báo cáo thí nghiệm quá trình thiết bị công nghệ thực phẩm ii 12

Trong bài thí nghiệm này,sinh viên sẽ được thí nghiệm trên một hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản, hệ thống sửdụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống lồng ống.Chiều chuyển động của l

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT Bài 1: Quá trình trao đổi nhiệt 2 dòng xuôi chiều

I Mục đích thí nghiệm

- Củng cố kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt

- Hiểu quá trình vận hành của 1 hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản

- Biết cách đo và thu thập các thông số của quá trình

- Đánh giá hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt xuôi chiều

II Cơ sở lý thuyết

1 Lý thuyết

Trong các quá trình sản xuất của ngành CNSH – CNTP thì rất nhiều các quátrình đều có diễn ra quá trình truyền nhiệt Và để thực hiện các quá trình truyềnnhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau thì phải sử dụng thiết bị trao đổinhiệt Có rất nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt được phân ra làm 3 nhóm chính làtrực tiếp, gián tiếp và loại đệm Trong đó thì nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theophương thức gián tiếp là được sử dụng rộng rãi hơn cả Trong bài thí nghiệm này,sinh viên sẽ được thí nghiệm trên một hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản, hệ thống sửdụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống lồng ống

Chiều chuyển động của lưu thể ở hai phía của bề mặt trao đổi nhiệt có ảnhhưởng rất lớn đến quá trình truyền nhiệt Qua thực tế, người ta phân thành các loạinhư sau:

a) Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song

và cùng chiều theo tường ngăn cách

b) Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song

2

và ngược chiều theo tường ngăn cách.

c) Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo

phương vuông góc nhau

d) Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo một hướng

nào đấy còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều, lúc

thì chảy ngược chiều với lưu thể 1

Trong 4 trường hợp trên thì hai trường hợp đầu: 2 dòng lưu thể chảy xuôichiều và ngược chiều thì hay gặp hơn cả và

nó thể hiện rõ nhất quá trình truyền nhiệt của

hai dòng lưu thể

Trong bài thí nghiệm 1 này sinh viên

khảo sát quá trình trao đổi nhiệt của 2 dòng

lưu thể chảy xuôi chiều dọc theo thành của

ống trao đổi nhiệt Nhiệt độ của lưu thể nóng

giảm, nhiệt độ của lưu thể lạnh tăng như

hình 2 Nhiệt độ của hai lưu thể đều biến đổi

dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhưng ở từng thời điểm thì nhiệt độ không biến đổitheo thời gian

Trong trường hợp hai dòng lưu thể chảy xuôi chiều hiệu số nhiệt độ trungbình được tính theo công thức

1- Nồi gia nhiệt; 4 – Thùng chứa;

2 – Thanh nhiệt; 5 – Lưu lượng kế;

3 – Bơm; 6 – Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị TĐN ống lồng ống Quy trình thí nghiệm:

Kiểm tra và đóng các van từ số 2 11; mở các van 01 và van 12 Bật aptomat trong tủ điện để cấp điện cho hệ thống Mở van 13, van 4 và van 6 để cấp

4

nước lạnh và ghi lại giá trị nhiệt độ nước lạnh vào hệ thống, sau khi ghi xong thìkhóa van 13 lại.

Cấp dung dịch vào thùng chứa (4), đồng thời mở van số 10 và van số 8 rồibật bơm (3) để cấp dung dịch vào nồi gia nhiệt (2) và đi vào thiết bị trao đổi nhiệt.Bật thanh nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch và đặt giá trị nhiệt độ đầu vào của lưuthể nóng Lưu thể nóng đi vào ống bên trong của ống lồng ống số 1 rồi đi qua ốngnối để đi vào ống số 2 sau đó qua van số 8 và quay về thùng chứa (4) Sau khi nhiệt

độ đầu vào của dòng lưu thể nóng đã đạt và duy trì ổn định theo nhiệt độ đã cài đặtthì mở van 13 để cấp nước lạnh để cấp nước lạnh vào trong hệ thống thiết bị traođổi nhiệt Nước lạnh sẽ đi vào không gian giữa 2 ống của thiết bị ống lồng ống số 1sau đó qua van 4 và đi lên vào ống lồng ống số 2, sau khi thực hiện quá trình traođổi nhiệt với dòng lưu thể nóng đi bên trong ống thì qua van số 6 và được xả rangoài Điều chỉnh van số 1 và van số 13 để điều chỉnh lưu lượng của 2 dòng lưuthể Sau khi điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu, đợi khi nhiệt độ vào và ra của 2dòng lưu thể ổn định thì tiến hành đọc và ghi thông số nhiệt độ trên đồng hồ đonhiệt độ Các thông số được lấy 5 lần, mỗi lần cách nhau 5 phút

Kết thúc thí nghiệm thì ngắt điện, xả hết dung dịch trong hệ thống, thùng chứa

và thùng gia nhiệt

III Tính toán quá trình

Các thông số cần đo :

- Nhiệt độ đầu vào và ra của lưu thể nóng

- Nhiệt độ vào và ra của lưu thể lạnh

- Lưu lượng của hai dòng lưu thể nóng và lạnh

Yêu cầu:

- Vận hành hệ thống truyền nhiệt và đo các thông số cần thiết

- Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết và hiệu suất sử dụng nhiệt

Các số liệu cho trước:

Diện tích truyền nhiệt: F =… mm2Kích thước của ống bên trong: d1t/d1n= 19/22 mm

Kích thước của ống bên ngoài: d2t/d2n = 47/50 mmChiều dài ống bên ngoài: L = 600 mm

Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: = 16,3 W

m.K

6

Các số liệu cần tra cứu:

Nhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: C = 4185 J/kg.KNNhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: C = 4181 J/kg.KL

Hệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: ’ = 1,116 W/mK Khối lượng riêng của nước: = 983 kg/m3

Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: = 0,467.10-3(N.s/m2)

Các số liệu lấy trong quá trình làm thí nghiệm:

Nhiệt độ nguồn lạnh vào: tL1 = 26,12 0C

Nhiệt độ nguồn lạnh ra: tL2 = 32,36 0C

Nhiệt độ nguồn nóng vào: tN1 = 58,04 0C

Nhiệt độ nguồn nóng ra: tN2 = 52,98 0C

Lưu lượng nguồn lạnh: GL = 5,06.10-5 (m3/s)

Lưu lượng nguồn nóng: GN = 6,47.10-5 (m3/s)

Các bước tính toán:

Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào = 6,47.10 -5 (58,04-52,98)x4185=1,37

Nhiệt lượng nguồn lạnh nhận được: =5,06.10-5(32,36-26,12)x4181=1,32Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: Δt = t – t = 58,04-26,12 = 31,92 CL N1 L1 o

Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: Δt = t – t = 52,98-32,36 =20,62 CN N2 L2 o

Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh:

THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT Bài 2: Quá trình trao đổi nhiệt 2 dòng ngược chiều

I Mục đích thí nghiệm

- Củng cố kiến thức về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt

- Hiểu quá trình vận hành của 1 hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản

- Biết cách đo và thu thập các thông số của quá trình

- Đánh giá hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt xuôi chiều

II Cơ sở lý thuyết

1 Lý thuyết

Trong các quá trình sản xuất của ngành CNSH – CNTP thì rất nhiều các quátrình đều có diễn ra quá trình truyền nhiệt Và để thực hiện các quá trình truyềnnhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau thì phải sử dụng thiết bị trao đổinhiệt Có rất nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt được phân ra làm 3 nhóm chính làtrực tiếp, gián tiếp và loại đệm Trong đó thì nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theophương thức gián tiếp là được sử dụng rộng rãi hơn cả Trong bài thí nghiệm này,sinh viên sẽ được thí nghiệm trên một hệ thống trao đổi nhiệt cơ bản, hệ thống sửdụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống lồng ống

Chiều chuyển động của lưu thể ở hai phía của bề mặt trao đổi nhiệt có ảnhhưởng rất lớn đến quá trình truyền nhiệt Qua thực tế, người ta phân thành các loạinhư sau:

a) Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song

và cùng chiều theo tường ngăn cách

b) Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song

và ngược chiều theo tường ngăn cách

c) Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo

phương vuông góc nhau

d) Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo một hướng

nào đấy còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều, lúc

thì chảy ngược chiều với lưu thể 1

Trong 4 trường hợp trên thì hai trường hợp đầu: 2 dòng lưu thể chảy xuôichiều và ngược chiều thì hay gặp hơn cả và nó thể hiện rõ nhất quá trình truyềnnhiệt của hai dòng lưu thể

Trong bài thí nghiệm 2 này sinh viên khảo sát quá trình trao đổi nhiệt của 2dòng lưu thể chảy ngược chiều dọc theo thành của ống trao đổi nhiệt Nhiệt độ củalưu thể nóng giảm, nhiệt độ của lưu thể lạnh tăng như hình 2 Nhiệt độ của hai lưuthể đều biến đổi dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhưng ở từng thời điểm thì nhiệt độkhông biến đổi theo thời gian

Trong trường hợp hai dòng lưu thể chảy ngược chiều hiệu số nhiệt độ trungbình được tính theo công thức:

10

2 – Thanh nhiệt; 5 – Lưu lượng kế;

3 – Bơm; 6 – Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị TĐN ống lồng ống Quy trình thí nghiệm:

Kiểm tra và đóng các van từ số 2 11; mở các van 01 và van 12 Bậtaptomat trong tủ điện để cấp điện cho hệ thống Mở van 13, van 4 và van 6 để cấpnước lạnh và ghi lại giá trị nhiệt độ nước lạnh vào hệ thống, sau khi ghi xong thìkhóa van 13 lại

Cấp dung dịch vào thùng chứa (4), đồng thời mở van số 7 và van số 9 rồi bậtbơm (3) để cấp dung dịch vào nồi gia nhiệt (2) và đi vào thiết bị trao đổi nhiệt Bậtthanh nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch và đặt giá trị nhiệt độ đầu vào của lưu thểnóng Lưu thể nóng đi vào ống bên trong của ống lồng ống số 1 rồi đi qua ống nối

để đi vào ống số 2 sau đó qua van số 9 và quay về thùng chứa (4) Sau khi nhiệt độđầu vào của dòng lưu thể nóng đã đạt và duy trì ổn định theo nhiệt độ đã cài đặt thì

mở van 13 để cấp nước lạnh để cấp nước lạnh vào trong hệ thống thiết bị trao đổinhiệt Nước lạnh sẽ đi vào không gian giữa 2 ống của thiết bị ống lồng ống số 1sau đó qua van 4 và đi lên vào ống lồng ống số 2, sau khi thực hiện quá trình traođổi nhiệt với dòng lưu thể nóng đi bên trong ống thì qua van số 6 và được xả rangoài Điều chỉnh van số 1 và van số 13 để điều chỉnh lưu lượng của 2 dòng lưuthể Sau khi điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu, đợi khi nhiệt độ vào và ra của 2dòng lưu thể ổn định thì tiến hành đọc và ghi thông số nhiệt độ trên đồng hồ đonhiệt độ Các thông số được lấy 5 lần, mỗi lần cách nhau 5 phút

Kết thúc thí nghiệm thì ngắt điện, xả hết dung dịch trong hệ thống, thùng chứa

và thùng gia nhiệt

III Tính toán quá trình

Các thông số cần đo :

- Nhiệt độ đầu vào và ra của lưu thể nóng

- Nhiệt độ vào và ra của lưu thể lạnh

12

- Lưu lượng của hai dòng lưu thể nóng và lạnh

Yêu cầu:

- Vận hành hệ thống truyền nhiệt và đo các thông số cần thiết

- Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết và hiệu suất sử dụng nhiệt

Các số liệu cho trước:

Diện tích truyền nhiệt: F =… mm2Kích thước của ống bên trong: d1t/d1n= 19/22 mm

Kích thước của ống bên ngoài: d2t/d2n = 47/50 mm Chiều dài ống bên ngoài: L = 600 mm

Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: = 16,3 W/m.K

Các số liệu cần tra cứu:

Nhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: C = 4185 J/kg.KNNhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: C = 4181 J/kg.KL

Hệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: ’ = 1,116 W/mK Khối lượng riêng của nước: = 983 kg/m3

Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: = 0,467.10-3(N.s/m2)

Các số liệu lấy trong quá trình làm thí nghiệm:

Nhiệt độ nguồn lạnh vào: tL1 = 26,12 0C

Nhiệt độ nguồn lạnh ra: tL2 = 32,76 0C

Nhiệt độ nguồn nóng vào: tN1 = 57,98 0C

Nhiệt độ nguồn nóng ra: tN2 = 53,30C

Lưu lượng nguồn lạnh: GL = 5,0.10-5 (m3/s)

Lưu lượng nguồn nóng: GN = 6,47.10-5 (m3/s)

Các bước tính toán:

Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào = 6,47.10 -5 (57,98-53,3).4185=1,28

Nhiệt lượng nguồn lạnh nhận được: =5,0.10-5(32,76-26,12).4181=1,39Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: Δt = t – t = 57,98-26,12 = 31,86 CL N1 L1 o

Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: Δt = t – t = 53,3-32,76 =20,54 CN N2 L2 o

Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh:

14

THÍ NGHIỆM XÂY DỰNG CÔNG THỨC THANH TRÙNG/TIỆT TRÙNG

II 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, cà rốt, dấm ăn, gia vị (đường, muối…)

III Nội dung thí nghiệm

- Tiến hành xây dựng công thức thanh trùng cho sản phẩm dưa chuột dầmdấm 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 axêtic,…) Tiến hành chần dưa chuột ở 85 C/3 phút Pha thành phầnodịch rót đường 5%, muối 2%, axit axetic 0.4%, và đun sôi cho tan hết, xếp lọtheo tỷ lệ cái/nước là 50%

- Đo pH của hỗn hợp thực phẩm bằng máy đo pH (sau khi xay nhuyễn cảphần cái và nước của thực phẩm)

- Cho hộp/lọ chứa thực phẩm vào thiết bị thanh/tiệt trùng và tiến hành lắpdụng cụ đo nhiệt độ tại tâm đồ hộp, đó là điểm đun nóng chậm nhất: với

16

+ A: Thời gian nâng nhiệt từ nhiệt độ ban đầu lên nhiệt độ thanh trùng(phút) - ở bài thí nghiệm này là nâng đến nhiệt độ T = 85oC.

+ B: Thời gian giữ nhiệt (phút) – trong bài này thực hiện B = 30-40phút, và mục đích của bài thí nghiệm là cần xác định B là như thế nào

là vừa đủ hiệu quả thanh trùng

+ C: Thời gian hạ nhiệt (phút)

+ T: nhiệt độ thanh trùng (°C), với dưa chuột dầm dấm nhiệt độ T=85 Co+ p: Áp suất đối kháng (atm) - khi tiệt trùng ở nhiệt độ > 100°C.Tiến hành đo nhiệt độ tại tâm đồ hộp trong suốt quá trình thanh trùng thựcphẩm để xác định hiệu quả thanh trùng K tại nhiệt độ T theo công thức cải tiếnfcủa Flaumenbaum và điền giá trị K vào số liệu Bảng 1 dưới đâyf

K 1

f T e T

10 ZTrong đó:

Te : nhiệt độ chuẩn; = 80 cho sản phẩm chua nhiều (pH < 4.5)Te

Z là đại lượng bền nhiệt đặc trưng cho từng loài vi sinh vật (VSV điểnhình có trong đồ hộp có độ axit cao là z = 8,8°C)

Và sau đó xác định tổng hiệu quả thanh trùng thực tế theo công thức sau:

FZ K

τ

độ chậm nhất và tính toán hiệu quả thanh trùng K (giá trị gây chết) tạifnhiệt độ t theo công thức rồi điền vào bảng kết quả thí nghiệm Bảng 1.

∆τ là khoảng thời gian đọc nhiệt độ ghi tại điểm tăng nhiệt chậm nhất(phút)

𝐹𝑍 là hiệu quả thanh trùng lý thuyết là thời gian cần thiết (phút) mà đồhộp chịu tác dụng nhiệt ở nhiệt độ tiêu chuẩn nhằm làm giảm số lượngcủa nha bào hay tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật xuống mức thấp nhất,không gây hại cho người sử dụng (bằng 0 hay 1 nha bào/10000 đồ hộp).Đại lượng này được các nghiên cứu trước đó xác định bằng thựcnghiệm

Tính hiệu quả thanh trùng cần thiết: Z

FZ

D lg C0.V0.100

0Trong đó:

De = D - D chuẩn (với nhóm đồ hộp có độ axit cao 3.8- 4.0) – có D80 80

= 2,95 với loại vi sinh vật điển hình lựa chọn là Enterococcus faecalis

C0 = 10 - Mật độ vi sinh trong một đơn vị khối lượng có ban đầu 7(CFU/g)

V0: khối lượng sản phẩm trong hộp

F ≥ Ftt C

- Để đảm bảo hiệu quả thanh/tiệt trùng thì từ đó tìm được tổng thờigian cần thiết thanh/tiệt trùng (B- phút) và từ đó xây dựng được công thứcthanh/tiệt trùng đồ hộp thực phẩm A B C p

T

- Theo dõi bảo ôn các đồ hộp và đánh giá chất lượng đồ hộp thực phẩm (cảm quan, vi sinh, )

Bảng 1: Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tâm sản phẩm và hiệu quả thanh trùng

Kf ở nhiệt độ khác nhau trong quá trình thanh trùng

(°C)

Nhiệt độ tâm sản phẩm (°C)

Hiệu quả thanh trùng

Tổng hiệu quả thanh trùng thực tế: Fztt = ∑Kf Δt=8,51 2=17 02,

Hiệu quả thanh trùng cần thiết:

Fzc=De lgCo Vo 100

So

= 2,95.lg

22

Đồ thị động học của quá trình thanh trùng sản phẩm