báo cáo thực hành KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Nó diễn ra đồng thời 4 quá trình: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vậtliệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá tr

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD: Võ Văn Sim SVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân MSSV: 2005100024

Lớp: 01ĐHTP3

TP.HCM 05/2013

Bài 1: SẤY ĐỐI LƯU

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Định nghĩa

Sấy đối lưu là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cấp nhiệt cho ẩm bay hơi.Trong đó, cả hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm đều được thực hiện bằng phươngpháp đối lưu

Đặc trưng của quá trình sấy

Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không thuận nghịch và không ổnđịnh Nó diễn ra đồng thời 4 quá trình: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vậtliệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh

Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy

Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp cho khoảng thời gian d

Nhiệt này được tiêu hao để

- Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r+Ch(t-th)]dGa (3)

Trong đó:

: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m2độ

F: bề mặt vật liệu, m2

t, , th: nhiệt độ tác nhân sấy, vật liệu và hơi bão hòa, độ

Go, Co: khối lượng và nhiệt dung của vật liệu sấy, kg; j/kgđộ

Ga, Ca: khối lượng và nhiệt dung của ẩm, kg; j/kgđộ

r: An nhiệt hóa hơi của ẩm, j/kh

Ch: Nhiệt dung riêng của hơi ẩm, j/kgđộ

Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d:

U: hàm ẩm (hay độ ẩm) của vật liệu, tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô

Từ (1), (2), (3) và(4), thiết lập cân bằng nhiệt:

dτ theo cân bằng nhiệt

Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy

Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy:

Với: kp: hệ số truyền ẩm trong pha khí kg/m2.h.p

Pm, p: áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, mmHg (at)

Thay Ga=G0U vào (7) và biến đổi ta có:

C: nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, j/kgđộ

Ro: bán kính qui đổi của vật liệu, m

Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có:

với Rb=1+(C r )dU : chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học quá trình sấy dθ

Biểu thức (10) là phương trình cơ bản của động học về sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩmcủa vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức (10) khi giải hệ phương trình viphân mô tả truyền nhiệt – truyền ẩm trong vật liệu Nhưng nói chung hệ phương trình nàykhông giải được bằng phương pháp giải tích

Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q 2 )

Trong giai đoạn sấy giảm tốc, đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng, nên tốc độsấy trong giai đoạn này được biểu diễn:

K chính là hệ số góc của đường cong tốc độ sấy ở giai đoạn sấy giảm tốc, nên:

U th−U¿=χNN

(12)

N: tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s)

Tích phân phương trình (11) ta nhận được:

UưU¿

U thưU¿=exp (ư χNNτ )

(13)Hay logarit hóa (8), ta có

8,1

Thay (17) vào (10) ta được

q2=ρ o R o r(1+Rb )1,8 N(U −U U o ¿) (18)

Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q 1 )

Trong giai đoạn sấy đẳng tốc, toàn bộ lượng nhiệt cung cấp từ dòng tác nhân bằng lượngnhiệt bốc hơi ẩm và nhiệt độ vật liệu không đổi nên:

Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy.

Đồ thị đường cong tốc độ sấy Đồ thị đường cong sấy

a) Đường cong sấy

Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy(τ )

U = f (τ ) (21)

Dạng của đường cong sấy:

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ ẩm và vật liệu, hình dáng kích thước;Cấu trúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy

Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy Vì vậy, tuy ở chế độ và phương phápsấy khác nhau nhưng dạng đường công sấy là tương tự nhau

b) Đường cong tốc độ sấy:

Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm ( hàm ẩm) của vậtliệu sấy:

dU

dτ =g (U ) (22)

Từ biểu thức (21) và (22), rõ ràng đường cong tốc độ sấy là đạo hàm của đườngcong sấy

Các giai đoạn của quá trình sấy

a) Giai đoạn đun nóng vật liệu (AB)

Giai đoạn này xảy ra nhanh với khoảng thời gian ngắn không đáng kể Toàn bộnhiệt do dòng tác nhân cấp dùng để đun nóng vật liệu từ nhiệt độ đầu ( θο) lên

nhiệt độ bầu ướt (tƯ)

Trong giai đoạn này lượng ẩm tách ra không đáng kể, độ ẩm vật liệu giảm khôngnhiều và tốc độ sấy nhanh lên với tốc độ cực đại (N) thường giai đoạn này bỏ quatrong tính toán

b) Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC)

Trong giai đoạn này, tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớn hơntốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt vật liệu, nên bề mặt vật liệu luôn bảo hòa ẩm

Tòan bộ lượng nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm bề mặt (ẩm tự do) và bề mặt bốc hơi

là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy sau đây sẽ không đổi:Nhiệt độ bề mặt vật liệu và tốc độ sấy; và độ ẩm vật liệu giảm nhanh

Thời gian sấy trong giai đoạn này là (thời gian sấy đẳng tốc ( τ ) được xác định

τ1= Uo− Uth

N1 (24)

Với Uth là độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc.

c) Giai đoạn sấy giảm tốc (CD)

Do đã bốc hơi hết ẩm bề mặt chỉ còn ẩm liên kết, nên bề mặt bốc hơi bị co hẹp lạidần đi sâu vào trong lòng vật liệu

Tốc độ khuếch tán ẩm trong vật liệu chậm làm giảm tốc độ chung

Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ nhiệt độ bầu ướt (tư) đến nhiệt độ dòng tác nhân(t) – nhiệt độ bầu khô

Lúc này; Trong vật liệu xuất hiện 3 vùng : Ẩm, bốc hơi và khô

Trong giai đoạn này, nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng (hoặc quiđổi sang đường thẳng – N2 =ax +b) thì ta có thể phân tích để tính thời gian sấy giai

đoạn sấy giảm tốc này ( τ2 ) :

τ2= Uth− U'

N1 ln

Uth− U'

U2− U'

Với U: độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc.

Thời gian sấy vật liệu

Thời gian sấy vật liệu được tính bằng tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy: đốt nóng vật

liệu τ0 Sấy đẳng tốc τ1 và sấy giảm tốc τ2 Có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng

vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian sấy như sau:

II SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

Do không cân vật liệu trước khi sấy nên ta giả sử vật liệu sau khi sấy có độ ẩm 4%

 G0 = Gmin - (Gmin x 4)/100 = 650 g

 Nhiệt độ bầu ướt vào: 45oC

 Nhiệt độ bầu ướt ra: 45oC

 Nhiệt độ bầu khô vào: 54oC

 Nhiệt độ bầu khô ra: 52oC

Độ ẩm tới hạn.

W C :độ ẩm cân bằng = 3%

W th=W1

1,8+W c=25,15

1,8 +3=16,97

Thời gian sấy.

 Thời gian sấy đẳng tốc.

T = W1−W th

N dt =

25,15−16,978993,94 =0,91.10

Thời gian sấy tổng cộng gần đúng của quá trình sấy.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0

Đồ thị biểu diễn đường cong sấy

Đồ thị đường cong tốc độ sấy

T(phút)

N (%/h)

W(%)

Bài 2: TRUYỀN NHIỆT

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyềnnhiệt phức tạp Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi váchngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thànhống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất

Q = G 1 C 1 (t v1 – t R1 ) = G 2 C 2 (t R2 – t v2 ) , W (1)

G1, G2: lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s

C1, C2: nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K

tv1, tR1: nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, oC

tv2, tR2: nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, oC

Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt

Q K.F t , WTrong đó:

K – hệ số truyền nhiệt, W/m2.K;

F – diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2;

t – hiệu số nhiệt độ trung bình, K

Hệ số truyền nhiệt cho tường nhiều lớp theo công tính theo công thức sau:

n i

i 1

1K

 – hệ số dẫn nhiệt tương ứng với lớp tường thứ i, (W/m.K)

L

Q K t.L , W Trong đó:

KL – hệ số truyền nhiệt của 1m chiều dài ống, (W/m.K)

r1, r2 – nhiệt trở của cặn bẩn ở phía trong và ngoài của ống, (m2.K/W);

d1 và dn+1 – đường kính trong và ngoài của ống, (m);

di và di+1 – đường kính trong và ngoài của lớp thứ i, (m);

i

 – hệ số dẫn nhiệt của lớp tương ứng thứ i, (W/m.K);

 Ở bài thí nghiệm này, ta tiến hành thí nghiệm với ống truyền nhiệt, do vậy ta xem

như là truyền nhiệt ở tường hình trụ 1 lớp nên công thức trên trở thành :

L : chiều dài ống, m

KL : hệ số truyền nhiệt dài, W/mK

tlog : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit

t log= N

l

N l

t

t t t

(3)

Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K L *

b ng tr

ng

r d d

d

1

1ln

2

11

Ở bài thí nghiệm này, lớp cáu coi như không đáng kể, tức là rb/db 0

Hệ số cấp nhiệt  1 ,  2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất được tính theo chuẩn số Nusselt như sau

Nu=α.l/ λα.l/ λ

Trong đó

Nu = A.Re m Pr n

R l t





25 0,

Chế độ chảy của các dòng lưu chất

Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt

Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng…)

II.XỬ LÝ SỐ LIỆU

1.Bảng số liệu thực nghiệm

Lưu lượngdòng nóng

G’

N(l/p)

Lưu lượngdòng lạnh

N tính theo công thức nội suy

tNTB(0C)

N(kg/m3)

2.Tính suất lượng khối lượng của dòng lạnh GL

L tính theo công thức nội suy

GL2=10.993,08 /60.1000 = 0,06621

Các giá trị còn lại tính tương tự

G’L(l/p)

GL(l/p) tLV

(0C) t

LR(0C) t

LTB(0C)

L(kg/m3)

3 Tính nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng:

Tính CN bằng phương pháp nội suy

GN(l/p)

tNV(0C)

tNR(0C)

tNTB(0C)

N(kg/m3)

CN(j/kg.độ)

QN(w)

4.Tính nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh:

Tính CL bằng phương pháp nội suy

GL(l/p) tLV

(0C)

tLR(0C)

tLTB(0C)

L(kg/m3)

CL(j/kg.độ) QL(w)

tNV(0C) tmax tmin tlog

Tính tương tự cho các giá trị khác tương tự

LV(0C) t

LV(0C) L(m) tlog(0C)

kl*(W/m.độ)4119.7 552.6 3567.1 56 50 36 40 1.05 14.978 35.1374119.7 829.1 3290.6 56 50 36 39 1.05 15.451 51.1054119.7 1243.6 2876.1 56 50 36 39 1.05 15.451 76.6544121.2 1105.5 3015.7 55 49 36 38 1.05 14.911 70.6094121.2 1381.9 2739.3 55 49 36 38 1.05 14.911 88.263chảy

ngan

g

1370.6 552.5 818.1 59 57 37 41 1.05 18.982 27.721370.6 828.7 541.9 59 57 37 40 1.05 19.496 40.4821370.6 1243.1 127.5 59 57 37 40 1.05 19.496 60.7261370.6 1105.2 265.4 59 57 37 39 1.05 không xác định1370.6 1381.

Tính tương tự cho các giá trị tiếp theo

10.Tính chuẩn số reynold của dòng nóng:

 Đối với ống kép chảy dọc:

Ta tính theo công thức nội suy

1=(549,4-549,4−469 ,60−50 (53-50)).10-6 =0,000525

ρ L

(kg/m3) FL(m2) ω L

(m/s)chảy

NR(0C) t

NTB(0C)

 Đối với ống kép chảy dọc:

Ta tính theo công thức nội suy

tTB(0C)

dọc 24 3636 4039 37.538 992.95 0.000327992.8 0.000327 0.0080.008 0.10194 0.0006829 1185.60.20387 0.0006904 2345.7

6 36 39 37.5 992.95 0.000327 0.008 0.30581 0.0006904 3518.6

8 36 38 37 993.1 0.000327 0.008 0.40775 0.0006978 4642.4

10 36 38 37 993.1 0.000327 0.008 0.50968 0.0006978 5803chảy

Tính λN

16.Tính chuẩn số Nusselt dòng lạnh NuL

 Đối với dòng chảy dọc:

Ta có theo bảng tính kết quả Re>10000

Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.[Prt Pr ]0,25.Ԑp

Tra bảng ta có Ԑp =1

Nu1= 0,021.1174,80,8.4.,130,43.[1,1277]0,25=11,821

 Đối với dòng chảy ngang:

theo kết quả của Re

m2.độ)chảy

dọc

0.6513 3.368 22179.6 0.8931 103.15 0.018 3732.310.6513 3.368 22179.6 0.8931 103.15 0.018 3732.31

0.6513 3.368 22179.6 0.8931 103.15 0.018 3732.310.6502 3.425 21857.8 0.8901 102.6 0.018 3706.140.6502 3.425 21857.8 0.8901 102.6 0.018 3706.14

chảy

ngang

0.6568 3.088 23947.7 0.9008 105.89 0.018 3863.810.6568 3.088 23947.7 0.9008 105.89 0.018 3863.810.6568 3.088 23947.7 0.9008 105.89 0.018 3863.810.6568 3.088 23947.7 0.9008 105.89 0.018 3863.810.6568 3.088 23947.7 0.9008 105.89 0.018 3863.81

αL= NuL.λL/dtđL

αL= 11,821.0,6316/0,008 = 933,27

λN(w/m.độ) PrL ReL PrL/PrtL NuL dtdL(m) αL (w/

m2.độ)

chảy

doc

0.6316 4.513 1174.8 1.1277 11.821 0.008 933.270.63075 4.56

9 2324.4 1.1307 20.527 0.008 1618.430.63075 4.569 3486.6 1.1307 28.392 0.008 2238.530.6299 4.624 4600.2 1.1336 35.646 0.008 2806.680.6299 4.624 5750.2 1.1336 42.613 0.008 3355.24

chảy

ngan

g

0.6333 4.403 47.2 1.1218 5.944 0.00797 472.310.63245 4.45

0.0079

0.63245 4.458 139.9 1.1246 10.278 0.00797 815.60.6316 4.513 184.6 1.1277 11.858 0.00797 939.710.6316 4.513 230.7 1.1277 13.256 0.00797 1050.5

19.Tínhhệ số truyền nhiệt lý thuyết KL

αN (w/

m2.độ)

αL (w/

m2.độ d1 d2 λinox KL3732.31 933.27 0.018 0.022 25 46.471

0,0018 3732,31+

12,25ln

0,0220,018+

1933,27.0,0022

= 46,471Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy dọc

Đồ thị 2:quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt dài và chế độ chảy dọc của dòng lạnh

Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy ngang

I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các khái niệm trong cô đặc:

- Khái niệm cô đặc:

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dungmôi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ

- Mục đích của quá trình cô đặc:

+ Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch

+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

- Các phương pháp cô đặc:

+ Cô đặc ở áp suất khí quyển: là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế+ Cô đặc ở áp suất chân không: dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ phân hủy vì nhiệt,…

+ Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sửdụng hơi thứ cho các quá trình khác

Cân bằng vật chất trong hệ thống cô đặc 1 nồi:

Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:

xđ – Nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [phần khối lượng]

xc – Nồng độ chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng]Lượng hơi thứ trong quá trình cô đặc

Cân bằng nhiệt lượng trong hệ thống cô đặc 1 nồi

Theo định luật bảo toàn nhiệt

∑Q v=Q1+Q2

∑Q r=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7

Trong đó:

Q1: Nhiệt do dung dịch mang vào

Q2: Nhiệt do hơi đốt ngưng tụ

Q3: Nhiệt do dung dịch sau cô đặc mang ra

Q4: Nhiệt do hơi thứ mang ra

Q5: Nhiệt do nước ngưng mang ra

Q6: Nhiệt do quá trình cô đặc

Q7: Nhiệt tổn thất ra môi trường

→ Gđ.cđ.tđ + D.i = Gc.cc.tc + W.i’ + D.cn.tn + Qcđ + Qmt

Với:

tđ : Nhiệt độ nguyên liệu, [độ]

tc ; Nhiệt độ sản phẩm, [độ]

tn : Nhiệt độ nước ngưng, [độ]

cđ : Nhiệt dung riêng nguyên liệu, [J/kg.độ]

cc : Nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ]

cn : Nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ]

i : Hàm nhiệt trong hơi đốt, [J/kg]

i’: Hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg]

Lượng hơi đốt tiêu tốn :

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m2]

: Thời gian cô đặc,[s]

hi : Hiệu số nhiệt độ hữu ích , [đô]

Rút ra bề mặt truyền nhiệt :

V(0C) t

R(0C) t

vỏ(0C) t

dd(0C) t

ht(0C)

+ Với nồng độ dd đường ban đầu là 16.8, sử dụng bảng khối lượng riêng của

đường theo độ Brix (Sổ tay Công nghệ hóa chất – Tập 1) ta có:

ρđ = 1074.4 (kg/m3)

+ Khối lượng dd đường nhập liệu:

Gđ = Vđ *ρđ = 4*1074.4*10-3 = 4.298 (kg)

+ Lượng nước ngưng thực tế:

Ta có:

Vngưng = 0.305 + 0.220 + 0.369 + 0.166 + 0.259 + 0.175 + 0.189 + 0.790 + 0.225 + 0.210 + 0.205 + 0.180 + 0.120 + 0.112 + 0.115

Áp dụng định luật bảo toàn vật chất:

 Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W

 Bảo toàn chất khô: Gđ * xđ = Gc * xc

Nồng độ sản phẩm cuối:

Xc = G đ G∗x đ

c = 4.298∗0.1681.226 = 0.588Lượng hơi thứ:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chỉ số Brix & thời gian τ

2 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng nước ngưng & thời gian cô đặc τ:

120

130

140

W (ml) 350 22

0

369

166

259

175

189

190

225

210

205

180

120

112115

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng nước ngưng tụ & thời gian cô đặc

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản nhất dựa trên các cơ sở sau:

a Cân bằng giữa hai pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử

b Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm lý tưởng cho hai pha lỏng–hơi là:

- Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm

- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời

có nồng độ đồng nhất tại mỗi vị trí trên tiết diện

- Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha

Hiệu Suất

Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm

Có ba loại hiệu suất mâm được dùng là: Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn tháp;Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm; Hiệu suất cục bộ, liên quan đến một

Hiệu suất mâm Murphree: là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với

sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với phalỏng rời mâm thứ n