Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt

Báo cáo thí nghiệm truyền nhiệt

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Môn: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt

MỤC LỤC Lời mở đầu

Phần 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số thiết bị truyền nhiệt Giới thiệu về nguồn cấp nhiệt

1. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

2. Thiết bị cô đặc màng

3. Thiết bị cô đặc chân không

4. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản mỏng

5. Thiết bị nồi hai vỏ

6. Thiết bị nồi thanh trùng áp cao

7. Thiết bị thanh trùng liên tục

Lời mở đầu

Thực phẩm là một phần thiết yếu không thể thiếu đối với mỗi con người Ngàynay, từ một nguyên liệu thực phẩm người ta đã chế biến được hàng trăm các sảnphẩm khác nhau, những sản phẩm chế biến này không còn trạng thái củanguyên liệu ban đầu Mỗi quá trình chế biến đều nhằm tạo cho thực phẩm có giátrị sử dụng cao hơn: hoặc về hình thức, hoặc về giá trị khẩu vị, hoặc về giá trịdinh dưỡng Quá trình và thiết bị truyền nhiệt cùng với ứng dụng của chúngđóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng em

đã được học môn quá trình và thiết bị truyền nhiệt Môn học đã giúp cho chúng

em có thêm kiến thức về các thiết bị truyền nhiệt và ứng dụng của chúng ở trongngành công nghệ thực phẩm, được đi thí nghiệm thực tiễn tại xưởng B4 vàphòng C4-5 301 Tại đây chúng em đã được tận mắt quan sát những máy móc,thiết bị mà trước đây chỉ được tưởng tượng qua giáo trình Với 3 buổi thínghiệm chúng em đã được giới thiệu về các thiết bị như: thiết bị thanh trùng ốnglồng ống, thiết bị thanh trùng tấm bản, thiết bị thanh trùng nồi hai vỏ,thiết bị làmlạnh, thiết bị sấy khô ( lò vi sóng )… được tìm hiểu về cấu tạo,mục đích vànguyên lý hoạt động của các thiết bị.Ngoài ra còn được tìm hiểu quan sát chutrình hệ thống lạnh, thực hành trên thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản mỏng Trongbài báo cáo này, em xin được tóm tắt các kiến thức được học và quan sát trongnghững ngày thí nghiệm như dưới đây

P HẦN 1:

T ÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Nguồn cấp nhiệt

Sử dụng thiết bị nồi hơi cung cấp nguồn hơi nước bão hòa

Hình ảnh thiết bị nguồn cấp nhiệt

Mục đích: Tạo nguồn hơi nước bão hòa cung cấp cho các thiết bị truyền nhiệt

bên trong xưởng

Cấu tạo: máy tạo đầu nóng, thùng chứa có hệ thống ống chùm, các van an toàn,

thiết bị lọc nước, ống thủy

Nguyên lý hoạt động: Dầu nóng được bơm từ mấy tạo dầu nóng vào trong hệ

thống ống chùm Nước mềm được bơm từ máy làm mềm nước vào khoang ngoài ống bên trong vỏ thùng chứa Nước được làm nóng-> sôi -> bốc hơi nhờ quả trình truyền nhiệt từ dầu nóng qua vỏ thành ống chùm Hơi nước bão hòa được dẫn truyền qua các đường ống đi vào các thiết bị trong xưởng

1. Thiết bị thanh trùng ống lồng ống.

Hình ảnh: Thiết bị thanh trùng ống lồng ống

Sơ đồ cấu tạo thiết bị ống lồng ống

Mục đích: Thanh trùng sản phẩm ở dạng lỏng nhằm tác dụng tránh sự tiếp xúc,

sinh trưởng hay phát triển của vi khuẩn, tăng thời gian bảo quản của thực phẩm

Cấu tạo: Hệ thống ống lồng ống gốm 2 lớp: lớp trong và lớp ngoài ngăn cách

bởi vỏ ống nhỏ bên trong Hệ thống bơm trục vít, bơm nước, thùng chứa nguyênliệu, thiết bị trao đổi anhiệt hơi và nước Ngoài ra còn có bảng điều khiển, đồng

hồ đo nhiệt độ, áp suất, các van an toàn và van tự đông

Nguyên lý hoạt động: Nguyên liệu được đưa vào thùng chứa rồi được bơm vào

hệ thống ống lồng ống Cùng với quá trình nguyên liệu chuyển động trong hệthống này, mở van hơi cung cấp nhiệt, hơi nóng được đi vào thiết bị trao đổinhiệt cùng với nước để đảo trộn tạo thành dòng lỏng nóng ( chất tải nhiệt ) đitrong khoang ngoài và diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa 2 khoang thông qua bề mặtlớp vỏ ống Sản phẩm thu nhiệt cho tới khi đạt độ nóng cần thiết

Sau đó nguyên liệu đã thanh trùng tiếp tục đi đến hệ thống ống được làm nguộibởi không khí, tiếp tục đến một hệ thống ống lồng ống nhỏ để được làm mátbằng nước lạnh nếu cần thiết rồi đi ra khỏi hệ thống

2.Thiết bị cô đặc màng

Hình : thiết bị cô đặc màng

sơ đồ cô đặc màng

Mục đích: Làm giảm lượng nước trong sản phẩm như sữa, nước trái cây, dịch

đường và dịch khoai tây…

Cấu tạo: Gồm có bình chứa nguyên liệu và bình chứa thành phẩm Phần thiết bị

cô đặc gồm 2 khoang: khoang ngoài chứa hơi nóng, khoang trong chứa sảnphẩm, 2 bơm pittong, 1 bơm chân không, động cơ phun tạo màng, bình nướcngưng, ống thủy

Nguyên lý: Nguyên liệu được đưa vào thùng chứa bằng cách bơm phun từ trên

xuống Hơi nóng sẽ được bơm từ dưới lên vào khoang ngoài Khi động cơ quaytạo lực làm bắn sản phẩm lên thành trong của thiết bị tạo thành những màngmỏng Khoang ngoài của thiết bị chứa hơi nóng sẽ thực hiện quá trình trao đổinhiệt trong thành trong và làm sản phẩm cô đặc lại Hơi thứ được hút chânkhông ra bình ngưng Khi sản phẩm được cô đặc lại sẽ được bơm ra khoangchứa để kiểm tra, nếu sản phẩm chưa đạt yêu cầu tiếp tục lặp lại quá trình chotới khi sản phẩm đạt yêu cầu Quá trình cô đặc được kiểm soát chặt chẽ áp suất,thơi gian, nhiệt độ, độ chân không Ngoài ra thiết bị còn có lọc kí để làm giảm

sự nhiễm khuẩn

Quá trình cô đặc có thể liên tục, bán liên tục hoặc từng bước một

4.Thiết bị cô đặc chân không

Hình ảnh : Thiết bị cô đặc chân không

Sơ đồ nguyên lý

Mục đích: Làm giảm lượng nước trong sản phẩm như sữa, nước trái cây, dịch

đường và dịch khoai tây…

Cấu tạo: gồm khoang nguyên liệu, khoang đun nóng, bình nước ngưng, bơm

chân không, động cơ cánh khuấy Ngoài ra còn phễu chất thơm, bảng điềukhiển, hệ thống van và đường dẫn hơi, dẫn nước, đồng hồ đo áp suất, nhiệt độ,chân không

Nguyên lý hoạt động: nguyên liệu được đưa vào trong khoang đun nóng và

được đảo trộn nhờ động cơ cánh khuấy Hơi nước cấp vào khoang đun nóng,truyền nhiệt qua lớp vỏ khoang trong làm nóng nguyên liệu và xảy ra hiện tượngbốc hơi Phần hơi thoát ra trong khoang nguyên liệu sẽ được chuyển sang binhngưng, sau đó được làm mát và ngưng tụ Để tăng quá trình bốc hơi ta dùngbơm hút chân không để bơm hút hơi, khí và tạo độ chân không Quá trình bốchơi sẽ làm nguyên liệu dần được cô đặc Lấy mẫu sản phẩm qua cửa thử và kiểmtra bằng thiết bị chuyên dùng Có thể bổ sung các chất phụ gia qua phễu chấtthơm Nước ngưng ở bình có thước đo để ta dễ dàng kiểm tra và tháo nước đểtránh tình trạng nước tràn

3. Thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản

Hình ảnh: thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản

Khu vực I: Làm nóng nguyên liệu cho vào

Khu vực II: Làm nóng lại.

Khu vực III: Làm mát nguyên liệu.

Khu vực IV: Làm lạnh.

Mục đích: Nhờ quá trình biến đổi nhiệt đột ngột, liên tục để tiêu diệt bớt các vi

sinh vật gây hại cho sản phẩm hoặc làm hỏng sản phẩm Thiết bị do sử dụngtrao đổi nhệt dạng tẩm bản nên có hiệu quả khi thanh trùng các sản phẩm có độnhớt thấp như nước hoa quả, sữa…

Cấu tạo: gồm có thùng chứa nguyên liệu, bơm hút, đồng hồ đo áp suất, nhiệt

độ, đo lưu lượng, các van điều chỉnh, hệ điều khiên tự động Bộ phận trao đổinhiệt có 3 khoang: nóng, nguội, lạnh

Nguyên lý hoạt động: sản phẩm cần thanh trùng sẽ được chuyển vào thùng chứa

của thiết bị Máy bơm hút sẽ điều chỉnh tốc độ của sản phẩm đi vào Chất tảinhiệt và nguyên liệu cần thanh trùng được đưa và hệ thống tấm bản, do dòngnguyên liệu và chất tải nhiệt đi trong các khe giữa hai tấm bản xen kẽ nhau chonên nhiệt từ dòng chất tải nhiệt được trao đổi cho nguyên liệu, làm tăng nhiệt độcủa nguyên liệu đến nhiệt độ xác định Nếu nhiệt độ sản phẩm chưa đạt yêu cầu

sẽ được hồi lưu vào thùng chứa nguyên liệu để tiến hành làm nóng lại cho đếnkhi đạt nhiệt độ yêu cầu, van hồi lưu sẽ tự động mở, nguyên liệu sẽ được đưa tớithùng chứa

5. Thiết bị nồi hai vỏ

Hình : Thiết bị nồi 2 vỏ

Sơ đồ thiết bị

Mục đích: thanh trùng giữ màu và tạo độ đều, độ mịn cho sản phẩm, đun nóng ở

nhiệt độ thấp 50-600C

Cấu tạo: Gồm có động cơ cánh khuấy, hệ thống đồng hồ chỉ áp suất, nhiệt độ ;

hệ thống van xả hơi, ổn áp… Thân thiết bị gồm 2 khoang: khoang trong chứasản phẩm, khoang ngoài chứa hơi

Nguyên lý hoạt động: Sản phẩm sau khi chà được đưa vào thiết bị nồi 2 vỏ Khi

thiết bị hoạt động, khoang hơi sẽ làm nóng sản phẩm, kết hợp với sự hoạt độngcủa động cơ cánh khuấy, sản phẩm sẽ được nóng đều.Tiến hành rót sản phẩm rangoài bằng cần rót

6. Thiết bị nồi thanh trùng áp cao

Mục đích: Vô trùng các sản phẩm, tiêu điệt vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các

sản phẩm thịt, cá…, các dụng cụ, đồ dùng phòng thí nghiệm… Quá trình tiến hành trong áp suất cao ở nhiệt độ lớn hơn 1000C

Cấu tạo: gồm khoang chứa sản phẩm cần vô trùng, hệ thống đồng hồ đo áp suất,

nhiệt độ, hệ thống van hơi, van xả an toàn, vít chốt chặt nắp Thân trong có giá

Nguyên lý hoạt động: Sản phẩm thanh trùng được xếp vào giá trong rồi đậy nắp

lại Hơi được cấp vào trong thiết bị với một áp suất nhất định ( tương ứng với

nhiệt độ ta cần vô trùng) Máy ngừng cấp hơi, nhiệt khi môi trường bên trong

đạt nhiệt độ yêu cầu Thông thường nhiệt độ càng cao thời gian thanh trùng càng

ngắn và ngược lại Sau khi thanh trùng hạ nhiệt độ từ từ tránh làm hỏng bao bì,

vỡ sản phẩm…

7. Thiết bị thanh trùng liên tục

Hình : Thiết bị thanh trùng liên tục

Mục đích: Thanh trùng sản phẩm sau khi đóng chai, chống lại sự xâm nhập của

vi sinh vật có hại nhằm bảo quản được lâu

Cấu tạo: gồm 2 khoang chưa nước: khoang nóng thanh trùng, khoanh lạnh để

áp suất Ngoài ra còn có hệ thống đường dây dẫn, ống xả, bảng điều khiển, van

xả tự động, van cấp hơi, giơle tự ngắt

Nguyên lý hoạt động: Sản phẩm sau khi đóng chai được đặt trên bề mặt băng

tải Quá trình thanh trùng diễn ra theo các bước sau:

1. Thanh trùng: nước nóng được làm nóng tới 95-980C bằng hơi nước Nướcchứa trong bồn và được bơm phun bằng mấy bơm ly tâm Quá trình được kiểm soát bằng hệ thống điều khiển

2. Tiền làm mát: Nước nóng tầm 600C được phun vào sản phẩm sao bước 1, nhằm tránh rạn nứt bao bì do thay đổi nhiệt độ quá nhanh Quá trình có thể điều khiển bằng tay

3. Làm mát: Sản phẩm sau bước 2 được làm nguội bằng nước lạnh

8. Thiết bị ống xoắn ruột gà

Hình: Thiết bị ống xoắn ruột gà

Mục đích: truyền nhiệt, làm nóng sản phẩm cần gia nhiệt.

Cấu tạo: ống xoắn theo hình ren ốc, giá đỡ, thùng chứa…

Nguyên lý hoạt động: Khi làm việc một chất tải nhiệt đi trong ống, một chất đi

ngoài ống truyền nhiệt qua vỏ ống

9. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Hình: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Mục đích: gia nhiệt làm nóng các sản phẩm thực phẩm.

Cấu tạo: Vỏ hình trụ, các ống truyền nhiệt, lưới đỡ ống, đáy thiết bị.

Nguyên lý hoạt động: 2 khoang: khoang chất lỏng đi trong ống và khoang bên

ngoài ống truyền nhiệt và bên trong vỏ Sự truyền nhiệt qua bề mặt vỏ các ống nhỏ Khoang ngoài thường có vách ngăn để tăng quá trình cháy rối nâng cao hiệu suất truyền nhiệt khi muốn tạo dòng tăng thời gian tiếp xúc nhiệt người ta thường thiết kế vách ngăn ở 2 đầu chùm ống tạo lối cho chất lỏng đi vào trong ống

10. Thiết bị đun nóng trục vít

Sơ đồ 1-vỏ bảo ôn; 2-khoang chứa chất tải nhiệt; 3-trục vít; 4-ống dẫn nguyên liệu vào

Mục đích: Phá vờ liên kết phân tử nhờ quá trình gia nhiệt, áp lực nhằmtăng

năng suất cho các bước tiếp theo

Cấu tạo: Thiết bị gồm 2 khoang: khoang chứa nguyên liệu, khoang chứa hơi và

lớp vỏ cách nhiệt Động cơ, hệ thống trục vít, hệ thống van hơi, phễu chonguyên liệu vào, bảng điều khiển

Nguyên lý hoạt động: nguyên liêu qua phễu truyền vào trong nhờ hệ thống vít

tải dẫn và đảo trộn Khoang ngoài chứa hơi cấp nhiệt làm nóng nguyên liệu ởkhoang trong nhờ sự truyền nhiệt qua lớp vỏ của khoang trong Lớp vỏ bảo ôngiúp giảm thất thoát nhiệt truyền ra ngoài môi trường Sau khi được đảo trộnđun nóng nguyên liệu đi ra ngoài qua ống dẫn

PHẦN 2: THÍ NGHIỆM VỀ CHU TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH

+ Giàn nóng: giàn ngưng tụ ( GNT )

+ Giàn lạnh: giàn bay hơi (GBH)

+ Máy nén (MN)

+ Van tiết lưu (TL)

- Chảy bên trong hệ thống là môi chất lạnh (là những chất có khả năngngưng tự ở nhiệt độ thường, có khả năng bay hơi ở nhiệt độ thấp, áp suấtngưng tụ không cao Ở điều kiện thường, môi chất lạnh ở dạng khí.

- Môi chất lạnh ở dạng khí được máy nén,nén đến áp suất ngưng tụ, sau

đó cho đi qua thiết bị trao đổi nhiệt giàn nóng ( hay còn được gọi là giànngưng tụ ) để làm mát Khi đó môi chất được ngưng tụ lại hoàn toàn ởdạng lỏng (đây gọi là quá trình tỏa nhiệt) Tiếp theo, môi chất ở dạng lỏng

đi qua van tiết lưu để điều chỉnh lưu lượng, giảm áp Sau đó, tiếp tục điqua giàn lạnh (hay còn gọi là giàn bay hơi) hóa hơi (đây là quá trình thunhiệt).Hơi sau đó tiếp tục tuần hoàn đi vào máy nén

-Từ biểu đồ chu trình làm lạnh :

Quá trình 1 – 2: hơi qua nhiệt được cấp vào máy nén, tại đó áp suất tăng

lên,tăng đến áp suất ngưng tụ Nhiệt độ cũng tăng lên,vì một phần nănglượng đưa vào máy nén đã chuyển sang môi chất lạnh Quá trình nén là quátrình đoạn nhiệt

Quá trình 2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ Khi

quá nghiệt áp suất cao từ máy nén vào bình ngưng tụ.Bộ phận này khử quánhiệt khí trước khi quay trở lại dạng lỏng.Quy trình này thường sử dụngkhông khí hoặc nước để làm mát Tại bình chứa chất lỏng và hệ thốngống,nhiệt độ sẽ giảm thêm và dung dịch môi chất lạnh được làm mát sơ bộtrước khi đi vào van tiết lưu

Quá trình 3 – 4: dung dịch đã được làm mát sơ bộ trước khi đi vào van tiết

lưu Thiết bị này giúp giảm áp suất chất lỏng và điểu chỉnh lưu lượng chấtlỏng đi vào thiết bị bay hơi.Đây là quá trình tiết lưu đẳng entanpi

Quá trình 4 – 1: Môi chất lỏng áp suất thấp đưa vào thiết bị bay hơi Tại

đây,môi chất lỏng hấp thụ nhiệt từ môi trường ( thường là không khí,nướchay chất lỏng khác ) Quá trình này,nó thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí

và sẽ bị quá nhiệt tại đầu ra của thiết bị bay hơi Đây là quá trình bay hơiđẳng nhiệt

- Nguyên lý làm việc: với điều kiện chân không, máy phát vi sóng phát vi

sóng đi vào trong buồng nóng với tần số 2,45 GHz Tại buồng nóng sóng,sóng truyền thẳng hoặc va đập vào thành của lò Bên trong lò nguyên liệuđược quay tròn và nguyên liệu bị hút nước do năng lượng truyền từ vi sóng

ra và có thể làm cho hơi nước từ trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóngdưới nhiệt độ thấp Vì vậy,nguyên liệu được sấy khô theo đúng yêu cầu

PHẦN 3: THÍ NGHIỆM VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNG THIẾT BỊ

DẠNG BẢN MỎNG

I. Thí nghiệm:

Nguyên liệu thí nghiệm: Nước

Bước 1: Đặt chế độ máy lạnh: Công tắc

1 để ở chế độ ‘Cooling’; Công tắc 2 để ở chế độ ‘Manual’; Đặt nhiệt độ nước lạnh ở 1oC

Bước 2: Khởi động máy lạnh: Bật công

tắc nguồn sang ‘ON’

Bước 3: Mở van cấp nguồn lạnh Điều chỉnh van lưu lượng nước lạnh ở

1,5 l/phút

Bước 4: Khởi động thiết bị trao

đổi nhiệt: Bật công tắc nguồn; Nhấn nút ‘Plan start’

Bước 5: Lấy nước vào đầy thùng

chứa

Bước 6: Khởi động bơm sản

phẩm: Bật công tắc

‘Product pump’ sang vị trí

‘On’; điều chỉnh van lưu lượng bơm 200 lit/h

Bước 7: Theo dõi các đồng hồ đo nhiệt độ nước vào và ra của hai dòng

nguồn nóng và lạnh cho đến khi ổn định

Bước 8: Ghi số liệu thí nghiệm: Ghi nhiệt độ nước vào và ra và lưu lượng

Bước 9: Tắt bơm sản phẩm.

Bước 10: Lặp lại thí nghiệm hai lần từ bước 5 đến 9.

Bước 11: Tắt hệ thống

BẢNG KẾT QUẢ ĐO THÍ NGHIỆM

(Nhiệt độ cá nguồn theo 0C)

II. Tính toán:

Các số liệu cho trước:

Diện tích truyền nhiệt: F = 480000 mm2

Chiều cao vách truyền nhiệt: H = 400 mm

Bề rộng vách truyền nhiệt: b = 120 mmChiều dày vách truyền nhiệt δ = 0.5 mmKhoảng cách giữa hai tấm truyền nhiệt: a = 5mmNhiệt dung riêng của nước nguồn nóng: CN = 4180 J/kg.0CNhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: CL =4209 J/kg.0C

Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt (tra cho thép Crom-Niken):

λ = 17,4 W/m.0C

hệ số dẫn nhiêt của nước nguồn nóng: λ’ =0,6 W/m.0C

Khối lượng riêng của nước: ρ = 996kg/m²