Lƣợng cà rốt thu đƣợc sau khi chần: G5 =
(kg/h)
4.6.6 Công đoạn ướp đường
Ta có tỉ lệ cà rốt : đƣờng = 1 : 0,6
Vậy khối lƣợng đƣờng cho vào khi ƣớp đƣờng là G đƣờng = G5 (kg/h)
Khối lƣợng tổng cà rốt và đƣờng sau khi ƣớp đƣờng là: G6 = (Gđƣờng + G5)
(kg/h) Hàm lƣợng chất khô của cà rốt là 12 % [2.1.2.2].
Hàm lƣợng chất khô của đƣờng là 99,4 % [mục 2.2.2].
Gọi a là hàm lƣợng chất khô của bán thành phẩm sau khi ƣớp đƣờng. Ta có: 1326,84 12% + 796,11 99,4% = 2101,72 a
a = 45,23 %
Vậy hàm lƣợng chất khô của bán thành phẩm sau khi ƣớp đƣờng là 45,23%
4.6.7 Công đoạn cô đặc
Ta có, hàm lƣợng chất khô của bán thành phẩm sau khi ƣớp đƣờng là 45,23 % Vậy, độ ẩm của mứt cà rốt sau khi ƣớp đƣờng là W1 = 100 - 45,23 = 54,77 %
Chỉ tính theo độ giảm ẩm của sản phẩm từ 54,77 % xuống 40 %.
M2 = M1
=
(kg/h)
M1, M2: lƣợng bán thành phẩm liệu trƣớc khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc, kg/h.
W1, W2:độ ẩm ban đầu, cuối của vật liệu (tính theo khối lƣợng chung, %). Độ ẩm đầu: W1 = 54,77 %. Độ ẩm sau khi cô đặc: W2 = 40 %.
Lƣợng bán thành phẩm sau khi cô đặc G7 = M2
(kg/h)
4.6.8 Công đoạn sấy
Cho độ ẩm của sản phẩm: 20 %
Chỉ tính theo độ giảm ẩm của sản phẩm từ 40 % xuống 20 %. M2 = M1 = (kg/h)
M1, M2: lƣợng vật liệu trƣớc khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị sấy, kg/h. W1, W2:độ ẩm ban đầu, cuối của vật liệu (tính theo khối lƣợng chung, %). Độ ẩm đầu: W1 = 40 %. Độ ẩm sau khi cô đặc: W2 = 20 %.
Lƣợng nguyên liệu sau khi sấy
G8 = M2 (kg/h)
4.6.9 Công đoạn bao gói
Lƣợng mứt cà rốt thu đƣợc sau khi bao gói G9 =
Bảng 4.6Bảng tổng kết nguyên liệu của dây chuyền sản xuất nƣớc cà chua ép qua các công đoạn
STT Công đoạn Nguyên liệu (kg/h) Nguyên liệu (kg/ngày)
1 Nguyên liệu 1614,03 38736,76
2 Bảo quản, dấm chín 1452,63 34863,09
3 Lựa chọn, phân loại 1430,84 34340,14
4 Rửa 1416,53 33996,74 5 Nghiền, xé 1402,37 33656,77 6 Đun nóng 1388,34 33320,21 7 Ép 1041,26 24990,15 8 Lọc 1010,02 24240,45 9 Phối chế 1236,67 29680,07 10 Đồng hóa 1230,49 29531,67 11 Bài khí 1218,18 29236,36 12 Rót hộp 1212,09 29090,17 13 Thanh trùng 1206,03 28944,72 14 Bảo ôn 1200 28800 15 Thành phẩm 1200 28800 16 Muối 5,05 121,20 17 Đƣờng 67,02 1608,48 18 Axit citric 4,39 105,36 19 Xirô 227,81 5467,44
Bảng 4.7Bảng tổng kết nguyên liệu của dây chuyền sản xuất mứt cà rốt qua các công đoạn
STT Các công đoạn Nguyên liệu
(kg/h)
Nguyên liệu (kg/ca)
1 Nguyên liệu cà rốt 1500 12000
2 Lựa chọn, phân loại 1425 11400
3 Rửa 1410,75 11286 4 Gọt vỏ 1340,21 10721,70 5 Cắt lát 1333,51 10688,09 6 Chần 1326,84 10614,75 7 Ƣớp đƣờng 2101,72 16813,77 8 Cô đặc 1568,41 12547,27 9 Sấy 1164,54 9316,35 10 Bao gói 1158,72 9269,77 11 Thành phẩm 1158,72 9269,77
CHƢƠNG 5: TÍNH NHIỆT
5.1 Tính nhiệt cho dây chuyền sản xuất mứt cà rốt
5.1.1 Công đoạn sấy
Máy sấy băng tải
Lƣợng nguyên liệu cần sấy: G5 = 1568,41 (kg/h) [bảng 4.7] Độ ẩm vật liệu vào : W1 = 40 %.
Độ ẩm vật liệu ra : W2 = 20 %.
Nhiệt độ sấy cho phép: t1 = 70 oC , suy ra P1bh = 0,3177 (at) [5; tr 312] Nhiệt độ ra của tác nhân sấy: t2 = 40 oC, suy ra P2bh = 0,0752 (at).
5.1.1.1 Tính các thông số của không khí trước khi vào calorifer
Trạng thái không khí ngoài trời nơi đặt thiết bị sấy ở Hải Dƣơng nên ta chọn nhiệt độ là: t0 = 23,5 oC, độ ẩm là: = 84 %. [6; tr 99]
Vậy Pbh = 0,03 (at) [5; tr 312]
Hàm ẩm của không khí đƣợc tính theo công thức sau: x0 = 0,622 ×
[10; tr 105]
= 0,622 ×
= 0,016 (kg/kgkkk)
Hàm nhiệt của không khí ẩm trƣớc khi qua calorifer: I0 = (1 + 1,97 × x0) × t0 + 2493 × x0 [6; tr 105]
= (1 + 1,97 × 0,016) × 23,5 + 2493 × 0,016 = 64,13 (kJ/kgkkk)
5.1.1.2 Các thông số của không khí khi qua calorifer trước khi vào máy sấy
Chọn nhiệt độ sấy: t1 = 70oC, suy ra P1bh = 0,3177 (at) [5; tr 312]
Khi đi qua calorifer, không khí chỉ thay đổi nhiệt độ nhƣng không thay đổi hàm ẩm nên: x1 = x0 = 0,016 (kg/kgkkk) [4; tr 188]
Nhiệt lƣợng riêng của không khí lúc này: I1 = (1 + 1,97 × x1) × t1 + 2493 × x1
= (1 + 1,97 × 0,016) × 70 + 2493 × 0,016 = 112,09 (kJ/kgkkk) Độ ẩm của không khí ở 70 oC: φ1 = [6; tr 105] = = 0,081
5.1.1.3 Thông số của không khí sau sấy
Chọn nhiệt độ khi ra khỏi máy sấy: t2 = 40 oC Suy ra, P2bh = 0,0752 (at) [5; tr 312]
Vì là quá trình sấy lý thuyết nên nhiệt lƣợng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá trình sấy: I2 = I1 = 112,09 (kJ/kgkkk) [4; tr 191]
Hàm ẩm của tác nhân sấy: x2 =
=
= 0,028 (kg/kgkkk)
Độ ẩm của tác nhân sấy: φ2 =
=
= 0,59
Tính nhiệt độ điểm sƣơng: x2 = 0,622 ×
(với 2 = 1) [4;tr 175] Suy ra:Pbh =
=
= 0,044 (at) Dựa vào bảng I.251, [5; tr 312], ta đƣợc: ts = 30,44 0C Do đó: t = t2 –ts = 40 – 30,44 = 9,55 0C
Vì t < 10 oC nên việc ta chọn t2 = 40 0C là thích hợp
5.1.1.4 Lượng không khí khô tiêu hao riêng để bốc hơi 1 kg ẩm
l =
=
= 87,11 (kg/kg ẩm) [6; tr 105]
5.1.1.5 Tổng lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy
L = l × U (kgkkk/h) [6; tr 102]
Theo mục 4.2.2.7, có U = ΔG = 1568,41 - 1176,31= 392,10 (kg/h) Suy ra: L = 87,11 × 392,10 = 32586,31 (kgkkk/h)
5.1.1.6 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy
* Lƣợng nhiệt cần thiết làm bay hơi 1 kg ẩm q1 =
[6; tr 102] =
– = 3997,03 (kJ/kg ẩm)
* Tổng nhiệt lƣợng cần thiết cho quá trình bay hơi ẩm Q1 = q1 × U [6; tr 102]
= 3997,03 × 392,10 = 1559243 (kJ/h)
* Nhiệt lƣợng cần cung cấp để đun nóng nguyên liệu sấy Q2 = G × C1 × ( ttb – t0) [6; tr 102]
Trong đó:
- G là lƣợng nguyên liệu ban đầu đƣa vào sấy, G7 = 1568,41 (kg/h) [bảng 4.7].
- C1 là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, C1 = 3870 (J/kg.oC).
- to là nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu sấy, to= 50 oC.
- ttb là nhiệt độ đun nóng cho phép nguyên liệu sấy: ttb = = = 55 oC
Suy ra: Q2 = 1568,41× 3870 × ( 55 - 50) = 30348734 (J/h) = 30348,73 (kJ/h) * Nhiệt lƣợng tổn thất do vật liệu sấy mang ra:
Q vl = M2 [10; tr 58] Với:
- M2b= 1176,31 (kg/h)
- θ1 là nhiệt độ lúc đầu của vật liệu sấy, θ1 = t0 = 50 oC.
- θ2 là nhiệt độ ra của vật liệu sấy, thông thƣờng lấy thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy là 10oC, vậy chọn θ2 = 70 – 10 = 60 oC.
- Cvl là nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm: Cvl = 2,84 (kJ/Kg.0C) [39] Suy ra: Q vl = 1176,31 × 2,84 × (60 - 50) = 33407,2 (kJ/h)
* Tổn thất nhiệt ra môi trƣờng
Qmt = [9; tr 60] Trong đó:
K: Hệ số truyền nhiệt của thiết bị K =
[6; tr 248] Trong đó:
- 1, 2: là hệ số cấp nhiệt trong và ngoài thiết bị (W/m2.oC).
1 = 2 = 6,15 + 4,17 × v = 6,15 + 4,17 × 3 = 18,66 (W/m2.oC). (Với v là vận tốc sấy, m/s)
- 1, 2: hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu buồng sấy và lớp cách nhiệt (W/m.oC).
1 = 20,9 (W/m.0C); 2 = 0,116 (W/m.oC). [5; tr 127]
- δ1, δ 2: chiều dày lớp vật liệu buồng sấy và lớp cách nhiệt (W/m2.oC).
δ1 = 0,02 (m); δ 2 = 0,01 (m) Suy ra: K =
= 5,15 (W/m2.oC).
F: Diện tích xung quanh của thiết bị sấy
F = P × H = 2 × (L + W) × H = 2 × (14,675 + 2,408) × 3,385 = 115, 65 (m2) ( P, L, W, H lần lƣợt là chu vi đáy, chiều dài, chiều rộng và chiều cao thiết bị, m)
Δttb: Hiệu số nhiệt độ trung bình =
× [6; tr 5] Với t1, t2 hiệu số nhiệt độ đầu và cuối
t1 = 70 – 40 = 30 oC ; t2 = 50–40 = 10 oC
tb: Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, phụ thuộc vào các thông số R, P [4;tr69] R =
= 3
P = –
Tra bảng chọn = 0,95 [6; tr 7] Từ đó, ta có: =
× 0,95 = 27,41 oC
Suy ra: Qmt = 5,15 × 115, 65 × 27,41 = 16325,33 (W) = 58771,18 (kJ/h)
Tổng tổn thất trong quá trình sấy:
Q3 = Qvl + Qmt = 33407,2 +5 8771,18 = 92178,38 (kJ/h)
* Nhiệt do ẩm của vật liệu sấy mang vào:
Q4 = U × θ1 × Ca [6; tr 102]
= 392,10× 50 × 4,18 = 81948,9 (kJ/h) * Nhiệt lƣợng cần để cung cấp cho calorifer Q = Q1 + Q2 + Q3 - Q4
= 1559243 + 30348,73 + 92178,38 - 81948,9 = 1599821 (kJ/h)
Lƣợng hơi nƣớc bão hòa dùng cho máy sấy: D1 = =
(kg/h)
Trong đó: r là ẩn nhiệt hoá hơi của hơi nƣớc bão hoà ở nhiệt độ 120 oC. rhh = 526,7 (kcal/kg) = 2201,61 (kJ/kg) [5; tr 313]
5.1.2 Công đoạn cô đặc
Lƣợng hơi cần cung cấp cho quá trình cô đặc: D2’ = 130 (kg/h) [mục 6.2.7]. Thời gian cô đặc là 2 h.
Vậy lƣợng hơi cần cung cấp là: D2 = 130 × 2 = 260 (kg/h). Ta có: D2 =
Trong đó:
Cô đặc ở nhiệt độ 60 0C. Vậy ẩn nhiệt hóa hơi: rhh = 2356,9 (kJ/kg) [5; tr 313]. Nhiệt lƣợng cần cung cấp cho quá trình cô đặc:
Qcđ = D2 × rhh = 260 × 2356,9 = 612794 (kJ/h)
Theo bảng 4.7, lƣợng bán thành phẩm đƣa vào quá trình chần: G4 = 1333,51 (kg/h), sử dụng thiết bị chần băng tải thì các thông số của nguyên liệu nhƣ sau:
Nhiệt dung riêng của cà rốt: Ccr = 3,81 kJ/kg.độ [39]. Nhiệt độ ban đầu của cà rốt: t1= 23,5 oC, nhiệt độ cao nhất của cà rốt khi chần: t2 = 90 oC.
Nhiệt lƣợng cần cung cấp:
Q1 = G4 × Ccr × (t2 - t1) = 1333,51 × 3,81 × (90 – 23,5) = 337864,80 (kJ/h) Nhiệt lƣợng cần cung cấp để đun nóng nƣớc ( nhiệt lƣợng này cần thêm 30 % so với nhiệt lƣợng cần để chần cà rốt ):
Q2 = 1,3 × 337864,80 = 439224,20 (kJ/h) Đặc tính hơi gia nhiệt:
- Áp suất: p = 3 - 4 atm.
- Nhiệt hóa hơi: rhh = 2285 kJ/kg [5, tr 313].
- Hơi ngƣng tụ chiếm 90 % so với tổng lƣợng hơi cấp vào.
Lƣợng hơi cần cung cấp để đun nóng nƣớc ( giả sử tổn thất nhiệt ra môi trƣờng 5% ):
D3 = 1,05 ×
= 1,05 ×
213,58 (kg/h)
Tổng lƣợng hơi cung cấp cho dây chuyền mứt cà rốt là: D = D1 + D2 + D3 = + 260 + 213,58 = 1200,24 (kg/h)
5.2 Tính nhiệt cho dây chuyền sản xuất nƣớc cà chua ép
5.2.1 Công đoạn đun nóng cà chua sau khi nghiền, xé
Theo bảng 4.6, lƣợng bán thành phẩm đƣa vào quá trình chần: M4 = 1402,37 (kg/h), sử dụng thiết bị nồi 2 vỏ có cánh khuấy thì các thông số của nguyên liệu nhƣ sau:
- Nhiệt dung riêng của cà chua: Ccc = 3,98 kJ/kg.độ [39]. - Nhiệt độ ban đầu của cà chua:t1 = 23,5 oC.
- Nhiệt độ cao nhất của cà chua khi đun nóng: t2 = 80 oC. Nhiệt lƣợng cần cung cấp:
Q1 = M4 × Ccc × (t2 - t1) = 1402,37 × 3,98 × (80 – 23,5) = 315350,90 (kJ/h) Đặc tính hơi gia nhiệt:
- Áp suất: p = 0,5 kg/cm2.
- Nhiệt hóa hơi: rhh = 2310 kJ/kg [5, tr 313].
- Hơi ngƣng tụ chiếm 90 % so với tổng lƣợng hơi cấp vào.
Lƣợng hơi cần cung cấp để đun nóng cà chua sau khi xé ( giả sử tổn thất nhiệt ra môi trƣờng 5% ):
H1’ = 1,05 ×
= 1,05 ×
151,68 (kg/h)
Vì có 2 nồi nên lƣợng hơi cần cung cấp để đun nóng cà chua sau khi xé là: H1 = 2× 151,68 = 303,37 (kg/h)
5.2.2 Công đoạn nấu xirô
Năng suất hơi: H2 = 200 (kg/h) [mục 6.1.17].
5.2.3 Công đoạn thanh trùng
Quá trình thanh trùng là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, nó bao gồm cả quá trình dẫn nhiệt và đối lƣu nhiệt. Ở đây là quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua bề mặt trao đổi nhiệt là vật rắn (vỏ hộp đựng sản phẩm) gồm 3 giai đoạn:
5.2.3.1 Giai đoạn nâng nhiệt:
Quá trình này cần tính nhiệt lƣợng để cung cấp cho vỏ hộp và sản phẩm bên trong: Qnn = Q1 + Q2 +Q3
Nhiệt đun nóng bao bì sắt tây
Nhiệt đun nóng bao bì sắt tây: Q1 = G1 × C1 × (tc – t1) Trong đó:
- G1: khối lƣợng vỏ của bao bì cần đun nóng trong 10 phút với hộp số 8.
- C1: nhiệt dung riêng của bao bì sắt tây, C1 = 0,21 (kJ/kg.độ) [43].
Theo mục [4.5.13], có 3767 hộp/h hộp số 8 có thể tích sản phẩm là 330 ml, hộp số 8 là bao bì sắt tây nên có khối lƣợng riêng là 7,26 kg/m3 [44]. Thể tích của hộp là 353 ml [7; tr 410].
Vậy, khối lƣợng vỏ của bao bì là: G1 =
× 7,26 × × 3767 = 1,61 kg.
- t1: nhiệt độ ban đầu của của hộp sắt tây lấy bằng nhiệt độ sản phẩm sau khi rót trong hộp nhiệt độ 35 °C.
Vậy, nhiệt đun nóng bao bì sắt tây:
Q1 = G1 × C1 × (tc–t1) = 1,61 × 0,21 × (95 - 35) = 20,27 (kJ)
Nhiệt đun nóng chất lỏng bên trong
Nhiệt đun nóng chất lỏng bên trong: Q2 = G2 × C2 × (tc – t2) Trong đó:
- G2: khối lƣợng sản phẩm đƣợc nâng nhiệt trong 10 phút với hộp số 8 Theo bảng 4.6, khối lƣợng sản phẩm là M11 = 1212,09 kg/h.
Vậy, khối lƣợng sản phẩm đƣợc nâng nhiệt trong 10 phút là G2 = 1212,09 ×
= 202,02 (kg)
- C2: nhiệt dung riêng của sản phẩm, C2 = 3,98 (kJ/kg.độ) [39].
- tc : nhiệt độ của quá trình nâng nhiệt lấy bằng nhiệt độ thanh trùng, tc = 95 °C.
- t2: nhiệt độ ban đầu của sản phẩm lấy bằng nhiệt độ sản phẩm sau khi rót trong hộp nhiệt độ 35 °C.
Vậy, nhiệt đun nóng chất lỏng bên trong:
Q2 = G2 × C2 × (tc – t2) = 202,02 × 3,98 × (95 - 35) = 48241,18 (kJ)
Nhiệt tổn thất ra môi trƣờng
Nhiệt lƣợng tổn thất ra ngoài môi trƣờng: Q3 = F × T × × (tcm – tk) Trong đó:
- F: diện tích buồng gia nhiệt (m2)
Trong thiết bị thanh trùng chia làm 3 khoang: 3 khoang nâng nhiệt, 4 khoang giữ nhiệt và 3 khoang làm nguội. Một khoang có diện tích là:
F1 = 2,2 × 2,8 = 6,16 m2 [mục 6.1.14]
Vậy, 3 khoang nâng nhiệt có nhiệt tích là: F = 6,16 × 3 = 18,48 m2.
- T: thời gian nâng nhiệt: 10 phút
- tcm : nhiệt độ trung bình của thành thiết bị, tcm= 60°C
- : hệ số toả nhiệt ra môi trƣờng xung quanh,
= 9,3 + 0,058 × tcm = 9,3 + 0,058 × 60 = 12,78 (W/m2.°C). Vậy, nhiệt tổn thất ra môi trƣờng:
Q3 = F × T × × (tcm–tk) = 18,48 × × 60 × 12,78 × (60 – 23,5) = 8502278 (J) = 8502,28 (kJ)
Nhiệt cho giai đoạn nâng nhiệt:
Qnn = Q1 + Q2 + Q3 = 20,27 + 48241,18 + 8502,28 = 56763,73 (kJ)
Chi phí hơi cho quá trình nâng nhiệt thanh trùng :
H3’ = = 24,97 kg
Với ẩn nhiệt hóa hơi ở 950C: rhh = 2273 (kJ/kg) [5, tr 312].
Lƣợng hơi tiêu tốn trong 1 giờ: H3’’ = =
× 60 = 149,84 (kg/h)
5.2.3.2 Giai đoạn giữ nhiệt:
Trong quá trình giữ nhiệt, nhiệt độ thay đổi không đáng kể, chi phí nhiệt là lƣợng nhiệt cần bù đắp vào lƣợng nhiệt mất mát do tổn thất ra môi trƣờng xung quanh. Nhiệt tổn thất ra môi trƣờng xung quanh: Qm’ = F × × T × (tbm – tkk)
Trong đó:
- F: diện tích buồng thanh trùng.
- T: thời gian giữ nhiệt 15 phút.
- tbm : nhiệt độ của buồng giữ nhiệt, tbm = 950C.
- tkk: nhiệt độ môi trƣờng, tkk = 23,50C.
- : hệ số toả nhiệt ra môi trƣờng xung quanh
= 9,3 + 0,058 × tbm = 9,3 + 0,058 × 95= 14,81 (W/m2.0C ).
Qm’ = F × × T × (tbm – tkk) = (2,2 × 2,8 × 4) × 14,10 × 15 × 60 × (95 - 23,5) = 23482499 (J) = 23482,50 (kJ)
Chi phí hơi cho quá trình giữ nhiệt thanh trùng: H3* =
Lƣợng hơi tiêu tốn trong 1 giờ: H3’’’ = × 60 =
× 60 = 41,32 kg/h
5.2.3.3 Giai đoạn hạ nhiệt:
Nƣớc từ khu xử lý nƣớc đƣa qua đi hạ nhiệt sản phẩm. Vậy chi phí hơi cho quá trình thanh trùng là:
H3 = H3’’ + H3’’’ = 149,84 + 41,32 = 191,16 (kg/h)
Vậy, lƣợng hơi cần cung cấp cho dây chuyền sản xuất đồ hộp nƣớc cà chua: H = H1 + H2 + H3 = 303,37 + 200 + 191,16 = 694,53 (kg/h)
Vậy tổng lƣợng hơi sử dụng cho cả 2 dây chuyền là: D tổng = D + H = 1200,24 + 694,53 = 1894,77 (kg/h) Chọn nồi hơi ống lửa nằm ngang hiệu WNS2-1.25-Y(Q). Với thông số kỹ thuật [45]:
- Tiêu hao nhiên liệu: 129,6 kg/tấn hơi/h đối với nhiên liệu là dầu DO.
- Năng suất hơi: 2000 kg/h.
- Áp suất làm việc: 1,25 Mpa với nhiệt độ hơi bão hòa: 194 0 C.
- Cân nặng: 7,2 tấn
- Kích thƣớc (L x W x H): 4111 × 1950 × 2199 (mm).
Lƣợng hơi cần cung cấp cho tất cả các thiết bị: D tổng = 1894,77 kg/h.