Bài báo cáo thực hành môn kĩ thuật thực phẩm 2 bài 4 thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

Thiết bị này được trang bị cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ của dòng nóng và dòng lạnh, đồng thời cũng có các bộ đo áp suất và lưu lượng để đo các thông số dòng chảy của hai dòng lưu chất n

1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA: VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM



BÀI BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2

BÀI 4: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

Giảng viên hướng dẫn : ThS Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện : Lê Hà Thanh Trúc

2

I TÓM TẮT: 3

II GIỚI THIỆU: 3

III MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: 4

IV CƠ SỞ LÝ THUYẾT : 4

4.1 T RƯỜNG HỢP CHẢY NGƯỢC CHIỀU : 7

4.2 T RƯỜNG HỢP HAI LƯU THỂ CHẢY XUÔI CHIỀU : 7

V MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM : 9

5.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG: 9

5.1.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT LOẠI ỐNG CHÙM: 9 5.1.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn : 11

5.1.3 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống lồng ống: 13

5.2 T RANG THIẾT BỊ HOÁ CHẤT : 14

6 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM THÍ NGHIỆM: 17

6.1 TÓM TẮT CÁC THÔNG SỐ QUAN TRỌNG CỦA HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG: 17

6.2 T HỰC HIỆN THÍ NGHIỆM : 18

6.2.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị: 18

6.2.1.1 Chuẩn bị: 18

6.2.1.2 Tiến hành: 18

6.2.1.3 Các lưu ý: 19

6.2.1.4 Báo cáo: 19

6.3 T HÍ NGHIỆM 2: K HẢO SÁT TRƯỜNG HỢP NGƯỢC CHIỀU THIẾT BỊ : 19

6.3.1 Chuẩn bị: 19

6.3.2 Tiến hành: 20

6.3.3 Các lưu ý: 20

6.3.4 Báo cáo: 20

VII KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN: 20

7.1 K HẢO SÁT TRƯỜNG HỢP XUÔI CHIỀU : 20

7.2 T HÍ NGHIỆM 2: K HẢO SÁT TRƯỜNG HỢP NGƯỢC CHIỀU : 21

VIII KẾT LUẬN: 28

3

I TÓM TẮT:

Quá trình khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lưu chất lên quá trình truyền nhiệt xuôi chiều và ngược chiều lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống xoắn có thể được thực hiện bằng cách thiết kế và xây dựng một thiết bị thí nghiệm có vỏ ống xoắn Thiết bị này được trang bị cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ của dòng nóng và dòng lạnh, đồng thời cũng có các bộ đo áp suất và lưu lượng để đo các thông số dòng chảy của hai dòng lưu chất này Dữ liệu được thu thập sẽ được sử dụng để tính toán hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị Để so sánh với kết quả được tính toán theo lý thuyết KLT, cần xác định hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT thông qua chế độ dòng chảy và các chuẩn

số Khi đã biết hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh, ta có thể tính toán hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT Kết quả của quá trình thực nghiệm và xử lý dữ liệu sẽ giúp

ta hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chiều chuyển động lưu chất lên quá trình truyền nhiệt

II GIỚI THIỆU:

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biến đổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải có nguồi thu năng lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sôi)

Quá trình truyền nhiệt được phân biệt thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình truyền nhiệt không ổn định Quá trình truyền nhiệt ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Quá trình

truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo cả không gian và thời gian

Quá trình truyền nhiệt không ổn định thường xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hoặc trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Còn quá trình truyền nhiệt ổn định thường xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục

4

Trong thực tế các thiết bị truyền nhiệt thường làm việc ở chế độ liên tục, việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt không ổn định nhằm mục đích chính là điếu khiển các quá trình không ổn định để đưa về trạng thái ổn định, ngoài ra lý thuyết về truyền nhiệt không ổn định khá phức tạp Do đó, trong chương trình này chúng ta chỉ xét đến quá trình truyền nhiệt ổn định

Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ được truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay từ không gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào

đó hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản gồm dẫn nhiệt đối lưu, bức xạ

Trong bài thực hành này chúng ta tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, quá trình truyền nhiệt được xem là truyền nhiệt biến nhiệt ổn định

IV CƠ SỞ LÝ THUYẾT :

Quá trình trao đổi nhiệt giữa 2 dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách rất thường

gặp trong các lĩnh vực công nghiệp hóa chất, thực phẩm, hóa dầu,…Trong đó nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra sẽ được dòng lạnh thu vào Mục đích của quá trình nhằm thực hiện một giai đoạn nào đó trong qui trình công nghệ, đó có thể là đun nóng, làm

5

nguội, ngưng tụ hay bốc hơi,…Tùy thuộc vào bản chất quá trình mà ta sẽ bố trí sự phân

bố của các dòng sao cho giảm tổn thất, tang hiệu suất của quá trình

- Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc vào cách ta bố trí thiết bị,

điều kiện hoạt động,…Trong đó, chiều chuyển động của các dòng có ý nghĩa rất quan trọng

- Cân bằng năng lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gian tiếp: Nhiệt lượng do dòng

nóng tỏa ra:

Q N =G N C N ΔT N (4.1)

- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

Q L =G L C L ΔT L (4.2)

- Nhiệt lượng tổn thất (phần nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra nhưng dòng lạnh không

thu vào được có thể do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh):

Ta có các cách bố trí sau:

- Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song cùng chiều với nhau

6

- Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều với nhau

- Chảy chéo dòng: lưu thể 1 và lưu thể 2 chảy theo phương vuông góc

- Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo hướng nào đó còn lưu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chạy ngược chiều có đoạn chảy chéo dòng

- Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit Δtlog khác nhau

7

4.1 Trường hợp chảy ngược chiều:

- Xét trường hợp hai lưu thể chảy ngược chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng giảm, nhiệt độ của lưu thể nguội tăng và được biểu diễn như giản đồ sau

4.2 Trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều:

Xét trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng giảm, nhiệt độ của lưu thể ngội tăng và được biểu diễn như giản đồ sau

8

Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt:

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt

9

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết

V MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM :

5.1 Sơ đồ hệ thống:

5.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống chùm:

10

11

5.1.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn :

- Hai mô hình có cấu tạo giống nhau nên được giới thiệu chung

- Hệ thống khảo sát gồm 2 loại thiết bị chính:

+ Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB2) có vỏ ngoài bằng thủy tinh TB1 + Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB1) có vỏ ngoài bằng kim loại TB2

- Hệ thống thí nghiệm gồm 2 thùng chứa nước nóng TN (thùng nóng) và nước lạnh

TL (thùng lạnh) được nối với 2 bơm tương ứng bơm nóng B, vả bơm lạnh B để dẫn 2 dòng nóng và lạnh vào lần lượt 2 thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm qua 2 thiết bị đo lưu lượng loại rotamet

- Sự phân bổ các dòng lưu chất vào 2 thiết bị được điều chỉnh qua hệ thống các van

VL và VNj, (i = 1÷9, j = 1÷7)> Lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh được

điều chỉnh nhờ 2 van VN và VL

12

- Nhiệt độ đầu vào và ra của các dòng lần lượt được xác định nhờ các đầu cảm biến

độ của cặp nhiệt điện loại K và truyền tín hiệu về tủ điều khiển và hiển thị trên các đồng hồ hiển thị RTC

- Nước trong thùng chứa nước nóng sẽ được gia nhiệt nhờ điện trở 3KW có kết nối với bộ điều khiển ON/OF trên tủ điều khiển để khống chế nhiệt độ trong thùng chứa theo yêu cầu của thí nghiệm

Chú ý: Đối với các van VL và VN khi đóng thì phải đóng hoàn toàn, khi mở thì phải mở hoàn toàn

- Hệ thồng tủ điện bao gồm:

+ Đèn báo sáng khi có điện vào tủ điều khiển

+ Công tắc tổng (có đèn báo sáng khi mở)

+ Nút nhấn mở (màu xanh) nút nhấn tắt (màu đỏ) của bơm nóng, bơm lạnh

5.1.3 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống lồng ống:

- Đối với mô hình này cấu tạo gồm những bộ phận sau:

+ Thiết bị truyền nhiệt chính ống lồng ống

+ Dòng nước lạnh lấy nguồn nước cấp của nhà trường

14

+ Van điều khiển lưu lượng dòng lạnh (VL)

+ Lưu lượng kế dòng nóng (R2)

+ Van điều chỉnh hướng chảy dòng lạnh (V1, V2, V3, V4)

+ Đầu dò nhiệt độ thùng nóng tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (TN) + Đầu dò nhiệt độ dòng nóng vào tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T1) + Đầu dò nhiệt độ dòng nóng ra tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T3) + Đầu dò nhiệt độ dòng lạnh vào (ra) tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T2, T4)

+ Tủ điện: là phần điều khiển và hiển thị nhiệt độ

+ Đồng hồ cài đặt và hiển thị nhiệt độ thùng nóng (TN )

+ Đòng hồ hiển nhiệt độ dòng nóng vào ( T1)

+ Đồng hồ hiển nhiệt độ dòng nóng ra (T3 )

+ Hai đồng hồ hiển nhiệt độ dòng vào và ra (T2 , T4)

5.2 Trang thiết bị hoá chất:

Bài thực hành được trang bị hệ thống tủ điện điều khiển hệ thống bơm, điện trở, cài đặt nhiệt độ và các đầu báo nhiệt độ, cách thức hoạt động như sau:

- Kết nối nguồn điện cung cấp cho tủ điều khiển (đèn báo sáng )

- Bật công tắc tổng (đèn báo sáng)

- Mở nắp thùng chứa nước nóng TN và lạnh TL (nếu có) kiểm tra nước đến hơn

2/3 thùng Trước khi cho nước vào thùng phải đóng van xả ở đáy

15

- Đóng nắp thùng chứa nước nóng và lạnh 9 (nếu có)

- Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển ON/OFF cho thùng chứa nước nóng TN

- Trên mô hình thiết bị ống lồng ống thì dòng nóng cố định một chiều chảy từ dưới lên

Các ký hiệu

o ΔTN: hiệu số nhiệt độ giữa đầu vào và ra của dòng nóng

o ΔTL: hiệu số nhiệt độ giữa đầu ra và vào của dòng lạnh

o ηN: hiệu suất nhiệt độ của dòng nóng

o ηL: hiệu suất nhiệt độ của dòng lạnh

o ηhi: hiệu suất nhiệt độ hữu ích

o η: hiệu suất truyền nhiệt

o VN: lưu lượng thể tích của dòng nóng (m /s)

o VL: lưu lượng thể tích dòng lạnh (m /s)

o GN: lưu lượng khối lượng của dòng nóng (kg/s)

o GL: lưu lượng khối lượng của dòng lạnh (kg/s)

o CN: nhiệt dung riêng của dòng nóng (J/kg.°C) (tra bảng)

o CL: nhiệt dung riêng của dòng lạnh (J/kg.°C) (tra bảng)

o ρN: khối lượng riêng của dòng nóng (kg/m) (tra bảng)

o ρL: khối lượng riêng của dòng lạnh (kg/m ) (tra bảng)

o QN: nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra

o F: diện tích trao đổi nhiệt (m)

Đối với ký hiệu kích thước ống chùm:

o d1t: đường kính trong của ống trong thiết bị thủy tinh TB1 (m)

o d1n: đường kính ngoài của ống trong thiết bị thủy tinh TB1 (m)

o d2t: đường kính trong của ống trong thiết bị inox TB2 (m)

o d2n: đường kính ngoài của ống trong thiết bị inox TB2 (m)

o D1: đường kính trong của thiết bị thủy tinh TB1 (m)

o D2: đường kính trong của ống inox TB2 (m)

o L1: chiều dài của ống trong trong của thiết bị thủy tinh TB1 (m)

o L2: chiều dài của ống trong của thiết bị inox TB2 (m)

o n1: số ống trong của thiết bị thủy tinh

o n2: số ống trong của thiết bị inox

Bảng 5.1: Bảng kích thước ống chùm

8mm 10mm 11mm 13mm 250mm 19 61 100mm 650mm 500mm Đối với ký hiệu kích thước ống xoắn:

o di: đường kính trong của ống xoắn (m)

17

o d0: đường kính ngoài của ống xoắn (m)

o D1: đường kính trong của thiết bị inox (m)

o D2: đường kính trong của ống thủy tinh (m)

o L1: chiều dài của ống xoắn trong của thiết bị inox TB1 (m)

o L2: chiều dài của ống xoắn trong của thiết bị thủy tinh TB2 (m)

5.2: Bảng kích thước ống xoắn

Đối với kí hiệu kích thước ống lồng ống:

d1: đường kính trong của ống trong

d2: đường kính ngoài của ống trong

D1: đường kính trong của ống ngoài

D2: đường kính ngoài của ống trong

L: chiều dài ống truyền nhiệt

Bảng 5.3: Bảng kích thước ống lồng ống

6 Tiến Hành Thực Nghiệm Thí Nghiệm:

6.1 Tóm tắt các thông số quan trọng của hóa chất và thiết bị sử dụng:

 Mở nắp thùng chứa nước nóng và lạnh kiểm tra nước đến hơn 2/3 thùng Trước khi cho nước vào thùng phải kháo van xá ở đáy

 Đóng nắp thùng chứa nước nóng

 Khi nhiệt đọ trong thùng chưa nước nóng đạt giá trị cài đặt thì bắt đầu thí nghiệm

18

 Trên mô hình thiết bị ống chùm và ống xoắn bố trí dòng chảy xuôi chiều hay ngược chiều chỉ cần chỉnh dòng lạnh còn dòng nóng luôn bố trí cố định một chiều từ trên xuống

 Lưu lượng kế không thấy hoạt động

 Tiếng kêu động cơ lớn hơn bình thường

 Bung một số khớp nối mềm

 Xì nước ở roăn mặt bích

 Có khả năng hỏng bơm (bốc mùi khét)

 Gặp trường hợp như vậy như vậy thì tắt bơm kiểm tra lại hệ thống van

Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có nước điều này rất quan trọng vì nếu bật điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽ hỏng

Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào và nóng

ra, lạnh vào, lạnh ra nếu việc đánh số trên đàu dò không khớp mô hình thì sinh viên có thể dùng phán đoán

 Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

 Khi vận hành chính thức dòng chảy qua nhánh phụ không qua lưu lượng kế

6.2.1.2 Tiến hành:

 Mở điện trở đun nước trong thùng nóng cho tới khi đạt nhiệt độ từ 75-85 oC thì tiến hành thí nghiệm

19

 Mở van và điều chỉnh van cho phù hợp sau đó mở bơm nóng và điều chỉnh dòng nóng đến lưu lượng cần thiết và điều chỉnh lưu lượng qua dòng nóng Tắt bơm nóng và mở bơm lạnh điều chỉnh lưu lượng, sau đó mở bơm nóng Đợi khoảng một phút thì tiến hành ghi số liệu

6.2.1.3 Các lưu ý:

 Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng phải có nước ít nhất 2/3 thùng

 Trước khi mở bơm phải đảm bảo trong thùng chứa phải có nước

 Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp

 Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

 Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng trước vàm điều chỉnh xong dòng nóng qua nhánh phụ sau dó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh, điều chỉnh xong mở bơm nóng

 Nhiệt độ đầu vào mỗi thí nghiệm phải giống nhau

6.2.1.4 Báo cáo:

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏ ra, lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất

Xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ

Xác định hiệu số của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Xác định hệ sô truyền nhiệt theo lý thuyết

Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

6.3 Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị:

6.3.1 Chuẩn bị:

Giống thí nghiệm 1

6.3.3 Các lưu ý:

Giống thì nghiệm 1

6.3.4 Báo cáo:

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏ ra, lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất

Xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ

Xác định hiệu số của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Xác định hệ sô truyền nhiệt theo lý thuyết

Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp ngược chiều và so sánh với thí nghiệm Tượng tự có thể khảo sát các thiết bị TB2 đối với mô hình ống chum và ống xoắn hoặc

có thể tháo lắp các thiết bị khác đối với mô hình thiết bị ống lồng ống

VII KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN:

7.1 Khảo sát trường hợp xuôi chiều:

STT V N T sôi V L T N vào T N ra T L vào T L ra

1

16

70 16 65 55,1 29,1 34,2

2 70 20 65,1 55,9 29,5 34,2

7.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều:

STT V N T sôi V L T N vào T N ra T L vào T L ra

25

Bảng lưu lượng khối lượng và nhiệt lượng của dòng lạnh thu vào

Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyển nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh:

độ Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận được từ lưu thể nóng càng tăng Nghĩa là quá trình truyền nhiệt càng đạt hiệu quả (hiệu suất cao vì 𝜂 =

𝑄 𝐿

𝑄𝑁 100%)

Bài thực hành có sai số do nhiều yếu tố như đầu dò nhiệt độ của thiết bị không chính xác dẫn đến cách xác định nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng hay thu vào của dòng lạnh gặp nhiều sai số khi nhiệt độ không chính xác ∆𝑡 không ổn định từ đó QL > QN , Một số thí nghiệm Qf mang giá trị âm là do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng đã bị mất mát hao tổn ra bên ngoài Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác Vì vậy việc tính toán không ổn định

Từ những sai số trên ta bỏ qua các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ như 𝜂𝑁 𝜂𝐿 𝜂ℎ𝑖 mà đi đánh giá những yếu tố quan trọng trong bài này

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

- -BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

BÀI 5: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Họ và tên: Lê Hà Thanh Trúc

MSSV: 21058021

Lớp: DHTP17B

Nhóm: 3

Tổ: 2

Giáo viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 4 năm 2023

Trang 2

MỤC LỤC

I Giới thiệu 3

II Mục đích thí nghiệm 3

III Cơ sở lý thuyết 3

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 3 3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 3 3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 4

3.3.1 Nồng độ 4 3.3.2 Cân bằng vật chất 4 3.3.3 Cân bằng năng lượng 5

IV Tiến hành thí nghiệm 7

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 7

4.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ 7 4.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị 8 4.1.3 Chuẩn bị dung dịch 8

Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do dó chi phí hơi đốt giảm, dùng

để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa)

Cô đặc áp suất cao hơn thì khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất cao khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí

II Mục đích thí nghiệm

- Vận hành hóa được thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của quá trình

- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho quá trình cô đặc gián đoạn

- So sánh năng lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực tế

- Xác định năng suất và hiệu suất của quá trình cô đặc

- Xác định hệ số truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ

III Cơ sở lý thuyết

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch

- Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

- Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo 2 phương pháp sau:

𝑐̅ = mchất tan

vdung dịch (kg/m3) Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

𝑥̅ = 𝑐̅

𝜌𝑑𝑑

Với 𝜌dd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

3.3.2 Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:

Lượng chất vào + lượng chất phản ứng = lượng chất ra + lượng chất tích tụ

Đối với quá trình cô đặc

- Không có lượng tích tụ

- Không có phản ứng hóa học nên không có lượng phản ứng

Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại:

Lượng chất vào = lượng chất ra

Trang 5

 Đối với chất tan:

Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra

Gđ: khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg)

x đnồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gc: khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun(kg)

c

x : nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gw: khối lượng dung môi bay hơi(kg)

3.3.3 Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:

Năng lượng mang vào = năng lượng mang ra + năng lượng thất thoát

Để đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mất mát năng lượng

 Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qk1 = P1 τ1

Trang 6

Năng lượng dung dịch nhận được:

Q1 = Gđ.Cp.(Tssd – Tđ)

Cp = CH2O (1- 𝑥̅) Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Qk1 đặc trưng cho năng lượng mang vào,

Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra; bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Qk1 = Q1

 Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Qngưng tụ = Gw rw = VH2O.pH2O .CH20 (Tr – Tv) τ2

Chú thích:

Qk1: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Qk2: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

Qngưng tụ: nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J)

P1: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P2: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

τ1: thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s)

Trang 7

τ2: thời gian thực hiện quá trình hóa hơi(s)

Q1: nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

Q2: nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

iw: hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường

rw: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)

(Tssd – Tđ): chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (0C)

(Tr – Tv): chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào (0C)

VH2O: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s)

pH2O: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

CH20: nhiệt dung riêng của nước (J/kgK)

Cp: nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kgK)

IV Tiến hành thí nghiệm

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm

4.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

- Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện

- Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyển công tắc tổng sang vị trí 1, công tắc đèn hiển thị trắng sáng

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ để kích hoạt

mô hình, lúc này đèn xanh sáng

- Bộ hiển thị số được cấp điện

- Mở van nguồn nước cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống

- Kiểm tra ống nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu ra được đặt đúng nơi quy định

- Mở van V9

- Kiểm tra áp suất hệ thống đạt được 1 bar

Trang 8

- Mở van V6 để lưu thông nước trong thiết bị ngưng tụ

4.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi thí nghiệm

- Nồi đun và thiết bị kết tinh được tháo hết và sạch

- Các van thoát được đóng: V2, V5, V8

- Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng và sạch

- Các van V3 và V4 đóng

Kết thúc thí nghiệm

- Tắt W1

- Khóa van VP1

- Đợi cho dung dịch trong nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 30oC

- Khóa van nguồn nước giải nhiệt cấp cho thiết bị ngưng tụ ECH1

- Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2

- Tháo dung môi (nước) trong bình chứa hơi thứ

4.2.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch

- Cho dung dịch nồi đun khoảng 8 lít

- Khóa van V1, VP1

- Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100%

- Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECH1 với lưu lượng 80l/h

- Đo thời gian và quan sát dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đun đến khi dung dịch sôi, quan sát nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước giải nhiệt

- Đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đến khi dung dịch sôi

- Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trình

- Đo nồng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình

- Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc

V Bảng số liệu

Giai

đoạn

Nguồn gia nhiệt

nồi đun P(W)

Thời gian (phút)

⇒ 𝜌𝑏đ = 𝜌𝐻2𝑂 𝑑𝑏đ = 996 1,0187 = 1014,6252 (kg/m3)

- Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun

Dung dịch CuSO4 nạp vào: 6 lít

 Nhiệt độ nồi đun là 93,1 ℃

 Nhiệt độ nước giải nhiệt vào 30℃

 Nhiệt độ nước giải nhiệt ra là 33,4℃

- Nguyên nhân sai số khi tính toán cân bằng năng lượng và vật chất:

+ Thời gian giữa các lần đo bị chênh lệch

+ Nồng độ chất tan sau cô đặc tính được độ chính xác không cao

- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc liên tục hay gián đoạn Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng năng suất nhỏ và nhiệt năng không có gia trị kinh tế Quá trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghệ đồ hộp để sản xuất cà chua cô đặc, sữa đặc…Trong quá trình cô đặc người ta thường sử dụng hơi nước bão

Trang 12

hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điễm sôi Khi đó nước sẽ từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Giáo trình hướng dẫn thực hành kỹ thuật thực phẩm - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM

[2] Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - truyền khối - Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM

[3] Sách kỹ thuật thực phẩm 2 - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM