Bài 1: THÍ NGHIỆM XÂY DỰNG CÔNG THỨC THANH TRÙNGTIỆT TRÙNG ĐỒ HỘP THỰC PHẨM I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Giúp cho sinh viên hiểu được quá trình thanh trùngtiệt trùng thực phẩm bằng nhiệt, sự tiêu diệt vi sính vật và bào tử bằng nhiệt. Hiểu và biết cách xây dựng công thức thanh trùngtiệt trùng cho một loại đồ hộp thực phẩm cụ thể. Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách tiến hành nồi thanh trùngtiệt trùng gián đoạn. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Thiết bị, dụng cụ, nguyên liệu Thiết bị thanhtiệt trùng gián đoạn thực phẩm Dụng cụ đo tâm đồ hộp thực phẩm Hộplọ chứa thực phẩm Máy đo pH Dưa chuột bao tử 2. Nội dung thí nghiệm Tiến hành xây dựng công thức thanh trùng cho sản phẩm dưa chuột dầm giấm đóng lọ thủy tinh có khối lượng tịnh 500glọ, có pH = … Chuẩn bị nguyên vật liệu (dưa chuột, thìa là, ớt, muối ăn, đường, mì chính, axit acetic…). Tiến hành chần dưa chuột ở 85oC3 phút. Pha thành phần dịch rót đường 5%, muối 2%, axit acetic 0.4%, và đun sôi cho tan hết, xếp lọ theo tỷ lệ cáinước là 50%. Đo pH của hỗn hợp thực phẩm bằng máy đo pH (sau khi xay nhuyễn cả phần cái và nước của thực phẩm).
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNTP II Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đan Diệu Linh MSSV: 20201171 Lớp: KTTP 04 – K65 Mã lớp thí nghiệm: 725438 Giảng viên hướng dẫn: ThS Phan Minh Thụy ThS Nguyễn Tuấn Linh Th.S Phạm Thanh Hương Bài 1: THÍ NGHIỆM XÂY DỰNG CÔNG THỨC THANH TRÙNG/TIỆT TRÙNG ĐỒ HỘP THỰC PHẨM I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Giúp cho sinh viên hiểu trình trùng/tiệt trùng thực phẩm nhiệt, tiêu diệt vi sính vật bào tử nhiệt - Hiểu biết cách xây dựng công thức trùng/tiệt trùng cho loại đồ hộp thực phẩm cụ thể - Nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động cách tiến hành nồi trùng/tiệt trùng gián đoạn II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thiết bị, dụng cụ, nguyên liệu - Thiết bị thanh/tiệt trùng gián đoạn thực phẩm - Dụng cụ đo tâm đồ hộp thực phẩm - Hộp/lọ chứa thực phẩm - Máy đo pH - Dưa chuột bao tử Nội dung thí nghiệm - Tiến hành xây dựng cơng thức trùng cho sản phẩm dưa chuột dầm giấm đóng lọ thủy tinh có khối lượng tịnh 500g/lọ, có pH = … - Chuẩn bị nguyên vật liệu (dưa chuột, thìa là, ớt, muối ăn, đường, mì chính, axit acetic…) Tiến hành chần dưa chuột 85oC/3 phút Pha thành phần dịch rót đường 5%, muối 2%, axit acetic 0.4%, đun sôi cho tan hết, xếp lọ theo tỷ lệ cái/nước 50% - Đo pH hỗn hợp thực phẩm máy đo pH (sau xay nhuyễn phần nước thực phẩm) - Cho hộp/lọ chứa thực phẩm vào thiết bị thanh/tiệt trùng tiến hành lắp dụng cụ đo nhiệt độ tâm đồ hộp, điểm đun nóng chậm Với thực phẩm đặc tâm điểm 1/3 chiều cao hộp từ đáy lên, với thực phẩm lỏng ½ chiều cao hộp tính từ đáy lên - Tiến hành thanh/tiệt trùng đồ hộp thực phẩm lựa chọn công thức thanh/tiệt trùng là: A−B−C p T Trong đó: A: Thời gian nâng nhiệt từ nhiệt độ ban đầu lên nhiệt độ trùng (phút) nâng đến nhiệt độ T = 85oC B: Thời gian giữ nhiệt (phút) – thực B = 20 phút, mục đích thí nghiệm cần xác định B vừa đủ hiệu trùng C: Thời gian hạ nhiệt (phút) T: Nhiệt độ trùng (oC) – với dưa chuột dầm giấm T = 85oC p: Áp suất đối kháng (atm) – tiệt trùng nhiệt độ >100oC - Tiến hành đo nhiệt độ tâm đồ hộp suốt trình trùng thực phẩm để xác định hiệu trùng Kf nhiệt độ t theo công thức cải tiến Flaumenbaum điền giá trị Kf số liệu Bảng Kf = Te −T Z 10 Trong đó: Te: nhiệt độ chuẩn, Te = 80oC cho sản phẩm chua nhiều (pH < 4,5) Z: đại lượng bền nhiệt đặc trưng cho loại vi sinh vật (vi sinh vật điển hình có đồ hộp có độ axit cao z = 8,8oC) - Và sau xác định tổng hiệu trùng thực tế theo công thức sau: Fztt = ∑ K f ∆τ Trong đó: Fztt: tổng hiệu trùng thực tế nhiệt độ khác thời gian trùng Hiệu nhiệt độ khác xác định dựa nhiệt độ ghi điểm tăng nhiệt độ chậm (tâm hộp) đồ hộp thời gian trùng Xác định nhiệt độ điểm tăng nhiệt chậm nhiệt nhiết kế gắn vào hộp với đầu đo đến tâm hộp sau khoảng thời gian định, ta đọc nhiệt độ điểm tăng nhiệt độ chậm tính tốn hiệu trùng Kf (giá trị gây chết) nhiệt độ t theo công thức điền vào bảng kết thí nghiệm Bảng ∆τ: khoảng thời gian đọc nhiệt độ điểm tăng nhiệt độ chậm (phút) - Tính hiệu trùng cần thiết: Fzc Fzc = De log Co.Vo.100 So Trong đó: Fzc: hiệu trùng lý thuyết – thời gian cần thiết (phút) mà đồ hộp chịu tác dụng nhiệt nhiệt độ tiêu chuẩn nhằm làm giảm số lượng nha bào hay tế bào sinh dưỡng vi sinh vật xuống mức thấp nhất, không gây hại cho người sử dụng (bằng hay nha bào/10000 đồ hộp) Đại lượng nghiên cứu trước xác định thực nghiệm De = D80 - Dchuẩn (với nhóm đồ hộp có độ axit cao 3.8 – 4.0) – có D80 = 2,95 với loại vi sinh vật điển hình lựa chọn Enterococcus faecalis Co = 107 – mật độ vi sinh đơn vị khối lượng có ban đầu (CFU/g) Vo: khối lượng sản phẩm hộp So = 0,001% - tỷ lệ hư hỏng cho phép - Để đảm bảo hiệu thanh/tiệt trùng Fztt ≥ Fzc, từ tìm tổng thời gian cần thiết để thanh/tiệt trùng (B – phút) từ xây dựng cơng thức thanh/tiệt trùng đồ hộp thực phẩm A−B−C p T - Theo dõi bảo ôn đồ hộp đánh giá chất lượng đồ hộp thực phẩm (cảm quan, vi sinh…) III Kết thí nghiệm Số liệu đo Bảng Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tâm sản phẩm hiệu trùng Kf nhiệt độ khác trình trùng Đối với sản phẩm dưa chuột 85oC (đóng hộp 500 g/pH = 3,8) Thời gian đọc (phút) Nhiệt độ môi trường (oC) Nhiệt độ tâm sản phẩm (oC) Hiệu trùng Kf nhiệt độ t 27 28,3 1,33.10-6 38 28,3 1,33.10-6 46 28,4 1,37.10-6 54 28,4 1,37.10-6 62 28,4 1,37.10-6 10 69 30,3 2,25.10-6 12 75 32,3 3,80.10-6 14 82 37,7 1,56.10-5 16 85 40,3 3,08.10-5 18 85 61,8 8,55.10-3 20 85 66,7 0,031 22 85 70,5 0,083 24 85 73,7 0,192 26 85 75,9 0,342 28 85 77,6 0,534 30 85 78,8 0,731 32 85 79,9 0,974 34 85 80,8 1,233 36 85 81,6 1,520 38 85 82,0 1,688 40 85 82,4 1,874 42 85 82,7 2,027 44 85 83,0 2,192 46 85 83,3 2,371 48 84 83,4 2,434 50 84 83,5 2,499 52 83 83,4 2,434 54 83 83,3 2,371 56 82 83,2 2,310 58 82 83,0 2,192 60 81 82,7 2,027 62 81 82,4 1,874 64 80 82,1 1,732 66 80 82,1 1,732 68 79 82,1 1,732 Tổng hiệu trùng thực tế: Fztt = ∑ K f ∆τ = 39,129.2 = 78,258 Hiệu trùng cần thiết: Fzc = De log Co.Vo.100 So = 2,95 log 107 500.100 0,001 = 43,36 So sánh: Fztt = 78,258 > Fzc = 43,36 Nhận xét: Đạt hiệu trùng 90 80 70 60 50 40 30 20 10 2.5 1.5 0.5 0 101214161820222426283032343638404244464850525456586062646668 Thời gian đọc (phút) Nhiệt độ môi trường (oC) Kf Đồ thị động học trình trùng sản phẩm 85oC Kf Nhiệt độ môi trường (oC) Đồ thị động học trình trùng sản phẩm 85oC Bài 2: THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT Q TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT HAI DỊNG XI CHIỀU I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Củng cố kiến thức cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt - Hiểu trình vận hành hệ thống trao đổi nhiệt - Biết cách đo thu thập thông số trình - Đánh giá hiệu suất trình trao đổi nhiệt xi chiều II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết Trong trình sản xuất ngành CNSH – CNTP, nhiều trình có diễn q trình truyền nhiệt Và để thực trình truyền nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt Có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt phân làm nhóm trực tiếp, gián tiếp loại đệm Trong nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theo phương thức gián tiếp sử dụng rộng rãi Trong thí nghiệm này, sinh viên thí nghiệm hệ thống trao đổi nhiệt bản, hệ thống sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống lồng ống Chiều chuyển động lưu thể hai phía bề mặt trao đổi nhiệt có ảnh hưởng lớn đến trình truyền nhiệt Qua thực tế, người ta phân thành loại sau: a Chảy xuôi chiều: Lưu thể chảy song song chiều theo tường ngăn cách b Chảy ngược chiều: Lưu thể chảy song song ngược chiều theo tường ngăn cách c Chảy chéo nhau: Lưu thể chảy theo phương vng góc d Chảy hỗn hợp: Lưu thể chảy theo hướng lưu thể chảy chiều ngược chiều với lưu thể Hình 1: Chiều chuyển động dòng lưu thể Trong trường hợp trên, trường hợp đầu (2 dòng lưu thể chảy xuôi chiều ngược chiều) hay gặp thể rõ q trình truyền nhiệt hai dịng lưu thể Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát trình trao đổi nhiệt hai dịng lưu thể chảy xi chiều dọc theo thành ống trao đổi nhiệt Nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể lạnh tăng (hình 2) Nhiệt độ hai lưu thể biến đổi dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, thời điểm nhiệt độ khơng biến đổi theo thời gian Trong trường hợp hai dịng lưu thể chảy xi chiều, hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo công thức: ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝑑 − ∆𝑡𝑐 ∆𝑡 2,3 log ∆𝑡𝑑 với: ∆𝑡𝑑 = ∆𝑡1𝑑 − ∆𝑡2𝑑 𝑐 ∆𝑡𝑐 = ∆𝑡1𝑐 − ∆𝑡2𝑐 Quy trình thí nghiệm a Sơ đồ nguyên lý hệ thống – Nồi gia nhiệt – Thùng chứa – Thanh nhiệt – Lưu lượng kế – Bơm – Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị TĐN ống lồng ống 10 b Quy trình thí nghiệm Kiểm tra đóng ban từ số số 11; mở van 01 van 12 Bật aptomat tủ điện để cấp điện cho hệ thống Mở van 13, van van để cấp nước lạnh ghi lại giá trị nhiệt độ nước lạnh vào hệ thống, sau ghi xong khố van 13 lại Cấp dung dịch vào thùng chứa (4), đồng thời mở van số 10 van số bật bơm (3) để cấp dung dịch vào nồi gia nhiệt (2) vào thiết bị trao đổi nhiệt Bật nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch đặt giá trị nhiệt độ đầu vào lưu thể nóng Lưu thể nóng vào ống bên ống lồng ống số qua ống nối để vào ống số sau qua van số quay thùng chứa (4) Sau nhiệt độ đầu vào dịng lưu thể nóng đạt trì ổn định theo nhiệt độ cài đặt mở van 13 để cấp nước lạnh vào hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt nước lạnh vào không gian ống thiết bị ống lồng ống số sau qua van lên vào ống lồng ống số Sau thực q trình trao đổi nhiệt với dịng lưu thể nóng bên ống qua van số xả Điều chỉnh van số van số 13 để điều chỉnh lưu lượng dòng lưu thể Sau điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu, đợi nhiệt độ vào dịng lưu thể ổn định tiến hành đọc ghi thông số nhiệt độ đồng hồ đo nhiệt độ Các thông số lấy lần, lần cách phút Kết thúc thí nghiệm ngắt điện, xả hết dung dịch hệ thống, thùng chứa thùng gia nhiệt Kết thí nghiệm 11 Thơng số Nhiệt độ nước nóng vào Nhiệt độ nước nóng Nhiệt độ nước lạnh vào Nhiệt độ nước lạnh Lưu lượng nước nóng Lưu lượng nước nóng Lưu lượng nước lạnh Lưu lượng nước lạnh Đơn vị Trung Lần Lần Lần Lần Lần o 60 59,6 59,6 59,5 60 59,74 o 53,7 53,6 54,1 53,8 54,1 53,86 o 29,2 29,2 29,2 29,2 29,2 29,2 o C 35,8 35,7 36,1 35,9 36,1 35,92 lít/phút 4,2 3,8 4,4 4,08 m3/s 6,67.10-5 7.10-5 6,67.10-5 6,33.10-5 7,33.10-5 6,80.10-5 lít/phút 3 2,8 2,96 m3/s 5.10-5 5.10-5 5.10-5 4,67.10-5 5.10-5 4,93.10-5 C C C III TÍNH TỐN Q TRÌNH Các số liệu cho trước: Diện tích truyền nhiệt: F = 1,35 mm2 Kích thước ống bên trong: d1𝑡 /d1n = 19/22 mm Kích thước ống bên ngồi: d2𝑡 /d2n = 47/50 mm Chiều dài ống bên ngoài: L = 600mm Hệ số dẫn nhiệt vách truyền nhiệt: λ = 16,3 W/m.K 12 bình Các số liệu cần tra cứu: Nhiệt dung riêng nguồn nước nóng: CN = 4185 J/kg.K Nhiệt dung riêng nguồn nước lạnh: CL = 4181 J/kg.K Hệ số dẫn nhiệt nguồn nước nóng: λ' = 0,567 W/mK Khối lượng riêng nước: ρ = 985,73 kg/m3 Độ nhớt nước nhiệt độ nước nguồn nóng: μ = 0,5046.10-4 Pa.s Các bước tính tốn: Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào: 𝑄𝑁 = 𝐺𝑁 × (𝑡𝑁1 − 𝑡𝑁2 ) × 𝐶𝑁 = 6,8.10-5.(59,74 - 53,86).4185 = 1,673 (W) Nhiệt luọng nguồn lạnh nhận được: 𝑄𝐿 = 𝐺𝐿 × (𝑡𝐿2 − 𝑡𝐿1 ) × 𝐶𝐿 = 4,93.10-5.(35,92 - 29,2).4181 = 1,385 (W) Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: tL = tN1 – tL1 = 59,74 – 29,2 = 30,54oC Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tN = tN2 – tL2 = 53,86 – 35,92 = 17,94 oC Chênh lệch nhiệt độ trung bình hai nguồn nóng lạnh: ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝐿 − ∆𝑡𝑁 ∆𝑡 2,3 log∆𝑡 𝐿 𝑁 = 30,54 − 17,94 30,54 2,3 log17,94 = 23,71 oC Hệ số truyền nhiệt thực tế: Ktt = 𝑄𝐿 ∆𝑡𝑡𝑏 .𝐹 = 1,385 23,71.1,35 a Hệ số truyền nhiệt nguồn nóng α1 Vận tốc lưu thể: 13 = 0,0433 𝜔= 𝐺𝑁 𝜋 𝑑1𝑡 𝐿 = 6,8.10−5 19.10−3 𝜋 600.10−3 = 3,79 10−3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝜌.𝜔.𝑑1𝑡 Re = 985,73.3,79.10−3 19.10−3 = 𝜇 0,5046.10−4 = 1406,7 Chuẩn số Prandtl: 𝐶𝑁 𝜇 Pr = 3600 𝜆′ = 3600 4185.0,5046.10−4 0,567 = 1340,8 Chuẩn số Grashoff: Gr = 𝑔.𝑑1𝑡 𝜇 (𝜌)2 𝛽 ∆𝑡 = 9,81.(19.10−3 )3 0,5046.10−4 ) 985,73 ( 46.10−5 (59,74 − 53,86) = 6,95 107 Chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với lưu chất: PrT = 3600 𝐶𝑁 𝜇 𝜆 = 4185.0,5046.10−4 16,3 = 46,64 Các chuẩn số Nu, Re, Pr, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình lưu thể 𝑃𝑟 0,25 ) 𝑃𝑟𝑇 Vì Re < 2300: Nu = 0,15.𝜀𝑑 𝑅𝑒 0,33 𝑃𝑟 0,43 𝐺𝑟 0,1 ( 1340,8 0,25 ) 46,64 = 0,15.1 1406,70,33 1340,80,43 (6,95 107 )0,1 ( = 511 𝑁𝑢.𝜆′ α1 = 𝑑1𝑡 = 511.0,567 19.10−3 = 15249,3 (W/m2K) b Hệ số toả nhiệt nguồn lạnh α2 Vận tốc lưu thể: 𝜔= 𝐺𝐿 𝜋 𝑑2𝑡 𝐿 = 4,93.10−5 47.10−3 𝜋 .600.10−3 = 1,11 10−3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: Re = 𝜌.𝜔.𝑑2𝑡 𝜇 = 985,73.1,11.10−3 47.10−3 0,5046.10−4 Chuẩn số Prandtl: 14 = 1019,1 Pr = 3600 𝐶𝐿 𝜇 𝜆′ = 3600 4181.0,5046.10−4 0,567 = 1339,5 Chuẩn số Grashoff: Gr = 𝑔.𝑑2𝑡 𝜇 (𝜌)2 𝛽 ∆𝑡 = 9,81.(47.10−3 )3 0,5046.10−4 ( 985,73 )2 46.10−5 (35,92 − 29,2) = 1,2 109 Chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với lưu chất: PrT = 3600 𝐶𝐿 𝜇 𝜆 = 4181.0,5046.10−4 16,3 = 46,59 Các chuẩn số Nu, Re, Pr, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình lưu thể 𝑃𝑟 0,25 ) 𝑃𝑟𝑇 Vì Re < 2300: Nu = 0,15.𝜀𝑑 𝑅𝑒 0,33 𝑃𝑟 0,43 𝐺𝑟 0,1 ( 1339,5 0,25 ) 46,59 = 0,15.1 1019,10,33 1339,50,43 (1,2 109 )0,1 ( = 1415 α2 = 𝑁𝑢.𝜆′ 𝑑1𝑡 = 1415.0,567 47.10−3 = 17065,4 (W/m2K) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Klt = = 1 α1 r1 r + 𝜆2,3𝑙𝑜𝑔r2 +α r2 1 15249,3.19.10−3 47 + 16,32,3𝑙𝑜𝑔19 + 17065,4.47.10−3 = 16,61 Hiệu suất sử dụng nhiệt: η = QL/QN = 15 1,35 1,51 = 82,8% Bài 3: THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT Q TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT HAI DỊNG NGƯỢC CHIỀU I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Củng cố kiến thức cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt - Hiểu trình vận hành hệ thống trao đổi nhiệt - Biết cách đo thu thập thơng số q trình - Đánh giá hiệu suất q trình trao đổi nhiệt xi chiều II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết Trong trình sản xuất ngành CNSH – CNTP, nhiều q trình có diễn q trình truyền nhiệt Và để thực trình truyền nhiệt chất tải nhiệt có nhiệt độ khác phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt Có nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt phân làm nhóm trực tiếp, gián tiếp loại đệm Trong nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theo phương thức gián tiếp sử dụng rộng rãi Trong thí nghiệm này, sinh viên thí nghiệm hệ thống trao đổi nhiệt bản, hệ thống sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống lồng ống Chiều chuyển động lưu thể hai phía bề mặt trao đổi nhiệt có ảnh hưởng lớn đến q trình truyền nhiệt Qua thực tế, người ta phân thành loại sau: e Chảy xuôi chiều: Lưu thể chảy song song chiều theo tường ngăn cách f Chảy ngược chiều: Lưu thể chảy song song ngược chiều theo tường ngăn cách 16 g Chảy chéo nhau: Lưu thể chảy theo phương vng góc h Chảy hỗn hợp: Lưu thể chảy theo hướng lưu thể chảy chiều ngược chiều với lưu thể Hình 1: Chiều chuyển động dịng lưu thể Trong trường hợp trên, trường hợp đầu (2 dịng lưu thể chảy xi chiều ngược chiều) hay gặp thể rõ trình truyền nhiệt hai dịng lưu thể Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát q trình trao đổi nhiệt hai dòng lưu thể chảy ngược chiều dọc theo thành ống trao đổi nhiệt Nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể lạnh tăng (hình 2) Nhiệt độ hai lưu thể biến đổi dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, thời điểm nhiệt độ khơng biến đổi theo thời gian 17 Trong trường hợp hai dòng lưu thể chảy ngược chiều, hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo cơng thức: ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝐿 − ∆𝑡𝑁 ∆𝑡 2,3 log∆𝑡 𝐿 với: a) ∆𝑡1 = ∆𝑡1đ − ∆𝑡2𝑐 < ∆𝑡2 = ∆𝑡1𝑐 − ∆𝑡2đ 𝑁 b) ∆𝑡1 = ∆𝑡1đ − ∆𝑡2𝑐 > ∆𝑡2 = ∆𝑡1𝑐 − ∆𝑡2đ Quy trình thí nghiệm a Sơ đồ ngun lý hệ thống 18 – Nồi gia nhiệt – Thùng chứa – Thanh nhiệt – Lưu lượng kế – Bơm – Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị TĐN ống lồng ống b Quy trình thí nghiệm Kiểm tra đóng ban từ số số 11; mở van 01 van 12 Bật aptomat tủ điện để cấp điện cho hệ thống Mở van 13, van van để cấp nước lạnh ghi lại giá trị nhiệt độ nước lạnh vào hệ thống, sau ghi xong khố van 13 lại Cấp dung dịch vào thùng chứa (4), đồng thời mở van số van số bật bơm (3) để cấp dung dịch vào nồi gia nhiệt (2) vào thiết bị trao đổi nhiệt Bật nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch đặt giá trị nhiệt độ đầu vào lưu thể nóng Lưu thể nóng vào ống bên ống lồng ống số qua ống nối để vào ống số sau qua van số quay thùng chứa (4) Sau nhiệt độ đầu vào dòng lưu thể nóng đạt trì ổn định theo nhiệt độ cài đặt mở van 13 để cấp nước lạnh vào hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt Nước lạnh vào không gian ống thiết bị ống lồng ống số sau qua van lên vào ống lồng ống số Sau thực trình trao đổi nhiệt với dịng lưu thể nóng bên ống qua van số xả Điều chỉnh van số van số 13 để điều chỉnh lưu lượng dòng lưu thể Sau điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu, đợi nhiệt độ vào dòng lưu thể ổn định tiến hành đọc ghi thông số nhiệt độ đồng hồ đo nhiệt độ Các thông số lấy lần, lần cách phút 19 Kết thúc thí nghiệm ngắt điện, xả hết dung dịch hệ thống, thùng chứa thùng gia nhiệt Kết thí nghiệm Thơng số Nhiệt độ nước nóng vào Nhiệt độ nước nóng Nhiệt độ nước lạnh vào Nhiệt độ nước lạnh Lưu lượng nước nóng Lưu lượng nước nóng Lưu lượng nước lạnh Lưu lượng nước lạnh Đơn vị Trung Lần Lần Lần Lần Lần o 60 59,6 59,9 59,5 59,3 59,7 o 54,8 54,4 54,7 54,5 54,1 54,5 o 30,6 30,5 30,4 30,3 30,2 30,4 o C 36,4 36,6 36,8 36,6 36,6 36,6 lít/phút 4,4 4,0 4,4 4,2 4,0 4,2 m3/s 7.10-5 7.10-5 6,67.10-5 6,934.10-5 lít/phút 3,2 3,0 3,2 3,0 3,12 m3/s 5,33.10-5 5.10-5 5.10-5 5,198.10-5 C C C 6,67.10-5 7,33.10-5 3,2 5,33.10-5 5,33.10-5 III TÍNH TỐN Q TRÌNH Các số liệu cho trước Diện tích truyền nhiệt: F = 1,35 mm2 20 bình Kích thước ống bên trong: d1𝑡 /d1n = 19/22 mm Kích thước ống bên ngồi: d2𝑡 /d2n = 47/50 mm Chiều dài ống bên ngoài: L = 600mm Hệ số dẫn nhiệt vách truyền nhiệt: λ = 16,3 W/m.K Các số liệu cần tra cứu Nhiệt dung riêng nguồn nước nóng: CN = 4185 J/kg.K Nhiệt dung riêng nguồn nước lạnh: CL = 4181 J/kg.K Hệ số dẫn nhiệt nguồn nước nóng: λ' = 0,567 W/mK Khối lượng riêng nước: ρ = 985,73 kg/m3 Độ nhớt nước nhiệt độ nước nguồn nóng: μ = 0,5046.10-4 Pa.s Các bước tính tốn Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào: 𝑄𝑁 = 𝐺𝑁 × (𝑡𝑁1 − 𝑡𝑁2) × 𝐶𝑁 = 6,934.10-5.(59,7 - 54,5).4185 = 1,51 (W) Nhiệt luọng nguồn lạnh nhận được: 𝑄𝐿 = 𝐺𝐿 × (𝑡𝐿2 − 𝑡𝐿1 ) × 𝐶𝐿 = 5,198.10-5.(36,6 - 30,4).4181 = 1,35 (W) Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: tL = tN1 – tL2 = 54,5 – 30,4 = 24,1oC Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tN = tN2 – tL1 = 59,7 – 36,6 = 23,1 oC Chênh lệch nhiệt độ trung bình hai nguồn nóng lạnh: ∆𝑡𝑡𝑏 = ∆𝑡𝐿 − ∆𝑡𝑁 ∆𝑡 2,3 log 𝐿 ∆𝑡𝑁 = 24,1− 23,1 24,1 2,3 log23,1 = 23,62 oC Hệ số truyền nhiệt thực tế: Ktt = 𝑄𝐿 ∆𝑡𝑡𝑏 .𝐹 = 1,35 23,62.1,35 21 = 0,042 a Hệ số truyền nhiệt nguồn nóng α1 Vận tốc lưu thể: 𝜔= 𝐺𝑁 𝑑 𝜋 21𝑡 𝐿 = 6,934.10−5 19.10−3 𝜋 600.10−3 = 3,87 10−3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝜌.𝜔.𝑑1𝑡 Re = = 𝜇 985,73.3,87.10−3 19.10−3 0,5046.10−4 = 1436,4 Chuẩn số Prandtl: 𝐶𝑁 𝜇 Pr = 3600 𝜆′ = 3600 4185.0,5046.10−4 0,567 = 1340,8 Chuẩn số Grashoff: Gr = 𝑔.𝑑1𝑡 𝜇 𝜌 ( )2 𝛽 ∆𝑡 = 9,81.(19.10−3 )3 0,5046.10−4 ( ) 985,73 46.10−5 (59,7 − 54,6) = 6,02 107 Chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với lưu chất: PrT = 3600 𝐶𝑁 𝜇 𝜆 = 4185.0,5046.10−4 16,3 = 46,64 Các chuẩn số Nu, Re, Pr, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình lưu thể 𝑃𝑟 0,25 ) 𝑃𝑟𝑇 Vì Re < 2300: Nu = 0,15.𝜀𝑑 𝑅𝑒 0,33 𝑃𝑟 0,43 𝐺𝑟 0,1 ( 1340,8 0,25 ) 46,64 = 0,15.1 1436,40,33 1340,80,43 (6,02 107 )0,1 ( = 507 α1 = 𝑁𝑢.𝜆′ 𝑑1𝑡 = 507.0,567 19.10−3 = 15129,9 (W/m2K) b Hệ số toả nhiệt nguồn lạnh α2 Vận tốc lưu thể: 𝜔= 𝐺𝐿 𝑑 𝜋 2𝑡 𝐿 = 5,918.10−5 47.10−3 𝜋 .600.10−3 22 = 1,17 10−3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: Re = 𝜌.𝜔.𝑑2𝑡 𝜇 = 985,73.1,17.10−3 47.10−3 0,5046.10−4 = 1074,2 Chuẩn số Prandtl: Pr = 3600 𝐶𝐿 𝜇 𝜆′ = 3600 4181.0,5046.10−4 0,567 = 1339,5 Chuẩn số Grashoff: Gr = 𝑔.𝑑2𝑡 𝜇 𝜌 ( )2 𝛽 ∆𝑡 = 9,81.(47.10−3 )3 0,5046.10−4 ( 985,73 )2 46.10−5 (36,6 − 30,4) = 1,11 109 Chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với lưu chất: PrT = 3600 𝐶𝐿 𝜇 𝜆 = 4181.0,5046.10−4 16,3 = 46,59 Các chuẩn số Nu, Re, Pr, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình lưu thể 𝑃𝑟 0,25 ) 𝑃𝑟𝑇 Vì Re < 2300: Nu = 0,15.𝜀𝑑 𝑅𝑒 0,33 𝑃𝑟 0,43 𝐺𝑟 0,1 ( 1339,5 0,25 ) 46,59 = 0,15.1 1074,20,33 1339,50,43 (1,11 109 )0,1 ( = 617 α2 = 𝑁𝑢.𝜆′ 𝑑1𝑡 = 617.0,567 47.10−3 = 7443,4 (W/m2K) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Klt = = 1 α1 r1 r + 𝜆2,3𝑙𝑜𝑔r2 +α r2 1 15129,9.19.10−3 47 + 16,32,3𝑙𝑜𝑔19 + 7443,4.47.10−3 = 16,17 Hiệu suất sử dụng nhiệt: η = QL/QN = 23 1,35 1,51 = 89,4%