Cân bằng vật chất năng lượng

1.2 Hệ thống đo lường Các đại lượng vật lý thường được đo đạc bằng một loạt các hệ thống đơn vị.. Bảng 1.1: Đơn vị cơ sở based unit của các hệ thống đo lường Thời gian Chiều dài Khối lư

Phụ lục 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH

KHOA NÔNG NGHIỆP – THỦY SẢN

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG

GV biên soạn: NGUYỄN ĐỨC TOÀN

Trà Vinh, 30/7/2017

Lưu hành nội bộ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1

1.1 Những khái niệm cơ bản 1

1.2 Hệ thống đo lường 2

1.3 Các thông số kỹ thuật thường gặp trong tính toán 4

1.4 Câu hỏi (bài tập) củng cố 8

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10

2.1 Nguyên lý bảo toàn vật chất 10

2.2 Sơ đồ hệ thống 10

2.3 Các bước giải quyết bài toán cân bằng vật chất 12

2.4 Cân bằng vật chất cho hệ thống đơn giản 12

2.5 Cân bằng vật chất cho quá trình nhiều giai đoạn 16

2.6 Cân bằng vật chất cho hệ thống có hoàn lưu, dòng tắt, dòng xả 18

2.7 Cân bằng vật chất cho hệ thống không ổn định 23

2.8 Câu hỏi (bài tập) củng cố 25

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 28

3.1 Nguyên lý cân bằng năng lượng 29

3.2 Các dạng năng lượng 29

3.2 Cân bằng vật chất và năng lượng 32

3.2 Câu hỏi (bài tập) củng cố 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Những khái niệm cơ bản

1.1.1 Hệ thống

Hệ thống có thể hiểu như bất kỳ một vật chất, một tiến trình sản xuất, một thiết bị, hay một phần thiết bị được quan tâm xem xét Hệ thống được xác định bằng một đường biên bao xung quanh Phần vật chất bên ngoài đường biên xác định hệ thống được gọi

là môi trường Hệ thống có thể chia làm hai loại:

- Hệ thống kín là hệ thống không có sự trao đổi vật chất với môi trường xung quanh (vẫn có sự trao đổi năng lượng)

- Hệ thống mở là một hệ thống có sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh

Hệ thống có thể phân chia thành nhiều hệ thống nhỏ hơn gọi là hệ thống con, ngược lại nhiều hệ thống nhỏ cũng có thể tập hợp thành hệ thống lớn

1.1.2 Tính chất

Tính chất là những đặc tính của vật chất có thể đo lường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm…, hoặc có thể tính toán hoặc suy ra từ những tính chất khác nếu không thể đo lường được Tính chất của một hệ thống tùy thuộc vào điều kiện của hệ thống tại thời điểm quan sát chứ không tùy thuộc vào những sự kiện đã xảy ra đối với hệ thống

1.1.3 Trạng thái

Trạng thái là vật chất với tập hợp các tính chất được cho ở một thời điểm Trạng thái của hệ thống không phụ thuộc vào hình dạng cấu tạo của hệ thống mà chỉ tùy thuộc vào tính chất của hệ thống

 Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể:

- Nắm rõ được các thuật ngữ, các định nghĩa cơ bản của môn học

- Tính toán được các thông số vật lý cơ bản của thực phẩm

- Biết cách chuyển đổi các hệ đơn vị đo lường trong khoa học

1.2 Hệ thống đo lường

Các đại lượng vật lý thường được đo đạc bằng một loạt các hệ thống đơn vị Trong thực tế có nhiều hệ thống đơn vị đo được sử dụng: hệ Mét, hệ SI, hệ US Engineering,

hệ Anh… Việc sử dụng các hệ thống đo lường này kéo theo những rắc rối trong việc

sử dụng nhiều ký hiệu khác nhau để chỉ định cho đơn vị đo Vì thế, các tổ chức quốc

tế đã cố gắng chuẩn hóa các hệ thống đơn vị Năm 1960, tại cuộc hội thảo quốc tế về

cân nặng và đo lường (CGPM) đã thống nhất hệ đo lường chung SI (International

System of Units) dùng trong công nghiệp và khoa học

Việc sử dụng hệ thống SI hiện tại là rất phổ biến trong cộng đồng khoa học Tuy nhiên vẫn cần thiết phải có sự chuyển đổi dữ liệu từ hệ SI sang hệ khác hoặc ngược lại, nhằm phục vụ cho việc tính toán

1.2.1 Các thuật ngữ

Thứ nguyên (dimension): được dùng để chỉ một đại lượng vật lý được xem xét

(thời gian, khối lượng, khoảng cách…)

Đơn vị (unit): được dùng để chỉ độ lớn hoặc kích thước của một thứ nguyên Đơn vị cơ sở (based unit): là những đơn vị dùng để chỉ định duy nhất một thứ nguyên (dimension) nào đó

Bảng 1.1: Đơn vị cơ sở (based unit) của các hệ thống đo lường

Thời gian Chiều dài Khối lượng Lực Nhiệt độ

Đơn vị dẫn xuất (derived units): là đơn vị được kết hợp từ nhiều đơn vị cơ sở khác

nhau Đơn vị dẫn xuất thường được kí hiệu bằng tên hay các kí tự đặc biệt

Bảng 1.2: Một số đơn vị dẫn xuất (derived units) thường gặp

bar (1 bar = 105 Pa) torr (1 torr = 1 mmHg) atm (1 atm = 101325 Pa)

psi = lbf/in2

1.2.2 Chuyển đổi đơn vị

Ví dụ 1: khối lượng riêng 3

cm

g

bằng bao nhiêu 3

ft

lb

Ta có: 1lb453,6g có thể viết 1

1

6 , 453 6

, 453

1





lb

g g

lb

28320

1

28320 28320

1

3 3 3

3





ft

cm cm

ft

3 3

6 , 453

1

ft

lb ft

cm g

lb cm

g cm

Ví dụ 2: Độ nhớt

giay cm

g

1 bằng bao nhiêu

gio ft

lb

Tương tự ta có: 1lb453,6ghay 1

1

6 , 453 6

, 453

lb

g g

lb

giay

gio 3600

1

3600 3600

gio

giay giay

gio

cm

ft 30,48

1

48 , 30 48

, 30

ft

cm cm

ft

Suy ra :

gio ft

lb gio

giay ft

cm g

lb giay cm

g giay

cm

g

242 1

3600 1

48 , 30 6 , 453

1

1

Bảng 1.3: Một số ví dụ về yếu tố chuyển đổi (conversion factors)

1 ft = 12 in = 0,3048 m oF = 32+1,8oC

1 US gallon = 3,7854 l oR = 460+oF

1 lbf = 4,4482 N

F/1,8

1 Btu = 1055,06 J = 0,25216 kcal ∆oF = ∆o

R

1 kWh = 3600 kJ

1.3 Các thông số kỹ thuật thường gặp trong tính toán

1.3.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là thông số vật lý biểu diễn trạng thái nóng hay lạnh của vật chất Các thang

đo nhiệt độ thường được sử dụng như sau:

Bảng 1.4: Các thang đo nhiệt độ trong kỹ thuật

Độ Celcius (oC)

Độ Kenlvin (K)

Độ Farenheit (oF)

Độ Rankin (oR)

Nhiệt độ sôi của nước ở áp

Nhiệt độ đông đặc của nước ở

Các thang đo nhiệt độ được chuyển đổi theo công thức

o

F = 32+1,8oC oR = 460+oF K = 273,15+oC

∆oC = ∆oF/1,8 ∆oC = ∆K ∆oF = ∆oR

1.3.2 Áp suất

Áp suất được định nghĩa là áp lực của lưu chất tác động lên một đơn vị diện tích, thường được đo bằng chiều cao cột lưu chất dưới tác dụng của trọng lực Trong kỹ thuật cần phân biệt được áp suất áp suất tương đối và áp suất tuyệt đối

Thông thường áp suất tương đối có thể được ghi nhận từ các áp kế, còn áp suất tuyệt đối có thể tra số liệu từ các quyển sổ tay kỹ thuật hay được tính bằng công thức:

Ptuyệt đối = Pdụng cụ đo + Pkhí quyển

Pchân không = Pkhí quyển – Ptuyệt đối

1.3.3 Khối lƣợng riêng

Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thể tích ở cùng điều kiện xác định Trong hệ đo lường SI khối lượng riêng có đơn vị là kg/m3 Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Đối với hỗn hợp gồm nhiều thành phần khối lượng riêng được tính như sau:





i

w i hh

X



hh

 : khối lượng riêng của hỗn hợp

w

i

X : phân khối lượng của cấu tử i trong hỗn hợp

i

 : khối lượng riêng tương ứng của cấu tử i

Khối lượng riêng các thành phần trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ được tính theo các phương trình của Choi và Okos (1986):

2

0037574 ,

0 0031439 ,

0 18 ,



T

te carbohydra  1599 , 1  0 , 31046



T

protein 1330  0 , 5184



T

fat  925 , 59  0 , 41757



ash2423,80,28063



T

ice 916,890,1307



1.3.4 Nhiệt dung riêng (specific heat)

Nhiệt dung riêng được định nghĩa là nhiệt lượng thu nhận hoặc mất đi khi 1 kg vật liệu thay đổi 1oC mà không làm thay đổi trạng thái

T

m

Q

C p





Q: nhiệt lượng thu nhận hoặc mất đi (J)

m: trọng lượng vật liệu (kg)

∆T: thay đổi nhiệt độ của vật liệu (o

C)

Cp: nhiệt dung riêng (J/kgoC)

Nhiệt dung riêng của sản phẩm là tham số phụ thuộc vào thành phần hóa học của thực phẩm, độ ẩm, nhiệt độ, áp suất Nhiệt dung riêng tăng khi độ ẩm tăng Nhiệt dung riêng của chất khí khi áp suất không đổi Cp lớn hơn nhiệt dung riêng khi thể tích không đổi Cv Với hầu hết quá trình chế biến thực phẩm, nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi thường được sử dụng, khi quá trình chế biến thực hiện ở áp suất không thay đổi

Nhiệt dung riêng của thực phẩm thường được thu nhận bằng thực nghiệm hoặc có thể dùng các công thức thực nghiệm để phỏng đoán nhiệt dung riêng của sản phẩm

Nhiệt dung riêng của các thành phần thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ được tính bằng các công thức sau:

Công thức Siebel

Đối với nước ép rau quả: C p 0,8373,349w w

Đối với thực phẩm ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng: C p 0,8371,256w w

Cp: nhiệt dung riêng kJ/kgo

C

ww: phân khối lượng nước trong thực phẩm

Công thức Heldman

a c

f p

w

C 4,18 1,547 1,672 1,42 0,386

Cp: nhiệt dung riêng kJ/kgoC

ww, wp, wf, wc, wa: phân khối lượng tương ứng của nước, protein, chất béo, carbohydrate và chất khoáng trong thực phẩm

Công thức Choi và Okos

2

99516 , 0 3062 , 5 7 ,

2 3

10 4731 , 5 0909 , 0 2 ,

2 3

10 9399 , 5 9625 , 1 8 ,

C pCHO     (-40 đến 150oC)

2 3

10 3129 , 1 2089 , 1 2 ,

2 3

10 8008 , 4 4373 , 1 2 ,

2 3

10 6817 , 3 8896 , 1 6 ,

C pash     (-40 đến 150oC)

T

C pice 2062 , 3  6 , 0769

Nhiệt dung riêng hỗn hợp n thành phần tính bằng công thức (Choi và Okos, 1986)





i

pi w

i

C

1

w

i

X : phân khối lượng của cấu tử i trong hỗn hợp

pi

C : nhiệt dung riêng tương ứng của cấu tử I (J/kgK)

1.3.5 Cách thể hiện độ ẩm của vật chất

Độ ẩm được hiểu là hàm lượng nước có trong vật thể khảo sát Có hai cách biểu diễn

độ ẩm: độ ẩm căn bản ướt và độ ẩm căn bản khô

Độ ẩm căn bản ướt:   100

mau

nuoc wb

m m M

Độ ẩm căn bản khô:   100

chatkho

nuoc db

m

m M

Quan hệ chuyển đổi giữa căn bản ướt và căn bản khô có thể biểu diễn

Chuyển độ ẩm căn bản khô sang căn bản ướt:

1





db

db wb

M

M M

Chuyển độ ẩm căn bản ướt sang căn bản khô:

wb

wb db

M

M M





1

Ví dụ: một thực phẩm có hàm lượng ẩm 90% theo căn bản khô Hãy xác phần trăm

ẩm theo căn bản ướt

Giải

Sử dụng công thức chuyển đổi ẩm từ căn bản khô theo căn bản ướt:

47 , 0 1 9 , 0

9 , 0









db

db

wb

M

M

M

Vậy độ ẩm căn bản ướt của thực phẩm cần xác định là 47%

1.4 Câu hỏi (bài tập) củng cố:

1 Chuyển đổi các đơn vị sau:

a 100 lb mol/f ft2 sang kg mol/s m2

b Btu/lb oF sang J/g K

c lbm/ft h sang kg/m s

d 10 ft lbf/lbm sang J/kg

e 0,5 Btu/lbm oF sang J/kg oC

2 Điền vào chỗ trống các chuyển đổi sau:

4482 , 4

.

1

.

174 , 32 174

,

32

Ns

kgm N

ft

m lb

s

ft lb s

ft lb

m

m

s kgm

N ft

kg s

ft lb s

ft

3 , 138 /

1

1 1

4536 , 0 1000

c

mK

W s

J

W K

F m

ft s

kcal

J F

ft

kcal F

ft

kcal

o o

o

/

60

min

252 , 0

06 , 1055 min

10 min

d

s ft

lb ft

m kg

lb ms

kg ms

0013 , 0

002 , 0 002

,

e

K gmol

cal K

R gmol

lbmol Btu

cal R

lbmol

Btu R

lbmol

o o

987 , 1

987

, 1 987

,

3 Xây dựng bảng chuyển đổi độ ẩm từ căn bản ướt sang căn bản khô cho thực phẩm

có độ ẩm từ 0÷90%, khoảng độ ẩm 10% (sử dụng phần mềm excel)

4 10 kg thực phẩm có phần trăm ẩm theo căn bản khô là 320% được sấy đến 50% căn bản ướt Tính lượng nước thoát ra trong quá trình sấy

5 5 kg sản phẩm thực phẩm có độ ẩm 150% căn bản khô Tính lượng nước cần lấy ra

để độ ẩm của thực phẩm đạt 20% căn bản ướt

6 Xác định khối lượng riêng của cải bó xôi ở 20oC với các thành phần được cho trong bảng sau:

Thành phần Phân khối lượng (%)

Carbohydrate 1,72

7 Sử dụng công thức của Choi và Okos (1986) tính nhiệt dung riêng của một sản phẩm thực phẩm với các thành phần tương ứng ở 20oC

Thành phần Phân khối lượng (%)

Carbohydrate 1,72

8 10kg nước được thêm vào 30kg thực phẩm khô Kết quả độ ẩm của thực phẩm là bao nhiêu? Tính theo căn bản ướt và căn bản khô

9 Xác định nhiệt dung riêng ở 25oC của thực phẩm có thành phần 15% protein, 20% tinh bột, 1% chất xơ, 0,5% tro, 20% chất béo, 43,5% nước

10 Sử dụng thành phần thực phẩm được cho ở bài tập 7, hãy tính nhiệt dung riêng cho thực phẩm đó thay đổi từ 25oC đến 100o

C, với khoảng nhiệt độ 5oC (sử dụng phần mềm excel) Có nhận xét gì về sự thay đổi giá trị nhiệt dung riêng?

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Nguyên lý bảo toàn vật chất

Cân bằng vật chất được dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng “vật chất không tự sinh ra hay tự phá hủy, mà nó chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác” Ngay cả trong trường hợp của phản ứng hóa học, thành phần khối lượng của một chất phản ứng

và sản phẩm trước và sau phản ứng có thể khác nhau, nhưng khối lượng của toàn bộ

hệ thống vẫn không thay đổi Khi các phản ứng hóa học không xảy ra, các thành phần trong hệ thống cũng như khối lượng của nó vẫn giữ nguyên trong một hệ thống kín Tuy nhiên đối với hệ thống xảy ra phản ứng nhiệt hạch sẽ nằm ngoài nguyên lý này, vì

có sự chuyển hóa vật chất thành năng lượng Quá trình cân bằng có thể biểu diễn theo phương trình sau:

Vật chất vào = vật chất ra + vật chất tích lũy

Nếu vật chất tích lũy trong hệ thống bằng 0, thì vật chất vào = vật chất ra, quá trình này được xem là ổn định Và khi vật chất tích lũy khác 0, khối lượng và nồng độ của từng thành phần trong hệ thống thay đổi theo thời gian, quá trình này được xem là không ổn định

2.2 Sơ đồ hệ thống

Trước khi thiết lập phương trình cân bằng vật chất, cần hình dung được quá trình và xác định ranh giới (đường biên) của hệ thống để thực hiện cân bằng vật chất Điều quan trọng là mọi thứ của quá trình cân bằng vật chất có ảnh hưởng đến sự phân bố

thành phần ở các dòng được biết đến Cách trình bày vấn đề nên được thể hiện đầy đủ

để người đọc có thể vẽ được nội dung bằng sơ đồ Tuy nhiên trong một vài trường hợp, các nguyên tắc vật lý cơ bản liên quan đến một quá trình có ảnh hưởng đến sự phân bố các thành phần trong hệ thống sẽ không được nêu ra trong vấn đề Vì thế cần

 Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể:

- Hiểu được nguyên lý cân bằng vật chất

- Tính toán cân bằng vật chất cho các quá trình cơ bản trong thực phẩm

- Vận dụng được kiến thức trong quá trình thực hành

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC:

P.G Smith, 2011, Introduction to Food Engineering Second Edition, ISBN: 978-1-4419-7661-1, Springer

R L Earle, 1983, Unit Operations in Food Processing Second Edition, ISBN 0-08-025536-1, Published by NZIFST

R Paul Singh & Dennis R Heldman, 2009, Introduction to Food Engineering Four Edition, ISBN: 978-0-12-370900-4, Elsevier

Romeo T Toledo, 2007, Fundamentals of Food Process Engineering Thrid Edition, ISBN-13: 978-0-387-29019-5, Springer

Stavros Yanniotis, 2008, Solving Problems in Food Engineering, ISBN: 978-0-387-73513-9, Springer

Võ Tấn Thành và Vũ Trường Sơn, 2013, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 2, Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ

Võ Tấn Thành, 2011, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 1, Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ

 TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN:

Võ Tấn Thành, 2011, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm – Phần 1, Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ