2.4.1. Nguyên liệu Cà rốt (3cm x 3cm x 3cm) Dao Thước và khay đựng Tủ lạnh đông nhanh 2.4.2. Phương pháp tiến hành 2.4.2.1. Sơ đồ tiến hành thí nghiệm
Nguyên liệu
Xử lý
Làm lạnh - Làm đông
Thành phẩm
2.4.2.2. Giải thích quy trình
Xử lý
Mẫu cà rốt sau khi đã rửa sạch sẽ được cắt theo khối hình trụ có kích thước 3cm x 3cm x 3cm. Thiết bị cảm biến nhiệt được gắn vào hai vị trí: phía lõi trong của cà rốt và bề mặt của cà rốt.
Làm lạnh – lạnh đông
Nhiệt độ trung bình của cà rốt là nhiệt độ trung bình của nhiệt độ phía lõi trong và bề mặt của cà rốt được tính theo công thức:
Ttb T1+T2 2 Trong đó: T1 là nhiệt độ ở tâm (oC) T2 là nhiệt độ ở bề mặt (oC)
Ttb là nhiệt độ trung bình của vật liệu (oC)
2.4.2.3. Phương pháp xác định sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian lạnh đông
Tiến hành quá trình lạnh đông thực nghiệm. Ghi lại kết quả nhiệt độ ở phía lõi trong và bề mặt của cà rốt 2 phút/lần trong 3 giờ. Từ đó vẽ đồ thị động học của quá trình lạnh đông.
2.5. Kết quả và biện luận 2.5.1. Kết quả 2.5.1. Kết quả
Đồ thị động học của quá trình lạnh đông được mô tả trong hình
Hình 2.2. Đồ thị động học của quá trình lạnh đông -30 -20 -10 0 10 20 30 0 20 40 60 80 100 120 140 Nhiệt độ trung bình ( o C) Thời gian (phút)
2.5.2. Biện luận
Quá trình lạnh đông mẫu trải qua ba giai đoạn được mô tả trên hình 2.2. như sau: Giai đoạn 1 được thể hiện bởi đường cong màu tím (từ 26.55oC xuống -2oC). Trong giai đoạn này có sự giảm đột ngột của nhiệt độ theo thời gian. Đây là giai đoạn không tuân theo định luật về tốc độ làm lạnh vì sự thay đổi nhiệt độ tại các điểm khác nhau phụ thuộc vào trường nhiệt độ ban đầu, thời gian và tọa độ của điểm (Nguyễn Tấn Dũng. 2013). Trong đồ thị không xuất hiện điểm quá lạnh nên giai đoạn quá lạnh không tồn tại. Điều này được giải thích là do điểm quá lạnh xuất hiện không nằm trong khoảng thời gian khảo sát nên đã bị loại bỏ.
Giai đoạn 2 được thể hiện bởi đường cong màu xanh (từ -2oC xuống -6.95oC). Sự thay đổi nhiệt độ của mẫu theo thời gian trong giai đoạn này rất nhỏ. Điều này được giải thích vì trong giai đoạn này bắt đầu có sự trao đổi nhiệt diễn ra bên trong mẫu. Mẫu thí nghiệm không còn chịu ảnh hưởng của sự truyền nhiệt như ở ban đầu mà chỉ phụ thuộc vào môi trường lạnh gây ra. Đây là giải đoạn chủ yếu của quá trình làm lạnh. Nếu quá trình làm đông chậm thì giai đoạn 2 sẽ kéo dài. Nếu quá trình lạnh đông nhanh thì giai đoạn 2 này có thể rút ngắn hoặc không xuất hiện (Nguyễn Tấn Dũng. 2013).
Giai đoạn 3 được thể hiện bởi đường cong màu cam. Nhiệt độ của mẫu tiếp tục giảm xuống tới nhiệt độ cần bảo quản lạnh đông (-20.1oC). Trong giai đoạn này, sự trao đổi nhiệt diễn ra chủ yếu ở các lớp bên trong và bên ngoài của thực phẩm. (Nguyễn Tấn Dũng. 2013).
2.6. Tổng kết
Quá trình lạnh đông là một trong những quá trình rất cần thiết trong quá trình bảo quản, vận chuyện và lưu trữ sản phẩm. Tuỳ thuộc vào các loại sản phẩm, mục đích chế biến khác nhau mà áp dụng các kỹ thuật lạnh đông khác nhau.
Trong quá trình khảo sát lạnh đông thực phẩm, cần giảm thời gian giữa các lần ghi số liệu xuống 1 phút/lần để có thể khảo sát được giai đoạn quá lạnh của thực phẩm.
2.7. Tài liệu tham khảo
Nguyễn Tấn Dũng, 2014. Bài giảng thực tập môn qua trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm.Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật.
Nguyễn Tấn Dũng, 2013. Giáo trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm.Tập 2: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Phần 3: Các quá trình và thiết bị làm lạnh và lạnh đông. Nhà xuất bản, Đại học Quốc gia TP.HCM, pp 238- 242. GS.TSKH Trần Đức Ba, 2010. Công nghệ lạnh thực phẩm nhiệt đới. Chương 2: Làm
lạnh và lạnh đông thực phẩm. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM, pp 45- 73.
Ts. Nguyễn Xuân Phương, 2006. Kỹ thuật lạnh thực phẩm. Chương 4: Cơ sơ lý thuyết về kỹ thuật lạnh và lạnh đông thực phẩm, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, pp 169-174.
TSKH Trần Đức Ba. 2009. Giáo trình lạnh đông rau quả xuất khẩu. NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, pp: 26.
Heldman, D. R., & Hartel, R. W. (1999). Chapter 6: Freezing and Frozen-Food Storage. Trong D. R. Heldman, & R. W. Hartel, Principles of Food Processing (trang 113-137). United States: Springer Science+Bussiness Media, LLC.
Horbaniuc, B., Ioan, C. C., & Dumitrascu, G. (2012). Study of individual quick freezing using liquid nitrogen: An ecological foods freezing technique.
Mẫn, L. V. (2011). Công nghệ chế biến thực phẩm. TP. HCM: Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Adams, M. R., & Moss, M. O. (2000). Factors affecting the growth and survival of micro-organisms in foods. In Food Microbiology, pp. 21-64.
BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3: TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 3.1. Tổng quan
3.1.1. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị truyền nhiệt là một thiết bị dùng để vận chuyển nhiệt lượng (enthalpy) giữa hai hoặc nhiều dòng chất lỏng, giữa bề mặt rắn và lỏng hoặc giữa các hạt rắn và lỏng ở các điều kiện nhiệt độ và tiếp xúc nhiệt khác nhau mà không có nguồn nhiệt bên ngoài tương tác. Chất lỏng có thể là đơn chất hoặc hỗn hợp. Các ứng dụng tiêu biểu là khả năng sử dụng việc gia nhiệt hoặc làm lạnh một dòng chất lỏng có thể ảnh hưởng như thế nào đến sự bay hơi hoặc ngưng tụ của một loại hơi (fluid steam) đơn hoặc đa thành phần, khả năng thu hồi và thải nhiệt của hệ thống. Ngoài ra còn một vài ứng dụng khác là tiệt trùng, thanh trùng, chưng cất, cô đặc, kết tinh hay kiểm soát dòng chảy. (Shah.R.K & Sekulic.D.P, 1998) (Zeki Berk, 2009).
Ở một vài thiết bị trao đổi nhiệt, các dòng chất lỏng trao đổi nhiệt qua tiếp xúc trực tiếp (direct contact). Ở các thiết bị khác, sự trao đổi nhiệt được diễn ra thông qua một vách ngăn giữa hai dòng. Hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt, các dòng sẽ được ngăn cách bởi một bề mặt trao đổi nhiệt (a heat transfer surface). Những thiết bị này là những loại trao đổi nhiệt trực tiếp (direct transfer type) hay thiết bị trao đổi nhiệt - thu hồi nhiệt (recuperators). Ngược lại, các thiết bị mà sự trao đổi nhiệt được diễn ra gián đoạn hay không liên tục giữa hai dòng nóng và lạnh thông qua sự lưu và thải nhiệt lượng (thermal energy storage and rejection) bằng các bề mặt trao đổi nhiệt được gọi là loại trao đổi nhiệt gián tiếp hay trao đổi nhiệt tái sinh (regenerators). Những thiết bị này thường dễ bị rò rỉ dẫn đến việc các dòng bị trộn lẫn với nhau. (Shah.R.K & Sekulic.D.P, 1998).
3.1.2. Phân loại các quá trình trao đổi nhiệt
Có nhiều cách phân loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau như (i) Dựa vào phương thức trao đổi nhiệt: trao đổi nhiệt trực tiếp, trao đổi nhiệt gián tiếp ; (ii) Dựa vào tính chất trao đổi nhiệt: trao đổi nhiệt hỗn hợp, trao đổi nhiệt hồi nhiệt và trao đổi nhiệt phức tạp; (iii) Dựa vào chiều hướng của các dòng chảy của lưu chất: trao đổi nhiệt xuôi dòng, trao đổi nhiệt ngược dòng và trao đổi nhiệt chéo dòng (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).
Trong bài báo cáo này chúng tôi chỉ đề cập đến hai thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến và được áp dụng rộng rãi là thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng và thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).
3.1.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng
Thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng (được mô tả trong hình 3.1.) là dòng lưu chất lạnh và dòng lưu chất nóng chảy cùng chiều nhau (Charles E. Thoma. 2015). Thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng dựa trên nguyên tắc hoạt động của thiết bị truyền nhiệt hai vỏ. Nó gồm hai ống có đường kính khác nhau lồng vào nhau. Một dòng lưu chất đi ở ống trong, dòng lưu chất còn lại đi ở không gian giữa hai ống. Sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất xảy ra qua bề mặt của đoạn ống trong bị bọc bởi đoạn ống ngoài dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ của hai dòng lưu chất (Nguyễn Văn May, 2004). Ống trong có thể làm trơn hoặc có cánh dọc theo chiều dài của ống. Tuy nhiên, thiết bị này ít được sử dụng, hiện nay người ta thường sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng.
Hình 3.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng
3.1.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng
Ngược lại với thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng, thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng có dòng lưu chất nóng và dòng lưu chất lạnh chảy ngược nhau. Đối với thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng, hiểu quả trao đổi nhiệt là tốt nhất. Nhiệt độ dòng lạnh trong
quá trình trao đổi nhiệt sẽ tăng dần và thấp hơn nhiệt độ của dòng nóng tại điểm tương ứng (Gösta Bylund. 1995).
Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng
3.2. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành với mục đích thiết lập cân bằng nhiệt lượng, xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng nóng và lạnh qua vách kim loại ở các chế độ chảy khác nhau.
3.3. Dụng cụ và phương pháp tiến hành 3.3.1. Dụng cụ thí nghiệm
Dụng cụ đo nhiệt độ
Đồng hồ đo thời gian
Nước đá cây, nước ấm
Thiết bị truyền nhiệt ống lòng ống
Bơm nước
Hệ thống ống nước
Van tiết lưu
Thực hiện khảo sát quá trình trao đổi nhiệt ở dòng nóng và dòng lạnh theo các chế độ dòng chảy khác nhau. Cụ thể như sau:
Thiết lập lưu lượng dòng nóng tại một giá trị xác định. Cố định lượng lưu lượng này, thay đổi 3 giá trị dòng lạnh. Đọc nhiệt độ dòng ra, vào ứng với từng trường hợp.
+Tương ứng với mỗi giá trị lưu lượng dòng nóng là 3 giá trị lưu lượng dòng lạnh.
+ Thí nghiệm được thực hiện lặp lại với 3 giá trị lưu lượng dòng nóng.
3.3.2.2. Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng
Phương trình cân bằng năng lượng của thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống được thể hiện qua phương trình:
Q G1 C1 (tv1-tr1) G2 C2 (tr2-tv2) K F ttb
Trong đó: G1, G2 là lưu lượng dòng nóng và lưu lượng dòng lạnh (kg/s) C1, C2 là nhiệt dung riêng trung bình của hai dòng nóng và dòng
lạnh (J/kg.K)
tv1, tr2 là nhiệt độ vào và ra của dòng nóng (oC) tv2, tr2 là nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh (oC) F là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị (m2) K là hệ số truyền nhiệt của thiết bị (W/m2.K)
ttb là độ chênh nhiệt độ trung bình logartit của hai dòng lưu chất nóng và lạnh
Công thức tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F π.d.L (m2)
Trong đó: d là đường kính trung bình của ống trao đổi nhiệt d = (d1 + d2)/2
d1, d2 là đường kính trong và đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt
L là chiều dài ống trao đổi nhiệt ttb t2- t1
ln( t2 t1) Công thức tính Qtổn thất: Qtổn thất = |Qtđ Nóng - Qtđ Lạnh|
Công thức tính tốc độ dòng chảy: v V/F (Trong đó: V là lưu lượng thể tích (m3/s), F là diện tích bề mặt trao đổi (m2))
3.4. Kết quả và biện luận 3.4.1. Kết quả 3.4.1. Kết quả
3.4.1.1. Trao đổi nhiệt ngược dòng
Bảng 3.1. Kết quả quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng (cố định dòng lạnh)
vnóng (m/s) vlạnh (m/s) Qtđ Nóng (W) Qtđ Lạnh (W) Qtổn thất (W) ∆ttb KNóng (W/m2.K) KLạnh (W/m2.K) 2.07×10-4 2.05×10-4 651.52 860.87 209.36 16.60 62.50 82.58 2.33×10-4 734.39 807.07 72.68 14.85 78.75 86.54 3.18×10-4 837.20 807.07 30.13 16.25 82.04 79.09
Bảng 3.2. Kết quả quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng (cố định dòng nóng)
vnóng (m/s) vlạnh (m/s) Qtđ Nóng (W) Qtđ Lạnh (W) Qtổn thất (W) ∆ttb KNóng (W/m2.K) KLạnh (W/m2.K) 2.25×10-4 1.99×10-4 651.29 680.23 28.94 16.30 63.63 66.45 2.36×10-4 532.87 558.13 25.26 - - - 3.18×10-4 532.87 1004.64 471.77 15.85 53.54 100.93
3.4.1.2. Trao đổi nhiệt xuôi dòng
Bảng 3.3. Kết quả quá trình trao đổi nhiệt xuôi dòng (cố định dòng lạnh)
vnóng (m/s) vlạnh (m/s) Qtđ Nóng (W) Qtđ Lạnh (W) Qtổn thất (W) ∆ttb KNóng (W/m2.K) KLạnh (W/m2.K) 0.977×10-4 1.36×10-4 719.07 548.59 170.47 20.16 56.81 43.34 1.93×10-4 1336.14 596.30 739.84 17.03 124.96 55.77 2.07×10-4 1920.85 667.85 1253.00 16.52 185.15 64.37 3.4.2. Biện luận
Từ kết quả bảng 3.1. ta có: Đối với quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng (cố định dòng lạnh), khi tăng tốc độ dòng nóng kéo theo việc tăng hệ số truyền nhiệt của lưu chất nóng. Từ đó, lượng nhiệt tổn thất trong quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng giảm. Với vận tốc dòng nóng gần bằng vận tốc dòng lạnh, nhiệt tổn thất được khảo sát là lớn nhất. Điều này được giải thích là do khi lưu lượng của hai dòng tương tự nhau
và chảy ngược nhau, thời gian trao đổi nhiệt giữa hai dòng kéo dài nên lượng nhiệt tổn thất là lớn nhất.
Từ kết quả bảng 3.3. ta có: quá trình trao đổi nhiệt xuôi dòng (cố định dòng lạnh), khi tăng tốc độ dòng nóng kéo theo việc tăng hệ số truyền nhiệt của lưu chất nóng. Tuy nhiên, vì là quá trình trao đổi nhiệt xuôi dòng nên nhiệt lượng tổn thất trong quá trình trao đổi nhiệt tăng dần. So với kết quả nhiệt tổn thất ở quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng, nhiệt lượng tổn thất ở quá trình xuôi dòng lớn hơn rất nhiều. Điều này được giải thích là do hệ số trao đổi nhiệt giữa dòng nóng và dòng lạnh trong quá trình trao đổi nhiệt xuôi dòng có sự chênh lệch nhau lớn. Đặc biệt là hệ số trao đổi nhiệt của dòng nóng cao hơn hệ số trao đổi nhiệt dòng lạnh nên hiệu quả trao đổi nhiệt là không cao, dẫn đến việc tổn thất nhiệt lớn. Vì vậy, hiện nay thiết bị trao đổi nhiệt xuôi dòng ít phổ biến hơn so với thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng.
Ngoài ra, quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng (cố định dòng nóng) cũng được khảo sát và mô tả ở bảng 3.2. Khi vận tốc dòng chảy lạnh tăng thì nhiệt lượng tổn thất tăng đột biến tuy nhiên không rõ xu hướng. Với vận tốc dòng nóng gần bằng vận tốc dòng lạnh thì độ chênh nhiệt độ trung bình logartit của hai dòng lưu chất nóng và lạnh không xảy ra. Vì vậy hệ số trao đổi nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh cũng không được tính toán.
Nguyên nhân phổ biến làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị là sự bám bẩn của những quá trình xử trước. Việc này dấn đến lớp trở nhiệt của vách truyền nhiệt dày lên làm giảm hệ số truyền nhiệt. Vì vậy, để cải thiện khả năng truyền nhiệt của thiết bị, nên làm vệ sinh thiết bị định kỳ, loại bỏ các lớp cặn bẩn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).
3.5. Tổng kết
Tuỳ vào quá trình, loại sản phẩm và điều kiện tiến hành sẽ áp dụng các phương thức trao đổi nhiệt khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng cho hiểu suất trao đổi nhiệt cao, phù hợp cho nhiều quy trình sản xuất.
3.6. Tài liệu tham khảo
Berk, Z. 2009. Chapter 3 Heat and mass transfer, basic principles. In Z. Berk, Food Process Engineering and Technology (p. 100). Academic Press.
Shah.R.K, & Sekulic.D.P. (1998). Chapter 17: Heat exchanger. In J. P. Warren M. Rohsenow, Handbook of Heat Transfer (p. 1234). McGraw-Hill Education.
Nguyễn Tấn Dũng. 2013. Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm. Tập 2: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Phần 1: Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt. Chương 4: Tính toán truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM. Pp 313-315
Nguyễn Văn May. 2004.Thiết bị truyền nhiệt và truyền khối. Phần 1: Thiết bị truyền nhiệt. Chương 1: Thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt. Nhà Xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội. Pp 27-31
Charles E. Thoma. 2015. Process Technology Equipment and Systems. Chapter 7 Heat Exchangers:.Printed in the United States of America. Pp 170