Cân bằng vật chất năng lượng

Phụ lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA NÔNG NGHIỆP – THỦY SẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƢỢNG GV biên soạn: NGUYỄN ĐỨC TOÀN Trà Vinh, 30/7/2017 Lƣu hành nội MỤC LỤC Nội dung Trang CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Những khái niệm 1.2 Hệ thống đo lường 1.3 Các thông số kỹ thuật thường gặp tính toán 1.4 Câu hỏi (bài tập) củng cố CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10 2.1 Nguyên lý bảo toàn vật chất 10 2.2 Sơ đồ hệ thống 10 2.3 Các bước giải toán cân vật chất 12 2.4 Cân vật chất cho hệ thống đơn giản 12 2.5 Cân vật chất cho trình nhiều giai đoạn 16 2.6 Cân vật chất cho hệ thống có hoàn lưu, dòng tắt, dòng xả 18 2.7 Cân vật chất cho hệ thống không ổn định 23 2.8 Câu hỏi (bài tập) củng cố 25 CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG 28 3.1 Nguyên lý cân lượng 29 3.2 Các dạng lượng 29 3.2 Cân vật chất lượng 32 3.2 Câu hỏi (bài tập) củng cố 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, người học có thể: - Nắm rõ đƣợc thuật ngữ, định nghĩa môn học - Tính toán đƣợc thông số vật lý thực phẩm - Biết cách chuyển đổi hệ đơn vị đo lƣờng khoa học 1.1 Những khái niệm 1.1.1 Hệ thống Hệ thống hiểu vật chất, tiến trình sản xuất, thiết bị, hay phần thiết bị quan tâm xem xét Hệ thống xác định đường biên bao xung quanh Phần vật chất bên đường biên xác định hệ thống gọi môi trường Hệ thống chia làm hai loại: - Hệ thống kín hệ thống trao đổi vật chất với môi trường xung quanh (vẫn có trao đổi lượng) - Hệ thống mở hệ thống có trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Hệ thống phân chia thành nhiều hệ thống nhỏ gọi hệ thống con, ngược lại nhiều hệ thống nhỏ tập hợp thành hệ thống lớn 1.1.2 Tính chất Tính chất đặc tính vật chất đo lường áp suất, nhiệt độ, độ ẩm…, tính toán suy từ tính chất khác đo lường Tính chất hệ thống tùy thuộc vào điều kiện hệ thống thời điểm quan sát không tùy thuộc vào kiện xảy hệ thống 1.1.3 Trạng thái Trạng thái vật chất với tập hợp tính chất cho thời điểm Trạng thái hệ thống không phụ thuộc vào hình dạng cấu tạo hệ thống mà tùy thuộc vào tính chất hệ thống Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng 1.2 Hệ thống đo lƣờng Các đại lượng vật lý thường đo đạc loạt hệ thống đơn vị Trong thực tế có nhiều hệ thống đơn vị đo sử dụng: hệ Mét, hệ SI, hệ US Engineering, hệ Anh… Việc sử dụng hệ thống đo lường kéo theo rắc rối việc sử dụng nhiều ký hiệu khác để định cho đơn vị đo Vì thế, tổ chức quốc tế cố gắng chuẩn hóa hệ thống đơn vị Năm 1960, hội thảo quốc tế cân nặng đo lường (CGPM) thống hệ đo lường chung SI (International System of Units) dùng công nghiệp khoa học Việc sử dụng hệ thống SI phổ biến cộng đồng khoa học Tuy nhiên cần thiết phải có chuyển đổi liệu từ hệ SI sang hệ khác ngược lại, nhằm phục vụ cho việc tính toán 1.2.1 Các thuật ngữ Thứ nguyên (dimension): dùng để đại lượng vật lý xem xét (thời gian, khối lượng, khoảng cách…) Đơn vị (unit): dùng để độ lớn kích thước thứ nguyên Đơn vị sở (based unit): đơn vị dùng để định thứ nguyên (dimension) Bảng 1.1: Đơn vị sở (based unit) hệ thống đo lƣờng Thời gian Chiều dài Khối lượng Lực Nhiệt độ SI Giây M kg N K, oC CGS Giây Cm g Dyne K, oC US Engineering Giây Ft lbm lbf o R, oF Đơn vị dẫn xuất (derived units): đơn vị kết hợp từ nhiều đơn vị sở khác Đơn vị dẫn xuất thường kí hiệu tên hay kí tự đặc biệt Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng Bảng 1.2: Một số đơn vị dẫn xuất (derived units) thƣờng gặp SI US Engineering Lực N (1 N = kg/s ) Năng lƣợng J (1 J = kg m /s ) 3 Btu Thể tích m (1m = 1000 l) ft3 Khối lƣợng riêng kg/m3 lbm/ft3 Vận tốc m/s ft/s Áp suất Pa (1 Pa = N/m2) psi = lbf/in2 bar (1 bar = 105 Pa) torr (1 torr = mmHg) atm (1 atm = 101325 Pa) 1.2.2 Chuyển đổi đơn vị Ví dụ 1: khối lượng riêng g lb 3 cm ft Ta có: 1lb  453,6 g viết 1lb 453,6 g  1 453,6 g 1lb Hoặc ft  28320cm3 viết Suy ra: g g 1lb 28320cm lb   62,4 3 3 cm cm 453,6 g ft ft Ví dụ 2: Độ nhớt 1g lb cm.giay ft gio Tương tự ta có: 1lb  453,6 g hay 1gio  3600 giay hay ft  30,48cm hay Suy : ft 28320cm  1 28320cm ft 1lb 453,6 g  1 453,6 g 1lb 1gio 3600 giay  1 3600 giay 1gio ft 30,48cm  1 30,48cm ft 1g 1g 1lb 30,48cm 3600 giay lb   242 cm.giay cm.giay 453,6 g ft 1gio ft gio Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng Bảng 1.3: Một số ví dụ yếu tố chuyển đổi (conversion factors) ft = 12 in = 0,3048 m o F = 32+1,8oC in = 2,54 cm o US gallon = 3,7854 l o lbm = 0,4536 kg K = 273,15+oC C = (oF-32)/1,8 R = 460+oF lbf = 4,4482 N psi = 6894,76 Pa ∆oC = ∆oF/1,8 HP = 745,7 W ∆oC = ∆K Btu = 1055,06 J = 0,25216 kcal ∆oF = ∆oR kWh = 3600 kJ 1.3 Các thông số kỹ thuật thƣờng gặp tính toán 1.3.1 Nhiệt độ Nhiệt độ thông số vật lý biểu diễn trạng thái nóng hay lạnh vật chất Các thang đo nhiệt độ thường sử dụng sau: Bảng 1.4: Các thang đo nhiệt độ kỹ thuật Độ Celcius Độ Kenlvin Độ Farenheit Độ Rankin (oC) (K) (oF) (oR) Nhiệt độ sôi nước áp 100 suất 760 mmHg 373 212 672 Nhiệt độ đông đặc nước áp suất 760 mmHg 273 32 492 Các thang đo nhiệt độ chuyển đổi theo công thức o F = 32+1,8oC o R = 460+oF K = 273,15+oC ∆oC = ∆oF/1,8 ∆oC = ∆K ∆oF = ∆oR Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng 1.3.2 Áp suất Áp suất định nghĩa áp lực lưu chất tác động lên đơn vị diện tích, thường đo chiều cao cột lưu chất tác dụng trọng lực Trong kỹ thuật cần phân biệt áp suất áp suất tương đối áp suất tuyệt đối Thông thường áp suất tương đối ghi nhận từ áp kế, áp suất tuyệt đối tra số liệu từ sổ tay kỹ thuật hay tính công thức: Ptuyệt đối = Pdụng cụ đo + Pkhí Pchân không = Pkhí – Ptuyệt đối 1.3.3 Khối lƣợng riêng Khối lượng riêng định nghĩa khối lượng đơn vị thể tích điều kiện xác định Trong hệ đo lường SI khối lượng riêng có đơn vị kg/m3 Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Đối với hỗn hợp gồm nhiều thành phần khối lượng riêng tính sau:  hh   X iw i  hh : khối lượng riêng hỗn hợp X iw : phân khối lượng cấu tử i hỗn hợp  i : khối lượng riêng tương ứng cấu tử i Khối lượng riêng thành phần thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ tính theo phương trình Choi Okos (1986):  water  997,18  0,0031439T  0,0037574T carbohydrate  1599,1  0,31046T  protein  1330  0,5184T  fat  925,59  0,41757T Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng  ash  2423,8  0,28063T ice  916,89  0,1307T 1.3.4 Nhiệt dung riêng (specific heat) Nhiệt dung riêng định nghĩa nhiệt lượng thu nhận kg vật liệu thay đổi 1oC mà không làm thay đổi trạng thái Cp  Q m.T Q: nhiệt lượng thu nhận (J) m: trọng lượng vật liệu (kg) ∆T: thay đổi nhiệt độ vật liệu (oC) Cp: nhiệt dung riêng (J/kgoC) Nhiệt dung riêng sản phẩm tham số phụ thuộc vào thành phần hóa học thực phẩm, độ ẩm, nhiệt độ, áp suất Nhiệt dung riêng tăng độ ẩm tăng Nhiệt dung riêng chất khí áp suất không đổi Cp lớn nhiệt dung riêng thể tích không đổi Cv Với hầu hết trình chế biến thực phẩm, nhiệt dung riêng áp suất không đổi thường sử dụng, trình chế biến thực áp suất không thay đổi Nhiệt dung riêng thực phẩm thường thu nhận thực nghiệm dùng công thức thực nghiệm để đoán nhiệt dung riêng sản phẩm Nhiệt dung riêng thành phần thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ tính công thức sau: Công thức Siebel Đối với nước ép rau quả: C p  0,837  3,349ww Đối với thực phẩm nhiệt độ điểm đóng băng: C p  0,837  1,256ww Cp: nhiệt dung riêng kJ/kgoC ww: phân khối lượng nước thực phẩm Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng Công thức Heldman C p  4,18ww  1,547wp  1,672w f  1,42wc  0,386wa Cp: nhiệt dung riêng kJ/kgoC ww, wp, wf, wc, wa: phân khối lượng tương ứng nước, protein, chất béo, carbohydrate chất khoáng thực phẩm Công thức Choi Okos C pwater  4081,7  5,3062T  0,99516T (-40 đến 0oC) C pwater  4176,2  0,0909T  5,473110 3 T (0 đến 150oC) C pCHO  1548,8  1,9625T  5,9399 10 3 T (-40 đến 150oC) C pprotein  2008,2  1,2089T  1,3129 10 3 T (-40 đến 150oC) C pfat  1984,2  1,4373T  4,8008 10 3 T (-40 đến 150oC) C pash  1092,6  1,8896T  3,6817 10 3 T (-40 đến 150oC) C pice  2062,3  6,0769T Nhiệt dung riêng hỗn hợp n thành phần tính công thức (Choi Okos, 1986) n C phh   X iwC pi i 1 X iw : phân khối lượng cấu tử i hỗn hợp C pi : nhiệt dung riêng tương ứng cấu tử I (J/kgK) 1.3.5 Cách thể độ ẩm vật chất Độ ẩm hiểu hàm lượng nước có vật thể khảo sát Có hai cách biểu diễn độ ẩm: độ ẩm ướt độ ẩm khô Độ ẩm ướt: M wb  mnuoc  100 mmau Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng Độ ẩm khô: M db  mnuoc 100 mchatkho Quan hệ chuyển đổi ướt khô biểu diễn Chuyển độ ẩm khô sang ướt: M wb  M db M db  Chuyển độ ẩm ướt sang khô: M db  M wb  M wb Ví dụ: thực phẩm có hàm lượng ẩm 90% theo khô Hãy xác phần trăm ẩm theo ướt Giải Sử dụng công thức chuyển đổi ẩm từ khô theo ướt: M wb  M db 0,9   0,47 M db  0,9  Vậy độ ẩm ướt thực phẩm cần xác định 47% 1.4 Câu hỏi (bài tập) củng cố: Chuyển đổi đơn vị sau: a 100 lb mol/f ft2 sang kg mol/s m2 b Btu/lb oF sang J/g K c lbm/ft h sang kg/m s d 10 ft lbf/lbm sang J/kg e 0,5 Btu/lbm oF sang J/kg oC Điền vào chỗ trống chuyển đổi sau: a 32,174 b 1000 c 10 lbm ft lb ft m kgm  32,174 m2 1 2 lbm ft 4,4482 N s s Ns lbm ft lb ft 0,4536kg 1N  1000 m2  138,3N ft 1kgm / s s s kcal kcal 1055,06 J ft o F W W  10  4121 o o o mK ft F ft F 0,252kcal 60s m K .J / s d 0,002 e 1,987 lb kg kg lbm m  0,002  0,0013 m ms ms kg ft ft s Btu Btu cal lbmol o R cal  , 987  1,987 o o gmol.K lbmol R lbmol R Btu gmol K Xây dựng bảng chuyển đổi độ ẩm từ ướt sang khô cho thực phẩm có độ ẩm từ 0÷90%, khoảng độ ẩm 10% (sử dụng phần mềm excel) Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng 10 kg thực phẩm có phần trăm ẩm theo khô 320% sấy đến 50% ướt Tính lượng nước thoát trình sấy 5 kg sản phẩm thực phẩm có độ ẩm 150% khô Tính lượng nước cần lấy để độ ẩm thực phẩm đạt 20% ướt Xác định khối lượng riêng cải bó xôi 20oC với thành phần cho bảng sau: Thành phần Phân khối lượng (%) Nước 91,57 Protein 2,86 Chất béo 0,35 Carbohydrate 1,72 Tro 3,50 Sử dụng công thức Choi Okos (1986) tính nhiệt dung riêng sản phẩm thực phẩm với thành phần tương ứng 20oC Thành phần Phân khối lượng (%) Nước 91,57 Protein 2,86 Chất béo 0,35 Carbohydrate 1,72 Tro 3,50 10kg nước thêm vào 30kg thực phẩm khô Kết độ ẩm thực phẩm bao nhiêu? Tính theo ướt khô Xác định nhiệt dung riêng 25oC thực phẩm có thành phần 15% protein, 20% tinh bột, 1% chất xơ, 0,5% tro, 20% chất béo, 43,5% nước 10 Sử dụng thành phần thực phẩm cho tập 7, tính nhiệt dung riêng cho thực phẩm thay đổi từ 25oC đến 100oC, với khoảng nhiệt độ 5oC (sử dụng phần mềm excel) Có nhận xét thay đổi giá trị nhiệt dung riêng? Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, người học có thể: - Hiểu đƣợc nguyên lý cân vật chất - Tính toán cân vật chất cho trình thực phẩm - Vận dụng đƣợc kiến thức trình thực hành 2.1 Nguyên lý bảo toàn vật chất Cân vật chất dựa nguyên tắc bảo toàn khối lượng “vật chất không tự sinh hay tự phá hủy, mà chuyển đổi từ dạng sang dạng khác” Ngay trường hợp phản ứng hóa học, thành phần khối lượng chất phản ứng sản phẩm trước sau phản ứng khác nhau, khối lượng toàn hệ thống không thay đổi Khi phản ứng hóa học không xảy ra, thành phần hệ thống khối lượng giữ nguyên hệ thống kín Tuy nhiên hệ thống xảy phản ứng nhiệt hạch nằm nguyên lý này, có chuyển hóa vật chất thành lượng Quá trình cân biểu diễn theo phương trình sau: Vật chất vào = vật chất + vật chất tích lũy Nếu vật chất tích lũy hệ thống 0, vật chất vào = vật chất ra, trình xem ổn định Và vật chất tích lũy khác 0, khối lượng nồng độ thành phần hệ thống thay đổi theo thời gian, trình xem không ổn định 2.2 Sơ đồ hệ thống Trước thiết lập phương trình cân vật chất, cần hình dung trình xác định ranh giới (đường biên) hệ thống để thực cân vật chất Điều quan trọng thứ trình cân vật chất có ảnh hưởng đến phân bố thành phần dòng biết đến Cách trình bày vấn đề nên thể đầy đủ để người đọc vẽ nội dung sơ đồ Tuy nhiên vài trường hợp, nguyên tắc vật lý liên quan đến trình có ảnh hưởng đến phân bố thành phần hệ thống không nêu vấn đề Vì cần Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC: P.G Smith, 2011, Introduction to Food Engineering Second Edition, ISBN: 978-14419-7661-1, Springer R L Earle, 1983, Unit Operations in Food Processing Second Edition, ISBN 0-08025536-1, Published by NZIFST R Paul Singh & Dennis R Heldman, 2009, Introduction to Food Engineering Four Edition, ISBN: 978-0-12-370900-4, Elsevier Romeo T Toledo, 2007, Fundamentals of Food Process Engineering Thrid Edition, ISBN-13: 978-0-387-29019-5, Springer Stavros Yanniotis, 2008, Solving Problems in Food Engineering, ISBN: 978-0-38773513-9, Springer Võ Tấn Thành Vũ Trường Sơn, 2013, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 2, Nhà xuất Đại học Cần Thơ Võ Tấn Thành, 2011, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 1, Nhà xuất Đại học Cần Thơ  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN: Võ Tấn Thành, 2011, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 1, Nhà xuất Đại học Cần Thơ Tài liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng 40 ... có chuyển hóa vật chất thành lượng Quá trình cân biểu diễn theo phương trình sau: Vật chất vào = vật chất + vật chất tích lũy Nếu vật chất tích lũy hệ thống 0, vật chất vào = vật chất ra, trình... liệu giảng dạy Môn Cân vật chất lượng CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, người học có thể: - Hiểu đƣợc nguyên lý cân vật chất - Tính toán cân vật chất cho trình thực... CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10 2.1 Nguyên lý bảo toàn vật chất 10 2.2 Sơ đồ hệ thống 10 2.3 Các bước giải toán cân vật chất 12 2.4 Cân vật chất cho hệ thống