Quy trình bể sản xuất kem

Quy trình bể sản xuất kem

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Giới thiệu chung về kem :

Kem là sản phẩm chủ yếu của sữa với các phụ gia Có nhiều lọai kem khác nhau như : kem thường, kem sữa, kem hoa quả, kem trứng, kem váng sữa, kem dầu thơm…Thành phần của kem được thêm các chất khác nhau như bột cacao, sôcôla, hoa quả và các loại tinh dầu thơm… Tên của kem cũng nói lên thành phần chủ yếu của kem như: kem sữa đậu xanh, kem sữa sôcôla, kem váng sữa cà phê, kem sữa hồ đào, kem táo, kem mơ, kem dừa…

Ngoài ra kem được phân loại theo hình dạng và phương pháp chế biến như : kem que, kem gói, kem cốc, kem bát,…

Bảng thành phần chủ yếu và giá trị dinh dưỡng của 1 số loại kem :

Thành phần

cơ bản của

kem

Chất béo từ sữa (không nhỏ hơn) %

Đường (không nhỏ hơn), %

Thành phần khô trong sữa , %

Tổng thành phần khô, %

Lượng calo, kcal/kg kem Kem sữa :

- Trong máy lạnh đông, hỗn hợp được nhào trộn để không khí lẫn vào hỗn hợp dưới dạng bọt khí li ti Sau khi nhào trộn và kết đông thể tích hỗn hợp tăng từ 80 đến 100%, đồng thời nhiệt độ giảm đến -5°C trong đó 30% nước đã hóa băng Hỗn

hợp này được gọi là kem xốp Kem xốp được rót vào bao bì, đóng vào hộp, rót thành các suất đều… rồi đưa vào máy kết đông hoặc hầm kết đông để đưa nhiệt độ tâm kem xuống -18°C đến -20°C Quá trình này gọi là làm cứng kem Có thể làm cứng kem đến -25°C và bảo quản đông ở nhiệt độ -25°C đến 35°C

CHƯƠNG II CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Mục đích của việc chọn phương pháp thiết kế là tìm ra được phương án tương đối tốt, phù hợp với các yêu cầu của xí nghiệp, đồng thời phải đảm bảo tính hiệu quả về kinh tế của công trình Vì năng suất kem nhỏ nên phải thiết kế sao cho vận hành đơn giản, dễ dàng, vì vậy tất cả các thiết bị phải gọn nhẹ

I Chọn chất tải lạnh

Trong kỹ thuật lạnh, muốn thực hiện vận tải lạnh từ nơi phát sinh đến nới tiêu thụ, phải

sử dụng những chất tải lạnh Chất tải lạnh có thể ở 3 trạng thái:

 Trạng thái hơi (khí)

 Trạng thái lỏng (thường ở dạng dung dịch)

 Trạng thái rắn

1 Yê u cầu của chất tải lạnh

Chất tải lạnh phải đảm bảo những yêu cầu sau:

 Nhiệt độ đông đặc phải thấp

 Nhiệt dung riêng và khả năng dẫn nhiệt cao

 Độ nhớt và trọng lượng riêng nhỏ

 Không ăn mòn kim loại và các vật liệu khác trong thiết bị

 Không độc hại và không nguy hiểm

 Dễ kiểm, rẻ tiền, dễ bảo quản và dễ vận hành

2 Phân tích tính chất của chất tải lạnh

Sau đây ta sẽ phân tích tính chất cùng ưu nhượt điểm của từng loại chất tải lạnh và đề ra phương án lựu chọn chất tải lạnh cho bể đá khối của ta

2.1.Chất tải lạnh ở thể khí

Đối với chất tải lạnh ở thể khí thì không khí là chất tải lạnh được dùng phổ biến nhất vì

nó có các ưu điểm sau:

 Rẻ tiền, đâu cũng có nhiều

 Dễ vận chuyển vào nơi cần làm lạnh

 Trong các hệ thống thông gió phục vụ cho sinh hoạt, nhà ở …thì không khí là môi trường tải lạnh tốt nhất, do không khí không độc và dễ điều chỉnh tốc độ, lưu lượng

Nhưng không khí có những nhượt điểm sau:

 Hệ số cấp nhiệt quá nhỏ 6 8 Kcal/m2

.h.oC

 Nếu tăng tốc độ vận chuyển của không khí thì hệ số tăng nhưng không đáng

kể

 Khó làm sạch, khó tách vi sinh vật

Các mơi trường tải lạnh khác như: N2, CO2 cũng cĩ các nhược điểm giống khơng khí và các nhược điểm riêng khác Sử dụng chất tải lạnh này thì đắc tiền và phải dùng trong hệ thống kín

2.2.Chất tải lạnh ở thể lỏng

Thường dùng nhất là nước muối

Nước muối cĩ những ưu điểm sau:

 Cĩ hệ số truyền nhiệt lớn: = 200 400 Kcal/m2

cĩ thể làm lạnh đến nhiệt độ -21,2oC và với muối CaCl2 thì cĩ thể đến -55oC Bên cạnh những ưu điểm, dung dịch muối cĩ những nhượt điểm sau:

 Nước muối thấm vào sản phẩm cần làm lạnh, thấm vào dụng cụ thiết bị làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và làm cho thiết bị chĩng bỉ, chĩng mục

 Một số sản phẩm khơng cho phép thấm ướt nên khơng thể dùng mơi trường lỏng

để làm lạnh

 Dung dịch NaCl khi bị bẩn rất khĩ làm sạch, mặt khác dung dịch NaCl tạo thành bọt trào ra ngồi gấy tiêu tốn muối, bẩn, nguy hiểm, hạn chế sự tiếp xúc giữa sản phẩm và mơi trư ờng

Các biện pháp nhằm khắc phục:

 Trong các loại dung dịch muối thì dung dịch CaCl2 nguyên chất cĩ tính ăn mịn kim loại ít nhất Trong thực tế khơng cĩ CaCl2 tinh khiết nên ta cĩ thể hạn chế sự

ăn mịn bằng cách thêm chất chống ăn mịn

Cụ thể như với 1 m3 dung dịch CaCl2 thì dùng 1,6 Kg Na2Cr2O7 ( có thêm 27

Kg NaOH cho 1 Kg Na2Cr2O7 để chuyển bicromat thành cromat trung tính

Thường dùng là đá ướt, đá ,khô Đá ướt gồm đá thiên nhiên và đá nhân tạo Đá khô là tuyết cacbonic

Đá khô được sản xuất từ nhiều nguyên liệu rẻ tiền khác nhau như: khói lò hơi, khí mỏ than, khí CO2 trong công nghiệp lên men rượu, bia, thủy phân gỗ, công nghệ tổng hợp NH3, công nghệ chế biến dầu mỏ…

Đá khô bay hơi không qua trạng thái lỏng ( sự thăng hoa ) nên được ứng dụng thích hợp cho bảo quản nhiều lọai sản phẩm, làm lạnh đông thực phẩm

Nhược điểm cơ bản của đá khô là việc sản xuất nó phức tạp và đắt tiền hơn đá ướt rất nhiều

3 Chọn chất tải lạnh

Qua việc phân tích ở trên ta nhận thất:

 Chất tải lạnh thể khí có hệ số cấp nhiệt quá bé, không thể đáp ứng cho việc sản xuất đá

 Đối với chất tải lạnh rắn nếu dùng ta chỉ có thể dùng được tuyết cacbonic để làm chất tải lạnh (vì các loại chất tải lạnh rắn còn lại đều là đá ) Tuy nhiên tuyết cacbonic sản xuất phức tạp, đắt tiền nên ta cũng không dùng

 Chất tải lạnh lỏng có ưu điểm cơ bản là có hệ số cấp nhiệt khá lớn, có thể đáp ứng tốt cho yêu cầu sản xuất đá Mặt khác hiện nay người ta cũng đã tìm

ra những biện pháp để khắc phục các nhược điểm của chất tải lạnh lỏng như ăn mòn thiết bị, khó làm sạch… Cho nên, việc chọn chất tải lạnh lỏng là hợp lý hơn cả

Trong công nghiệp sản xuất đá cây, người ta thường dùng các loại dung dịch muối sau đây:

Bảng: nhiệt độ đơng đặc của một số dung dịch muối

Số Thứ Tự

Muối hòa tan

Nồng độ

% Khối lượng

Nhiệt độ Đông đặc

MgSO4

23,1 29,9

20

19

-21,2 -55 -35 -9,9

Trong sản xuất, người ta thường chọn nhiệt độ dung dịch chất tải nhiệt thấp hơn nhiệt độ để đơng đá là 5oC, và cao hơn nhiệt độ đĩng băng của dung dịch khoảng 10o

C Nhiệt độ để đơng đá là -5oC, nên nhiệt độ trung bình của chất tải nhiệt là -10oC, và nhiệt độ đơng đặc của dung dịch là -20oC

Cho nên, dung dịch NaCl 23,1% cĩ nhiệt độ đơng đặc là 21,2oC, sẽ thõa điều kiện trên

Ngồi ra do NaCl rẻ tiền và cĩ nhiều trên thị trường nên việc chọn dung dịch NaCl làm chất tải lạnh là hợp lý

II Chọn tác nhân lạnh

Những chu trình nhiệt động của máy lạnh, chủ yếu dựa trên cơ sở biến đổi pha của các đơn chất hoặc hỗn hợp gọi là tác nhân lạnh

1 Yêu cầu đối với tác nhân lạnh

Các yêu cầu đối với tác nhân lạnh được chia ra làm 4 nhóm:

 Các yêu cầu về nhiệt động:

Năng suất lạnh thể tích qv của tác nhân lạnh phải lớn, vì như thế sẽ làm giảm một cách đáng kể các kích thước và trọng lượng của máy nén do thể tích tác nhân lạnh làm việc trong chu trình nhỏ Nhưng yêu cầu đó không phải là bắt buộc khi chọn tác nhân lạnh, vì khi qv tăng thì cũng tăng hiệu số áp suất trong máy lạnh Đó là điều không mong muốn

Aùp suất của tác nhân lạnh ở cuối quá trình nén không được quá lớn, vì rằng áp suất cao sẽ làm phức tạp và nặng nề thiết bị, đồng thời không an toàn

Aùp suất sôi của tác nhân lạnh mong muốn cao hơn áp suất khí quyển để thiết

bị không phải làm việc ở chân không, vì không khí dễ thâm nhập vào hệ thống chân không ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của thiết bị

Hệ số nén

p

p

0

kkhông nên quá lớn để giảm công tiêu hao và kích thước của máy

nén, đồng thời tăng hiệu suất của máy nén

Nhiệt ẩn hóa hơi cần phải lớn để giảm số lượng tác nhân cần luân chuyển trong thiết bị

Nhiệt độ đông đặc của tác nhân lạnh phải thấp để có thể đạt tới nhiệt độ làm lạnh thấp và nhiệt độ tới hạn phải cao để cho hệ số lạnh lớn Trọng lượng riêng và độ nhớt phải nhỏ để giảm tổn thất thủy lực trong đường ống Ngoài ra khi độ nhớt giảm sẽ tăng hệ số trả nhiệt và truyền nhiệt, từ đó sẽ giảm tiêu hao kim loại cho các thiết bị trao đổi nhiệt

 Yêu cầu về hóa lý:

Mong muốn tác nhân lạnh dễ dàng tan trong nước để tránh hiện tượng đóng băng cản trở sự làm việc của hệ thống Ngoài ra nước ở trạng thái tự do có khả năng ăn mòn kim lọai

Tính chất quan trọng của tác nhân lạnh là sự hòa tan của chúng trong dầu Nếu tác nhân lạnh không tan trong dầu, thì chúng dễ tách ra khỏi dầu khi chúng sôi

ở t0 = Const không phụ thuộc vào lượng dầu trong hệ thống Và trên các bề mặt truyền nhiệt sẽ tạo một lớp dầu mỏng, cản trở sự truyền nhiệt Đó là nhược điểm của các loại tác nhân lạnh nói trên

Nếu tác nhân lạnh tan trong dầu thì lớp dầu bám trên bề mặt truyền nhiệt hầu như không còn nữa, điều đó sẽ làm tốt hơn sự truyền nhiệt Nhưng như thế thì rất khó tách dầu ra khỏi thiết bị bốc hơi và sẽ làm tăng nhiệt độ sôi, sự làm việc của máy lạnh sẽ xấu đi rất nhiều

Tác nhân lạnh không được ăn mòn kim lọai và các vật liệu khác của thiết bị Chúng không được dễ cháy và dễ nỗ

Tác nhân lạnh phải có mùi, màu sắc hoặc vài tính chất khác để dễ phát hiện khi bị rò rỉ

 Các yêu cầu về lý sinh:

Các tác nhân lạnh không được độc hại, gây khó thở hoặc làm mờ mắt

 Yêu cầu về kinh tế:

Các tác nhân phải rẻ tiền, không khan hiếm, dễ điều chế và có thể bảo quản được lâu dài

2 Đặc tính một số tác nhân lạnh thường dùng hiện nay

2.1 Amoniac (NH3)

Khí không màu, có mùi hôi khó thở, độc hại đối với cơ thể con người Hàm lượng cho phép của NH3 trong không khí là 0,02 mg/l Ơû hàm lượng lớn hơn sẽ gây khó chịu cho mắt và mũi Ở kéo dài 60 phút trong vùng có nồng độ NH3 0,5 1% có thể gây tử vong Hỗn hợp 16 25% thể tích NH3 với không khí có thể gây nổ Hơi NH3 nhẹ hơn không khí NH3

không ăn mòn kim loại đen, nhôm, nhưng có nước thì ăn mòn các kim loại màu như kẽm,

đồng và hợp kim của Đồng Dễ hòa tan trong nước, cho phép chứa 0,2% nước Ít tan trong dầu

Theo các tính chất nhiệt động thì NH3 là một trong các tác nhân lạnh tốt nhất Aùp suất trong bình ngưng ở điều kiện bình thường không vượt quá 15 at Năng suất lạnh thể tích qv

tương đối lớn

NH3 sử dụng trong các máy lạnh pittông ở tk <= 430C và t0 >= -600C NH3 còn có thể sử dụng trong các máy nén tuabin và roto, đồng thời còn sử dụng trong các máy lạnh hấp thụ cùng với nước tạo thành dung dịch NH3 thường dùng trong các hệ thống máy nước đá có công suất lớn

2.2 Freon 12 (CCl2F2 ) (R12):

Khí không màu, có mùi nhẹ đặt biệt không thể thấy được ở nồng độ nhỏ hơn 20%, nặng hơn không khí 4,18 lần, là một trong những tác nhân lạnh an toàn nhất Không khí có chứa R12 lớn hơn 30% thể tích thì thấy khó thở vì thiếu ôxy Hoàn toàn không nổ, nhưng ở t > 4000 thì rất dễ cháy khi gặp lửa tạo thành các hổn hợp độc hại, cho nên nghiêm cấm hút thuốc hoặc làm việc có lửa ở gần thiết bị freon R12 hòa tan vô cùng trong dầu và có độ hòa tan tăng khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm Không hòa tan trong nước, lượng ẩm chứa trong R12 công nghiệp không được quá 0,0025% trọng lượng, còn R12 trong các tủ lạnh gia đình thì không quá 0,0006% R12 không chứa nước không ăn mòn kim lọai Nó là chất tan rất tốt tất cả các chất hữa cơ Cho nên cao su bình thường không thể sử dụng để làm các chi tiết có tiếp xúc với R12 mà phải dung các loại cao su đặt biệt chịu được xăng dầu

R12 có thể thẩm thấu qua các khe hở rất nhỏ, thậm chí là các lổ mọt gang thông thường Cho nên trong các máy nén freon chỉ có thể sử dụng gang đúc có hạt mịn Năng suất lạnh thể tính của R12<NH3 khi có cùng năng suất lạnh R12 có thể sử dụng trong các máy nén Pittông với bất kỳ năng suất lạnh nào ở tk <= 600 C, đồng thời cũng sử dụng trong máy nén tuabin và roto

2.3 Freon 22 (CHClF2) (R22):

Tác nhân lạnh này độc hại hơn R12, nhưng không nổ, hòa tan vô tận trong dầu chỉ ở nhiệt độ cao (trong bình ngưng), còn ở nhiệt độ thấp thì ít hơn Cho nên khi sôi phần trên của bình bể hơi bị bám một lớp dầu dày R22 dễ dàng thẫm thấu qua các khe hở, không ăn mòn kim loại, ít hòa tan trong nước, cho phép chứa nước không quá 0,0025%

Hệ số tỏa nhiệt khi sôi và ngưng tụ của R22 lớn hơn R12 25 30%, còn qv thì lớn hơn 60% R22 được sử dụng tương đối rộng rãi

3 Chọn tác nhân lạnh:

Vì sản xuất kem quy mơ nhỏ nên ta chọn tác nhân lạnh là R22

III Chọn máy nén :

Máy nén kín là thích hợp nhất do cĩ những ưu điểm :

Rất gọn nhẹ

Cơng suất lạnh lớn so với khối lượng lốc

Chạy điện 1 pha

Mơi chất là R22 cĩ khả năng trao đổi nhiệt lớn, lượng nạp khơng nhiều, năng suất lạnh lớn

Vì phải làm việc trong mơi trường nước muối nên dàn phải làm bằng đồng hoặc thép khơng rỉ

VI Bể nước muối :

Nhiệt độ nước muối của bề kem khoảng 15⁰C

Bể nước muối ở bên trong phải gị bằng tơn kẽm hoặc thép, giữa cách nhiệt bằng stiropo hoặc bơng thủy tinh, vỏ ngồi cĩ thể làm bằng tơn kẽm, thép, ván gỗ hoặc gỗ đán

Nếu bể chưa đủ cứng phải làm gân tăng cứng phía ngồi bằng thép gĩc Các gân tăng cứng cĩ thể hàn chung quanh bể

Chiều cao của bể kem khoảng 400-500mm phù hợp với chiều cao của kem

Nắp bể chỉ cần làm bằng gỗ, khơng cần cách nhiệt để tiện thao tác

VII Cánh khuấy nước muối :

Cánh khuấy nước muối dùng để khuấy trộn và tuần hồn nước muối trong bể Mục đích tăng cường trao đổi nhiệt giữa nước muối và dàn bay hơi, tăng cường trao đổi nhiệt giữa bề mặt khuơn kem và nư ớc muối, làm đồng đều nhiệt độ trong bể nước, làm đồng đều sự đơng kem trong khuơn đặt ở các vị trí khác nhau trong bể

Yêu cầu thiết kế cánh khuấy sao cho cơng suất khuấy là nhỏ nhất nhưng đạt được sự tuần hồn nước muối tốt nhất, nhiệt độ nước muối đồng đều nhất

Cĩ nhiều phương pháp bố trí cánh khuấy nước muối: đặt đứng, đặt nghiêng, dặt nằm ngang

1 Cánh khuấy đặt đứng:

Ưu : Không cần chèn kín, độ đồng đều nước muối khá hơn kiểu khuấy đứng

Nhược : Tốc độ tuần hoàn nước muối không đồng đều, nhiệt độ nước muối cũng không đồng đều Tốn diện tích mặt bể

Phạm vi sử dụng : có thể dùng cho các bể có chiểu sâu nước muối lớn, độ dài và chiều ngang có thể hẹp

CHƯƠNG III TÍNH CHU TRÌNH LẠNH

1 Chọn các thông số kỹ thuật

 Chọn thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh là dàn ngưng giải nhiệt gió

 Nhiệt độ không khí vào : t1 = 37⁰C

 Nhiệt độ không khí ra : t2 = t1 + Δtkk = 37 +8 = 45⁰C

 Nhiệt độ trung bình của nước muối tm = -15oC

 Nhiệt độ bay hơi : tbh = -20⁰C

Năng suất nhiệt riêng

Tỷ số nén 8.75

24.0

1.2

0 0

1.0

152

m KJ

q

v

Kg KJ h

h

Kg KJ h

h

Với: Hệ số cấp nhiệt phía ngoài bể 1 = 23.3 W/m2.độ

Hệ số cấp nhiệt phía trong bể 2 = 813,94 W/m2.độ

1

i cn

cn i i

K

4

1 1

11

1

i i

i cn

94,813

118

.0

003,040

002.040

0015.03.23

123.0

1.047,0

Kiểm tra lại : 0.23

047.0

202.03.231

1

t

b Kiểm tra đọng sương

Hệ số truyền nhiệt động sương thực tế

Với Nhiệt độ không khí bên ngoài bể t1 = 37.3oC

Nhiệt độ trong bể t2 = -15oC

Nhiệt độ đọng sương (tra ở 37.3oC) ts = 32.5oC

Theo trên ta thấy K1 < ks bề mặt bể không đọng sương

Theo kết cấu của bể, bề mặt trong bể là tấm thép, nên kết cấu của tường được cách ẩm hoàn toàn

1.2.Tính cho nền của bể

m

hệ số dẫn nhiệt  W/m.K

t

t t

153.37

5.323.373.2395,0

95

2 1

1 1

4

2

11

i cn

cn i i

i i

i cn

cn

K

Chọn cn = 0,2 m

Hệ số truyền nhiệt K2 với bề dày lớp cách nhiệt vừa mới tính toán ở trên

K2 = 0,22 W/m2.độ ( đúng ) Vậy điều kiện được thỏa mãn Vì mặt ngoài của của đáy bể là nên đất, không tiếp xúc với không khí nên ở đây ta không cần kiểm tra hiện tượng động sương

Tương tự như vách của bể , mặt trong của nền cũng được lót bằng thép, xem như cách ẩm hoàn toàn

2 Tính toán chi phí lạnh cho bể đá

2.1.Kết cấu của bể đá

Năng suất bể kem 700 kg/ngày, đêm

Khối lượng một que kem 80 g

Thời gian đông đá

Trong đó: Nhiệt độ trung bình của nước đá tm = -15⁰C

Chiều rộng khuôn kem bo = 0.03 m (chọn mặt trên của khuôn)

94,813

146,0

1,01,1

1,018,0

005,040

002,023.0

1.047,0

B b b t

A

m

0

0

h

41.0)036,003,0(03,0153120

Hệ số truyền nhiệt của vách k = 0.23 W/m2.độ Diện tích xung quanh của bể F = 1.92 m2

03.03.231

11

11

2 1

= 13741.7 kJ/h

= 3.8 kW Trong đó :

Gkem : Khối lượng 1 mẻ kem i1 : Entanpi của hỗn hợp kem ở nhiệt độ môi trường i2 : Entanpi của hỗn hợp kem ở nhiệt độ khi ra kem

2.4.Nhiệt tổn thất do động cơ cánh khuấy