Báo cáo đo lường và điều khiển các quá trình thiết bị trong công nghệ sinh học, công nghệ thực phẩm

- Cấu tạo : Thiết bị gồm hai khoang, khoang ngoài chứa nước nóng có tác dụng cấp nhiệt,, khoang trong chứa sản phẩm, hệ thống động cơ cánh khuấy.. Nhờ sự trao đổi nhiệt giữa hai khoang,

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Bộ môn máy và tự động hóa các thiết bị trong CNSH-CNTP

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN HỌC: Kỹ thuật đo lường và điều khiển các quá trình thiết bị

BÀI 1: CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG:

1 Thùng ổn nhiệt có đảo trộn.

Hình 3.2 : thiết bị ổn nhiệt có đảo trộn

- Mục đích : giữ ổn định nhiệt độ sản phẩm tại một nhiệt độ nhất định

Làm nóng tăng độ hòa tan, làm đều nguyên liệu

- Cấu tạo :

Thiết bị gồm hai khoang, khoang ngoài chứa nước nóng có tác dụng cấp nhiệt,, khoang trong chứa sản phẩm, hệ thống động cơ cánh khuấy Ngoài ra còn có bơm, hệ thống van tự động, bình gia nhiệt, bình ngưng,

hệ thống bảng điều khiển,ống dẫn

- Nguyên lý hoạt động :

Nguyên liệu được đưa vào khoang chứa nguyên liệu, cung cấp hơi đun nóng nước và bơm vào khoang cấp nhiệt Nhờ sự trao đổi nhiệt giữa hai khoang, nguyên liệu được làm nóng, động cơ hoạt động làm quay cánh khuấy, giúp nguyên liệu được nóng đều.Nước nóng sẽ được tuần hoàn để đảm bảo cung cấp nhiệt ổn định cho nguyên liệu.Nhiệt độ nước nóng sẽ được điều chỉnh nhờ van đóng mở tự động Tùy theo yêu cầu của các loạinguyên liệu mà có thể cho thêm vào gia vị, phụ gia khác nhau, sau khi kết thúc quá trình, nguyên liệu được tháo ra ở van xả dưới đáy

- Đo lường và điều khiển :

Nhiệt độ là thông số công nghệ chính.Qua bảng điều khiển ta thiết lập giátrị mong muốn của nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu của nhiệt

độ trong nồi đo được về bộ điều khiển từ đó quyết định độ mở của van hơi

2 Máy nghiền.

Hình 3.2 : máy nghiền

1 Vỏ nghiền thiết bị 4 Cửa máy nghiền

2 Đĩa quay 5 Trục động cơ

3 Cánh nghiền 6 Má nghiền

- Mục đích : nguyên liệu sẽ được làm nhỏ trước khi thực hiện các công

đoạn tiếp theo

- Cấu tạo : gồm 1 động cơ gắn liền với trục có cánh nghiền trong khoang

nghiền có cánh nghiền và má nghiền, ngoài ra còn có bảng hệ thống điều khiển và đường ống dẫn nước để vệ sinh thiết bị

- Nguyên lý hoạt động : nguyên liệu sau khi được rửa sạch , ( nguyên liệu

có kích thước lớn thì thái trên cửa nghiền của thiết bị nghiền Nhờ động

cơ có cánh nghiền, nguyên liệu được băm miếng thích hợp) được đưa đếncửa nghiền và ép vào má nghiền Qua các lỗ nhỏ trên má nghiền, nguyênliệu ra ngoài theo cửa ra ở phía dưới vào phễu của thiết bị đun

-3 Thiết bị gia nhiệt trục vít

Hình 1 : thiết bị gia nhiệt trục vít

- Mục đích : phá vỡ các liên kết cơ bản trong nguyên liệu làm nhuyễn

nguyên liệu, tiêu diệt bớt vi sinh vật, giữ màu, giúp gia nhiệt chonguyên liệu để tiến hành các dễ dàng hơn các thao tác và công đoạnphía sau

- Cấu tạo : Gốm có động cơ, hệ thống trục vít, hệ thống điều khiển van hơi

( bằng tay và tự động ), van ổn áp.Thân thiết bị gồm 2 khoang, khoangtrong chứa nguyên liệu, khoang ngoài chứa hơi, có lớp vỏ cách nhiệt.Ngoài ra còn có phễu cho nguyên liệu vào, bảng điều khiển, đồng hồchỉ áp suất, áp lực…

1 Nguyên liệu vào

2 Hơi nước vào

3 Hơi nước ra

4 Nước vệ sinh vào

5 Nước vệ sinh ra

6 Lớp cách nhiệt

7 Lớp áo hơi gia nhiệt

8 Sản phẩm sau khi gia nhiệt

- Nguyên lý họat động : Hệ thống van hơi được đưa vào trong khoang

giữa đến khoảng nhiệt độ yêu cầu thì đóng van lại Nguyên liệu sau khiđược nghiền sẽ qua phễu và vào khoang trong của thiết bị Nhờ hệthống trục vít, nguyên liệu được dẫn và đảo trộn Khoang ngoài chứahơi cấp nhiệt nên sẽ làm nóng nguyên liệu ở khoang trong Nguyên liệusau khi được đun nóng và đảo trộn sẽ được đưa ra ngoài qua cửa ra củathiết bị theo chiều vít xoắn

4 Máy thanh trùng liên tục.

Hình 3.4 : máy thanh trùng liên tục

- Mục đich : thanh trùng sản phẩm sau khi đóng chai, chống lại sự sâm

nhập của vi sinh vật , kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

- Cấu tạo : Gồm 3 khoang chứa nước: khoang nóng thanh trùng 900 C vàkhoang nước ấm 50−550 C để giảm nhiệt, và khoang làm mát chứa nướcthường, động cơ của băng tải sản phẩm, hệ thống vòi phun, bơm, đồng

hồ chỉ nhiệt độ, áp suất… Ngoài ra còn có hệ thống đường dây dẫn, ống

xả, bảng điều khiển, van xả tự động và van cấp hơi, giơle tự ngắt…

- Nguyên lý hoạt động : Nhờ bơm, nước được bơm đầy vào các khoang,

mở van hơi bằng tay và tự động để hơi nước sục vào trong khoang chứanước nóng đến nhiệt độ cần thiết, ta đóng van tay lại , van tự động mở

để nó tự động điều chỉnh nhiệt độ Mở nhỏ đường hơi sang khoangnước ấm đến nhiệt độ 50 - 550C ta đóng van lại Sản phẩm thanh trùngđược đưa vào đầu băng tải nhờ động cơ băng tải đi vào trong khoangnước nóng nhờ hệ thống bơm và vòi phun nước nóng được phun đềulên sản phẩm Thời gian thanh trùng phụ thuộc vào từng loại sản phẩm.Tiếp đó hệ thống băng tải chạy, đưa phần sản phẩm này tiếp tục đếnkhoang nước làm ấm Nước ấm được đưa lên vòi phun nhờ bơm và làmgiảm bớt nhiệt độ của sản phẩm, tăng thời gian thanh trùng và tránhhiện tượng rạn nứt trai do nhiệt độ giảm nhanh đột ngột trước khi sangkhoang nước thường Tại đây sản phẩm được làm nguội trước khi theobằng chuyền ra ngoài Kết thúc quá trình thanh trùng, phần hơi đượcchuyển ra ngoài qua ống xả

5 Nồi hai vỏ.

Hình 3.5 : thiết bị nồi nấu hai vỏ

- Mục đích : gia nhiệt cho sản phẩm, giữ màu và tạo độ đều, độ mịn cho

sản phẩm

- 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 chứa sản 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 hợpvới sự hoạt động của động cơ cánh khuấy, sản phẩm sẽ được nóng đều.Tiến hành rót sản phẩm ra ngoài bằng cần rót

6 Thiết bị cô đặc chân không

Hình 3.6 : thiết bị cô đặc chân không

- Mục đích : làm giảm lượng nước trong sản phẩm mà nhiệt độ quá cao

không giữ được nguyên chất lượng thành phẩm Dùng cho những sản phẩm yêu cầu nhiệt độ chế biến không quá cao ( 60−70 0C)

- Cấu tạo : Gồm khoang đun nóng nguyên liệu, khoang nước ngưng, bơm

chân không, động cơ cánh khuấy Ngoài ra còn có phễu chất thơm, bảngđiều khiển, hệ thống van và đường dẫn hơi, dẫn nước, đồng hồ đo ápsuất, nhiệt độ, chân không…

- Nguyên lý hoạt động : nguyên liệu được đưa vào khoang đun nóng nhờ

sự chênh lệch áp suất chân không trong khoang và áp suất khí quyển bênngoài, và được đảo trộn nhờ động cơ cánh khuấy Hơi được cấp vàokhoang đun nóng, làm sôi nguyên liệu đến hiện tượng bốc hơi Phần hơinước sẽ được hút sang khoang ngưng, sau đó được làm mát và ngưng tụ

Để tăng hiệu suất bốc hơi ta dùng bơm hút chân không để bơm hút hơi,khí và tạo độ chân không Để đảm bảo cho quá trình cô đặc thì nhiệt độphải giữ ở khoảng 60−70 0C, tránh nhiệt độ quá cao sản phẩm bị hút theođường hơi Quá trình bốc hơi sẽ làm nguyên liệu dần bị cô đặc Lấy mẫusản phẩm qua cửa thử và kiểm tra độ cô đặc bằng thiết bị chuyên dùng.

Có thể bổ xung thêm chất phụ gia qua phễu chất thơm Nước ngưng ởbình có thước đo để ta dễ dàng kiểm tra và tháo nước ngưng tránh hiệntượng bị tràn

Khi lấy sản phẩm phải tiến hành ngừng cấp hơi, mở van xả áp tăng ápsuất bên trong thiết bị cho bằng với áp suất bên ngoài.Mở van xả đáythiết bị, sản phẩm sẽ tự động chảy xuống

Các thiết bị đo lường và điều khiển tự động

- Thiết bị đo và hiển thị tại chỗ : nhiệt kế giãn nở được cố định ở vỏ thiết

bị phần chân cắm vào dung dich ( có vỏ bảo vệ) để xác định nhiệt độ củadung dịch Dải đo của thiết bị từ 0−1200C, thang đo là 20C

- Thiết bị đo áp suất :

+ áp kế chân không : đo áp suất chân không bên trong buồng cô đặc,được cố định phía bên trên của buồng bốc Dải đo từ -1 – 1,5 Bar, thang

Hình 3.7 thiết bị thanh trùng ống lồng ống

- Mục đích : thanh trùng sản phẩm ở dạng lỏng, tiêu diệt vi sinh vật, gia nhiệt cho sản phẩm

- Cấu tạo : Hệ thống ống lồng ống gốm 2 lớp: lớp ngoài là nhiệt, lớp trong

là nguyên liệu Hệ thống bơm trục vít, bơm nước, thùng chứa nguyên liệu, thiết bị đảo trộn 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…

Thiết bị điều khiển gồm có :

- Bảng điều khiển, 2 bộ điều khiển tự động,bộ chuyển đổi điện khí, cảm biến, đồng hồ đo nhiệt tại chỗ, đồng hồ đo áp suất, các van an toàn,và 2 van tự động ổn đinh nhiệt độ Thiết bị đo này có một bộ điều chỉnh nhiệt

độ tư động để ổn định nhiệt độ thanh trùng và nhiệt độ làm nóng

D : đồng hồ đo nhiệt độ : nhiệt độ đầu ra của thanh trùng

G : đồng hồ đo nhiệt độ nguội

E : bộ điều khiển nhiệt độ thanh trùng

F : bộ thanh trùng nhiệt độ ra của sản phẩm

H : bộ điều chỉnh nhiệt độ

- Cảm biến mức để khi nào đầy thì không bơm nữa

- Các van sử dụng là van màng, nếu không có thể sử dụng van nào đó mà

có thể dễ dàng điều chỉnh độ mở

- Áp suất điều khiển để tác động vào van màng này để cho nó hoạt động từ0,2-1bar

- Độ mở của van là từ 0-100% tuyến tính phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển.

- Cảm biến đo nhiệt điện trở đưa về bộ điều khiển cũng là tín hiệu điện nhưng có bộ chuyển đổi điện –khí chuyển 4-20mA thành 0,2-1bar

- Bộ điều khiển tự động biến đổi ra tín hiệu điện, tín hiệu điện biến đổi ra tín hiệu khí nén, tín hiệu khí nén đó đưa áp suất về van bắt van đó dừng ở

vị trí mà theo tín hiệu điều khiển

Nguyên lý hoạt động: dung dịch chạy trong ống nhỏ bên ngoài khoảng

không gian giữa 2 ống là tác nhân nhiệt Nhiệt này do ta đặt Quá trình gồm 2 giai đoạn : thanh trùng và làm nguội

Nguyên liệu được đưa vào thùng chứa rồi được bơm vào hệ thống ống lồng ống Bao gồm 3 quá trình :trao đổi nhiệt với nước nóng ở 8 ống, lưu nhiệt,trao đổi nhiệt với nước thường ở 2 ống Quá trình nguyên liệu chuyển động trong hệ thống này,, mở van hơi cung cấp nhiệt Sự thay đổinhiệt giữa 2 khoang thông qua bề mặt lớp vỏ ống sẽ sảy ra Sản phẩm thunhiệt cho tới khi đạt độ nóng cần thiết sẽ được lấy ra ở cuối đường ống Nếu sản phẩm chưa đạt yêu cầu sẽ được hồi lưu về thùng chứa để tiến hành làm nóng lại.Nhờ quá trình thay đổi nhiệt độ đột ngột và quá trình lưu nhiệt ở thời gian dài ở nhiệt độ nóng nên nhiều VSV có hại và gây bệnh bị tiêu diệt

8 Thiết bị cô đặc màng.

Hình 3.8 : thiết bị cô đặc màng

- Cấu tạo : gồm có bình chứa nguyên liệu và bình chứa thành phẩm, thiết

bị cô đặc gồm 2 khoang : khoang ngoài chứa hơi nóng, khoang trong chứa sản phẩm, 2 bơm pittong, 1 bơm chân không, động cơ tạo màng, bình nước ngưng, ống thủy Ngoài ra còn có bảng điều khiển và hệ thống các van hơi, van nước, van điều chỉnh chân không

- Nguyên lý hoạt động : nguyên liệu đi từ bình chứa vào thiết bị cô đặc

màng nhờ bơm1.động cơ cánh khuấy quay với tốc độ cao làm cho

khoang ngoài chứa hơi nóng làm cho nguyên liệu được cô đặc, hơi nước bốc lên theo đường hơi sang bình ngưng và được làm lạnh Nguyên liệu sau khi cô đặc một phần được đưa ra đến thiết bị kiểm tra độ cô đặc Đồng thơi ra mở van để sản phẩm đi vào thùng chứa thành phẩm

- Thiết bị có rất nhiều cảm biến nhiệt độ và áp suất để thu được các thông

số hoạt động từ đó có thể điều chỉnh quá trình cô đặc sao cho phù hợp Quan trọng nhất là các bộ phận cảm biến có chức năng điều khiển TIC1 điều khiển lượng hơi cấp cho quá trình cô đặc từ đó điều khiển nhiệt độ quá trình cô đặc Cảm biến tốc độ động cơ cánh tạo màng để có thể điều chỉnh tốc độ phù hợp

9 Hệ thống CIP

Hình 3.9 hệ thống CIP

Là hệ thống vệ sinh tẩy rửa thiết bị mà không cần thảo lắp thiết bị.Ngoài

ra hệ thống còn có thể thanh trùng, tiệt trùng cho các thiết bị nhờ sử dụngdung dịch hóa chất

Ưu điểm : + không phải tháo lắp thiết bị

+ rửa ở những vị trí rửa mà bằng phương pháp rửa thông thường khó rửa

+ giảm nguy cơ lây nhiễm hóa học

+ giảm sự can thiệp thủ công và thời gian làm sạch

+cải thiện chất lượng và kéo dài tuổi thọ sản phẩm

- Cấu tạo : hệ thống CIP ( clean in place ) có cấu tạo gồm 3 thùng chứa

dung dịch axit(HNO3), kiềm( NaOH), nước vô trùng Các thùng này đều

có hệ thống dẫn tới máy bơm để có thể vận chuyển 3 loại dung dịch trên vào cùng 1 đường ống tới các thiết bị khác Cùng với thiết bị gia nhiệt cho dung dịch làm sạch và đầu phun dung dịch trong các thiết bị

- Nguyên lý hoạt động : tùy theo hệ thống CIP yêu cầu, và loại thiết bị mà

hệ thống CIP được vận hành khác nhau

Nguyên lý chung : đầu tiên hệ thống bơm nước nóng để rửa sơ bộ cho thiết bị, sau đó sẽ lần lượt cho chạy các máy bơm để bơm dung dịch axit, kiềm, nước tới thiết bị Các dung dịch tẩy rửa đều được đun nóng trước khi đưa đến các thiết bị cần làm sạch nên hệ thống có 1 bộ cảm biến nhiệt

độ có chức năng điều khiển độ giãn nở của van cấp hơi gia nhiệt Bộ cảmbiến chuyển tín hiệu điện sang áp suất để điều chỉnh áp suất của van màng, thay đổi độ mở của van

BÀI 2: ĐO LƯỜNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ( NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT)

Tìm hiểu một số thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

1 Đo nhiệt độ

- Nhiệt độ : đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng, lạnh của vật chất.

- Thiết bị đo : nhiệt kế

- Dung dịch là chất lỏng, thường là thủy ngân Yêu cầu khi đo, dung dịch

bên trong tồn tại ở trạng thái lỏng không được sôi

+ Hg áp suất thường ở trạng thái lỏng từ - 38 0C - >357 0C

+khi đo ở nhiệt độ cao hơn -> tăng áp suất -> nhiệt độ sôi cao lên -> sử dụng bơm khí trơ

+Hg không dính vào thủy tinh khi dâng lên hay hạ xuống

 Nhiệt kế thủy tinh có

- Ưu điểm : đơn giản

- Nhược điểm : độ bền cơ học kém, không truyền được tín hiệu đi xa.Khắc phục : Hg dẫn điện -> lắp cặp tiếp điểm -> khi Hg dẫn lên đóng mạch ( nhiệt kế tiếp xúc ) ->đóng ngắt mạch tín hiệu

1.2/ Nhiệt kế ống kim loại (phương pháp dãn nở nhiệt):

 Nguyên lý : Khi nhiệt độ thay đổi, do hệ sỗ dãn nở khác nhau của ống và thỏi, tay quay cùng với kim gắn vào nó sẽ quay quanh trục, ta đọc đượcn giá trị nhiệt độ theo thang đo

 Cấu tạo : Gồm 1 ống được hàn kín từ 1 phía, được chế tạo từ vật liệu có hệ

số dãn nở dài lớn (diura, nhôm, đồng) Ống dược đặt vào môi trường cần đo nhiệt độ Trong ống đặt 1 thỏi có hệ số dãn nở nhiệt nhỏ ( thạch anh, sứ) ép chặt vào đáy ống dưới tác dụng của lò xo, tay quay

 Ưu điểm: bền , ứng dụng chủ yếu trong cơ cấu cảnh báo và tự động điều chỉnh, bù ảnh hưởng của môi trương xung quanh tới chỉ thịu của dụng cụ đo.

 Nhược điểm: Độ chính xác không cao, lắp theo dõi tại chỗ

1.3/Cặp nhiệt( phương pháp suất nhiệt điện động )

 Nguyên lý : dựa trên nguyên lý nếu có hai sợi dây kim loại có bản chất khác nhau được hàn với nhau thì khi đốt nóng một đầu hàn -> xuất hiện dòng điện-> trong mạch xuất hiện một xuất điện động do nhiệt tạo ra (suất nhiệt điện động) nguyên lý đúng cho n dây

Phải có sự chênh lêch nhiệt độ giữa các sợi dây trong 2 dây : 1 dây có dòng điện chạy từ cực nóng -> cực nguội ( dây A +) dây có dòng điện chạy từ cực nguôi -> cực nóng ( dây B -)

 Sơ đồ đo : A 4

1 2 3

B

1 : mối hàn , 2 : cực ; 3 : dây nối tín hiệu ;

4 :dụng cụ đo suất điện động( mv – sđ e <50mv)+ dây nối : thường thấy dây trên giống dây A, dây dưới giống dây B.nhưng đi xa thì đắt -> dây 3 được gọi là cặp dây bù A’B’

+sđđ EAB (t,t0) = eAB (t) – eAB(t0) = f(t) – f(t0)

 Sợi dây bù có đường đặc tính sđđ trùng với AB ở dải nhiệt độ thấp trong môi trường không khí

A’ : dây đồngB’ : hợp kim pha chế sao cho cùng với dây đồng tạo ra sđđ trùng với

 Bản chất : dựa vào sự phụ thuộc vảu điện trở dây dẫn với nhiệt độ

- Đối với kim loại : nhiệt độ tăng -> R tăng đặc tính ổn định có thể lắp lẫn được