BÀI GIẢNG THỰC tập QUÁ TRÌNH và THIẾT bị (PTN)

LỜI NÓI ĐẦUThực tập quá trình và thiết bị là môn học thực hành nhằm giúp sinh viên củng cố kiến thức và áp dụng lý thuyết đã học trong các học phần như các quá trình cơ học, truyền nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN

THƠ KHOA CÔNG NGHỆ SINH HÓA – THỰC PHẨM

BÀI GIẢNG THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ (PTN)

LỜI NÓI ĐẦU

Thực tập quá trình và thiết bị là môn học thực hành nhằm giúp sinh viên củng cố kiến thức và áp dụng lý thuyết đã học trong các học phần như các quá trình cơ học, truyền nhiệt và truyền khối vào các bài thực tập ứng dụng trong ngành thực phẩm Nội dung bài giảng thực tập quá trình và thiết bị phòng thí nghiệm gồm 3 bài sau:

- Bài 1: Sấy rau quả

- Bài 2: Chưng cất

- Bài 3: Xác định hệ số truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt loại ống lồng ống

Trang 1

BÀI 1: SẤY RAU QUẢ

1.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát quá trình sấy đối

lưu sử dụng thiết bị xác định

đườ ng cong s ấy và đườ ng cong

t ốc độ s ấ y thông s ố trong quá trình

s ấ y Đánh giá sự thay đổ i v ề trong

quá trình s ấ y so v ớ i nguyên li ệu

ban đầ u.

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.2.1 Khái niệm

sấy bằng không khí nóng, từ đó cũng như

mố i quan h ệ gi ữ a các màu s ắ c, hình d ạ ng

c ủ a rau qu ả

Trong quá trình sấy, ẩm được tách ra khỏi vật liệu làm cho thực phẩm độ hoạt độ ng c ủa nướ c th ấ p d ễ dàng cho vi ệ c b ả o qu ả n S ử d ụng không khí nóng để s ấ y th ự c

ph ẩ m trên các khay là m ộ t hình th ứ c s ấ y khá ph ổ bi ế n trong công ngh ệ p th ự c ph ẩ m.

Sấy là quá trình tách nước khỏi vật liệu bằng cách làm cho nước chuyển pha bằng các tác nhân vật lý để thu được một sản phẩm rắn.

Ẩ m trong v ậ t li ệ u t ồ n t ạ i ở các tr ạ ng thái: liên k ế t hóa h ọ c, liên k ế t hóa lý và liên k ết cơ lý Sấ y ch ỉ tách đượ c toàn b ộ ẩ m liên k ế t v ậ t lý, m ộ t ph ầ n ẩ m liên k ế t hóa

- Độ ẩm tương đố i ( căn bả n ướ t): là t ỷ

s ố gi ữ a kh ối lượ ng ẩ m m n trên kh ối lượ ng

chung c ủ a nguyên v ậ t li ệ u.

Giữa khối lượng chất khô m o và độ ẩm tương đối của nguyên liệu có mối quan hệ:

m o = m.(1-W) -: Độ ẩm tuyệt đối ( căn bản khô): là tỷ số giữa khối lượng ẩm m n và khối lượng chất khô tuyệt đối m o của nguyên vật liệu.

Giữa khối lượng chất khô m o , khối

lượng nguyên liệu m và độ ẩm tuyệt đối X

m=m o +m n m o : khối lượng chất khô tuyệt đối [g] m n : khối lượng ẩm (nước) [g]

W: độ ẩm tương đố i [%]

X: độ ẩ m tuy ệt đố i [%]

Trang 2

Trước khi sấy khối lượng của

nguyên liệu ẩm là m 1 và sau khi sấy là

m 2 và W 2 Biết rằng trong khi sấy khối

lượng

đổ i nên ta có: m o = m 1 (1-W 1 ) = m 2 (1-W

độ ẩm tương

đố i là W 1 , ch ấ t khô m o không thay

Mu

ốn quan sát quá trình sấy bằng đường cong sấy một cách rõ ràng, người ta

thườ ng

s ử d ụng

độ ẩ m tuy ệt

đố i X, còn v ới

độ ẩm tương đối W thườ ng

bi ể u th ị

hẩm sấy [m 2 ] : thời gian sấy [h]

X: độ

gi ả m

ẩ m

Các đại lượng đặc trưng cho không khí ẩm

* Đ

ộ ẩ m

tu y

ệ t

đ ối

Độ

ẩm tuyệt

đối là khối lượng hơi nước chứa trong 1

- V: thể tích không khí

ẩm, m 3

* Độ ẩm tương đối.

Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa

độ ẩm tuyệt đối của không khí chưa

bão hòa ρ h và độ ẩm tuyệt đối của

không khí ẩm bão hòa ρ hmax ở cùng

bảng Nước và hơi nước bảo hòa

theo nhiệt độ hoặc áp dụng công

thức

p

hb h

* Đ ộ

c h

ứ

a

h ơ

i d.

Độ chứa

hơi d là lượng hơi chứa trong 1kg không khí khô hoặc trong (1+d) kg không khí ẩm.

d=G h /G k

; [kgh/kg K]

Trang 3

Từ phương trình trạng thái khí lí tưởng viết cho hơi nước và không khí khô ta có:

* Entanpi của không khí ẩm.

Entanpi của không khí ẩm bằng tổng

entanpi của không khí khô và entanpi của hơi

nước chứa trong đó Trong kĩ thuật thường tính

entanpi của 1kg không khí khô và d kg hơi nước

chứa trong (1+d)kg không khí ẩm, kí hiệu là i:

Đườ ng cong s ấy là đườ ng bi ể u di ễ n m ố i quan h ệ gi ữ a ẩm độ tuy ệt đối X (căn bả n khô) theo th ờ i gian

X t : độ ẩm của vật liệu tại thời điểm

X o : độ ẩm ban đầu của vật liệu

X 1 : độ ẩm vật liệu ứng với bắt đầu quá trình sấy đẳng tốc

X c : độ ẩm vật liệu ứng với cuối quá trình sấy đẳng tốc

- Xác định độ giảm ẩm X theo thời gian, tính tốc

độ sấy và vẽ tốc độ sấy theo

độ ẩ m tuy ệt đố i X.

Trang 4

X

Hính 1.2 Cách vẽ đường cong tốc độ sấy

1.2.3 Các giai đoạn sấy

Quá trình sấy đến khối lượng không đổi sử dụng dòng không khí nóng gồm 3 giai đoạn: giai đoạn làm nóng, giai đoạn sấy đẳng tốc và giai đoạn sấy giảm tốc.

Giai đoạn làm nóng: N ếu ban đầ u nhi ệt độ c ủ a v ậ t

li ệ u th ấp hơn nhiệt độ bay hơi đoạ n nhi ệ t c ủa không khí thì trong giai đoạn đố t nóng, nhi ệt độ c ủ a v ậ t li ệu tăng lên Trong giai đoạ n này, hàm ẩ m c ủ a v ậ t li ệu thay đổ i r ấ t ch ậ m

và th ờ i gian di ễ n ti ế n nhanh, k ết thúc giai đoạ n này, nhi ệt

độ c ủ a v ậ t li ệu đạt đế n nhi ệt độ b ầu ướ t c ủ a không khí N ế u

v ậ t li ệu có độ dày nh ỏ và quá trình s ấy là đối lưu thì thờ i gian này không

const nên đượ c g ọi là giai đoạ n

d

sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài cho đến thời điểm mà hàm ẩm của vật liệu đạ t giá tr ị W k nào đấ y thì k ế t thúc W k đượ c g ọi là độ ẩ m t ớ i h ạ n c ủ a v ậ t li ệ u.

Giai đoạn sấy giảm tốc: Khi độ ẩ m c ủ a v ậ t

Xác định thông số trạng thái của không

Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ : G a / (kg/h)

: là thời gian sấy (giờ)

Tiêu hao không khí lý thuyết

l

Tiêu hao nhiệt lý thuyết

q o = l o (I 1 -I o ) (kJ/kg ẩm) = l o (I 1 -I o )/3600 (kW/kg ẩm)

- Đồng hồ bấm giờ: 1 cái

1.3.2 Vật liệu

Lúa gạo, các loại đậu (đậu nành, đậu xanh,…)

Trang 6

1.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

a) Trước khi sấy

- Làm sạch nguyên liệu bằng sàng

- Khởi động tủ sấy hoạt động

- Ghi nhận nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí ngoài trời.

- Cài đặt nhiệt độ không khí sấy cần đạt Nhiệt

độ tác nhân sấy 55-65 o C.

- Nguyên liệu được chia 2 phần:

+ Lấy một ph ần nguyên li ệu xác định độ ẩm ban đầu (sấy đến khối lượng không

để ghi nh ậ n kh ối lượ ng v ẽ đườ ng cong s ấ y).

- Trướ c khi cho vào t ủ s ấ y c ầ n ti ế n hành:

+ Cân mẫu, , xác định khối lượng.

+ Xác đị nh ẩm độ ban đầ u c ủ a m ẫ u.

+ Chụp hình mẫu trước khi sấy.

b) Trong quá trình sấy

+ Lập bảng theo dõi sự giảm khối lượng mẫu trong máy sấy theo thời gian Cân nhanh, ghi nhận khối lượng tương ứng với từng thời điểm của khay nhỏ (thời gian đo cách nhau 1 giờ).

Chiều dày mẫu Thời gian sấy (giờ) Khối lƣợng mẫu (g)

Độ dày mẫu

Độ ẩm tuyệt đối (%)

Trang 7

Trao đổi số liệu và so sánh đường cong sấy với nhóm sấy thực tập cùng buổi (chú ý: nhóm thực tập sấy cùng nguyên liệu nhưng có độ dày mẫu khác nhau)

2. Tính khối lượng ẩm bay hơi

3. Xác đị nh thông s ố tr ạ ng thái c ủ a

không khí t ại điểm 0, 1, 2 tươ ng ứng trên đồ

th ị I – d hình 1 3.

4. Xác đị nh t iêu hao không khí lý thuyết

5. Xác đinh tiêu hao nhiệt lý thuyết

1.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

- Ý nghĩa củ a vi ệ c xây d ựng đườ ng

cong s ấ y?

- So sánh sự thay đổi khối lượng giữa mẫu có độ dày khác nhau? Giải thích?

Trang 8

BÀI 2: CHƢNG CẤT

Đổi độ rượ u (aa) ra ph ầ n mool (x)):

M N : khối lượng phân tử của nước

M R : khối lượng phân tử của rượu

Kh ối lượ ng riiêng c ủa rượ u etytylilic nguyên ch ấ t

Khối lƣợng riêng của hỗn hợp lỏng: (gồm 2 chất A và B)

Trong đó:

̅ là phần khối lượng của A (phần

mol A/(phần mol A ,, B là kh ối

lượ ng riêng c ủ a A và B nguyên

ch ấ t ở

(2-2)

A + (M A phần mol B)/M B ) cùng nhiệt độ (kg/m 3 )

Trang 9

2.3 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM

Lắp hệ thống chưng luyện như hình 2.1 Đặt lên bếp đun, có nhiệt kế bên trên để

ph ẩm rơi xuống đầ u tiên

( t = 0 ) cho đế n khi th ời gian đạ t 100 phút (t ố i thi ể u 6o ml) thì ng ừng chưng cấ t.

Trang 10

2.5 BÁO CÁO KẾT QUẢ

2.5.1 Thu nhận kết quả

- Ghi nhận nhiệt độ và độ rượu của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

- Theo dõi sự thay đổi lượng rượu

trong quá trình chưng cất.

Bảng 2.1: Sự thay đổi lƣợng rƣợu trong quá trình chƣng cất

Thời gian (phút)

Lượng rượu đang ra (ml)

2.5.2 Báo cáo kết quả

- Vẽ biểu đồ lượng rượu đang ra theo thời gian, nhận xét.

Trang 11

BÀI 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ GIA NHIỆT LOẠI ỐNG LỒNG

Giúp sinh viên hiểu thêm về quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống.

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thiết bị trao đổi nhiệt thường sử dụng trong công nghiệp như loại ống chùm, dạng tấm hay loại ống lồng ống (trao đổi nhiệt gián tiếp) Đối với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn ống nối với nhau, mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau Ống trong của đoạn này nối với ống trong của đoạn kia và ống ngoài của đoạn này nối với ống ngoài của đoạn kia Một lưu chất đi trong ống, còn lưu chất kia đi trong khoảng không gian giữa hai ống (hay ống ngoài).

Lượ ng nhi ệ t truy ề n t ừ v ậ t th ể nóng sang v ậ t th ể

ngu ộ i có th ể tính theo công th ứ c:

Q= K.F t log Trong đó: Q- tổng nhiệt lượng truyền từ vật

thể nóng sang vật thể nguội (W)

K – hệ số truyền nhiệt (W/m 2 độ)

F- diện tích bề mặt truyền nhiệt (m 2 )

t log – độ chênh lệch nhiệt độ logarit giữa lưu thể nóng và nguội ( o C)

Trong công thức (3-1), hệ số truyền nhiệt

K phụ thuộc nhiều thông số và không thể xác định một cách tổng quát cho tất cả các dạng bề mặt truyền nhiệt Do đó, cần phải xây dựng các công thức thực nghiệm tính K khác nhau tuỳ theo từng trường hợp cụ thể

Gọi t 1in , t 1out – nhiệt độ lưu chất nóng vào và ra khỏi ống ( o C)

t 2in , t 2out – nhiệt độ lưu chất lạnh vào và ra khỏi ống ( o C)

Khi hai lưu chấ t th ự c hi ện quá trình trao đổ i nhi ệt thì lưu chấ t nóng s ẽ ngu ội hơn (t 1in >t 1out ) và lưu chấ t dòng làm ngu ộ i do h ấ p thu nhi ệ t nên có nhi ệt độ nóng

Trang 12

Khi hai lưu chất trao đổ i nhi ệ t gián ti ế p qua vách ngăn , quá trình truy ề n nhi ệ t đượ c th ể hi ện như hình 3.1 và đượ c th ự c hi ệ n theo trình t ự : đối lưu nhiệ t gi ữa lưu chấ t nóng đế n thành ố ng trong ( α 1 ),

d ẫ n nhi ệ t t ừ tườ ng trong ra đến tườ ng ngoài ố ng và

đố i lưu nhi ệ t gi ữ a thành ố ng ngoài đến lưu chấ t l ạ nh ( α 2 ).

Hình 3.1 Sơ đồ truyền nhiệt của lưu chất nóng sang lưu chất lạnh qua thành ống

để đơn giản có thể sử dụng công thức vách phẳng tính cho vách trụ mà sai số rất nhỏ (có thể bỏ qua) Khi đó hệ số truyền nhiệt tổng quát lý thuyết có thể tính theo công thức ( 3-3).

Tính các hệ số trong công thức (3-3), xem trao đổi nhiệt đối lưu_ Bài giảng Truyền nhiệt Các thông số để tính

α 1 , α 2 tra bảng Thông số vật lý của nước trên đường bão hòa

- Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa lưu chất bên trong ống trong đến

thành trong ống trong ( α 1 ) :

Trườ ng h ợ p d 2 /d 1 < 2

- Dẫn nhiệt từ tường trong của ống

trong đến tường ngoài của ống trong

(d ẫ n nhi ệ t vách ố ng):

- Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa lưu chất bên ngoài ống trong đến

thành ngoài ống trong ( α 2 )

Lưu ý: Bỏ qua giá trị R và Pr f /Pr w

Khi tính hệ số trao đổi nhiệt đối lư giữa lưu chất bên ngoài ống đến thành ngoài ống (hình vành khăn),

k ích thước xác đị nh tính theo đường kính tương đương (3-4):

đ

Trong đó: d tđ - đường kính tương đương (m)

D- đường kính trong ống ngoài (m)

d- đường kính ngoài ống trong (m)

Hình 3.2 Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

19

21

20

1- Công tắc bảng điều khiển

3.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm tiến hành quá trình trao đổi nhiệt của hai lưu chất trong hệ thống trao

đổ i nhi ệ t d ạ ng ố ng l ồ ng ống Các kích thướ c cơ bả n c ủ a h ệ th ống được xác định như b ả ng 3-1.

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của hệ thống trao đổi nhiệt ống

lồng ống thí nghiệm

Đặc điểm Đườ ng kính ngoài ố ng ngoài

Chiều dày ống ngoài

Đườ ng kính ngoài ố ng trong

Chiều dày ống trong

Hệ số dẫn nhiệt

Chiều dài ống truyền nhiệt

Lưu chất nóng được đưa vào hệ th ố ng

b ằng bơm, điề u ch ỉnh lưu lượ ng b ằ ng van tay Quan sát s ự thay đổ i nhi ệt độ c ủa hai lưu chất đến khi đạ t giá tr ị ổn đinh Ghi lạ i giá tr ị nhi ệt độ vào và ra lưu lượ ng c ủ a các dòng.

- Bước 1: Ki ểm tra các van đã đượ c

m ở và đả m b ảo các van đã được đấ u n ố i

theo sơ đồ (cùng chi ều/ ngượ c chi ề u).

- Bước 2: Ki ểm tra lượng nướ c ở trong

- Bước 5: Điề u ch ỉ nh lưu lượng dòng

nướ c nóng b ằng van tay (trước bơm) và gi ữ giá tr ị c ủ a nhi ệt độ trong b ể nước nóng không

đổ i.

- Bước 6: Ghi giá tr ị nhi ệt độ c ủ a các c ả m bi ến

và lưu lượ ng vào b ả ng 3.2.

- Bước 7: T ính toán đượ c s ự truy ề n nhi ệ t b ở i dòng nướ c nóng, s ự h ấ p th ụ nhi ệ t b ởi dòng nướ c l ạnh,

độ chênh l ệ ch nhi ệt độ trung bình logarít, và h ệ s ố truy ề n nhi ệ t

tổng quát.

3.5 BÁO CÁO KẾT QUẢ

- Ghi nhận các kết quả đo trong quá trình làm thí nghiệm (Bảng 3.3)

Bảng 3.3 Nhiệt độ và lưu lượng của hai dòng lưu chất trong quá trình truyền nhiệt

Ghi chú: LPM (litters per minute) – lít/phút

Dựa trên các phương trình lý thuyết, tính toán hệ số truyền nhiệt K của thiết bị theo lý thuyết.

Xác đị nh hệ s ố truy ề n nhi ệ t th ự c t ế

3.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1. Tính nhiệt lượng của dòng nóng và dòng lạnh?

2. Xác đị nh ch ế độ chuy ể n c ủ a dòng nóng và dòng l ạ nh (ch ả y r ố i, ch ảy quá độ , ch ả y t ầ ng).

Vì sao?

3. So sánh hệ số truyền nhiệt thực tế và lý

thuyết P hân tích sự khác biệt ?

Trang 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Hoàng Đình Tín, 2007 Truyề n nhi ệ t và tính toán thi ế t b ị trao đổ i nhi ệ t NXB Khoa h ọ c

và K ỹ thu ậ t.

2. Nguyễn Văn Mười, Võ Tấn Thành, Văn Minh Nhựt, Vũ Trường Sơn, Trần Thanh Trúc, Tống Thị Ánh Ngọc, 2009 Giáo trình thực tập Kỹ thuật thực phẩm 1 Trường

5. Nguyễn Văn May, 2006 Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối NXB Khoa học và

Kỹ thuật.

6. Nguyễn Bin, 2004 Các quá trình, thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm - tập 1 - Các quá trình thủy lực, bơm quạt, máy nén NXB Khoa học và kỹ thuật.

7. Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, 2004 Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học & thực phẩm- tập

2 - Cơ học vật liệu rời NXB Đại học Quốc gia TP HCM

Trang 17

PHỤ LỤC Bảng 1 Chuyển đổi độ rƣợu về 15 o C (phần trăm thể tích)

Trang 18

Bảng 1 Chuyển đổi độ rƣợu về 15 o C (phần trăm thể tích) (tiếp theo)

Trang 19

Bảng 2 Thông số vật lý của nước trên đường bão hòa

Trang 20

Trích bài giảng Truyền nhiệt

Trao đổi nhiệt đối lưu khi chất lỏng chuyển động

cưỡng bức trong ống, rãnh

Dựa vào tiêu chuẩn Reynolds (Re) để phân biệt chế độ

chuyển động của lưu chất:

- Khi Re<2300: chất lỏng chảy tầng

- Khi Re> 10 4 : chất lỏng ở chế độ chảy rối

- Khi 2300 < Re < 10 4 : chảy quá độ

a Trao đổi nhiệt khi chất lỏng chảy rối (Re >

Trong các sách kỹ thuật thường cho một số công thức đơn

giản hóa của hệ số trao đổi nhiệt, thực tế nó chỉ là một cách

biểu thị khác đi chứ không có mâu thuẫn gì với những công thức được trình bày Những công thức đơn giản hóa có thứ nguyên đều có thể tìm được từ công thức tiêu chuẩn, khi ứng dụng trong thực tế có một số thuận lợi nhất định và đồng thời

có thể trực tiếp biểu thị cho thấy ảnh hưởng đơn độc của từng đại

lượng vật lý đối với Thực nghiệm chứng tỏ, độ dài và độ cong của ống ảnh hưởng nhất định đối với hệ số trao đổi nhiệt và được thể hiện ở hệ số l và r :

l : hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào tỷ số giữa chiều dài

và đường kính ống Nếu l/d 50 thì l =1 Đối với ống ngắn (l/d<50), ta cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh l trong bảng 1.

Đối với ống cong có bán kính cong R, ta cần nhân thêm hệ số hiệu chỉnh R Đối với nước không khí chảy trong một khoanh của ống xoắn ruột gà:

R = 1+1,77d/R

Tro

ng

đó:

d: đường kính trong của ống, [m]

R: bán kính cong của ống xoắn, [m]

Trang 21