2.5 Kết biện luận .24 2.5.1 Kết 24 2.5.2 Biện luận 25 2.6 Tổng kết 25 2.7 Tài liệu tham khảo 25 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3: TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 27 3.1 Tổng quan .27 3.1.1 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt .27 3.1.2 Phân loại trình trao đổi nhiệt .27 3.1.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng .28 3.1.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng 28 3.2 Mục đích thí nghiệm .29 3.3 Dụng cụ phương pháp tiến hành 29 ii 3.3.1 Dụng cụ thí nghiệm 29 3.3.2 Phương pháp tiến hành 29 3.3.2.1 Xác định nhiệt độ đầu vào đầu dịng nóng dịng lạnh 29 3.3.2.2 Thiết lập phương trình cân lượng .30 3.4 Kết biện luận .31 3.4.1 Kết 31 3.4.1.1 Trao đổi nhiệt ngược dòng 31 3.4.1.2 Trao đổi nhiệt xi dịng 31 3.4.2 Biện luận 31 3.5 Tổng kết 32 3.6 Tài liệu tham khảo 32 PHỤ LỤC .34 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị sấy lạnh Hình 1.2 Hệ thống sấy lạnh DSL.P.V.01 .4 Hình 1.3 Thiết bị sấy đối lưu Binder FD-115 Hình 1.4 Sơ đồ thực nghiệm trình sấy .7 Hình 1.5 Đường cong sấy hồng ngoại 10 Hình 1.6 Đường cong tốc độ sấy hồng ngoại .11 Hình 1.7 Đường cong sấy đối lưu 12 Hình 1.8 Đường cong tốc độ sấy đối lưu .12 Hình 1.9 Đường cong sấy lạnh .13 Hình 1.10 Đường cong tốc độ sấy lạnh 13 Hình 1.11 Kết cảm quan cà rốt sấy ba phương pháp khác 15 Hình 2.1 Sơ đồ tiến hành lạnh đông thực phẩm 23 Hình 2.2 Đồ thị động học trình lạnh đơng 24 Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng 28 Hình 3.2 Ngun lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng 29 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Độ ẩm vật liệu sấy biến thiên theo thời gian Bảng 3.1 Kết q trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dòng lạnh) 31 Bảng 3.2 Kết q trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dịng nóng) .31 Bảng 3.3 Kết q trình trao đổi nhiệt xi dịng (cố định dịng lạnh) 31 v BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1: SẤY VẬT LIỆU ẨM 1.1 Tổng quan 1.1.1 Tổng quan cà rốt Cà rốt loại rau quan trọng giới Người ta tìm hạt giống cà rốt hoang dại có niên đại từ thời Mesolithic cách 10000 năm Cà rốt hoang dại xuất Châu Âu, miền Bắc Châu Phi, phần Tây Á Những loại cà rốt hoang dại có tên D carota var Carota Nó có nhiều hình dạng khác nhau, thân nhỏ, màu trắng vàng nhạt, rễ mảnh, thơm, có vị chát Ở số nước xem cỏ dại Gần 5000 năm trước cà rốt hóa lần trồng cao nguyên Iran (Afghanistan, Pakistan Iran) sau Đế quốc Ba Tư (Brothwell, 1969) Màu sắc hương vị tiêu chí lựa chọn cho việc hóa Màu gốc thay đổi đáng kể thời gian hóa Kết ban đầu sau hóa, cà rốt có màu tím vàng (John Stolarczyk Jules Janick, 2011) Dựa hình thái rễ, chia cà rốt làm hai nhóm chính: (i) Cà rốt phương Đơng: Rễ phân nhánh chứa sắc tố anthocyanin, thường có màu vàng, đỏ vàng đỏ đen, có màu vàng cam, thưa nhau, có màu xanh xám, có lơng tơ, nở hoa vào năm đầu tiên; (ii) Cà rốt phương Tây: Rễ không phân nhánh chứa sắc tố carotene, thường có màu vàng, cam hay đỏ, đơi có màu trắng, cách xa nhau, có màu trắng sáng, lông tơ rải rác, thường nở hoa năm lần năm vùng nhiệt đới (Grubben, 2004) Kết cấu cà rốt phụ thuộc lớn vào polyme thành tế bào Các polyme bao gồm chủ yếu mạng lưới cellulose khơng hịa tan, hemicellulose pectin Cellulose hemicellulose thể mạng lưới vi sợi đặc biệt thông qua liên kết hydro, giúp tăng cường độ cứng thành tế bào khả chống rách Pectin hemicellulose tạo độ dẻo khả co giãn Ở màng, pectin đóng vai trị kết dính tế bào (Van Buren, 1979) Trong 100g phần thịt cà rốt có chứa khoảng 88.8g nước, 0.7g protein, 0.5g chất béo, 6.0g carbohydrates, 2.4g xơ hòa tan, 34mg Ca, 9mg Mg, 25mg P, 0.4mg Fe, 0.2mg Zn, 5.33mg carotene, 0.04mg thiamin, 0.02 riboflavin, 0.2mg niacin, 28 micro gram folate, 4mg ascorbic acid ( Holland cộng sự, 1991) 1.1.2 Tổng quan thiết bị sấy 1.1.2.1 Động học trình sấy Sấy trình làm bốc nước khỏi vật liệu nhiệt nhằm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền bảo quản tốt Sấy q trình khơng ổn định, độ ẩm vật liệu thay đổi theo không gian thời gian Động học trình sấy mối quan hệ biến thiên độ ẩm vật liệu với thời gian thông số q trình tính chất, cấu trúc, kích thước vật liệu điều kiện trình sấy (Võ Văn Bang Vũ Bá Minh, 2004) Độ ẩm vật liệu chịu ảnh hưởng môi trường xung quanh Vật liệu hút ẩm áp suất riêng phần khơng khí ẩm lớn áp suất riêng phần khơng khí sát bề mặt vật liệu Ngược lại, vật liệu bị ẩm áp suất riêng phần khơng khí ẩm nhỏ áp suất riêng phần khơng khí sát bề mặt vật liệu (Nguyễn Bin, 2008) Độ ẩm vật liệu cịn có liên hệ với liên kết ẩm Sự liên kết ẩm phụ thuộc vào tính chất chất lỏng, cấu trúc vật liệu mơi trường hình thành liên kết ( Phạm Thanh 2007) Liên kết vững khó tách ẩm ngược lại Trong vật liệu sấy cịn có ẩm tự ẩm liên kết Trong trình sấy thường tách ẩm tự phần ẩm liên kết (Võ Văn Bang Vũ Bá Minh, 2004) Để xác định thời gian sấy, trước tiên ta xác định tốc độ sấy Tốc độ sấy biểu diễn lượng ẩm (kg) bay 1m2 bề mặt vật liệu sấy đơn vị thời gian (h) Tuy nhiên, tốc độ sấy bị thay đổi trình sấy nên sấy cần làm thí nghiệm để xác định đường cong sấy đường cong tốc độ sấy (Võ Văn Bang Vũ Bá Minh, 2004) Trong phương pháp sấy đối lưu, động học sấy bị ảnh hưởng lớn nhiệt độ khơng khí kích thước đặc tính vật liệu, tất yếu tố khác gây ảnh hưởng thực tế không đáng kể Kích thước vật liệu nhỏ độ ẩm vật liệu giảm mạnh, thời gian sấy ngắn Ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí coi quan trọng, ảnh hưởng đến nhiệt độ sấy Ảnh hưởng tốc độ khơng khí đến tiến độ sấy coi thấp Để khuếch tán nước dễ dàng hơn, tốc độ khơng khí cần theo quy mơ để hạn chế lực cản khơng khí khơ vào bên rau (Mulet cộng sự, 1989; Marinos-Kouris & Maroulis, 1995; Karathanos & Belessiotis, 1997) Ảnh hưởng độ ẩm khơng khí đến tiến độ sấy coi thấp so với ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí Tóm lại, nhiệt độ sấy yếu tố quan trọng tốc độ sấy Và điều kiện khơng khí tầm ảnh hưởng nhiệt độ khơng khí cao (Kiranoudis cộng sự, 1997) Trong phương pháp sấy hồng ngoại, độ ẩm vật liệu, thời gian sấy, tốc độ sấy lượng hồng ngoại có liên hệ với Độ ẩm vật liệu giảm tăng thời gian sấy Sự thay đổi độ ẩm theo tốc độ sấy đường cong, giai đoạn đầu tốc độ sấy tăng nhanh sau giảm dần Thời gian sấy giảm tăng lượng hồng ngoại (Kocabiyik Habib Tezer Dilvin, 2009) 1.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động thiết bị sấy lạnh Một vấn đề nảy sinh tách nước khỏi sản phẩm cần sấy nhiệt độ cao hao hụt hàm lượng dinh dưỡng biến đổi màu sắc hương vị sản phẩm so với ban đầu Bởi nông sản, hoa đặt môi trường nhiệt cao, thúc ép trình nước nhanh làm biến đổi cấu trúc sản phẩm Vì vậy, máy sấy lạnh hay gọi sấy bơm nhiệt sử dụng để giải vấn đề cách sử dụng chu trình khép kín với tác nhân sấy khơng khí nóng khơ với nhiệt độ thấp (30 – 40oC) cung cấp tuần hồn khiến q trình tách ẩm diễn liên tục Nhờ mà hàm lượng chất dinh dưỡng không bị Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị sấy lạnh Nguyên lý làm việc máy sấy lạnh: Khơng khí mang ẩm lớn từ buồng sấy đưa qua cục lạnh, đây, nhiệt độ khơng khí dung chất cục lạnh hấp thụ, nước ngưng tụ thành giọt nước chảy ngồi, qua cục lạnh khơng khí khơ có nhiệt độ thấp Chúng tiếp tục đưa qua cục nóng, đây, khơng khí khơ sấy nóng đưa trở lại buồng sấy để sấy khô sản phẩm Đây chu trình kín, có lượng nước sản phẩm đưa ngồi Hình 1.2 Hệ thống sấy lạnh DSL.P.V.01 Ưu điểm:  Sấy nhiệt độ thấp, nhờ giữ nguyên màu sắc, hương vị, chất dinh dưỡng sản phẩm cần sấy  Q trình khép kín tuần hồn nên độc lập, khơng phụ thuộc vào tác nhân bên ngồi  Tiết kiệm điện so với máy sấy nhiệt truyền thống Nhược điểm:  Chi phí đắt đỏ, q trình bảo dưỡng vận hành máy phức tạp  Tốn nhiều thời gian để sấy 1.1.2.3 Nguyên tắc hoạt động thiết bị sấy đối lưu Sấy đối lưu trình tách ẩm khỏi vật liệu cách cấp nhiệt cho ẩm bay Đây phương phấp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy khơng khí nóng khói lị có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm vật sấy bay theo tác nhân sấy khơng khí, khí trơ N2 (dùng cho vật liệu rắn hữu cơ) hay nước bão hịa 2.4.2.2 Giải thích quy trình Xử lý Mẫu cà rốt sau rửa cắt theo khối hình trụ có kích thước 3cm x 3cm x 3cm Thiết bị cảm biến nhiệt gắn vào hai vị trí: phía lõi cà rốt bề mặt cà rốt Làm lạnh – lạnh đơng Nhiệt độ trung bình cà rốt nhiệt độ trung bình nhiệt độ phía lõi bề mặt cà rốt tính theo cơng thức: Ttb T1 +T2 T1 nhiệt độ tâm (oC) Trong đó: T2 nhiệt độ bề mặt (oC) Ttb nhiệt độ trung bình vật liệu (oC) 2.4.2.3 Phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ theo thời gian lạnh đơng Tiến hành q trình lạnh đông thực nghiệm Ghi lại kết nhiệt độ phía lõi bề mặt cà rốt phút/lần Từ vẽ đồ thị động học q trình lạnh đơng 2.5 Kết biện luận 2.5.1 Kết Đồ thị động học q trình lạnh đơng mơ tả hình Đồ thị động học q trình lạnh đơng Nhiệt độ trung bình (oC) 30 20 10 0 20 40 60 80 100 120 -10 -20 -30 Thời gian (phút) Hình 2.2 Đồ thị động học trình lạnh đơng 24 140 2.5.2 Biện luận Q trình lạnh đông mẫu trải qua ba giai đoạn mô tả hình 2.2 sau: Giai đoạn thể đường cong màu tím (từ 26.55oC xuống -2oC) Trong giai đoạn có giảm đột ngột nhiệt độ theo thời gian Đây giai đoạn không tuân theo định luật tốc độ làm lạnh thay đổi nhiệt độ điểm khác phụ thuộc vào trường nhiệt độ ban đầu, thời gian tọa độ điểm (Nguyễn Tấn Dũng 2013) Trong đồ thị không xuất điểm lạnh nên giai đoạn lạnh không tồn Điều giải thích điểm q lạnh xuất khơng nằm khoảng thời gian khảo sát nên bị loại bỏ Giai đoạn thể đường cong màu xanh (từ -2oC xuống -6.95oC) Sự thay đổi nhiệt độ mẫu theo thời gian giai đoạn nhỏ Điều giải thích giai đoạn bắt đầu có trao đổi nhiệt diễn bên mẫu Mẫu thí nghiệm khơng cịn chịu ảnh hưởng truyền nhiệt ban đầu mà phụ thuộc vào môi trường lạnh gây Đây giải đoạn chủ yếu trình làm lạnh Nếu q trình làm đơng chậm giai đoạn kéo dài Nếu q trình lạnh đơng nhanh giai đoạn rút ngắn không xuất (Nguyễn Tấn Dũng 2013) Giai đoạn thể đường cong màu cam Nhiệt độ mẫu tiếp tục giảm xuống tới nhiệt độ cần bảo quản lạnh đông (-20.1oC) Trong giai đoạn này, trao đổi nhiệt diễn chủ yếu lớp bên bên thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng 2013) 2.6 Tổng kết Q trình lạnh đơng trình cần thiết trình bảo quản, vận chuyện lưu trữ sản phẩm Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm, mục đích chế biến khác mà áp dụng kỹ thuật lạnh đơng khác Trong q trình khảo sát lạnh đơng thực phẩm, cần giảm thời gian lần ghi số liệu xuống phút/lần để khảo sát giai đoạn lạnh thực phẩm 2.7 Tài liệu tham khảo Nguyễn Tấn Dũng, 2014 Bài giảng thực tập mơn qua trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm.Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật 25 Nguyễn Tấn Dũng, 2013 Giáo trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm.Tập 2: Các q trình thiết bị truyền nhiệt Phần 3: Các trình thiết bị làm lạnh lạnh đông Nhà xuất bản, Đại học Quốc gia TP.HCM, pp 238- 242 GS.TSKH Trần Đức Ba, 2010 Công nghệ lạnh thực phẩm nhiệt đới Chương 2: Làm lạnh lạnh đông thực phẩm Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, pp 4573 Ts Nguyễn Xuân Phương, 2006 Kỹ thuật lạnh thực phẩm Chương 4: Cơ sơ lý thuyết kỹ thuật lạnh lạnh đông thực phẩm, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội, pp 169-174 TSKH Trần Đức Ba 2009 Giáo trình lạnh đơng rau xuất NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, pp: 26 Heldman, D R., & Hartel, R W (1999) Chapter 6: Freezing and Frozen-Food Storage Trong D R Heldman, & R W Hartel, Principles of Food Processing (trang 113-137) United States: Springer Science+Bussiness Media, LLC Horbaniuc, B., Ioan, C C., & Dumitrascu, G (2012) Study of individual quick freezing using liquid nitrogen: An ecological foods freezing technique Mẫn, L V (2011) Công nghệ chế biến thực phẩm TP HCM: Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Adams, M R., & Moss, M O (2000) Factors affecting the growth and survival of micro-organisms in foods In Food Microbiology, pp 21-64 26 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3: TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 3.1 Tổng quan 3.1.1 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị truyền nhiệt thiết bị dùng để vận chuyển nhiệt lượng (enthalpy) hai nhiều dòng chất lỏng, bề mặt rắn lỏng hạt rắn lỏng điều kiện nhiệt độ tiếp xúc nhiệt khác mà khơng có nguồn nhiệt bên ngồi tương tác Chất lỏng đơn chất hỗn hợp Các ứng dụng tiêu biểu khả sử dụng việc gia nhiệt làm lạnh dịng chất lỏng ảnh hưởng đến bay ngưng tụ loại (fluid steam) đơn đa thành phần, khả thu hồi thải nhiệt hệ thống Ngoài vài ứng dụng khác tiệt trùng, trùng, chưng cất, đặc, kết tinh hay kiểm sốt dòng chảy (Shah.R.K & Sekulic.D.P, 1998) (Zeki Berk, 2009) Ở vài thiết bị trao đổi nhiệt, dòng chất lỏng trao đổi nhiệt qua tiếp xúc trực tiếp (direct contact) Ở thiết bị khác, trao đổi nhiệt diễn thông qua vách ngăn hai dòng Hầu hết thiết bị trao đổi nhiệt, dòng ngăn cách bề mặt trao đổi nhiệt (a heat transfer surface) Những thiết bị loại trao đổi nhiệt trực tiếp (direct transfer type) hay thiết bị trao đổi nhiệt - thu hồi nhiệt (recuperators) Ngược lại, thiết bị mà trao đổi nhiệt diễn gián đoạn hay không liên tục hai dịng nóng lạnh thơng qua lưu thải nhiệt lượng (thermal energy storage and rejection) bề mặt trao đổi nhiệt gọi loại trao đổi nhiệt gián tiếp hay trao đổi nhiệt tái sinh (regenerators) Những thiết bị thường dễ bị rò rỉ dẫn đến việc dòng bị trộn lẫn với (Shah.R.K & Sekulic.D.P, 1998) 3.1.2 Phân loại q trình trao đổi nhiệt Có nhiều cách phân loại thiết bị trao đổi nhiệt khác (i) Dựa vào phương thức trao đổi nhiệt: trao đổi nhiệt trực tiếp, trao đổi nhiệt gián tiếp ; (ii) Dựa vào tính chất trao đổi nhiệt: trao đổi nhiệt hỗn hợp, trao đổi nhiệt hồi nhiệt trao đổi nhiệt phức tạp; (iii) Dựa vào chiều hướng dòng chảy lưu chất: trao đổi nhiệt xi dịng, trao đổi nhiệt ngược dòng trao đổi nhiệt chéo dòng (Nguyễn Tấn Dũng, 2013) 27 Trong báo cáo đề cập đến hai thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến áp dụng rộng rãi thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng (Nguyễn Tấn Dũng, 2013) 3.1.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng (được mơ tả hình 3.1.) dịng lưu chất lạnh dịng lưu chất nóng chảy chiều (Charles E Thoma 2015) Thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng dựa ngun tắc hoạt động thiết bị truyền nhiệt hai vỏ Nó gồm hai ống có đường kính khác lồng vào Một dòng lưu chất ống trong, dòng lưu chất cịn lại khơng gian hai ống Sự trao đổi nhiệt hai lưu chất xảy qua bề mặt đoạn ống bị bọc đoạn ống dựa chênh lệch nhiệt độ hai dòng lưu chất (Nguyễn Văn May, 2004) Ống làm trơn có cánh dọc theo chiều dài ống Tuy nhiên, thiết bị sử dụng, người ta thường sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng Hình 3.1 Ngun lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng 3.1.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng Ngược lại với thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng, thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng có dịng lưu chất nóng dịng lưu chất lạnh chảy ngược Đối với thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng, hiểu trao đổi nhiệt tốt Nhiệt độ dòng lạnh 28 trình trao đổi nhiệt tăng dần thấp nhiệt độ dịng nóng điểm tương ứng (Gưsta Bylund 1995) Hình 3.2 Ngun lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng 3.2 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành với mục đích thiết lập cân nhiệt lượng, xác định hệ số truyền nhiệt trình truyền nhiệt hai dịng nóng lạnh qua vách kim loại chế độ chảy khác 3.3 Dụng cụ phương pháp tiến hành 3.3.1 Dụng cụ thí nghiệm  Dụng cụ đo nhiệt độ  Đồng hồ đo thời gian  Nước đá cây, nước ấm  Thiết bị truyền nhiệt ống lòng ống  Bơm nước  Hệ thống ống nước  Van tiết lưu 3.3.2 Phương pháp tiến hành 3.3.2.1 Xác định nhiệt độ đầu vào đầu dịng nóng dịng lạnh 29 Thực khảo sát q trình trao đổi nhiệt dịng nóng dịng lạnh theo chế độ dịng chảy khác Cụ thể sau: Thiết lập lưu lượng dịng nóng giá trị xác định Cố định lượng lưu lượng này, thay đổi giá trị dòng lạnh Đọc nhiệt độ dòng ra, vào ứng với trường hợp +Tương ứng với giá trị lưu lượng dịng nóng giá trị lưu lượng dịng lạnh + Thí nghiệm thực lặp lại với giá trị lưu lượng dịng nóng 3.3.2.2 Thiết lập phương trình cân lượng Phương trình cân lượng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thể qua phương trình: Q Trong đó: G1 C1 (tv1 - tr1 ) G2 C2 (tr2 -tv2 ) K F ttb G1, G2 lưu lượng dịng nóng lưu lượng dòng lạnh (kg/s) C1, C2 nhiệt dung riêng trung bình hai dịng nóng dịng lạnh (J/kg.K) tv1, tr2 nhiệt độ vào dịng nóng (oC) tv2, tr2 nhiệt độ vào dịng lạnh (oC) F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị (m2) K hệ số truyền nhiệt thiết bị (W/m2.K) ttb độ chênh nhiệt độ trung bình logartit hai dịng lưu chất nóng lạnh Cơng thức tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: π.d.L (m2) F Trong đó: d đường kính trung bình ống trao đổi nhiệt d = (d1 + d2)/2 d1, d2 đường kính đường kính ngồi ống trao đổi nhiệt L chiều dài ống trao đổi nhiệt ttb t2 - t1 t ln( ) t1 Công thức tính Qtổn thất: Qtổn thất = |Qtđ Nóng - Qtđ Lạnh| Cơng thức tính tốc độ dịng chảy: v (m3/s), F diện tích bề mặt trao đổi (m2)) 30 V/F (Trong đó: V lưu lượng thể tích 3.4 Kết biện luận 3.4.1 Kết 3.4.1.1 Trao đổi nhiệt ngược dòng Bảng 3.1 Kết trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dịng lạnh) vnóng vlạnh Qtđ Nóng Qtđ Lạnh Qtổn thất (m/s) (m/s) (W) (W) (W) 651.52 860.87 209.36 16.60 62.50 82.58 734.39 807.07 72.68 14.85 78.75 86.54 837.20 807.07 30.13 16.25 82.04 79.09 2.07×10-4 -4 2.33×10 2.05×10 -4 3.18×10-4 ∆ttb KNóng KLạnh (W/m2.K) (W/m2.K) Bảng 3.2 Kết trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dịng nóng) vnóng vlạnh Qtđ Nóng Qtđ Lạnh Qtổn thất (m/s) (m/s) (W) (W) (W) 1.99×10-4 651.29 680.23 28.94 16.30 63.63 66.45 2.36×10-4 532.87 558.13 25.26 - - - 3.18×10-4 532.87 1004.64 471.77 15.85 53.54 100.93 2.25×10-4 ∆ttb KNóng KLạnh (W/m2.K) (W/m2.K) 3.4.1.2 Trao đổi nhiệt xi dịng Bảng 3.3 Kết q trình trao đổi nhiệt xi dịng (cố định dịng lạnh) vnóng vlạnh Qtđ Nóng Qtđ Lạnh Qtổn thất (m/s) (m/s) (W) (W) (W) 719.07 548.59 170.47 20.16 56.81 43.34 1336.14 596.30 739.84 17.03 124.96 55.77 1920.85 667.85 1253.00 16.52 185.15 64.37 0.977×10-4 1.93×10-4 1.36×10-4 2.07×10-4 ∆ttb KNóng KLạnh (W/m2.K) (W/m2.K) 3.4.2 Biện luận Từ kết bảng 3.1 ta có: Đối với q trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dịng lạnh), tăng tốc độ dịng nóng kéo theo việc tăng hệ số truyền nhiệt lưu chất nóng Từ đó, lượng nhiệt tổn thất q trình trao đổi nhiệt ngược dịng giảm Với vận tốc dịng nóng gần vận tốc dòng lạnh, nhiệt tổn thất khảo sát lớn Điều giải thích lưu lượng hai dòng tương tự 31 chảy ngược nhau, thời gian trao đổi nhiệt hai dòng kéo dài nên lượng nhiệt tổn thất lớn Từ kết bảng 3.3 ta có: q trình trao đổi nhiệt xi dịng (cố định dịng lạnh), tăng tốc độ dịng nóng kéo theo việc tăng hệ số truyền nhiệt lưu chất nóng Tuy nhiên, q trình trao đổi nhiệt xi dịng nên nhiệt lượng tổn thất trình trao đổi nhiệt tăng dần So với kết nhiệt tổn thất q trình trao đổi nhiệt ngược dịng, nhiệt lượng tổn thất q trình xi dịng lớn nhiều Điều giải thích hệ số trao đổi nhiệt dịng nóng dịng lạnh q trình trao đổi nhiệt xi dịng có chênh lệch lớn Đặc biệt hệ số trao đổi nhiệt dịng nóng cao hệ số trao đổi nhiệt dòng lạnh nên hiệu trao đổi nhiệt khơng cao, dẫn đến việc tổn thất nhiệt lớn Vì vậy, thiết bị trao đổi nhiệt xi dịng phổ biến so với thiết bị trao đổi nhiệt ngược dịng Ngồi ra, q trình trao đổi nhiệt ngược dịng (cố định dịng nóng) khảo sát mơ tả bảng 3.2 Khi vận tốc dịng chảy lạnh tăng nhiệt lượng tổn thất tăng đột biến nhiên không rõ xu hướng Với vận tốc dịng nóng gần vận tốc dịng lạnh độ chênh nhiệt độ trung bình logartit hai dịng lưu chất nóng lạnh khơng xảy Vì hệ số trao đổi nhiệt dịng nóng dịng lạnh khơng tính tốn Ngun nhân phổ biến làm giảm khả trao đổi nhiệt thiết bị bám bẩn trình xử trước Việc dấn đến lớp trở nhiệt vách truyền nhiệt dày lên làm giảm hệ số truyền nhiệt Vì vậy, để cải thiện khả truyền nhiệt thiết bị, nên làm vệ sinh thiết bị định kỳ, loại bỏ lớp cặn bẩn bám bề mặt trao đổi nhiệt (Nguyễn Tấn Dũng, 2013) 3.5 Tổng kết Tuỳ vào trình, loại sản phẩm điều kiện tiến hành áp dụng phương thức trao đổi nhiệt khác Tuy nhiên, phương pháp trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng cho hiểu suất trao đổi nhiệt cao, phù hợp cho nhiều quy trình sản xuất 3.6 Tài liệu tham khảo Berk, Z 2009 Chapter Heat and mass transfer, basic principles In Z Berk, Food Process Engineering and Technology (p 100) Academic Press Shah.R.K, & Sekulic.D.P (1998) Chapter 17: Heat exchanger In J P Warren M Rohsenow, Handbook of Heat Transfer (p 1234) McGraw-Hill Education 32 Nguyễn Tấn Dũng 2013 Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm Tập 2: Các q trình thiết bị truyền nhiệt Phần 1: Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Chương 4: Tính tốn truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM Pp 313-315 Nguyễn Văn May 2004.Thiết bị truyền nhiệt truyền khối Phần 1: Thiết bị truyền nhiệt Chương 1: Thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt Nhà Xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Pp 27-31 Charles E Thoma 2015 Process Technology Equipment and Systems Chapter Heat Exchangers:.Printed in the United States of America Pp 170 Gösta Bylund 1995 Chapter 6.1: Heat exchangers In: Dairy Processing Handbook (Gösta Bylund) Tetra Pak Processing Systems AB, pp: 123 – 132 33 PHỤ LỤC Kết sấy hồng ngoại % Độ ẩm giai đoạn 89.5 88.292 86.94413764 85.45504023 83.55617978 81.35103155 79.09285714 76.23085847 72.85026502 69.04984894 64.51096998 58.80227882 52.57175926 45.41119005 36.63195876 30.78040541 24.48771499 19.33464567 15.56730769 13.42676056 12.19 10.9173913 10.13596491 9.340707965 8.802670623 7.983532934 7.983532934 Thời gian (phút) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 34 Tốc độ sấy 0.14511628 0.185212171 0.225308061 0.265403952 0.305499842 0.345595732 0.385691623 0.425787513 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.949655743 0.208051407 0.184132666 0.159936338 0.135462424 0.110710922 0.085681834 0.060375158 0.034790896 Kết sấy đối lưu Thời gian 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Độ ẩm (%) 89.5 86.66929 83.52421 79.42868 74.5 66.99378 58.36245 48.57171 39.04211 30.40997 23.15541 18.76429 15.30745 12.32269 11.34633 9.738095 9.119863 8.702982 8.702982 8.702982 35 Tốc độ sấy 0.368075 0.466763 0.56545 0.664138 1.290035 1.290035 1.290035 1.290035 1.290035 1.290035 1.290035 1.290035 0.598788 0.484681 0.389077 0.311977 0.253381 0.213289 0.191701 0.188617 Kết sấy lạnh % Độ ẩm giai đoạn 89.5 88.93820473 88.76936027 88.32652823 87.77010511 87.14148034 86.44473043 85.7457265 84.99775112 84.26156024 83.43294702 82.57921309 81.53100775 80.33313679 79.00440621 77.58400538 76.07245337 73.87336815 72.17324805 69.95045045 67.21330275 64.28800857 61.54304381 58.6849711 55.36797502 52.71030246 49.46212121 46.31706009 42.55740528 39.4279661 35.93790013 32.93230563 29.43229901 26.42279412 23.73094512 21.45604396 19.948 18.11374795 16.47328881 15.05517827 13.5880829 12.37740806 12.37740806 10.81550802 10.65625 9.688628159 9.688628159 Thời gian (phút) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 36 u 0.044562973 0.053814802 0.06306663 0.072318458 0.081570287 0.090822115 0.100073943 0.109325772 0.1185776 0.127829429 0.137081257 0.146333085 0.155584914 0.164836742 0.17408857 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.452568604 0.370443208 0.346095479 0.322025306 0.298232687 0.274717623 0.251480115 0.228520161 0.205837761 0.183432917 0.161305627 0.139455893 0.117883713 0.096589088 Kết lạnh đông TG 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 Nhiệt độ bên 25.9 22.8 17.7 13.7 9.4 6.5 3.7 1.6 -1.1 -1.6 -1.7 -1.9 -2 -2.1 -2.1 -2.2 -2.2 -2.2 -2.3 -2.2 -2.4 -2.4 -2.4 -2.4 -2.5 -2.5 -2.6 -2.7 -2.8 -2.9 -3.1 -3.3 -3.5 -3.9 -4.2 -4.6 -4.9 -5.3 -5.7 -6.2 -6.7 -7.3 -8 -8.6 -9.5 -10.2 -11.5 Nhiệt độ Bên 27.2 18 12.2 8.2 4.9 2.6 -2.1 -4 -4.6 -5 -5.3 -5.4 -5.5 -5.5 -5.4 -5.3 -5.3 -5.2 -5.3 -5.4 -5.4 -5.5 -5.7 -5.7 -5.2 -5.2 -5.2 -5.3 -5.4 -5.4 -5.3 -5.6 -5.8 -5.9 -6.2 -6.4 -6.4 -6.6 -6.8 -7 -7.2 -7.6 -8.2 -8.8 -9.6 -10.6 -11.2 37 Nhiệt độ trung bình 26.55 20.4 14.95 10.95 7.15 4.55 1.85 -0.25 -2 -2.85 -3.3 -3.5 -3.65 -3.75 -3.8 -3.75 -3.75 -3.75 -3.7 -3.8 -3.8 -3.9 -3.95 -4.05 -4.05 -3.85 -3.85 -3.9 -4 -4.1 -4.15 -4.2 -4.45 -4.65 -4.9 -5.2 -5.5 -5.65 -5.95 -6.25 -6.6 -6.95 -7.45 -8.1 -8.7 -9.55 -10.4 -11.35 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 -12.1 -13.1 -14.1 -14.1 -15.6 -16.4 -17 -17.5 -17.9 -18.4 -18.8 -19.3 -19.6 -20 -12.5 -13.6 -14.4 -15.3 -16.1 -16.7 -17.3 -17.7 -18.1 -18.6 -18.9 -19.4 -19.7 -20.2 -12.3 -13.35 -14.25 -14.7 -15.85 -16.55 -17.15 -17.6 -18 -18.5 -18.85 -19.35 -19.65 -20.1 Trao đổi nhiệt ngược dòng (Cố định dịng nóng) Dịng nóng Dịng lạnh Dịng lạnh Dòng lạnh V 0.000141443 0.000148148 0.0002 0.000125 T1 T2 T3 T4 33.2 32.2 32.5 32.3 31 31.2 16.3 15.3 15 17.2 16.2 16.1 Trao đổi nhiệt ngược dịng (Cố định dịng lạnh) Dịng lạnh Dịng nóng Dịng nóng Dịng nóng V T1 T2 T3 T4 0.000128535 0.000146199 0.000129702 0.0002 32 33.5 34.1 30.8 32.3 33.1 15.8 15.5 16.6 17.3 17.1 18.1 V T1 T2 T3 T4 0.0001360989 0.0000976906 0.0001930129 0.0002067996 12.5 14.0 17.2 17.5 34.9 34.8 35.5 32.1 32.1 31.4 Trao đổi nhiệt xuôi dịng (Cố định dịng lạnh) Dịng lạnh Dịng nóng Dịng nóng Dịng nóng 15.5 15.6 38 ... lạnh thực phẩm 2.7 Tài liệu tham khảo Nguyễn Tấn Dũng, 2014 Bài giảng thực tập mơn qua trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm. Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật 25 Nguyễn Tấn Dũng, 2013 Giáo trình thiết. .. Nguyễn Tấn Dũng 2013 Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm Tập 2: Các trình thiết bị truyền nhiệt Phần 1: Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Chương 4: Tính tốn truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt... Thuật 25 Nguyễn Tấn Dũng, 2013 Giáo trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm .Tập 2: Các trình thiết bị truyền nhiệt Phần 3: Các trình thiết bị làm lạnh lạnh đông Nhà xuất bản, Đại học Quốc