Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt trong bộ

Phần 4 Kết quả và thảo luận

4.1. Xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm trong bộ phận cơ đặc

4.1.2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt trong bộ

bộ phận cơ đặc

Để xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm trong bộ phận cơ đặc, Luận án này kế thừa một số kết quả nghiên cứu về lý thuyết của các tác giả Schellart (2011), Bakier (2007), Heldman & cs. (2019), Лебедев (1972), Михеев & Михеева (1977), Đặng Quốc Phú & cs. (2006), Bùi Hải & Trần Thế sơn (2015), Bùi Hải & cs. (2001)… để xây dựng mơ hình tốn nhằm định hướng ban đầu cho việc thiết kế.

4.1.2.1. Cơ sở vật lý của q trình cơ đặc

Theo thuyết động học phân tử q trình cơ đặc được giải thích như sau: các phân tử chất lỏng nằm gần mặt thống có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt qua tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt

chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Khi bay hơi các phần tử cần khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực của áp suất bên ngồi, khi đó phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt ở ngồi, lượng nhiệt lấy đi trong q trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi. Khi nhiệt độ tăng, ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không.

Khi sôi chất lỏng bốc hơi không chỉ ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà phần chủ yếu là các bọt hơi được tạo thành trong chất lỏng. Các bọt hơi là những tâm tạo thành hơi, trong quá trình bốc hơi các bọt hơi tăng dần kích thước và nhờ lực đẩy Acsimet nó bị đẩy lên mặt thống, đồng thời các bọt khác lại được tạo thành, kết quả là hơi được chuyển liên tục từ bên trong lớp chất lỏng lên mặt thoáng.

Các bọt hơi tạo thành trong chất lỏng có một số khí hồ tan, khi đun nóng các khí thốt ra tạo thành nhiều bọt, từ các bọt này chất lỏng sẽ bay hơi. Hiện tượng này thường có ở giai đoạn đầu của q trình sơi. Điều kiện để tạo thành bọt hơi là áp suất hơi trong bọt phải bằng áp suất chất lỏng ở xung quanh, ở điều kiện này chất lỏng sẽ bay hơi mạnh mặc dù nhiệt lượng cung cấp từ ngoài vào cho chất lỏng tương đối lớn nhưng nhiệt độ của nó tăng rất chậm. Đơi khi chất lỏng sôi ở trạng thái quá nhiệt (hiện tượng này xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình sơi) do chất lỏng khơng chứa khí hồ tan, khi đó áp suất hơi bên trong bọt pb phải bằng áp suất pl của chất lỏng bên ngoài cộng thêm áp suất p’ để thắng trở lực do sức căng bề mặt giữa hơi và lỏng, áp suất này là ' 2

p  

 (σ- sức căng bề mặt; ρ- bán kính của bọt), nghĩa là: pb = pl + p’. Vì p = f(to) nên muốn áp suất hơi trong bọt bằng pb, chất lỏng phải quá nhiệt một đại lượng  t tw tfs với tfs- nhiệt độ sôi ứng với áp suất ps, tw- nhiệt độ vách truyền nhiệt (Nguyễn Bin, 2011).

4.1.2.2. Cân bằng vật liệu

Giả thiết: G là lượng dung dịch vận chuyển vào bộ phận cô đặc (kg), b1 là nồng độ dung dịch ban đầu (%), b2 là nồng độ dung dịch sau khi cô đặc (%), W là lượng nước bốc hơi.

Lượng chất khơ có trong dung dịch trước và sau khi cơ đặc là khơng đổi, vì vậy phương trình cân bằng khối lượng (Лебедев, 1972; Bùi Hải & cs., 2001):

 

1 2

Từ đó ta tính được lượng nước cần bốc hơi: 1 2 b W G(1 ) b   kg (4.2)

Nồng độ của dung dịch là tỷ số giữa khối lượng chất rắn hòa tan Gk (dạng khơ hồn tồn) với tồn bộ khối lượng của dung dịch G = Gk+W. Như vậy, ta có:

k k k G G b = 100% G G W   (4.3)

Trong q trình cơ đặc, Gk= const cịn W giảm đi do bốc hơi nên nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên.

4.1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cơ đặc

a. Nhiệt độ sơi của sản phẩm

Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt sản phẩm, nồng độ chất khơ và tính chất lý hóa của sản phẩm. Khi áp suất hơi trên bề mặt của dung dịch càng thấp thì nhiệt độ sơi của sản phẩm càng giảm. Ở nhiệt độ sôi thấp, sản phẩm ít bị biến đổi. Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta tạo chân không trong bộ phận cô đặc để hạ nhiệt độ sôi của sản phẩm hoặc sử dụng chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp như hơi thứ. Tuy nhiên, nhiệt độ sôi thấp sẽ làm giảm tốc độ trao đổi nhiệt trong sản phẩm và có thể đưa tới hiện tượng bốc hơi bề mặt giống như quá trình sấy.

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ sôi tới sản phẩm

Khi tiến hành cơ đặc sản phẩm, sau q trình gia nhiệt thì nhiệt độ của sản phẩm đang ở nhiệt độ cao. Nước trong sản phẩm đã bắt đầu bốc hơi.

Ở đây, nhiệt độ sôi của dung dịch mật phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt, nồng độ chất khơ, và tính chất vật lý hóa học.

Khi áp suất hơi trên bề mặt của dung dịch mật càng thấp thì nhiệt độ sơi càng thấp. Vì vậy việc tạo độ chân không sẽ làm giảm được nhiệt độ sôi của dung dịch mật. Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sơi bằng cách thay đổi độ chân không. Độ chân không được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quay động cơ nhờ biến tần.

Bảng 4.1. Quan hệ giữa độ chân không và nhiệt độ sôi của nước

Độ chân không (mmHg) Nhiệt độ sôi (0C)

0 100 126 95 234 90 326 85 405 80 430 75 526 70 572,5 65 610 60 642 55 667,6 50 690 44,5 705 40 Nguồn: Bộ KH-CN (2019)

c. Ảnh hưởng của nồng độ chất khô tới nhiệt độ sôi của sản phẩm

Khi nồng độ chất khơ trong sản phẩm càng lớn thì nhiệt độ sơi càng cao. Trong q trình cơ đặc, nồng độ chất khô tăng dần nên nhiệt độ sôi của sản phẩm cũng tăng dần.

Bảng 4.2. Quan hệ giữa nồng độ chất khô và nhiệt độ sôi ở 705 mmHg

Nồng độ chất khô (%) Nhiệt độ sôi ở 705 mmHg(0C)

55 42,82 60 43,55 65 44,45 70 45,57 75 46,94 80 48,62 82 49,4

Nguồn: Crapiste & Lozano (1988)

d. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới màu sắc sản phẩm

Nhiệt độ làm sẫm màu sản phẩm tại khâu gia nhiệt do phản ứng Maillard giữa đường khử (fructose) và axit amin khi nhiệt độ từ 70÷90oC.

Đối với q trình cơ đặc thì sự sẫm màu ở dung dịch mật xảy ra bởi phản ứng Caramen.

4.1.2.4. Thời gian cô đặc

Thời gian cô đặc phụ thuộc vào cường độ bốc hơi của sản phẩm và điều kiện vận hành của hệ thống thiết bị. Ở thiết bị làm việc liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian cơ đặc ngắn.

4.1.2.5. Cường độ bốc hơi

Cường độ bốc hơi phụ thuộc chủ yếu vào hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì cường độ bốc hơi càng lớn. Để nâng cao hệ số truyền nhiệt cần phải nâng cao nhiệt độ sơi và tốc độ tuần hồn của sản phẩm, bề mặt truyền nhiệt cần phải được làm sạch, lượng nước ngưng tụ trong buồng đốt được thải ra tuần hồn và nhanh chóng.