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

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 hai lưu thể đều biến đổi dọ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM*****

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM II

Họ và tên: Lại Viết Long MSSV: 20190506 Lớp: BF2.03-K64

HÀ NỘI

Bài 1: Thí nghiệm trao đổi nhiệt hai dòng lưu thể 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 chiểu

II Cơ sở lý thuyết 1 Lý thuyết

Trong các quá trình sản xuất của ngành CNSH – CNTP thì rất nhiều các quá trình đều có diễn ra quá trình truyền nhiệt Và để thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau thì phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt Có rất nhiều loại thiết bị trao đổi nhiệt được phân ra làm 3 nhóm chính là trực tiếp, gián tiếp và loại đệm Trong đó thì nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theo phương 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 sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống xoắn ruột gà Đây là thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng sớm nhất trong công nghiệp

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

- Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song vàcùng chiều theo tường ngăn cách

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

và ngược chiều theo tường ngăn cách

(b) - Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo phương

vuông góc nhau

(c)- Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo một hướng nào

đấy còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều, lúc thì chảyngược chiều với lưu thể

(d)

Hình 1: Chiều chuyểnđộng của hai dòng lưu

Trong 4 trường hợp trên thì hai trườnghợp đầu: 2 dòng lưu thể chảy xuôi chiều vàngược chiều thì hay gặp hơn cả và nó thể hiệnrõ nhất quá trình truyền nhiệt của hai dòng lưuthể

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 độkhông biến đổi theo thời gian

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

2 Quy trình thí nghiệm ❖ Sơ đồ nguyên lý hệ thống

1 – Bình trao đổi nhiệt 2 - Ống xoắn ruột gà

5 – Động cơ khuấy 6 - Ống chảy tràn

Khi nhiệt độ dòng lưu thể nóng cấp vào bình trao đổi nhiệt duy trì ở nhiệt độđặt (55oC) thì ta mở van 2 và van 4 để cấp nước lạnh vào không gian bên trong ống xoắn ruột gà từ dưới lên Mở van 5 để cho nước lạnh ra chảy vào thùng chứa

đợi đến khi dòng ổn định thì ta đo và điều chỉnh lưu lượng dòng nước lạnh ở khoảng 1 lít/phút (đo 5 lần) bằng điều chỉnh độ mở của van 2, đóng van 5 và mở van 6 cho nước lạnh ra chảy vào cốc đong rồi bấm thời gian

Khi 2 dòng nước nóng và lạnh cấp vào bình trao đổi nhiệt ổn định ở lưu lượng khoảng 1 lít/phút thì tiến hành đo nhiệt độ nước nóng, nước lạnh ở đầu vào và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt (mỗi thông số đo 5 lần)

Kết thúc thí nghiệm thì ngắt điện, đóng hết các van lại và mở van 8 để xả hếtnước nóng ở trong không gian ngoài ống xoắn ruột gà xuống thùng chứa 9.

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 Đo lưu lượng của hai lưu thể

Yêu cầu: Vận hành hệ thống truyền nhiệt và đo các thông số cần thiết Tính

hệ số truyền nhiệt lý thuyết, hệ số truyền nhiệt thực tế và hiệu suất sử dụng nhiệt

Nguyên liệu thí nghiệm: NướcKết quả thí nghiệm

Xử lý số liệu

Các số liệu cho trước :

Diện tích truyền nhiệt: F = 189400 mm2

Đường kính ngoài của ống: d = 9 mmn

Đường kính trong của ống: d = 7 mmt

Đường kính vòng xoắn: D = 200 mmĐường kính bình trao đổi nhiệt: D = 250 mmB

Chiều cao bình trao đổi nhiệt: H = 310 mmBước xoắn của ống ruột gà: x = 22 mmChiều dày ống truyền nhiệt: = 1 mm

Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: = 24,15

W.m K

Các số liệu cần tra cứu :

Nhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: C =4178N kJ/kg.độNhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: C =4178L kJ/kg.độHệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: ’ =0,653 W/m.độ Khối lượng riêng của nước nguồn nóng: =985,6 kg/m3

Khối lượng riêng của nước nguồn lạnh: =996,3 kg/m3

Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng (45): = 0,6 x 10 Ns/m-32

Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn lạnh (22,33) : = 1.002 x 10 Ns/m-32

Các số liệu lấy trong quá trình làm thí nghiệm :

Nhiệt độ nguồn lạnh vào: t = 18,6 CL1 o

Nhiệt độ nguồn lạnh ra: t = 27,6 CL2 0

Nhiệt độ nguồn nóng vào: t = CN1 0

Nhiệt độ nguồn nóng ra: t = 31,2 CN2 0

Lưu lượng nguồn lạnh: v = 11 m /s L 3

QL = GL L2(t – tL1)CL= 0,01096 x (27,6-18,6) x 4178 = 412.12 WChênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh:= = =

Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: tL = t – t = 45 – 18,6 = 26,4N1L1

Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tN = t – t = 31,2 – 27,6 = 3,6N2L2

Nhiệt độ trung bình nguồn lạnh là: = = 23,1Nhiệt độ trung bình nguồn nóng: =Hệ số truyền nhiệt thực tế:

Chuẩn số GratkovGr = = = 12913

Với là hệ số dãn nở thể tích, tra bảng I.249 trang 310 sổ tay QTTB

Ta có:

=> Nếu Re < 2300

Nu = 0,15 = 0,15 x 1 x x = 720.93

: tính toán lấy theo nhiệt độ của thành tiếp xúc với lưu thể (≈ Pr)Hệ số toả nhiệt trong ống thẳng :

R là bán kính cong của vòng xoắn

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:= = 1013,6 W/m độ2

Hiệu suất sử dụng nhiệt: =

Nhận xét:

Hiệu suất thấp do trong quá trình thao tác thí nghiệm ảnh hưởng từ nhiều yếu tố bên ngoài, yếu tố chủ quan của người thao tác

Bài 2: Thí nghiệm truyền nhiệt hai dòng lưu thể ngược chiềuI.Mục đích thí nghiệm

-Củng cố và nhắc lại sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt.

-Hiểu quá trình vận hành của một thiết bị 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 ngược chiều và so sánh với quá trình trao đổi nhiệt xuôi chiều ở bài trước.

II.Quy trình thí nghiệm *Sơ đồ nguyên lý hoạt động

1 –Bình trao đổi nhiệt 2 -Ống xoắn ruột gà 3 –Thanh Nhiệt 4 –Bình gia nhiệt 5 –Động cơ khuấy 6 -Ống chảy tràn

7 –Van 8 –Bơm 9 –Thùng chứa nước nóng ra 10 –Cốc đong 11 –Thùng chứa nước lạnh ra

❖ Quy trình thí nghiệm

Cấp điện cho hệ thống Kiểm tra lại các Van 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 đóng, mở Van 12 Cấp nước vào thùng chứa 9, bật bơm 8 để bơm nước vào thùng gia nhiệt 4, đến khi nước trong thùng gia nhiệt ngập thanh gia nhiệt và cánh khuấy thì bật thanh nhiệt 4 và động cơ cánh khuấy 5 Mở Van 11 để cấp nước nóng vào không gian giữa ống xoắn ruột gà gà thành bình trao đổi nhiệt Mở van 9 để nước tuần hoàn về thùng chứa 9 Khi nước từ thùng gia nhiệt chảy tràn qua ống chảy tràn xuống thùng chứa 9 thì điều chỉnh lưu lượng chảy vào khoảng không gian giữa ống xoắn và thành thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách điều chỉnh độ mở của van 9, đồng thời điều chỉnh lượng nước bơm lên thùng gia nhiệt bằng điều chỉnh van 10 Đo vào điều chỉnh lưu lượng nước nóng cấp vào thùng trao đổi nhiệt duy trì ở khoảng 1 lít/phút Ta đo lưu lượng dòng nước nóng bằng cách đóng van 9 và mở van 7 để cho dòng nước nóng chảy vào cốc đong đồng thời bấm thời gian để biết được dòng nước nóng chảy được 1 lít cốc đong thì mất bn thời gian Điều chỉnh van 11 đến khi dòng nước nóng chảy được 1 lít mất khoảng 1 phút (đo 5 lần)

Khi nhiệt độ dòng lưu thể nóng cấp vào bình trao đổi nhiệt duy trì ở nhiệt độđặt (55oC) thì ta mở van 1 và van 3 để cấp nước lạnh vào không gian bên trong ống xoắn ruột gà từ dưới lên Mở van 5 để cho nước lạnh ra chảy vào thùng chứa đợi đến khi dòng ổn định thì ta đo và điều chỉnh lưu lượng dòng nước lạnh ở khoảng 1 lít/phút (đo 5 lần) bằng điều chỉnh độ mở của van 1, đóng van 5 và mở van 6 cho nước lạnh ra chảy vào cốc đong rồi bấm thời gian

Khi 2 dòng nước nóng và lạnh cấp vào bình trao đổi nhiệt ổn định ở lưu lượng khoảng 1 lít/phút thì tiến hành đo nhiệt độ nước nóng, nước lạnh ở đầu vào và ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt (mỗi thông số đo 5 lần)

Kết thúc thí nghiệm thì ngắt điện, đóng hết các van lại và mở van 8 để xả hếtnước nóng ở trong không gian ngoài ống xoắn ruột gà xuống thùng chứa 9.

Các thông số cần đo: Nhiệt độ đầu vào và ra của lưu thể nóng Nhiệt độ vào và ra của lưu thể lạnh.Đo lưu lượng của hai lưu thể

Yêu cầu: Vận hành hệ thống truyền nhiệt và đo các thông số cần thiết Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết, hệ số truyền nhiệt thực tế và hiệu suất sử dụng nhiệt Nguyên liệu thí nghiệm: Nước

Kết quả thí nghiệm

Lưu lượng nước nóng Lít/phút 1,4

Lưu lượng nước lạnh Lít/phút 1,2

*Hướng dẫn tính toán:Các số liệu cho trước

Diện tích truyền nhiệt: F =189400 Đường kính ngoài của ống: dn= 9mmĐường kính trong của ống:dt= 7 mmĐường kính vòng xoắn:D= 200mm

Đường kính bình trao đổi nhiệt:DB= 250 mmChiều cao bình trao đổi nhiệt:H = 310 mmBước xoắn của ống ruột gà:x = 22 mmChiều dày ốngtruyền nhiệt: = 1mmSốvòng xoắn: n = 12

Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: = 24,15 W.mKCác sốliệu cần tra cứu:

Nhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: = 4178 J/kg.độNhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: = 4178 J/kg.độHệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: ’ = 0,653 W/m.độKhối lượng riêng của nước nóng (45°C) = 990,15 kg/Khối lượng riêng của nước lạnh (22,33°C) = 998,2 kg/Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: = 601,35 N.s/m2Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: = 601,35 N.s/m2Các số liệu lấy trong quá trình làm thí nghiệm:

Nhiệt độ nguồn lạnh vào: = 18,8 °CNhiệt độ nguồn lạnh ra: = 26,9°C Nhiệt độ nguồn nóng vào: = 44°CNhiệt độ nguồn nóng ra: = 32,8 °C

Lưu lượng nguồn lạnh: = 2

=> Lượng chất lỏng nguồn lạnh = .= 998,2 2 = 0,019964 kg/sLưu lượng nguồn nóng: =2,33

=> Lượng chất lỏng nguồn nóng = .= 990,15 2,33.= 0,02307 kg/sCác bước tính toán:

Chiều dài của một vòng xoắn: l = = = 628 mm

Diện tích trao đổi nhiệt: F= l.n = 628.12 = 189400 �Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào:

= ( - ) =0,02307.( 44-32,8).4178= 1079,53 WNhiệt lượng nguồn lạnh nhận được:

= ( - ) = 0,019964 (26,9-18,8).4178=675,62 WChênh lệch nhiệt độ đầu vào :

= - = 44-18,8= 25,2 °C�Chênh lệch nhiệt độ đầu ra:�= - = 32,8-26,9= 5,9°C

Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai nguồn nóng lạnh: = =13,31 °C �

Hệ số truyền nhiệt thực tế := = 268 W/

Vận tốc lưu thể: = = 12,3 m/sChuẩn số Reynol:Re == 50,63< 2300Chuẩn số Prantl Pr = = 31Chuẩn số GratkovGr= = 22212

Ta cóL =89>50 =1 Nếu Re < 2300

Nu= 0,15 = 1393: tính toán lấy theo nhiệt độ của thành tiếp xúc với lưu thể (Hệ số tỏa nhiệt trong ống thẳng

Hiệu suất sử dụng nhiệt = 62,58%.

Bài 3: Thí nghiệm xây dựng công thức thanh trùng/tiệt trùng đồ hộp thựcphẩm

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 thínghiệm

- 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 phầno

dịch rót đường 5%, muối 2%, axit axetic 0.4%, và đun sôi cho tan hết, xếplọ theo 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: vớithực phẩm đặc thì tâm là điểm 1/3 chiều cao hộp từ đáy lên; với thực phẩmlỏng là điểm 1/2 chiều cao hộp tính từ đáy

- Tiến hành thanh/tiệt trùng đồ hộp thực phẩm và lựa chọn công thứcthanh/tiệt trùng là

+ 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 thực phẩm để xác định hiệu quả thanh trùng K tại nhiệt độ t theo công thức cải tiến f

hình 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:

trong đó

• Ftt 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 địnhdựa trên nhiệt độ ghi ở điểm tăng nhiệt chậm nhất (tâm của hộp) củađồ hộp trong thời gian thanh trùng XĐ nhiệt độ của điểm tăng nhiệtchậm nhiệt bằng nhiệt kế được gắn vào trong hộp với đầu đo đến tâmcủa hộp và cứ sau một khoảng thời gian nhất định, ta đọc nhiệt độ tạiđiểm tăng nhiệt độ chậm nhất và tính toán hiệu quả thanh trùng K (giáf

trị gây chết) tại nhiệt độ t theo công thức rồi điền vào bảng kết quả thínghiệm Bảng 1

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

• �� 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/10000đồ hộp)

Đại lượng này được các nghiên cứu trước đó xác định bằng thực nghiệm Tính hiệu quả thanh trùng cần thiết:

= 42.47

Trong 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 đầu7

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

Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tâm sản phẩm và hiệu quả thanh trùng ởKf

nhiệt độ khác nhau trong quá trình thanh trùng

Đối với sản phẩm dưa chuột ngâm dấm ở 85°C (đóng hộp 250 g/ pH = 3 - 4)

Thời gianđọc (phút)

Nhiệt độ môi trường (oC)

Nhiệt độ tâm sảnphẩm

(oC)

Hiệu quả thanhtrùng K tại nhiệt f

độ t

Có Ftt < FCZ nên chưa đạt hiệu quả thanh trùng Nhận xét:

Nếu nhiệt độ cần phải đạt 85°C mới tiêu diệt được hết các vi sinh vật thì phải tăng thời gian thanh trùng thêm:

(với K tại nhiệt độ tâm là 85 độ C là 3,7)f

Suy ra công thức thanh trùng dự kiến

=

Đồ thị động học của quá trình thanh trùng sản phẩm ở 80 C o

0 48 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 104 108 1120

Nhi t đ tâm s n ệộảph m ẩKf