Tính toán và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt bàn mỏng thanh trùng nước gạo sữa năng suất 1000kgh

Tính toán và thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng thanh trùng nước gạo sữa. Bản chất quá trình thanh trùng, các thiết bị thanh trùng, công nghệ sản xuất sản phẩm nước gạo sữa (sữa gạo), tính toán thiết kế.

MỤC LỤC

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU

Nước gạo sữa là một sản phẩm còn khá mới mẻ trên thị trường Việt Nam Nước gạo sữa(sữa gạo) là đồ uống được làm từ gạo xay cùng với nước Nó là sản phẩm ít chất gây dịứng nhất trong tất cả các sản phẩm sữa, sữa gạo là một lựa chọn tốt nhất cho người dị ứngvới lactose hoặc quả hạch Sữa gạo có thể bổ sung thêm canxi hoặc vitamin và nó khôngphải nguồn tự nhiên của các chất này như đậu nành hay hạnh nhân

Nó là một sản phẩm nhiều lợi ích và dinh dưỡng Nhưng bên cạnh đó sản phẩm này rất dễ

hư hỏng nếu không được bảo quản cũng như có chế độ xử lý thích hợp Vì thế chúng emchọn đề tài là “Tính toán và thiết kế hệ thống thanh trùng bản mỏng đồ uống nước gạosữa” để hiểu hơn về công nghệ sản xuất sản phẩm này đồng thời tìm ra phương phápthanh trùng thích hợp để bảo quản sản phẩm được lâu hơn và nâng cao độ an toàn chongười sử dụng

Trong quá trình tìm hiểu cũng như tính toán chúng em không tránh khỏi sai sót, mongthầy cô thông cảm và góp ý để chúng em hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ PHƯƠNG PHÁP THANH

TRÙNG

I Tổng quan về sản phẩm nước gạo sữa (sữa gạo)

1 Nguyên liệu gạo

1 Giới thiệu chung

Gạo là một sản phẩm lương thực thu được từ cây lúa Hạt gạo thường có màu trắng, nâuhoặc đỏ thẫm, chứa nhiều chất dinh dưỡng Hạt gạo chính là nhân của thóc sau khi xay đểtách bỏ vỏ trấu Hạt thóc sau khi xay được gọi là gạo lứt hay gạo lứt, nếu tiếp tục xát đểtách cám thì gọi là gạo xát hay gạo trắng

Gạo là một trong năm loại ngũ cốc cung cấp năng lượng chính trong bữa ăn hàng ngàycủa phần lớn người châu Á nói chung và người Việt Nam nói riêng Giá trị dinh dưỡngcủa hạt gạo phụ thuộc vào đất đai, khí hậu, quá trình xay xát, bảo quản và chế biến gạo

2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ lúa gạo[6]

Tình hình sản xuất lúa gạo trên thế giới

Cơ quan FAO ở Rome đã đánh giá năm 2011, sản lượng lúa đạt đến 721 triệu tấn hay 481triệu tấn gạo, tăng 3% hay 24 triệu tấn so với 2010 Sự gia tăng còn do diện tích trồng lúathế giới tăng lên 164,6 triệu ha hay tăng 2,2% và năng suất bình quân cũng tăng nhẹ lênmức 4,38 tấn/ha tức tăng 0,8% trong hơn 1 năm vừa qua

Châu Á sản xuất 651 triệu tấn lúa (435 triệu tấn gạo) hay tăng 2,9% so với 2010 dù cónhiều trận bão lớn xảy ra ở Philippines và lũ lụt nặng nề kéo dài ở Campuchia, Lào,Myanmar và Thái Lan Sự gia tăng lớn này chủ lực do Ấn Độ và Trung Quốc, với sựtham gia ở mức độ thấp hơn từ Bangladesh, Hàn Quốc, Nhật Bản, Pakistan và Việt Nam Năm 2011, Ấn Độ thu hoạch 154,5 triệu tấn lúa hay tăng 11 triệu tấn so với năm 2010nhờ mùa mưa thuận lợi, ngoại trừ vài tỉnh ở Tây Nam có hạn hán Trung Quốc sản xuấtđến 203 triệu tấn lúa hay tăng 3%, đạt được mục tiêu tự túc trong suốt thập niên qua TháiLan bị ngập lụt nặng ở cánh đồng trung tâm làm thiệt hại 1,6 triệu ha tương đương 4 triệu

tấn lúa, sản xuất năm 2011 khoảng 32,2 triệu tấn lúa, thấp hơn 7% so với năm 2010 (34,5triệu tấn) Hậu quả này làm ảnh hưởng mạnh đến xuất khẩu gạo năm 2012 của Thái Lan.Tình hình tiêu thụ lúa gạo trên thế giới

Gạo là một trong những mặt hàng thiết yếu của các hộ gia đình Khối lượng gạo tiêu thụchỉ tăng ở một số nước đang phát triển hoặc kém phát triển do tăng dân số và mức tiêudùng gạo ở các nước đó còn thiếu

Theo đánh giá chung, mức tiêu thụ gạo tính theo đầu người trên thế giới là 58%kg/người/năm Tại châu Á hiện nay ổn định ở mức 95 kg/người/năm, Trung Quốc là94kg/người/năm, Ấn Độ là 76kg/người/năm, cận Đông và Châu Á là 20kg/người/năm,Châu Phi là 17kg/người/năm, Mỹ La Tinh là 26kg/người/năm, Mỹ là 19,7kg/người/năm,Thái Lan là 106kg/người/năm

Gạo chủ yếu được tiêu dùng ở châu Á, chiếm khoảng gần 90% lượng gạo tiêu thụ trêntoàn thế giới, trong đó Nam Á chiếm khoảng 29% Tỷ trọng tiêu thụ gạo ở các khu vựckhác tương đối thấp : châu Mỹ chiếm khoảng 5%, châu Phi 4,3%, Đông Âu 0,4%, TrungĐông 1,7% và EU Là 0,6%

3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ lúa gạo trong nước[6]

Tình hình sản xuất lúa gạo trong nước

Diện tích trồng lúa của Việt Nam năm 2010 ước đạt khoảng 7,351 nghìn ha, tăng 0,23%

so với năm 2009 Mặc dù gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ đội ngũ cán bộ kỹ thuật có taynghề nên năng suất lúa bình quân của Việt Nam ước tính đạt 53,1 tạ/ha tăng 0,19% so với53,0 tạ/ha năm 2009 Sản lượng lúa gạo của Việt Nam vẫn duy trì ở mức ổn định, khôngbiến động nhiều so với năm 2009

Theo Hiệp hội Lương thực Việt Nam, xuất khẩu gạo quý 1/2011 của Việt Nam đạt 1,850triệu tấn, trị giá 774 triệu USD Tuy nhiên, xuất khẩu có xu hướng giảm mạnh trong tháng

3 so với cùng kỳ năm 2010 Nguyên nhân khiến cho xuất khẩu gạo Việt Nam sụt giảmtrong thời gian này chủ yếu xuất phát từ sự sụt giảm của thị trường Philippines Bộ Nôngnghiệp và Phát triển nông thôn Việt Nam dự báo, khối lượng gạo xuất khẩu của năm 2011ước tính đạt mức 7,1-7,4 triệu tấn, tăng lên so với mức dự báo cuối năm 2010 (dự kiến

5,5-6,1 triệu tấn) Còn tổ chức FAO thì dự báo lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam cũnggiảm 6% xuống còn 6,5 triệu tấn.

Tình hình tiêu thụ

Trong những năm gần đây thì tình hình tiêu thụ lúa gạo không có nhiều biến động lớn,mặc dù quy mô dân số vẫn ngày càng tăng cao và gạo vẫn được coi là nguồn lương thựcthiết yếu, trong khi nhu cầu lúa gạo cho những nhu cầu khác như làm thức ăn chăn nuôicũng tăng lên rất lớn Nguyên nhân là do đời sống người dân ngày được nâng lên nênlượng gạo trong khẩu phần của mỗi gia đình đã giảm xuống

Chính nhờ sự ổn định về tiêu thụ gạo trong nước sẽ tạo điều kiện cho những doanh nghiệptrong nghiệp trong nước yên tâm đầu tư công nghệ, nâng cao chất lượng gạo, tích cực tìmkiếm thị trường xuất khẩu, nâng cao thường hiệu gạo Việt Nam trên trường quốc tế

Nhận xét:

Nhìn chung, tình hình sản xuất lúa gạo trên thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng

có sự gia tăng trông thấy Cần tiến hành tìm hiểu quy trình công nghệ và không ngừngnâng cao hơn nữa để duy trì và cải thiện sản lượng đã đạt được

4 Thành phần hóa học của gạo[7]

Thành phần hóa học của hạt gạo gồm: glucid, protein, lipid, nước, khoáng vô cơ, vitamin,enzyme và cellulose

Bảng I.1 Thành phần hóa học của 100g gạo tẻ [8]

Tro 0,8gNước

Nước là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến quá trình bảo quản gạo Lượng nướctrong gạo ở 2 dạng tự do và liên kết

Glucid

Glucid bao gồm tinh bột, đường, dextrin, cellulose

Tinh bột là thành phần chủ yếu của hạt lúa, chiếm đến 90% lượng chất khô của hạt gạoxát Tinh bột tồn tại dưới hai dạng là amylose và amylopectin có tỷ lệ thay đổi tùy thuộcvào giống lúa Tinh bột quyết định giá trị cảm quan của gạo Hàm lượng amylose tronggạo quyết định độ dẻo của cơm Nếu thành phần tinh bột trong gạo có từ 10 ÷ 18%amylose thì cơm được xem là mềm, dẻo; từ 25 ÷ 30% thì cơm được xem là cứng Các loạigạo Việt Nam có hàm lượng amylose thay đổi từ 18 ÷ 45%

Amylose là một polymer mạch thẳng, được cấu tạo từ các gốc α – D – glucopyranosyl,liên kết với nhau bởi α – 1,4 glycoside và tạo nên một chuỗi dài bao gồm từ 200 – 1000gốc α – D – glucopyranosyl Cùng với amylopectin, các phân tử amylose tham gia tạonên cấu trúc hình hạt tinh bột ở thực vật Trong tự nhiên, phân tử amylose bao gồm một

số chuỗi sắp xếp song song với nhau, trong đó các gốc α – D – glucopyranosyl của từngchuỗi cuộn vòng thành hình xoắn ốc Phân tử amylose có một đầu không khử và một đầukhử (đầu có nhóm -OH glucosid) Amylose tác dụng với iode sẽ tạo phức hợp có màuxanh, khi đó phân tử iode được sắp xếp bên trong vòng xoắn ốc của amylose

Amylopectin là một polymer mạch nhánh, được cấu tạo từ các gốc α – D –glucopyranosyl, liên kết nhau bởi α – 1,4 glycoside và α – 1,6 glycoside Chính các liênkết α – 1,6 glycoside làm cho amylopectin có dạng phân nhánh Số liên kết α – 1,6glycoside chiếm trung bình 5% tổng số các liên kết glycoside có trong phân tửamylopectin Mỗi mạch nhánh thường có từ 15÷30 gốc α – D – glucopyranosyl Phản ứng

tạo màu xanh của amylopectin với iode là do kết quả của sự hình thành các hợp chất hấpphụ.

Bảng I.2 Hàm lượng amylose của một số giống lúa của Việt Nam

Trong gạo, đường tồn tại ở dạng chủ yếu là saccharose, ngoài ra còn có một ít đườngglucose, frutose và rafinose

Protein

Trong gạo, hàm lượng protein không cao Tùy thuộc vào giống lúa, điều kiện canh tác màhàm lượng protein thay đổi trong một khoảng khá rộng Theo số liệu của viện nghiên cứulúa quốc tế (IRRI) thì trong 17587 giống lúa lưu trữ tại viện, hàm lượng protein thay đổi

từ 4,3 ÷ 18,2% Mức protein trung bình là 9,4% Thông thường thì trong khoảng 7 ÷ 10%.Trong các giống lúa thì giống Japonica có hàm lượng protein cao hơn các giống khác.Hàm lượng protein trong các giống lúa trồng mùa khô cũng hơi cao hơn giống lúa trồngmùa mưa

Protein gạo cũng gồm bốn loại, trong đó glutelin hay còn có tên riêng là oryzenin chiếm

đa số, các protein còn lại là albumin, globulin và prolamin (oryzin) Phân bố các loạiprotein trong các phần khác nhau của hạt được trình bày trong bảng I.3

Bảng I.3.Tỷ lệ % các loại protein trong lúa gạo (trên % lượng protein tổng)

Thành phần Albumin Globulin Prolamin (Oryzin) Glutelin (Oryzenin)

Bảng I.4 Thành phần acid amin trong 100g gạo[8]

Bảng I.5 Hàm lượng các hợp chất lipid trong gạo (% khối lượng) [8]

1 Giới thiệu chung

Gạo lứt là loại gạo đã bóc vỏ trấu, chưa xát lớp cám, rất tốt cho sức khỏe vì giữ lại đượchầu hết các chất dinh dưỡng và một lượng lớn chất xơ, cùng các nguyên tố vi lượng nằm

ở lớp cám

2. Thành phần hóa học của gạo lứt[8]

Bảng I.8 Thành phần hóa học của 100g gạo lứt

Bảng I.9 Dinh dưỡng trong 100g (Nguồn: USDA National Nutrition data base)

Thành phần dinh dưỡng Giá trị dinh dưỡngNutrient Value

Vitamin K 0.7 µgElectrolytes (Điện giải)

5 Enzyme α − amylase [9]

1. Định nghĩa

Enzyme amylase là một enzyme phổ biến được sử dụng trong thực phẩm Các enzymenày thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhómpolysaccharide với sự tham gia của nước:

RR’ + H – OH → RH + R’OH

Enzyme amylase có 2 nhóm là endoamylase và exoamylase Enzyme α − amylase (1,4 −

α − D − glucan glucanohydrolase, EC 3.2.1.1) thuộc nhóm endoamylase (enzyme nộibào)

2. Cơ chế hoạt động

α− amylase xúc tác thủy phân liên kết α− 1,4 − glucoside nằm bên trong phân tử của cácpolysaccharide một cách ngẫu nhiên, trừ điểm phân nhánh trong amylopectin Quá trìnhthủy phân tinh bột bằng α− amylase thường bao gồm 2 giai đoạn:

Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): phân tử polysaccharide bị thủy phân tạo thànhdextrin cao phân tử Độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh chóng

Ở giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): các dextrin cao phân tử tiếp tục bị thủy phân thànhdextrin có bốn hoặc năm gốc glucoside Các chất này bị enzyme thủy phân rất chậm đểtạo thành disaccharide và cuối cùng là monosaccharide

và vi sinh vật có khả năng sinh bào tử Một số vi sinh vật có khả năng sinh độc tố gâybệnh cho người đôi khi vẫn còn tồn tại trong thực phẩm sau quá trình thanh trùng

2 Các phương pháp thanh trùng [13]

Hiện nay có rất nhiều phương pháp thanh trùng: thanh trùng bằng phương pháp nâng caonhiệt độ, thanh trùng bằng thuốc sát trùng, bằng siêu âm, bằng các tia ion hóa, trong đóphương pháp thanh trùng bằng cách nâng cao nhiệt độ là có nhiều ưu điểm và đang được

sử dụng phổ biến hơn cả

Các thiết bị thanh trùng đều làm việc theo nguyên lý nâng cao nhiệt độ hợp lý để có thểtiêu diệt được hoàn toàn vi trùng, hệ sinh vật thông thường, hệ sinh vật gây bệnh với điềukiện làm thay đổi ít nhất đến cấu trúc, tính chất hóa lý, hóa sinh, hệ enzym và các chấtdinh dưỡng, vitamin của nước sữa gạo

Căn cứ vào nhiệt độ thanh trùng mà người ta chia ra 3 phương pháp: phương pháp thanhtrùng ở nhiệt độ thấp (pasteurization), phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ cao(Sterillization) và phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ siêu cao (Ultra High Temperature,UHT), trong đó phương pháp thanh trùng ở nhiệt độ cao và nhiệt độ siêu cao còn đượcgọi là phương pháp tiệt trùng

Phương pháp Pasteurization: nguồn nhiệt được cung cấp là hơi nước có nhiệt độ từ 75–

100oC Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật, nhưng các loại vi sinh vậtchịu nhiệt (spore) thì vẫn còn sống sót

Phương pháp Sterillization: nguồn nhiệt được cung cấp bằng hơi nước nóng ở nhiệt độ110-130oC Phương pháp này có thể tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật và phần lớn các sporechịu nhiệt Như vậy mức độ tiệt trùng của phương pháp này cao hơn, độ an toàn vi sinhvật cao hơn

Phương pháp Ultra High Temperature (phương pháp nhiệt độ siêu cao kí hiệu UHT):nguồn nhiệt là hơi nước có nhiệt độ 140-160oC, trong thời gian ngắn khoảng vài giây hoặcvài chục giây

3 Phân loại theo thiết bị thanh trùng

- Theo cấu tạo: Thiết bị thanh trùng loại băng tải, loại trục quay, loại thủy lực

- Theo áp suất tạo ra trong thiết bị: thiết bị thanh trùng ở áp suất khí quyển còn gọi là thiết

bị thanh trùng hở nắp và thiết bị thanh trùng làm việc ở áp suất cao hay thiết bị thanhtrùng có nắp

- Theo cách làm việc: thiết bị thanh trùng làm việc liên tục, thiết bị thanh trùng làm việcgián đoạn

Về cấu tạo thiết bị thanh trùng gồm có hai bộ phận chính: bộ phận gia nhiệt và bộ phậnthanh trùng

- Bộ phận gia nhiệt có nhiệm vụ cung cấp nhiệt để tạo ra nhiệt độ cần thiết cho bộ phậnthanh trùng Để gia nhiệt người ta thường dùng hơi nước, khi đó thiết bị gồm có: lò hơi,

hệ thống ống dẫn dẫn hơi nước nóng, van an toàn, van điều chỉnh áp suất hơi,

- Bộ phận thanh trùng có nhiệm vụ chuyển nhiệt từ thiết bị sang cho sản phẩm Khi thanhtrùng trực tiếp các loại sản phẩm không đóng gói như nước gạo sữa, sữa, nước rau quả,…

bộ phận thanh trùng là những bản kim loại mỏng (hình 6 20a) một mặt tiếp xúc với hơinước nóng một mặt tiếp xúc với sản phẩm hoặc có thể là điện cực, trong đó nhiệt đượcsinh ra do năng lượng của từ trường

Khi thanh trùng sản phẩm đóng gói (đựng trong bao bì như hộp sắt, chai, lọ, can nhựa,…)

bộ phận thanh trùng có thể là nồi hơi, trong đó hơi nước được đưa vào từ lò tạo hơi hoặcbuồng chứa hơi trong đó hơi nước được cấp vào trực tiếp từ các cột nước nóng

a) dạng bản mỏng; b) dạng điện cực; c) dạng nồi hơi; d) dạng buồng hơi

Hình II-1 Bộ phận thanh trùng

4 Một số loại máy thanh trùng được sử dụng phổ biến:

có gờ cao su và hai lỗ thủng Khi xếp và ép các bản mỏng lại các lỗ tạo ra 2 rãnh thôngkín và giữa các bản mỏng các khoang kín, sao cho thực phẩm thanh trùng xen kẽ với cáckhoang chứa chất tải nhiệt Các khoang nước thực phẩm thanh trùng thông với nhau bằngmột rãnh thông, còn các khoang mang chất tải nhiệt được thông với nhau bằng rãnh thôngcòn lại Do dịch thực chảy trong khoang kín bằng một lớp mỏng, lại được truyền nhiệt từ

2 mặt nên thời gian thanh trùng rất nhanh Tùy theo hình dạng kích thước, đặc điểm cấutạo của các tấm mà ta có cường độ trao đổi nhiệt khác nhau cũng như sơ đồ nối khácnhau Vấn đề là ở chỗ để sản xuất ra các tấm chuẩn bằng phương pháp dập, cần tạo ra cáckhuôn dập lớn và các loại thiết bị phụ trợ khác nhau nhằm xử lý nhiệt và gia công tấmtheo đúng như thiết kế Đây là một việc đòi hỏi nhiều lao động và tay nghề cao

Các bản mỏng thường làm bằng thép không gỉ dày 1mm theo phương pháp dập tạo hìnhsóng nhằm tăng cường bề mặt truyền nhiệt, đặc biệt tăng hệ số truyền nhiệt do chảy rốingay cả khi hệ số Reynon nhỏ ( Re = 180 - 200)

Hình II-2 Thiết bị thanh trùng bản mỏng

Ưu điểm của loại này:

- Có hệ số truyền nhiệt rất lớn (K = 2500 W/m2 oC) Đối với chất lỏng ít nhớt thì hệ số

truyền nhiệt của nó lớn gấp hơn ba lần so với loại ống chùm có vỏ bọc (K = 4000 ÷

5000) W/m2 oC Hệ số K lớn là do lớp chất lỏng mỏng và chảy rối Cũng nhờ đó mà chênhlệch nhiệt độ giữa hai chất lỏng ở hai phía của tấm truyền nhiệt chỉ từ (2÷

5) (oC)

- Cấu tạo nhỏ gọn nhưng có bề mặt truyền nhiệt lớn

- Chế độ nhiệt ổn định khi làm việc

- Có thể tăng thêm hay giảm bớt bề mặt truyền nhiệt bằng cách lắp thêm hoặc giảm bớt sốtấm truyền nhiệt một cách nhanh chóng và dễ dàng

- Dễ tháo, lắp khi làm vệ sinh bề mặt truyền nhiệt bằng phương pháp cơ học

- Nước sữa gạo khi bị xử lý nhiệt độ cao dẫn tới thay đổi hương vị của sản phẩm, đặc biệt

là thời gian xử lý nhiệt kéo dài, thanh trùng kiểu tấm bản là một biện pháp rút ngắn thờigian xử lý nhiệt độ Nước sữa gạo có thể nâng tới nhiệt độ 72-80oC trong thời gian dưới 1phút

Nhược điểm: của thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản là không chịu được áp suất cao, nhiệt độcao hoặc quá thấp Giới hạn áp suất và nhiệt độ mà đệm kín có thể chịu được là:

P ≤ 1,5 MN/m2; -150oC < t < 450oCThiết bị trao đổi nhiệt tấm bản được sử dụng nhiều trong các dây chuyền công nghệ sảnxuất nước gạo sữa, nước giải khát, điều hòa không khí, chế biến thủy sản, chế biến thịt.Trong trường hợp chế biến thủy sản hoặc thịt gia súc cắt nhỏ đóng khay, thì tấm truyềnnhiệt thường là hợp kim nhôm, phẳng và nhẵn, có chiều dày khoảng 3cm, chiều rộng vàdài tính bằng m Tác nhân lạnh bay hơi bên trong tấm để làm đông lạnh thịt, thủy sảntrong khay đặt giữa hai tấm Các tấm bay hơi được treo liên tiếp với nhau và nâng lên hạxuống nhờ hệ thống thủy lực Các tấm bay hơi được đặt trong tủ bọc cách nhiệt, vì vậy nócũng được gọi là tủ lạnh đông nhanh tiếp xúc

Ngoài ra ta cũng phải kể đến những khó khăn khi dùng các loại thiết bị này như: khi sửdụng các thiết bị hàn thành khối hoặc lắp ghép, cần phải thường xuyên kiểm tra hệ sốtruyền nhiệt cũng như trở kháng thủy lực của hệ thống, vì khi sử dụng lâu, do cặn bẩnđóng lại trên bề mặt ống, gây ra các trở kháng phụ làm giảm hệ số truyền nhiệt Khi trởkháng thủy lực đã lên tới mức tối đa cần phải tráng rửa thiết bị, nếu không thiết bị sẽ bị

hư hỏng

Khi sử dụng thiết bị kiểu lắp ghép, cần chú ý đến doăng làm kín Trong quá trình làm việc

do bị lão hóa, doăng sẽ bị sơ cứng, gây rò rỉ gây tách rời ra khỏi tấm kim loại Vì vậynhiệt độ và áp suất chung của thiết bị này bị hạn chế, từ -150oC đến 450oC và áp suất thayđổi từ 10 đến 16 at

Hình II-3 Bộ phận trao đổi nhiệtViệc thiết kế các thiết bị kiểu tấm phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:

Tìm ra các hình dạng có hiệu quả cao, các kích cỡ tấm trong các điều kiện đã cho

Thiết kế tấm cơ bản làm cơ sở để thiết kế một loạt các tấm dùng cho các công suất khácnhau

Tính toán và thiết kế loại thiết bị có bề mặt trao đổi nhiệt khác nhau với số lượng các tấm

cơ bản cho trước

Thiết kế khuân dập các tấm bản

Mở rộng việc sử dụng có hiệu quả tấm cơ bản bằng cách lắp ghép nhiều thiết bị kiểu tấm

từ các kim loại khác nhau

Luôn luôn phải lưu ý tấm cơ bản là một chi tiết rất phức tạp, cùng một lúc phải thực hiệnnhiều chức năng truyền nhiệt, cơ học, thủy khí, công nghệ

Đặc điểm của tấm cơ bản như sau:

Cấu tạo dập nổi, mặt cắt bề mặt trao đổi nhiệt

Hình dạng các lỗ khoan ở góc, nơi đầu vào và đầu ra của môi chất và kết cấu làm giảm trởlực đầu ra và vào của môi chất

Hệ thống doăng.

Hệ thống treo các tấm trên khung của thiết bị và cách định vị các tấm trong từng cụm.Cấu tạo của thiết bị phụ trợ nhằm làm cứng bệ khung thiết bị, giúp cho việc sử dụng thiết

bị được dễ dàng

Thiết bị xử lý cụm tấm trong trường hợp hỏng doăng

Cần phải nhấn mạnh rằng, không thể thỏa mãn cùng một lúc các yêu cầu nói trên để chếtạo ra một tấm cơ bản chuẩn

Các tấm cơ bản có thể được phân loại như sau:

Tấm có cấu trúc gây dòng chảy rối

Tấm dạng băng tải

Tấm băng lưới

Tấm phẳng hay tấm tạo kênh

Các dạng tấm truyền nhiệt như sau :

a) b)Hình II-4 Tấm có cấu trúc gây dòng chảy rối

a. Hai tấm có cấu trúc gây dòng chảy rối bằng nhựa

b. Hai tấm với cấu trúc gây dòng chảy rối bằng kim loại

Thiết bị Đơn nguyên Cụm Kênh

Vì trong thiết bị kiểu tấm số lượng tấm nhiều, nên kênh dẫn cho môi chất chuyển độngcũng nhiều Có thể lắp ghép các kênh chuyển động theo nhiều cách khác nhau, theo mộtvòng hay nhiều vòng Bản thân các thiết bị có thể là một đơn nguyên hay nhiều đơnnguyên hoặc hỗn hợp Thiết bị một đơn nguyên là thiết bị trong đó chỉ có hai môi chấttham gia vào quá trình trao đổi nhiệt Thiết bị nhiều đơn nguyên hay thiết bị hỗn hợp làthiết bị trong đó có nhiều môi chất tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt Ta xét thiết bịtrao đổi nhiệt kiểu tấm một đơn nguyên Kênh dẫn được tạo ra giữa hai tấm cạnh nhau.Sau khi đi qua ống góp dọc, môi chất đi vào kênh dẫn song song với nhau Tập hợp nhiềukênh dẫn trong đó môi chất lưu động theo một hướng nhất định gọi là cụm, đặc điểm củacụm là môi chất chuyển động theo một chiều giống nhau, sau khi ra khỏi cụm 1, môi chất

đi vào cụm 2 chuyển động theo chiều ngược lại Về nguyên tắc, số kênh trên 2 cụm có thểgiống hoặc khác nhau

Có nhiều cách phân bố các kênh của môi chất:

Sơ đồ đối xứng: số kênh của 2 môi chất như nhau

Sơ đồ không đối xứng: số kênh của 2 môi chất khác nhau Để giữ tốc độ chuyển độngđồng đều của 2 môi chất, cần làm sao cho tỷ số lưu lượng của 2 môi chất tỷ lệ thuận với

số kênh chuyển động của chúng

Sơ đồ hỗn hợp, số cụm của môi chất khác nhau Việc bố trí các tấm dựa trên quan điểmcách nhiệt cho đơn nguyên và giảm tối đa tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Nếu taghép trong một thiết bị lớn nhiều thiết bị trao đổi nhiệt một đơn nguyên, thì ta sẽ đượcmột thiết bị trao đổi nhiệt nhiều đơn nguyên hay thiết bị hỗn hợp

Tóm lại, sơ đồ cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm nhiều đơn nguyên có thể tóm tắtnhư sau:

Hình II-5 Sơ đồ cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm nhiều đơn nguyên

Khi so sánh thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm với các loại khác, ta thấy nổi bật lên những ưuđiểm sau:

Việc bố trí song song các tấm mỏng với khe hẹp giữa chúng cho phép tăng bề mặt traođổi nhiệt trên một đơn vị thể tích thiết bị, điều này làm giảm đáng kể kích thước của thiếtbị

Thiết bị dễ tháo lắp, do vậy bảo dưỡng và tháo dỡ thiết bị không cần phải có diện tích sảnxuất phụ

Do các tấm cấu trúc giống nhau, các cụm chi tiết giống nhau, nên công nghệ chế tạo cácthiết bị có công suất khác nhau cũng giống nhau, vì vậy dễ dàng sản xuất trên quy mô lớn

và chi phí giảm

Các tấm được dập nguội nên dễ dàng tạo nên trên bề mặt tấm những cấu trúc gây dòngchảy rối cho môi chất, do đó nâng cao được hiệu quả truyền nhiệt

Thiết bị làm việc hiệu quả ngay cả với môi chất có độ nhớt cao

Thiết bị làm việc tốt, dễ dàng đáp ứng với các thiết bị điều khiển tự động và hiệu chỉnhcác quá trình công nghệ

Thiết bị thanh trùng bản mỏng Alfa- Laval:

Hình II-6 Thiết bị thanh trùng Alfa - Lavala) thiết bị thanh trùng; b) bản mỏng lượn sóng; c) sơ đồ làm việc

1- đòn ngang; 2- ngăn làm nguội; 3- ngăn nâng nhiệt độ sơ bộ; 4- ngăn duy trì; 5- ngănthanh trùng; 6- khung ép; 7- chõn mỏy; 8- khung của ngăn duy trì; 9- tấm ngăn; 10- bảnmỏng; 11- đai ốc

Cấu tạo: gồm bốn ngăn ngăn nâng nhiệt độ sơ bộ 3, ngăn thanh trùng 5, ngăn duy trì 4 vàngăn làm nguội 2 Mỗi ngăn gồm nhiều bản mỏng được xiết chặt lại bằng đai ốc 11, cácđòn ngang 1 và hai khung ép ở hai đầu

Các bản mỏng thường làm bằng thép lá không rỉ dày 1mm có thể lượn sóng hoặc phẳng.Mỗi bản mỏng đều có vách định hướng, có gờ cao su và hai lỗ thủng Khi xếp và gộp cácbản mỏng lại các lỗ tạo ra hai rãnh thông lớn và giữa các bản mỏng là các khoang kín, saocho khoang chứa sản phẩm nước gạo sữa xen kẽ với các khoang chứa chất tải nhiệt hoặcnước nóng

Các khoang chứa nước gạo sữa thông với nhau bằng một rãnh thông, cũng các khoangmang chất tải nhiệt hay nước nóng được thông với nhau bằng rãnh thông còn lại Do nướcgạo sữa chảy trong khoang kín bằng một lớp mỏng, lại được truyền từ hai mặt nên thờigian thanh trùng rất nhanh.

Một số hình ảnh hệ thống tiệt trùng sữa trao đổi nhiệt tấm bản đang được sử dụng trongcác nhà máy sữa

HìnhII-7 hệthống tiệt trùng trao đổi nhiệt tấm bản

Nguyên tắc hoat động

Nước gạo sữa nguyên liệu (36oC) được đưa vào ngăn nung nhiệt sơ bộ, trao đổi nhiệt vớidòng nước gạo sữa đã tiệt trùng nâng nhiệt độ sữa lên 80oC Sau đó nước gạo sữa đượcđưa qua thiết bị bài khí và thiết bị ly tâm, tiếp tục qua thiết bị tiêu chuẩn hóa và đồng hóarồi tiếp tục qua ngăn trao đổi nhiệt thứ 2,tiếp xúc với dòng nước gạo sữa tiệt trùng nângnhiệt độ lên 80oC Từ đây nước gạo sữa được đưa đến ngăn tiệt trùng trao đổi nhiệt vớidòng nước nóng nhiệt độ 137oC nước gạo sữa được dẫn qua ống lưu nhiệt trong thời gian4s Sau đó nước gạo sữa đã tiệt trùng được đưa qua ngăn 2, và ngăn làm nóng sơ bộ, dòngnước gạo sữa trao đổi nhiệt với nước gạo sữa nguyên liệu mới được đưa vào Cuối cùngdòng nước gạo sữa được qua ngăn làm lạnh trao đổi nhiệt với nước lạnh nhiệt độ giảmxuống còn 20oC Khi đã tiệt trùng và làm lạnh, nước gạo sữa được đưa vào máy rót chai

Nguyên lý làm việc của hệ thống tiệt trùng gián tiếp tấm bản.

Hình II-8 Sơ đồ hệ thống tiệt trùng sữa gián tiếp tấm bảnCấu tạo:

1: Thùng chứa nước gạo sữa; 2: bơm nước gạo sữa; 3: bộ điều chỉnh lưu lượng; 4:thiết bịtrao đổi nhiệt tấm bản; 5: thiết bị bài khí; 6: thiết bị ly tâm; 7: thiờt bị tiêu chuẩn hóa; 8:thiết bị đồng hóa; 9:bộ phận giữa nhiệt; 10: Van điều chỉnh dòng; 11: bơm nước

Hình II-9 Sơ đồ thể hiện đường đi của sữa và nước nóng

Thiết bị thanh trùng có áp suất cao làm việc gián đoạn

Dùng để thanh trùng các loại đồ hộp có nhiệt độ thanh trùng từ 100oC trở lên, có nắp đậykín, còn gọi là nồi hấp thanh trùng Có 2 loại nồi hấp: loại đặt thẳng đứng và loại đặt nằmngang.

+ Thiết bị hấp thanh trùng loại thẳng đứng

Có thân hình trụ, đáy và nắp hình chỏm cầu, nắp có chốt ghép chặt với thiết bị,dưới đáy có lắp ống phun hơi nóng để thanh trùng Bên trong thiết bị có giá đỡ để đặt giỏđựng đồ hộp, có loại chỉ có 1 giỏ, loại 2 giỏ, loại 3 giỏ

Hình II-10 Thiết bị tiệt trùng hơi dạng đứng+ Thiết bị hấp thanh trùng loại đặt nằm ngang

Thân thiết bị đặt nằm ngang, bên trong không có giá đỡ giỏ mà có đường ray để xeđựng các giỏ đồ hộp đẩy vào Loại này có khả năng làm việc cao, nhưng thao tác phứctạp, chu kỳ làm việc kéo dài, tốn hơi và nước nhiều

Hình II-11 Thiết bị tiệt trùng hơi dạng nằm ngang

Thiết bị thanh trùng ống lồng ống.

Hình II-12 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ốngKết cấu của loại này dựa trên nguyên tắc suy ra từ thiết bị hai vỏ Nó gồm hai ống cóđường kính khác nhau lồng vào nhau Một lưu thể đi ở trong ống trong, còn lưu thể kia đi

ở không gian giữa hai ống Sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể xảy ra qua bề mặt của đoạnống trong bị bọc bởi ống ngoài

Để tăng cường bề mặt truyền nhiệt người ta lắp nối tiếp nhiều ống lồng ống với nhau.Phương pháp lắp nối tiếp này vừa gọn lại dễ thay thế khi có đoạn ống nào đó bị hỏng.Thiết bị lồng ống thường được ứng dụng để tiến hành quá trình trao đổi nhiệt giữa haichất lỏng Chẳng hạn trong máy lạnh loại lớn, thiết bị lồng ống được lắp sau thiết bị