Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm, tập 2 – quá trình và thiết bị truyền nhiệt – phần 2 – các quá trình và thiết bị xử lý nhiệt trong thực phẩm

NGUYỄN TẤN DŨNG GIÁO TRÌNH TẬP 2 CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM PHẦN 2 Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt trong thực phẩm BỘ GIÁO DỤC V[.]

NGUYỄN TẤN DŨNG

GIÁO TRÌNH

TẬP 2 CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

PHẦN 2: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt trong thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

*******************

TS NGUYỄN TẤN DŨNG

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

Tập 2

CÁC QUÁ TRÌNH VÀ

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

PHẦN 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT TRONG THỰC PHẨM

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM - 2015

3

LỜI NÓI ĐẦU

Cuốn sách Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ hóa học và Thực

phẩm, Tập 2, Các quá trình và Thiết bị truyền nhiệt (Kỹ thuật thực phẩm

2) được biên soạn không ngoài mục đích là một giáo trình giảng dạy cho sinh viên, học viên ở Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và cũng có thể ở các trường đại học thuộc khối kỹ thuật khác trong các lĩnh vực Công nghệ hóa học, Công nghệ thực phẩm, Công nghệ nhiệt, Công nghệ môi trường và một số ngành kỹ thuật khác có liên quan

Cuốn sách Tập 2, Quá trình và Thiết bị truyền nhiệt gồm ba phần:

Phần 1, Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt (4 chương); Phần 2, Các quá trình

và thiết bị xử lý nhiệt trong thực phẩm (3 chương); Phần 3, Các quá trình

và thiết bị làm lạnh, làm lạnh đông (4 chương) Nó mang lại lợi ích cho các đọc giả đồng thời phục vụ cho các sinh viên, học viên ở các trường đại học có thể tham khảo, tìm hiểu, tra cứu và nghiên cứu về các Lý thuyết truyền nhiệt và Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

Qua đây tác giả xin chân thành cám ơn đến các thầy PGS.TS Nguyễn Văn Sức (CNHH&TP), PGS.TS Thái Bá Cần, PGS.TS Đỗ Văn Dũng (BGH trường ĐHSPKT TP.HCM) đã khuyến khích, ủng hộ cho ra đời cuốn sách này

Vì khối lượng kiến thức trong nội dung của cuốn sách này khá lớn nên quá trình biên soạn không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong các bạn đọc chân thành góp ý để cuốn sách này ngày càng hoàn thiện hơn trong những lần tái bản tiếp theo

Mọi phản hồi của bạn đọc xin gửi về địa chỉ Email: tandzung072@yahoo.com.vn, xin chân thành cám ơn

Tác giả

TS Nguyễn Tấn Dũng

5

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 3

Mục lục 5

Phần 2 CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 7

Chương 5 QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐUN NÓNG, LÀM NGUỘI, NGƯNG TỤ, BAY HƠI VÀ THĂNG HOA 9

5.1 ĐUN NÓNG 9

5.2 LÀM NGUỘI 119

5.3 NGƯNG TỤ 147

5.4 BAY HƠI VÀ THĂNG HOA 198

Chương 6 QUY TRÌNH VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC VÀ KẾT TINH 245

6.1 CÔ ĐẶC 245

6.2 KẾT TINH 274

Chương 7 QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THANH TRÙNG, CHIÊN (RÁN) 303

7.1 THANH TRÙNG 303

7.2 CHIÊN (RÁN) 413

Tài liệu tham khảo 469

Phần 2 CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

 MỤC TIÊU

- Phần 2 sẽ trình bày kiến thức về các quá trình và thiết bị truyền nhiệt trong Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Công nghệ kỹ thuật Môi trường

- Giúp cho sinh viên và các đọc giả nắm được kiến thức các quá trình truyền nhiệt như: quá trình đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc, kết tinh, làm lạnh, làm lạnh đông, thanh trùng, rán, v.v

 ỨNG DỤNG

Ứng dụng cơ sở lý thuyết đã được trình bày ở phần 1 để nghiên cứu khảo sát, điều chỉnh và kiểm tra các quá trình công nghệ, đồng thời tính toán, thiết kế và chế tạo các loại thiết bị trao đổi nhiệt như: đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc, kết tinh, làm lạnh, làm lạnh đông, chần, chiên, rán và thanh trùng, v.v

Nói chung ứng dụng trong nhiều lỉnh vực khác nhau như: trong Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Công nghệ Nhiệt, Công nghệ Môi trường, v.v

8

Chương 5 QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐUN NÓNG, LÀM NGUỘI, NGƯNG TỤ, BAY HƠI VÀ THĂNG HOA

5.1 ĐUN NÓNG

5.1.1 Định nghĩa

Đun nóng là quá trình cung cấp nhiệt lượng cho một khối lượng vật chất, làm cho nhiệt độ vật chất đó tăng và đạt tới nhiệt độ yêu cầu của công nghệ đã đặt ra

5.1.2 Nguồn nhiệt

Năng lượng nhiệt cần thiết để đun nóng có thể tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và từ những nguồn khác nhau:

- Sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp: khói lò, dòng điện, …

- Dùng những chất tải nhiệt trung gian (chất này lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng): hơi nước, nước nóng, dầu khoáng, chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, hoặc các chất tải nhiệt đặc biệt như muối vô cơ nóng chảy, kim loại nóng chảy, …

- Sử dụng nhiệt của khí hay chất lỏng thải ra có nhiệt độ tương đối cao

- Mỗi chất tải nhiệt đều có ưu nhược điểm riêng Do đó, tùy trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn chất tải nhiệt làm việc thích hợp nhất Điều kiện lựa chọn là:

- Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ đủ và tốt;

- Áp suất hơi bão hòa và độ bền về nhiệt tốt;

- Độ độc và tính hoạt động hóa học ít;

- Độ an toàn khi đun nóng cao (không cháy, nổ, …)

- Không ăn mòn thiết bị và bảo đảm cung cấp nhiệt độ ổn định

10

đích của quá trình và tính chất của vật liệu, thường được xác định từ trước Chệnh lệch giữa nhiệt độ cuối cùng (tc) và nhiệt độ ban đầu (tbđ) luôn luôn là một đại lượng lớn hơn 0   t t c t bd 0không phụ thuộc vào phương pháp thực hiện

Có thể thực hiện quá trình tăng nhiệt một cách liên tục hoặc tăng gián đoạn Trường hợp thứ nhất dt

d luôn luôn lớn hơn 0 (

d  do nhiệt độ không đổi, [23]

Không phụ thuộc vào phương pháp thực hiện, có thể thực hiện quá trình bằng cách tăng nhiệt độ một cách liên tục hoặc tăng gián đoạn nhưng cả hai quá trình vẫn đảm bảo t = tc - tđ > 0

- Mục đích khai thác

Quá trình đun nóng có thể làm tăng hiệu suất thu nhập hiệu sản phẩm từ một loại sản phẩm nào đó Ví dụ: nhiệt độ 60 - 700C sẽ làm tăng hoạt độ của enzyme amylase, làm cho khả năng trích ly các chất hòa tan như đường từ mía, dịch từ quả, làm tăng hiệu suất ép, tăng sự hòa tan chất màu, …

- Mục đích chế biến

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nhiều loại nguyên liệu bị biến đổi

về cấu trúc, tính chất hóa học, lý học,… làm cho chất lượng của nguyên liệu biến đổi hẳn Những biến đổi về chất lượng có thể theo chiều hướng xấu đi hoặc tốt lên Trong công nghệ chế biến thực phẩm, người ta lợi dụng những biến đổi tốt của chất lượng để tạo ra sản phẩm có ích

Nhiệt độ cao sẽ làm cho sản phẩm chín, loại bỏ (làm bay hơi) những thành phần bay mùi, vị lạ làm tăng giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cơ thể; làm hồ hóa các sản phẩm tinh bột, tẩy mùi, … những biến đổi đó sẽ làm cho sản phẩm có chất lượng tốt hơn, giá trị cảm quan cao hơn

- Mục đích bảo quản

Đun nóng ở nhiệt độ trên 700C có tác dụng làm mất hoạt tính của các loại enzyme có trong nguyên liệu, ngăn ngừa được những biến đổi xấu Ví dụ: các loại enzyme xúc tác các quá trình phân hủy các thành phần hóa học, sinh học có ích Nhiệt độ cao trên 90oC có thể tiêu diệt vi sinh vật có trong sản phẩm thực phẩm Do vậy, trong công nghệ thực phẩm thường đun nóng sản phẩm ở nhiệt độ và thời gian nhất định nhằm tiêu diệt vi sinh vật, ngăn ngừa hư hỏng sản phẩm Đó là quá trình thanh trùng nhiệt

- Mục đích hoàn thiện

Một số loại sản phẩm thường tồn tại ở dạng bán thành phẩm Để có chất lượng của các loại này đạt tới mức hoàn thiện hơn nhiều khi phải qua gia nhiệt (đun nóng) Đun nóng sẽ làm cho sản phẩm chín sử dụng được Trong thực tế công nghiệp, quá trình đun nóng thường được thực hiện kết hợp khi thanh trùng đồ hộp thịt cá ngoài mục đích để tiêu diệt vi sinh vật, bảo quản sản phẩm còn có mục đích chế biến làm cho thịt cá chín

5.1.3.3 Phạm vi thực hiện

Đun nóng là một trong những quá trình quan trọng nhất Quá trình này được thực hiện hầu hết trong các quy trình công nghệ sản xuất thực phẩm với những mục đích khác nhau

Hình 5.2 Sự tạo thành trường nhiệt độ

Tốc độ thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào sự truyền nhiệt trong khối vật liệu sự truyền nhiệt trong vật liệu có thể thực hiện bằng nhiều cách phụ thuộc vào trạng thái của chúng Nếu vật liệu là chất lỏng thì nhiệt được truyền vào trung tâm chủ yếu bằng đối lưu Nếu là chất rắn thì nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt Khi vật liệu ở thể bán chất lỏng (sệt) thì nhiệt truyền bằng cả đối lưu và dẫn nhiệt

- Sự biến đổi trạng thái vật liệu: Khi đun nóng vật liệu có thể biến đổi về trạng thái tồn tại - chuyển pha phần lớn các chất rắn mà nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ môi trường thì trong quá trình đun nóng trạng thái của chúng có thể chuyển sang pha lỏng hoặc bán chất lỏng (mỡ, bơ) Tuy nhiên có nhiều loại vật liệu dạng rắn, do nhiệt độ đun nóng không đủ cao hoặc do đặc tính lý hóa của chúng mà trong thời gian đun nóng không xảy ra hiện tượng chuyển pha (thịt, cá, rau quả, …)

- Sự thay đổi thể tích

Thể tích của vật liệu có thể tăng lên do đun nóng V = V - V0 > 0

Trong trường hợp đó thể tích vật liệu bằng

V = V0 + t + Vkhí (5.2) Trong đó:

V: thể tích khí đun;

: hệ số nở khối;

T: nhiệt độ đun nóng;

Vkhí: chênh lệch thể tích chất khí trong vật liệu

Tuy nhiên có nhiều trường hợp khi đun nóng thể tích vật liệu sẽ giảm đi Đó là hiện tượng xảy ra khi đun nóng các loại nguyên liệu có cấu trúc xốp, có chứa nhiều khí trong gian bào (rau, quả, …)

- Sự biến đổi khối lượng: có thể biểu diễn bằng biểu thức sau:

m = m0 = t - nbh = yht (5.3)Trong đó:

m: khối lượng vật liệu;

m0: khối lượng vật liệu trước khi đun;

: hệ số biến đổi khối lượng;

nbh: khối lượng bốc hơi;

yht: khối lượng hòa tan vào môi trường

- Sự biến đổi màu sắc: Màu sắc biến đổi do nhiều nguyên nhân Một trong những nguyên nhân vật lý dẫn đến biến đổi màu là do thay đổi khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng của vật liệu do tác động của nhiệt

độ cao

5.1.4.2 Biến đổi hóa lý, hóa học

Các chỉ tiêu hóa lý của vật liệu như độ nhớt, độ hòa tan, … cũng dễ

bị thay đổi do nhiệt độ cao Cụ thể, độ hòa tan tăng, độ nhớt giảm (hoặc tăng),… Đối với các phản ứng hóa học như thủy phân, trung hòa, polymer hóa, oxy hóa,… thì nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng

Kết quả sự xúc tiến các phản ứng hóa học là sự biến đổi các thành phần hóa học trong vật liệu Một số chất được tạo thành có thể làm tăng chất lượng sản phẩm (pectin, chất thơm, chất màu,…) nhưng nhiều trường hợp làm giảm hàm lượng của các chất có ích, tạo thành một số chất gây ảnh hưởng xấu đến mùi vị, màu của sản phẩm Đây là nhược điểm duy nhất của quá trình nấu

14

5.1.4.3 Biến đổi sinh hóa và sinh lý

Quá trình đun nóng có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi hoạt độ của các enzyme và sự hoạt động của các vi sinh vật Ta biết rằng enzyme

và vi sinh vật có khoảng nhiệt độ hoạt động tối ưu Ví dụ: enzyme amylase hoạt động mạnh ở nhiệt độ (60  70)0C, vi sinh vật hoạt động mạnh ở nhiệt độ (37  40)0C Nếu tăng dần nhiệt độ môi trường lên cao hơn nhiệt độ tối ưu (top) thì hoạt động của enzyme và vi sinh vật sẽ giảm dần đến bị vô hoạt hóa (bị tiêu diệt) hoàn toàn ở nhiệt độ cao

Như vậy, quá trình tăng nhiệt đi qua hai vùng nhiệt độ có tác dụng khác nhau lên enzyme và vi sinh vật Vùng thứ nhất là vùng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ tối ưu Tại vùng này, nhiệt độ càng tăng hoạt động enzyme và vi sinh vật càng tăng Vùng thứ hai là vùng nhiệt độ tối

ưu đến nhiệt độ ngừng hẳn hoạt động của enzyme và vi sinh vật Như vậy, tốc độ tăng nhiệt độ khi đun nóng rau quả (khoai tây, lê, táo, …) nếu thời gian tăng nhiệt độ đun nóng càng chậm bao nhiêu thì sản phẩm càng

bị đen bấy nhiêu Đó là do enzyme polyphenoloxydase hoạt động mạnh

và lâu trước khi bị tiêu diệt

Không phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt độ, cuối cùng enzyme và vi sinh vật vẫn bị ức chế và đến tiêu diệt hoàn toàn

Nhiệt độ cao cũng sẽ làm tác dụng của các chất độc được tạo thành trong sản phẩm trước khi đun nóng, đỡ nguy hiểm cho người tiêu thụ

5.1.4.4 Biến đổi cảm quan

- Thay đổi màu sắc: Việc đun nóng dẫn tới thay đổi màu sắc do nhiều nguyên nhân khác nhau

Hình 5.3 Sơ đồ phản ứng caramel

Các loại đường trong rau quả, do chịu tác dụng của nhiệt độ cao ở

bề mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc, nên bị caramel hóa Hiện tượng caramel hóa tạo ra các sản phẩm có màu đen và vị đắng làm sản phẩm có chất lượng kém Ở nhiệt độ 950C, đường khử có thể bị caramel hóa Ở nhiệt độ 160oC, quá trình caramel hóa xảy ra mạnh Ở 1600

C, saccharose loại một phân tử nước tạo ra glucosan và fructosan Ở 1850

C  900C, glucosan kết hợp với fructosan tạo thành isosaccharosan Tiếp tục, hai phân tử isosaccharosan kết với nhau, loại hai phân tử nước tạo thành caramelan Caramelan lại kết hợp với isosaccharosan, loại ba phân tử nước tạo thành caramelen Khi nhiệt độ tăng cao trên 2000C tạo thành

caramelin (mất tính hòa tan) Sơ đồ phản ứng caramel hóa hình 5.3

Hiện tượng xẫm màu còn do phản ứng giữa protein (nhóm -NH2)

và đường khử (nhóm -CHO) tạo các melanoidin

Các chất thơm và các chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ bốc theo hơi nước làm giảm hương vị của sản phẩm

Nhiều khi nhờ đun nóng mà màu sắc tốt lên hoặc giữ được màu tự nhiên ban đầu

- Thay đổi mùi vị

Nhiệt độ đun nóng có thể dẫn đến sự thay đổi mùi vị theo hai chiều hướng khác nhau tùy theo vật liệu Đối với các sản phẩm mà trước khi đun nóng có chứa các chất gây mùi, vị không thích hợp thì đun nóng sẽ làm cho sản phẩm mất mùi vị đó làm cho chất lượng sản phẩm tốt lên Còn đối với các sản phẩm có mùi vị tự nhiên tốt thì sau khi đun sẽ bị ít nhiều mất đi mùi vị do các chất thơm hoặc các chất gây vị tốt bị bốc hơi hoặc bị phân hủy

5.1.5 Đun nóng ổn định và đun nóng không ổn định [23]

Bản chất của quá trình đun nóng là quá trình truyền nhiệt Truyền nhiệt được phân biệt thành hai quá trình: quá trình truyền nhiệt ổn định

và quá trình truyền nhiệt không ổn định Vì vậy, quá trình đun nóng cũng được chia thành: đun nóng ổn định và đun nóng không ổn định

16

∆t = t1t như trong truyền nhiệt đẳng nhiệt mà phải tính theo hiệu số 2

nhiệt độ trung bình ∆ttb

a) Chiều chuyển động của lưu thể

Chiều chuyển động của lưu thể ở hai phía của bề mặt trao đổi nhiệt

có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình đun nóng

Qua thực tế, người ta phân loại như sau:

Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song và cùng chiều nhau xem hình 5.4 (a)

Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều nhau xem hình 5.4 (b)

Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo phương vuông góc với nhau xem hình 5.4 (c)

Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 cứ chảy theo một hướng nào đó, còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều với lưu thể 1, lúc thì chảy ngược chiều với lưu thể 1 xem hình 5.4 (d)

Hình 5.4 Chiều chuyển động của lưu thể

Trong tất cả bốn trường hợp trên, nhiệt độ của hai lưu thể cùng thay đổi Lưu thể nóng sẽ giảm nhiệt độ từ t1đ đến nhiệt độ t1c Lưu thể nguội sẽ tăng nhiệt độ từ t2đ đến nhiệt độ cuối t2c Do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể cùng thay đổi từ trị số đầu ∆tđ đến trị số ∆tc

b) Tính toán quá trình đun nóng ổn định [23]

Ta quy ước:

F (m2): diện tích bề mặt trao đổi nhiệt;

C1, C2 (J/(kg.K): nhiệt dung riêng của chất lỏng nóng và nguội;

G1, G2 (kg/s): lượng chất lỏng nóng và nguội chảy qua bề mặt trao đổi nhiệt;

t1, t2 (0C): nhiệt độ của chất lỏng nóng và nguội ở vị trí bất kỳ;

t1đ, t2đ (0C): nhiệt độ đầu của chất lỏng nóng và nguội;

t1c, t2c (0C): nhiệt độ cuối của chất lỏng nóng và nguội;

K (W/(m2.K): hệ số truyền nhiệt

Việc tính toán quá trình đun nóng ổn định cho tất cả các trường hợp: xuôi dòng, ngược dòng, chéo nhau và hỗn hợp tương tự như tính toán cho các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường

Phương pháp tính toán được trình bày rất kỹ ở Tập 2, phần 1:

Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt, chương 4, mục 4.2 Ở đây trình bày

t

t t

t

t t

Điển hình của dạng đun nóng không ổn định là đun nóng gián đoạn (từng mẻ) một lưu chất trong bình A có hoặc không có cánh khuấy nhờ lưu chất B (chất tải nhiệt)

Nhiệt độ của hai lưu chất đều biến đổi theo không gian và thời gian Nếu khuấy đủ mạnh, nhiệt độ của lưu chất A trong bình sẽ đồng nhất và bằng nhiệt độ trung bình của nó và nhiệt độ này chỉ phụ thuộc

18

vào thời gian Còn sự biến đổi của nhiệt độ của lưu chất B còn phụ thuộc

vào tính chất và điều kiện vận hành:

 Đối với loại buồng đốt loại 1 thì nhiệt độ của chất tải nhiệt không đổi theo thời gian và không gian

 Đối với loại buồng đốt loại 2 thì nhiệt độ chất tải nhiệt biến đổi theo cả thời gian và không gian (theo từng vị trí của bề mặt truyền nhiệt) Người ta còn dùng khái niệm buồng đốt trong và buồng đốt ngoài để chỉ

sự bố trí tương đối của bề mặt truyền nhiệt so với bình chứa lưu chất cần phải được đun nóng Buồng đốt trong thì được lắp tại bình chứa, có thể là dạng vỏ áo, ống xoắn, … còn buồng đốt ngoài thì thì lắp xa bình chứa và

có thể tuần hoàn lưu chất cần đun nóng qua buồng đốt ngoài bằng máy bơm, quạt, máy nén, …

- Quy ước:

 A: là chất lỏng trong bình (cần được đun nóng);

 B: là chất tải nhiệt;

 Không có sự tổn thất nhiệt ra xung quanh;

 Các thông số vật lý và hóa lý của các lưu chất lấy ở nhiệt độ trung bình của cả quá trình và không đổi khi tính toán (a, λ, ρ, cp, …);

 Nhiệt độ theo thang độ Kelvin (K)

a) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 1

Phương trình cân bằng nhiệt theo khoảng cách dη:

Hình 5.5 Buồng đốt trong loại 1

Như vậy cũng có thể xác định được nhiệt độ ''

( )

a

t  của lưu chất A trung bình từng thời điểm là:

b) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 2

Hình 5.6 Buồng đốt trong loại 2

c) Đun nóng bằng buồng đốt ngoài loại 1 (T c const)

Hình 5.7 Buồng đốt ngoài loại 1

Dùng máy bơm để tuần hoàn dung dịch A trong bình với vận tốc khối a (kg/h) qua thiết bị truyền nhiệt ở bên ngoài (buồng đốt ngoài) Phương trình cân bằng nhiệt lượng sau khoảng thời gian dlà:

d) Đun nóng bằng buồng đốt ngoài loại 2

Hình 5.8 Buồng đốt ngoài loại 2

Phương trình cân bằng nhiệt sau khoảng thời gian d là:

dt

D c d

24

Lấy tích phân hai vế tương ứng từ t a' t b''(η) và từ0 , ta được:

'' ' ' '

b a

c D

D c W

D

W D ac



(5.40)

e) Đun nóng bằng hai buồng đốt trong loại 1

Hình 5.9 Đun nóng bằng hai buồng đốt trong loại 1

Phương trình cân bằng nhiệt sau khoảng d

t tb T c t;

2 2

Tích phân hai vế tương ứng từ t a' t a'' và từ 0 ta được:

- Thời gian cần thiết  để đun nóng là:

f) Đun nóng bằng hai buồng đốt trong loại 2

Hình 5.10 Đun nóng bằng hai buồng đốt trong loại 2

Phương trình cân bằng nhiệt sau khoảng thời gian d là:

Tích phân hai vế tương ứng từ t a' t và từ a'' 0 ta được:

Thời gian cần thiết  để đun nóng là:

Nhiệt độ tức thời của lưu chất A trong bình t a''( ) là:

Nhiệt lượng truyền được do bề mặt F1 là:

2 ' ''

1 1 1

0

' '

g) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 1 và buồng đốt trong loại 2

Hình 5.11 Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 1 và buồng đốt trong

( )

exp( )( ) ( )

Nhiệt lượng truyền nhiệt được qua bề mặt F2 là:

' '' 2

0

' '

h) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 1 và buồng đốt ngoài loại 1

Phương trình cân bằng nhiệt:

1 1 1 1 0

m) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 1 và buồng đốt ngoài loại 2

Phương trình cân bằng nhiệt:

2 2

1(1 )

a b

32

Với:

2 ' 2



n) Đun nóng bằng buồng đốt trong loại 2 và buồng đốt ngoài loại 1

Phương trình cân bằng nhiệt:

( )exp( )( )

Nhiệt lượng truyền được ở buồng đốt ngoài Q2 là:

' 2

p) Đun nóng bằng buồng đốt ngoài và trong loại 2

Phương trình cân bằng nhiệt:

36

Và thay vào t tb2 ta được:

' 2

2

11

Tích phân hai vế tương ứng từ t a' t a'' và từ 0 ta được:

- Thời gian cần thiết  để đun nóng:

"

1 1

1( ) b   [ (  ) exp( )

ac B

T

ac B

* 2

38

5.1.6 Các phương pháp đun nóng

5.1.6.1 Đun nóng bằng hơi nước bão hòa

Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Hệ số cấp nhiệt lớn, α = 10000 - 15000 W/(m2.K), do đó bề mặt truyền nhiệt nhỏ, nghĩa là kích thước thiết bị gọn hơn các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác, khi cùng một năng suất tải nhiệt;

- Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị chất tải nhiệt) vì

đó là lượng nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi;

- Đun nóng được đồng đều vì hơi nước ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi;

- Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi;

- Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống

Nhược điểm chính của phương pháp này là ta không thể đun nóng

ở nhiệt độ cao vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hòa càng tăng đồng thời ẩn nhiệt hóa hơi càng giảm Ví dụ, hơi nước ở 3500

C thì

áp suất hơi bão hòa là 180 at; ở 3740C (nhiệt độ tới hạn) áp suất là 225 at

và ẩn nhiệt hóa hơi bằng 0 (r = 0) Do đó, khi tăng nhiệt độ thì thiết bị sẽ phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt sẽ bị giảm, vì vậy phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa chỉ sử dụng tốt nhất trong trường hợp đun nóng không quá 1800

Hình 5.12 Đun nóng bằng khói lò

1- Lò đốt; 2- Phòng trộn; 3- Thiết bị truyền nhiệt; 4- Quạt

Ưu điểm chủ yếu của phương pháp này là có thể tạo được nhiệt độ cao nhưng có những nhược điểm là:

- Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ (không quá 100 W/(m2.K)), do đó thiết bị cồng kềnh;

- Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên cần dùng một lượng khói lớn;

- Đun nóng không được đồng đều, vì khói vừa cấp nhiệt vừa nguội đi;

- Khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện tượng quá nhiệt cục bộ và gây ra phản ứng phụ không cần thiết;

- Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu (nhất là nhiên liệu rắn), do đó khi đun nóng gián tiếp, bề mặt truyền nhiệt sẽ bị bám cặn, còn đun nóng trực tiếp sẽ bị hạn chế;

- Nếu đun nóng các chất dễ cháy, dễ bay hơi thì không an toàn;

- Trong khói luôn có một lượng oxy dư (nhất là khi điều chỉnh nhiệt độ của khói bằng cách trộn thêm không khí ngoài trời) ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với thiết bị sẽ oxy hóa kim loại làm hỏng thiết bị;

- Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, lớn nhất chỉ đạt 30%

Nguyên tắc

Sơ đồ đun nóng bằng khói lò được mô tả như hình vẽ Khói lò được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò đốt 1, sau đó đi vào phòng 2 Ở phòng này cho thêm không khí vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò Lượng không khí cho vào phụ thuộc nhiệt độ cần điều chỉnh để đun nóng

Để giảm lượng oxy trong khói lò người ta có thể dùng khí thải (khói lò sau khi đã đun nóng) để trộn

5.1.6.3 Đun nóng bằng dòng điện

Đun nóng bằng dòng điện có thể tạo được nhiệt độ cao (tới

32000C) mà các phương pháp khác không thực hiện được Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng và chính xác Hiệu suất rất cao, có thể đạt tới 95% điện tiêu hao Nhưng đun nóng bằng dòng điện cũng có nhược điểm là thiết bị phức tạp, giá thành cao cho nên chưa được sử dụng rộng rãi

Đun nóng bằng dòng điện là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng để đun nóng vật liệu; quá trình được thực hiện trong các lò kiểu khác nhau: lò hồ quang điện, lò điện trở, lò cảm ứng,

Trong lò hồ quang điện, điện năng tạo thành tia lửa điện đốt nóng môi chất, tia hồ quang có thể tập trung công suất lớn trong thể tích nhỏ,

do đó, đạt được nhiệt độ cao (từ 15000C đến 20000C và cao hơn nữa) Ở

lò hồ quang có độ giảm nhiệt độ rất lớn, do đó, đun nóng không được

40

đồng đều và khó điều chỉnh nhiệt độ Lò hồ quang thường dùng làm chảy các kim loại, sản xuất canxi cacbua, phospho

Lò điện trở chia thành hai loại

- Lò điện trở trực tiếp, trong đó vật liệu đun nóng được nối trực tiếp với mạch điện hoặc qua máy biến thế cho dòng điện vào để đốt nóng (lò thủy tinh, lò sứ, );

- Lò điện trở gián tiếp, trong đó nhiệt được tỏa ra do dòng điện đun nóng dây điện trở rồi truyền nhiệt vào cho vật liệu bằng bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lưu;

Trong lò điện cảm ứng vật liệu được đun nóng đặt trong từ trường xoay chiều hoặc điện trường xoay chiều, khi đó trong vật liệu sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng điện xoay chiều) để đốt nóng vật liệu

Điện trở làm bằng dây hoặc tấm niken - crom (hợp kim gồm 20%

Cr, 30 - 80% Ni, 0,5 - 50% Fe), hoặc hợp kim crom - sắt, nhôm

Kích thước của vòng xoắn phải chọn cho thích hợp để hạn chế sự phản xạ tương hổ giữa các vòng và độ bền cơ học của dây

Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule - Lence: khi dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở thì dây dẫn sẽ tỏa ra một lượng nhiệt, lượng nhiệt này được tính theo công thức:

R: điện trở của dây dẫn, ;

I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A;

t: thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn

Nguyên lý làm việc của lò điện trở được mô tả như sau:

Hình 5.13 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

a Đốt nóng trực tiếp; b Đốt nóng gián tiếp;

1 Cầu dao điện; 2 Biến áp; 3 Đầu cấp điện; 4 Vật liệu được đun nóng trực tiếp; 5 Vật liệu được đun nóng gián tiếp; 6 Dây điện trở

Lượng nhiệt cần đun nóng xác định bằng phương pháp cân bằng nhiệt:

 2 1

Trong đó:

G: lượng nhiệt cần đun nóng, kg/s;

C: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ;

t1, t2: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch;

Qn: tổn thất nhiệt ra môi trường, W

Công suất của lò điện:

1000

Q N