CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Mô tả chi tiết các thiết bị truyền nhiệt chính được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm như : thiết bị đun nóng loại sủi bọt, thiết bị tháo nước ngưng loại phao hở, thiết bị ngưng tụ loại khô xuôi chiều thấp, thiết bị ngưng tụ loại ống lồng ống, thiết bị trao đổi nhiệt loại ống gân, thiết bị cô đặc loại roto, thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NỘI

MỤC LỤC

PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT

- Truyền nhiệt là ngành liên quan đến sự biến đổi định lượng và sắp xếp lại năng lượng do nhiệt gây ra trong các vật thể Hay là nghiên cứu tốc độ trao đổi nhiệt giữ nguồn nóng và nguồn lạnh

- Các quá trình truyền nhiệt thường gặp: đun nóng, làm nguội, ngưng

tụ cô đặc

- Là quá trình một chiều, truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi

- Có 3 phương thức truyền nhiệt

+Dẫn nhiệt: là quá trình truyền nhiệt khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau+Nhiệt đối lưu:là hiện tượng truyền nhiệt do các chất lỏng hoặc khí đổi chỗ cho nhau

+ Nhiệt bức xạ: Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ và truyền đi

1.1 Dẫn nhiệt

1.1.1.Định luật fourier và độ dẫn nhiệt

Một nguyên tố nhiệt lượng dQ dẫn qua 1 nguyên tố bề mặt dF trong khoảng thời gian dt sẽ tỉ lệ với gradient nhiệt độ

dQ = -λdFdt (J)

Nếu quá trình là ổn định:

Q=-λF (W)

Trong đó: Q; lượng nhiệt truyền đi trong vật thể, W;

F: bề mặt vuông góc với chiều dòng điện, m2

Độ dẫn nhiệt cuả vật thể khác nhau là khác

- Giả sử tường có chiều rộng và chiều dài rất lớn so với chiều dày, đặt

vào hệ tọa độ tox

- Gọi tT1, tT2 lần lượt là nhiệt độ măt ngài và trong của tường, tT1>tT2

vì nhiêt độ biến thiên theo phương x nên:

Vì quá trình truyền nhiệt ổn định nên ta có phương trình truyền

nhiệt ổn định qua tường phẳng 1 lớp: Q=(tT1-tT2)F (W)

1.1.2.2 Tường phẳng nhiều lớp

- Giả xử tường phẳng có n lớp khác nhau về

chiều dày và độ dẫn nhiệt

+δ1, δ2, δ3, ,δn: chiều dày của các lớp

+ λ1,λ2,λ3, , λn: độ dẫn nhiệt tương ứng

Hình 1.2 dẫn nhiệt qua tường

phẳng nhiều lớpHình 1.1 dẫn nhiệt qua tường

phẳng một lớp

+ Nhiệt độ 2 mặt ngoài của tường là: tT1, tT2 ( tT1>tT2), của các mặt theo thứ tự là ta,tb,tc, tn

- Quá trình truyền nhiệt là ổn định, do đó nhiệt dẫn qua mỗi lớp tường đều như nhau, nên phương trình dẫn nhiệt qua từng lớp

tường như sau:

 đây là phương trình dẫn nhiệt qua tương phẳng nhiều lớp

1.1.3 Dẫn nhiệt qua tường ống

1.1.3.1 Dẫn nhiệt qua tường ống một lớp

Hình 1.3 Dẫn nhiệt qua tường ống một lớpGiả sử tường ống một lớp có bán kính trong là r1 và bán kính ngoài là r2,

độ dẫn nhiệt λ, chiều dài ống là L

Quá trình dẫn nhiệt là ổn định, nên nhiệt độ bề mặt trong là tT1 mặt ngoài của ống là tT2 không đổi theo thời gian

Do tường có dạng hình ống nên bề mặt dẫn nhiệt sẽ thay đổi từ trong ra ngoài, và bề mặt trong nhỏ hơn bề mặt ngoài Do đó phương trình (1.13) của tường phẳng không áp dụng được trong trường hợp này

Để cho bề mặt dẫn nhiệt thay đổi không đáng kể, ta xét hiện tượng dẫn nhiệt qua một lớp có bán kính r bất kỳ và chiều dày dr vô cùng nhỏ Theo định luật Fourier lượng nhiệt dẫn qua tường có chiều dày dr này là:

Như đã giả thiết quá trình dẫn nhiệt ổn định, nên lượng nhiệt dẫn đi không thay đổi theo thời gian, do đó có thể viết lại phương trình trên như sau:

Q = - λ2πrL

Lấy tích phân trong giới hạn từ r1 tới r2 và từ tT1 đến tT2, ta có:

= - λKết quả: ln = - λ(- )

Chứng minh tương tự như tường phẳng

nhiều lớp cuối cùng ta có phương trình

dẫn nhiệt qua tường ống nhiều lớp như

sau:

Trong đó: i: số thứ tự của lớp tường;

n: số lớp tường

Chú ý: nếu tỉ số r2/r1 <=2 ta có thể dùng phương trình (1.13)

để tính và coi như tường phẳng

1.2 Nhiệt đối lưu

- Đối lưu tự nhiên

- Đối lưu cưỡng bức

Hình 1.4 Dẫn nhiệt qua tường ống

nhiều lớp

Định luật cấp nhiệt Newton:

Định luật Newton: Lượng nhiệt dQ do một nguyên tố bề mặt dF của vật

thể (có nhiệt độ tT) cấp cho môi trường xung quanh (có nhiệt độ t1), hay ngược lại, trong khoảng thời gian dτ, là tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể với môi trường (hay ngược lại), với dF và dτ Nghĩa là:

dQ=α(tT – t1)dFdτ (J)Trong đó tT: nhiệt độ của vật thể, 0 C;

t1: nhiệt độ của môi trường xung quanh, 0 C;

Thứ nguyên của α:

==

Hệ số cấp nhiệt α phụ thuộc vào

- Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi)

- Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt (dòng hay xoáy) Nếu vận tốc của chất tải nhiệt tăng thì chiều dày δ của lớp màng chảy dòng

ở sát thành thiết bị sẽ giảm, do đó nhiệt trở cũng giảm, nên hệ số cấp nhiệt tăng

- Tính chất vật lý của chất tải nhiệt (độ nhớt, độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, áp suất, ) Nếu độ nhớt giảm, độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng và nhiệt dung riêng tăng thì hệ số cấp nhiệt tăng Vì các tính chất vật lí thay đổi theo nhiệt độ, do đó hệ sốcấp nhiệt cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của chất tải nhiệt

- Kích thước, hình dạng, vị trí và trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt, Bởi vậy , hệ số cấp nhiệt được xác định bằng các yếu tố

Q=α(tT – t1)F (W)

thủy động lực học, vật lí học và hình học Quan hệ giữa các hệ số cấp nhiệt với các yếu tố này rất phức tạp, do đó không thể thành lập một công thức lí thuyết chung để xác định hệ số cấp nhiệt α được, mà chỉ có những công thức thực nghiệm cho trường hợp riêng mà thôi Ví dụ: cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động tự do; chuyển động cưỡng bức (chuyển động trong ống thẳng, ống cong, vành khăn, ống chùm (thẳng, có gân), tấm ngăn, tường, ); chuyển động khi có khuấy, trộn; cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ; cấp nhiệt khi chất lỏng sôi.

1.3.1 Bức xạ giữa 2 vật thể rắn:

1.3.1.1 Trai đổi nhiệt bức xạ giưa hai vật thể phẳng song song:

1.3.1.2 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật thể bao trùm nhau:

1.3.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai vật thể đặt bất kì trong không gian:1.3.4 Bức xạ nhiệt của chất khí:

- Truyền nhiệt biến nhiệt xảy ra khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có thể thay đổi Trong trường hợp này truyền nhiệt biến nhiệt được chia thành hai quá trình: + Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: tức là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian (thường xảy ra đối với các quá trình làm việc liên tục)

+ Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: tức là hiệu số nhiệt độ giữahai lưu thể có thể biến đổi theo cả vị trí và thời gian (thường xảy ra đối với các quá trình làm việc gián đoạn)

1.4.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp và nhiều lớp: Giả sư có một tường phẳng chiều dày δ, bề

mặt tường là F, độ dẫn nhiệt là λ Một phía tường

là ưu thế nóng có nhiệt độ t1 (ví dụ hơi đốt chẳng

hạn) và phía kia là lưu thể nguội hơn có nhiệt độ

t2 (ví dụ dung dịch)

Hệ số cấp nhiệt từ lưu thể nóng đến tường là

α2

Hình 1.10 Đặc trưng thay đổi nhiệt

độ khi truyền nhiệt qua tường

phẳng

Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nòng đến lưu thể nguội gồm ba giai doạn:

Ta xét quá trình truyền nhiệt là ổn định, do đó lượng nhiệt vận

chuyển qua mỗi giai đoạn trong khoảng thời gian τ đều như nhau

1/ Cấp nhiệt từ lưu thể nóng đến tường:

Thứ nguyên của hệ thống truyền nhiệt K:

Vậy, hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong một giây từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phân cách khi hiệu số nhiệt độ giưa hai lưu thể là 1 độ

Đại lượng nghịch đảo của K gọi là nhiệt trờ:

Đối với tường phẳng nhiều lớp ta chứng minh tương tự như trên, và ta có

hệ số truyền nhiệt K:

(W/m2.độ)

Trong đó :

1.4.3 Truyền nhiệt qua tường ống một lớp:t

Ta xét một tường ống có bán kính trong là r1, bán

kính ngoài r2, chiều dài δ, độ dẫn nhiệt λ và có chiều

dài L Thể nóng đi trong ống nhiệt độ t1, lưu thể

nguội hơn đi ngoài ống có nhiệt độ t2 Hệ số cấp

nhiệt của lưu thể nóng là α1, hệ số cấp nhiệt của lưu

thể nguội là α2

Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể

nguội gồm ba giai đoạn:

Hình 1.11 Sơ đồ truyền nhiệt qua

3 Cấp nhiệt từ trường đến lưu thể nguội:

Hay

) (c) Cộng (a), (b), (c) ta có:

Hay:

Trong trường hợp ta có thể sử dụng phương trình (1.44) của truyền nhiệt qua đường phẳng để tính toán đối với tường ống.

1.4.4 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định:

Trong trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, tức là hiệu số nhiệt

độ giữa hai lưu thế biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian Nghĩa là tương ứng với từng vị trí của một bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu số nhiệt giữa hai lưu thế có giá trị khác nhau Do đó, ta không thể tính lượng nhiệt truyền đi với ) như trong truyền nhiệt đẳng nhiệt mà phải tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình ()

1.4.5 Tổn thất nhiệt độ

Trong các quá trình trao đổi nhiệt nói chung đều có tổn thất nhiệt, tức là lượng nhiệt bị mất mát do thành thiết bị tiếp xúc với không khí xung quanh và tỏa nhiệt lượng nhiệt được truyền đi do đối lưu và bức xạ, do

đó khi tính toán phải tính tổng hợp cả hai quá trình đó

PHẦN 2: THIẾT BỊ

I.THIẾT BỊ ĐUN NÓNG LOẠI SỦI BỌT

Thiết bị đun nóng loại sủi bọt Cấu tạo gồm:

+ lượng nhiệt cung cấp lớn

+ đun nóng được đồng đều

+ đun nóng trực tiếp nên hiệu xuất khá cao

+ vận chuyển đi xa được trong đường ống

3 NHƯỢC ĐIỂM

+ khi làm việc sẽ gây ra tiếng động

+ không thể đun nóng tới nhiệt độ cao

+ phải đưa thêm 1 lượng nước ngưng tụ vào trong chất lỏng cầnđun nóng(pha loãng chất lỏng cần đun nóng)

+ do đó phương pháp này chỉ dùng trong các trường hợp cho phéppha loãng chất lỏng và không có phản ứng xảy ra giữa nước và chấtlỏng

4 SỰ CỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

- Sảy ra hiện tượng thủy kích làm hư hỏng thiết bị

- Hệ số truyền nhiệt giảm

- Nguyên nhân: là do còn hơi nước ngưng tụ trong đường ống,đường ống bị rò rỉ

- Ta phải kiểm tra và tháo nước ngưng tụ có trong đường ốngtrước khi cho hệ thống hoạt động, vệ sinh đường ống sạch sẽ vàđịnh kỳ kiểm tra

1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Cấu tạo

Loại này làm việc gián đoạn Thiết bị gồm có vỏ 1, bên trong là phao

hở 2 Phao hở có hình dạng như cái cốc dưới đáy phao nối cứng với cần phao 3 nối liền với van 5 Bên trong có lắp ống 4, ống này lắp cứng vào nắp của vỏ, dùng làm bộ phận định hướng cho cần phao và luôn luôn nhúng vào nước để tạo ra 1 van thủy lực Phía trên có lắp van một chiều 6

để ngăn không cho nước ngưng chảy ngược vào cốc Van 7 có tác dụng thông khí không ngưng định kì khi thiết bị làm việc, cần mở van 7 nhanh chóng để tháo hết nước ngưng ra khỏi thiết bị rồi dóng lại khi làm việc ổnđịnh

2 Ưu và nhược điểm

2.1. Ưu điểm

 Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ vận hành, dễ sửa chữa, bảo dưỡng và làm vệ sinh

 Nhờ quá trình thải nước gián đoạn nên có thể kiểm tra sự làm việc của thiệt bị

 Các bộ phận chịu lực ma sát không va chạm vào vỏ

2.2. Nhược điểm

 Thiết bị làm việc giám đoạn nên năng suất thấp

 Hơi không thoát khỏi thiết bị trong quá trình hoạt động

 Thiết bị có nhiều van

 ơi trong 2 bộ phận thì phải thay thế cả 2 nên tốn kém

3 Sự cố và cách khắc phục

3.1. Sự cố

 Lượng nước ngưng từ thiết bị đun nóng thải ra không đều nên làm cho lượng nước ngưng trong thiết bị không đủ để nhúng chìm ống để dẫn nước ngưng làm hơi thoát ra làm mất sự chênh lệch áp suất van 5 không mở ra được nên không thể tháo nước ra khỏi tiết bị

 Phao hở bị hỏng không nổi lên làm van 5 không đóng lại làm thoát hơi khỏi thiết bị

 Cần phao làm việc lâu ngày dễ bị ăn mòn nên gãy cần phao

 Thời gian làm việc lâu nên các van dễ bị ăn mòn, đặc biệt van 6 do đó khi tháo nước ra ngoài chảy lại vào trong thiết

4 Ứng dụng

 Tháo nước ngưng trong thiết bị đun nóng bằng hơi nước gián tiếp, sấy và cô đặc.

III THIẾT BỊ NGƯNG TỤ LỌAI KHÔ XUÔI CHIỀU THẤP

1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

1 Thân thiết bị 2 Vòi phun 3 Bơm ly tâm

4 Bơm tia hút khí không ngưng 5 Phao 6 Van

 Hơi đi vào thiết bị từ trên xuống , do trong thiết bị có chân không nên nước ở trong bầu nước quanh thân thiết bị được hút vào thân Nước bị hút ra vòi 2 vào thiết bị ở dạng hạt

mù, tiếp xúc với hơi từ trên xuống Nước và chất lỏng đã ngưng tụ được bơm ra ngoài bằng bơm ly tâm 3 khí khôngngưng bị bơm tia 4 hút ra theo một đường khác

 Khi độ chân không trong thiết bị quá cao, bơm ly tâm 3 không làm việc được, hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng tụ không tháo ra ngoài được tích tụ và dâng dần lên trong thiết bị, do đó phao 5 bị nâng lên và van 6 mở ra cho không khí đi vào làm giảm độ chân không để thiết bị hoạt động lại bình thường

2. Ưu và nhược điểm

Sơ đồ cấu tạo

1- Cửa dẫn hơi vào

2- Cửa sản phẩm ra

3- Mặt bích

4- Cửa nguyên liệu vào

5- Cửa tháo nước ngưng

ra cửa tháo nước ngưng tụ 5

2. Ưu và nhược điểm của thiết bị

để tăng quá trình trao đổi nhiệt

• Hệ thống van và đường ống sử dụng lâu ngày nên bị hỏng Ta khắc phục bằng cách sửa lại van, hàn hoặc thay thế đường để đảm bảo chính xác và an toàn

V THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG GÂN

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống gân là thiết bị làm việc gián đoạn, khi có

sự chênh lệch lớn hệ số cấp nhiệt giữa hai bề mặt truyền nhiệt người ta tiến hành lắp gân ở phía có hệ số cấp nhiệt thấp sao cho cùng chiều

chuyền động của hơi nhằm mục đích tăng hiệu quả truyền nhiệt, hơi từ bềmặt truyền nhiệt đi sâu vào giữa các gân nguyên liệu đi trong ống truyền nhiệt sau một thời gian đạt đến độ đun nóng yêu cầu sảm phẩm được lấy

ra theo ống dẫn sản phẩm, khí không ngưng và nước ngưng tụ được lấy rangoài theo đường ống riêng

3. Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm:

 Nhờ có hệ thống gân nên làm tăng bề mặt truyền nhiệttăng hiệu quả truyền nhiệt

 Hệ thống gân có tác dụng giữ nhiệt  ổn định từ cấp nhiệt đến sản phẩm ra vẫn đảm bảo nhiệt

 Nhược điểm:

 Thiết bị khá cồng kềnh, phức tạp

 Vệ sinh thiết bị khó khăn

 Các gân dễ bị gỉ, làm nước bị nhiễm cấu tử gây nên hiện tượng thủy kích

 Xảy ra hiện tượng đóng cặn

4. Sự cố và cách khắc phục

♦ Do thiết bị sử dụng lâu ngày nên các gân dễ bị gỉ là nguyên nhân gây nên hiện tượng thủy kích

Khắc phục: Sữa chữa hoặc thay thế lại thiết bị hư hỏng

♦ Xảy ra hiện tượng đóng cặn trên thành thiết bị

Khắc phục: Tiến hành tẩy cặn và vệ sinh định kỳ

VI THIẾT BỊ CÔ ĐẶC LOẠI ROTO

1. Cấu tạo

Cấu tạo:

1. Hơi thứ 4 Nước ngưng 7 Bao hơi

2. Dung dịch đầu 5 Sản phẩm 8 Rô to

3. Hơi đốt 6 Thân thiết bị 9 Cánh

Trong thân thiết bị 6 có rô to quay 8, các cánh 9 được lắp vào trục thẳngđứng của rô to Phía ngoài thân thiết bị có bọc các bao hơi 7, ở bao hơi

có ống để nạp hơi đốt 3 và ống thải nước ngưng 4, nguyên liệu được nạpvào ở ống số 2 Hơi thứ thoát ra ở khớp nối 1 phía trên, còn sản phảmđược lấy ra ở khớp nối 5

2. Nguyên tắc hoạt động

Dung dịch đầu được đưa qua cửa số 2 ở phần thiết bị và được chứađầy trong thân thiết bị, hơi đốt được cho vào cửa số 3 ở bao hơi đểtruyền nhiệt vào thân thiết bị, do cánh số 9 quay dưới tác dụng củalực ly tâm làm chất lỏng văng ra thành thiết bị và chuyển độngxoáy Dung dịch nhảy trên thành thiết bị tạo thành màng mỏng.màng mỏng này tiếp xúc với thiết bị được đun nóng bởi bao hơi 7.Trong quá trình truyền nhiệt, nguyên liệu nhận được nhiệt lượng vàphân thành hai trạng thái pha lỏng và pha hơi, hơi đó gọi là hơi thứ

và sẽ được thoát ra ở khớp nối số 1 rồi ra ngoài Khi hơi đốt đi vào

và trao đổi nhiệt gián tiếp với thân thiết bị thì một phần hơi đốt sẽnguội và ngưng tụ tạo thành nước ngưng Nước ngưng tụ phải đượctháo ra liên tục để tránh hiện tượng tổn thất nhiệt sản phẩm say khikiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật thì được tháo ra từ đáy thiết bị quacửa số 5

3. Ưu điểm và nhược điểm

- Cường độ truyền nhiệt lớn

- Dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ

- Quá trình cô đặc xảy ra gần như hoàn hảo

b) Nhược điểm

- Cấu tạo và gia công phức tạp

- Giá thành cao do cần bộ phận chuyển động cao

- Tốn nhiều năng lượng

 Kiểm tra bộ phận tháo nước ngưng tụ

- Hiện tượng đo không chính xác của các loại đồng hồ

 Khắc phục bằng cách sữa chữa hoặc thay thế

- Bao hơi bị mòn hoặc hư hỏng gây tổn thất nhiệt

 Khắc phục bằng cách thay bao hơi mới