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

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

cùng 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 chảy

ngược chiều với lưu thể

(d)

Hình 1: Chiều chuyển động của hai dòng lưu thể

Trong 4 trường hợp trên thì hai trường

hợp đầu: 2 dòng lưu thể chảy xuôi chiều 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 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

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 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: Nước

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 mm

Chiều 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.độ

Hệ 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-3 2

Độ nhớt của nước tại nhiệt độ của nước nguồn lạnh (22,33) :

= 1.002 x 10 Ns/m-3 2

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 W

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

= = =

Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: tL = t – t = 45 – 18,6 = 26,4N1 L1

Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tN = t – t = 31,2 – 27,6 = 3,6N2 L2

Nhiệt độ trung bình nguồn lạnh là: = = 23,1

Nhiệt độ trung bình nguồn nóng: =

Hệ số truyền nhiệt thực tế:

.

L tt tb

Q K

: 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 chiều

I.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

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= 9mm

Đường kính trong của ống:dt= 7 mm

Đường kính vòng xoắn:D= 200mm

Đường kính bình trao đổi nhiệt:DB= 250 mm

Chiều cao bình trao đổi nhiệt:H = 310 mm

Bước xoắn của ống ruột gà:x = 22 mm

Chiều dày ốngtruyền nhiệt: = 1mm

Sốvòng xoắn: n = 12

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

Các sốliệu cần tra cứu:

Nhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: = 4178 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: = 4178 J/kg.độ

Hệ 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/m2

Độ 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 °C

Nhiệt độ nguồn lạnh ra: = 26,9°C

Nhiệt độ nguồn nóng vào: = 44°C

Nhiệt 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:

Nu= 0,15 = 1393: tính toán lấy theo nhiệt độ của thành tiếp xúc với lưu thể (

Hệ số tỏa nhiệt trong ống thẳng

= = 3637

Hệ số tỏa nhiệt nguồn nóng và nguồn lạnh bằng cách đo chênh lệch không quá nhiều

==.(1+ 1,77.) = 4087

R là bánh kính cong của vòng xoắn

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:

II Thiết bị, dụng cụ, nguyên liệu

- Thiết bị thanh/ tiệt trùng gián đoạn thực phẩm

- 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, xếp

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

Trong đó:

+ 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 = 85 C o

+ B: Thời gian giữ nhiệt (phút) – trong bài này thực hiện B = 20 phút,

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

của

Flaumenbaum và Điền giá trị K vào số liệu Bảng 1 dưới đây f

K = f

Trong đó:

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

• 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:

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) của

đồ 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/10000

• 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)

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 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 104 108 112 0

Nhi t đ tâm s n ệ ộ ả

ph m ẩ Kf