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
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM II
Sinh viên : Đoàn Khánh LinhMSSV : 20211482
Lớp : KTTP03-K66Mã lớp : 738111
HÀ NỘI 12/2023
Trang 2THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆTBài 1: Quá trình trao đổi nhiệt 2 dòng xuôi chiềuI 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 songvà cùng chiều theo tường ngăn cách.
b) Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song
2
Trang 3và ngược chiều theo tường ngăn cách.
c) Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theophương 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, lúcthì 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 củahai dòng lưu thể
Trong bài thí nghiệm 1 này sinh viênkhảo sát quá trình trao đổi nhiệt của 2 dònglưu thể chảy xuôi chiều dọc theo thành củaống trao đổi nhiệt Nhiệt độ của lưu thể nónggiảm, nhiệt độ của lưu thể lạnh tăng nhưhình 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
t2c
2 Quy trình thí nghiệm
Trang 41- 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
Trang 5nước 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 nhiệtđộ 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 chứavà thùng gia nhiệt.
III Tính toán quá trìnhCác 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.
Trang 6Kết quả thí nghiệm
Thông sốĐơn vị Lần 1Lần 2Lần 3Lần 4Lần 5Trungbình
Nhiệt độ nước nóng vào
Nhiệt độ nước nóng ra
Nhiệt độ nước lạnh vào
Nhiệt độ nước lạnh ra
Lưu lượng nước nóng
lít/phút 4 3.8 4 3.8 3.8 3.88
Lưu lượng nước nóng m
3/s 5,0.10-5 4,6.10-5 4,6.10-5 4,6.10-5 5,0.10-5 5,06.10-5
Hướng dẫn tính toán: 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 mmHệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: = 16,3 W
m.K
6
Trang 7Các 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.KLHệ 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 0CNhiệt độ nguồn lạnh ra: tL2 = 32,36 0CNhiệt độ nguồn nóng vào: tN1 = 58,04 0CNhiệt độ nguồn nóng ra: tN2 = 52,98 0CLưu 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 CLN1L1 o
Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: Δt = t – t = 52,98-32,36 =20,62 CNN2L2 oChênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh:
Trang 8=25,89 °C
Vận tốc của nước w= Gπ Rt2
1∝2 r 2
=11,22(W/m độ)2
Hiệu suất sử dụng nhiệt: = QLQN .100 %=1,321,37.100 %=96,35 %
8
Trang 9THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆTBài 2: Quá trình trao đổi nhiệt 2 dòng ngược chiềuI 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 songvà cùng chiều theo tường ngăn cách.
b) Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song songvà ngược chiều theo tường ngăn cách.
Trang 10c) Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theophương 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, lúcthì 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
Trang 11ttbtL tN2, 3lg tL
Trang 122 – 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 nốiđể 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 thìmở 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 chứavà thùng gia nhiệt.
III Tính toán quá trìnhCác thông số cần đo :
- Nhiệt độ đầu vào và ra của lưu thể nóng.- Nhiệt độ vào và ra của lưu thể lạnh.
12
Trang 13- Lưu lượng của hai dòng lưu thể nóng và lạnh
Nhiệt độ nước nóng ra
Nhiệt độ nước lạnh vào
Nhiệt độ nước lạnh ra
Lưu lượng nước nóng
lít/phút 4,0 3,8 4,0 3,8 3,8 3,88
Lưu lượng nước nóng
m3/s 6,67.10 6,33.10 6,67.10 6,33.10 6,33.10 6,47.10-5 -5 -5 -5 -5 -5
Lưu lượng nước lạnh
lít/phút 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0
Lưu lượng nước lạnh m
3/s 5,0.10-5 5,0.10-5 5,0.10-5 5,0.10-5 5,0.10-5 5,0.10-5
Hướng dẫn tính toán: Các số liệu cho trước:
Diện tích truyền nhiệt: F =… mm2Kích thước của ống bên trong: d1t/d1n= 19/22 mm
Trang 14Kích 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 0CNhiệt độ nguồn lạnh ra: tL2 = 32,76 0CNhiệt độ nguồn nóng vào: tN1 = 57,98 0CNhiệt độ nguồn nóng ra: tN2 = 53,30CLưu 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 CLN1L1 o
Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: Δt = t – t = 53,3-32,76 =20,54 CNN2L2 oChênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh:
14
Trang 15=25,82 °C
Vận tốc của nước w= Gπ Rt2
λ2,3 lgr 1r 2+
1∝2 r 2
=5,433(W/m độ)2
Hiệu suất sử dụng nhiệt: = QNQL .100 %=1,281,39.100 %=92,09 %
Trang 16THÍ NGHIỆM XÂY DỰNG CÔNG THỨC THANH TRÙNG/TIỆT TRÙNG ĐỒ HỘP THỰC PHẨM
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
Trang 17+ 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 nàolà 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 1f 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
Trang 18FCtrong đó
Z là tổng các hiệu quả thanh trùng thực tế ở nhiệt độ khác nhau trongthời gian thanh trùng Hiệu quả ở nhiệt độ khác nhau được xác định dựatrên nhiệt độ ghi ở điểm tăng nhiệt chậm nhất (tâm của hộp) của đồ hộptrong thời gian thanh trùng XĐ nhiệt độ của điểm tăng nhiệt chậm nhấtbằng nhiệt kế được gắn vào trong hộp với đầu đo đến tâm của hộp và cứsau một khoảng thời gian nhất định, ta đọc nhiệt độ tại điểm tăng nhiệtđộ 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 D8080= 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 hộpS0 = 0,001% - tỷ lệ hư hỏng cho phép.
S