Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị thanh trùng

Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị thanh trùng_ Điều khiển tự động thiết bị thanh trùng_Thiết bị thanh trùng_Hệ thống điều khiển tự động thiết bị thanh trùng_Hệ thống điều khiển tự động_Xây dựng phương án thiết kế thiết bị thanh trùng_ Tự động thiết bị thanh trùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG QUÁ

TRÌNH CÔNG NGHỆ

Thiết kế hệ thống điều khiển tự động

thiết bị thanh trùng NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Bộ môn: Quá trình và thiết bị CNSH & CNTP

Viện: Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm

Mục lục

DANH MỤC CÁC HÌNH

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 So sánh, đánh giá về phạm vi ứng dụng của thanh trùng – tiệt trùng

Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển việc đưa các yếu tố máy móc tự động có độchính xác cao hơn, xử lý nhanh và chính xác hơn ngày càng được ưu tiên Đồng thờicũng giảm bớt gánh nặng cho con người Đặc biệt, đối với các ngành đòi hỏi độ chínhxác và an toàn cao, trong đó phải kể đến các ngành liên quan đến lĩnh vực thực phẩm.Nhất là đối với các thiết bị máy móc Vì thế, việc giải quyết các vấn đề về đo và điềukhiển các yếu tố trong các thiết bị trong thực phẩm rất quan trọng

1.1 Tổng quan về quá trình thanh trùng – tiệt trùng

Thanh trùng là quá trình làm nóng chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định trong một

khoảng thời gian cụ thể để giảm sự phát triển của vi sinh vật

Tiệt trùng là quá trình tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật (ở dạng tế bào sinh dưỡng hoặc

bào tử) và ửc chế không thuận nghịch các enzyme trong thực phẩm Sau quá trình tiệttrùng, sản phẩm sẽ trở thành vô trùng Như vậy, quá trình tiệt trùng không những đảmbảo cho thực phẩm an toàn về mặt vệ sinh mà còn kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm,giúp ổn định các chỉ tiêu chất lượng của thực phẩm sau một thời gian dài sau sản xuấtThực phẩm sau khi được chế biến nhiệt, sau đó sẽ được cho vào hộp ghép mí kín.Tuy trong giai đoạn này đã tiêu diệt đi một số lượng lớn vi sinh vật bám trên thực phẩmnhưng vẫn còn một lượng khá nhiều còn sống sót hoặc từ bên ngoài xâm nhập vào trongkhi chế biến Vì vậy, phải thanh trùng/tiệt trùng để tiêu diệt nốt số vi sinh vật còn sót lại

để đảm bảo cho đồ hộp vô trùng Đặc biệt đối với các nha bào vi khuẩn, như vậy đồ hộpmới bảo quản được lâu

1.2 Các phương pháp thanh trùng

1.2.1 Phương pháp thanh trùng vật lý

• Thanh trùng bằng dòng điện cao tần

Thanh trùng bằng cách đặt sản phẩm trong điện trường của dòng điện xoay chiều(có tần số cao 3.108-3.107) Các phần tử tích điện trong sản phẩm (ion, điện tử) sẽ daođộng do tác dụng của điện năng, chuyển điện năng hấp thu thành nhiệt năng để làm chết

vi sinh vật Khả năng hấp thu điện năng phụ thuộc vào: kích thước bao bì đựng thựcphẩm, điện áp, tần số dòng điện Tần số của dòng điện càng lớn hay bước sóng càng ngắnthì quá trình thanh trùng càng nhanh Thời gian thanh trùng trong 2-5 phút

• Thanh trùng bằng sử dụng áp suất cao

Áp lực 300-600 MPa có khả năng vô hoạt các vi sinh vật không hình thành bào tử.Trong khi để vô hoạt các vi khuẩn sinh bào tử cần áp lực rất cao (1800 MPa) Tuy nhiên,tại áp suất thấp 200-400 MPa cũng làm giảm sự sản sinh bào tử

• Lọc thanh trùng

Sản phẩm lỏng, như nước quả trong có thể loại từ vi sinh vật bằng cách lọc bảnlọc, thường là các màng sứ xốp, có những lỗ đủ nhỏ chỉ cho sản phẩm qua, còn giữ lại visinh vật sau khi lọc sản phẩm được rót vào bao bì đã sát trùng, rồi ghép kín ngay Quátrình này phải tiến hành trong điều kiện vệ sinh cao Bằng phương pháp này, sản phẩmhoàn toàn giữ được tính chất tự nhiên

1.2.2 Thanh trùng bằng tác dụng của nhiệt độ

Thanh trùng bằng nhiệt độ cao của nước nóng và hơi nước nóng là phương pháp thanh trùng phổ biến nhất trong sản xuất đồ hộp Khi nâng nhiệt độ của môi

trường quá nhiệt độ tối thích của vi sinh vật thì hoạt động của vi sinh vật bị chậm lại Ởnhiệt độ cao, protid của chất nguyên sinh của vi sinh vật bị đông tụ làm cho vi sinh vật bịchết Quá trình đông tụ protid này không thuận nghịch, nên hoạt động của vi sinh vậtkhông phục hồi sau khi hạ nhiệt

Thời gian thanh trùng

Một nhiệt độ thanh trùng nhất định, vi sinh vật trong đồ hộp thường không bị tiêu

diệu ngay tức thời, mà cần phải có một thời gian nhất định gọi là thời gian thanh trùng

hay thời gian tác dụng nhiệt ký hiệu t (phút)

Trong quá trình thanh trùng, sản phẩm đựng trong đồ hộp, không được đun nóngtức thời tới nhiệt độ thanh trùng cần đạt được, mà nhiệt lượng phải truyền dần từ môitrường đun nóng, qua bao bì vào lớp sản phẩm bên ngoài, rồi vào tới khu vực trung tâm

của đồ hộp Quá trình này phải mất một thời gian, gọi là thời gian truyền nhiệt (ký hiệu

là t1)

Khi khu vực trung tâm của đồ hộp đạt tới nhiệt độ thanh trùng (thường bằng hoặcthấp hơn nhiệt độ thanh trùng 0,5-1,5oC tùy theo từng loại đồ hộp), thì giữ ở nhiệt độ đó

trong một thời gian nhất định, gọi là thời gian tiêu diệt (ký hiệu t2) Suy ra t = t1 + t2.

Nhưng trong thực tế, ngay trong thời gian truyền nhiệt, một số vi sinh vật có trong đồ hộpcũng bị tiêu diệt, do tác dụng của nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phát triển của vi sinh vật đó

Vì vậy thời gian thanh trùng trong thực tế nhỏ hơn tổng của thời gian truyền nhiệt và thờigian tiêu diệt Ta có: t < t1 + t2

Hình 1.1 Đồ thị truyền nhiệt khi thanh trùng

1- Nhiệt độ thiết bị 2- Nhiệt độ thực phẩm

Áp suất đối kháng

Thực phẩm trong hộp bao gồm các thành phần: chất rắn, chất lỏng, chất khí Dướitác dụng của nhiệt độ cao, các áp suất riêng phần và sự dãn nở của các cấu tử đó tăng lên,làm cho áp suất chung trong bao bì đựng sản phẩm tăng lên Áp suất này (có thẻ tới 2atm) có thể làm cho bao bì sắt tây bị biến dạng, bao bì thủy tinh bị nứt, vỡ Vì vậy ta cầntạo ra áp suất trong thiệt bị thanh trùng (căn cứ vào tính chất của bao bì, thành phần củasản phẩm đựng trong hộp và nhất là nhiệt độ thanh trùng) bằng hay gần bằng áp suất dư

đã tăng lên trong hộp, áp suất này gọi là áp suất đối kháng, thường vào khoảng 0,4-1,4

atm

Hình 1.2 Biểu đồ áp suất đối kháng trong thanh trùng đồ hộp

Khi xác định được các thông số của một chế độ thanh trùng đồ hộp, ta ghi lạithành:

Trong đó:

a: thời gian đuổi không khí ra khỏi thiết bị thanh trùng (bằng hơi nước), tính

bằng phút Thời gian đuổi khí thường kéo dài 5 – 10 phút Nếu thanh trùng trong thiết bị

hở (bằng nước) thì không có thời gian đuổi khí a

A: thời gian nâng nhiệt độ, trong thiết bị thanh trùng đã chứa đồ hộp, từ nhiệt độ

ban đầu tới nhiệt độ thanh trùng cần thiết (phút)

B: thời gian giữ nhiệt độ không đổi trong thiết bị thanh trùng (phút)

C: thời gian hạ nhiệt từ nhiệt độ thanh trùng tới nhiệt độ có thể lấy đồ hộp ra (phút)

T o : nhiệt độ thanh trùng ( o C)

P: áp suất đối kháng cần tạo ra trong thiết bị thanh trùng

Vận tốc đun nóng của sản phẩm trong đồ hộp chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ banđầu của sản phẩm, độ rắn chắc hay độ khít của sản phẩm và tính chất của sản phẩm, bềdày và kích thước của bao bì đồ hộp

Khi thanh trùng bằng nhiệt, đồ hộp là sản phẩm đựng trong bao bì, nên đồ hộp đóchịu tác dụng của áp suất bên ngoài và áp suất bên trong Áp suất bên ngoài là áp suất của

hơi nước hay còn gọi là áp suất của nước Áp suất bên trong đồ hộp được tạo ra do sựgiãn nở của sản phẩm, của không khí còn lại trong đồ hộp

1.3 Các phương pháp tiệt trùng

1.3.1 Tiệt trùng bằng nhiệt độ

Nhiệt là phương thức được sử dụng rộng rãi nhất để tiệt trùng, có thể sử dụng cho

cả hai loại môi trường đặc và lỏng Nó có thể được ứng dụng dưới dạng nhiệt khô hoặc

ẩm (hơi nước) Nhiệt ẩm thường hiệu quả hơn nhiệt khô, do khả năng kháng nhiệt ở bêntrong của các tế bào vi khuẩn được tăng lên mạnh trong trạng thái khô hoàn toàn Kết quả

là tỷ lệ chết của tế bào khô thấp hơn nhiều so với tế bào ẩm Sự dẫn nhiệt trong không khíkhô cũng có tốc độ kém hơn trong không khí ẩm Vì thế, nhiệt khô chỉ được dùng để tiệttrùng dụng cụ thủy tinh hoặc các vật liệu rắn chịu nhiệt Bằng cách tăng áp suất lên bìnhnuôi cấy, nhiệt độ hơi nước có thể tăng lên một cách ý nghĩa trên cả điểm sôi của nước

Nồi tiệt trùng áp suất (autoclave) ở phòng thí nghiệm thường được hoạt động ở ápsuất hơi nước khoảng 15 psi tương ứng với 121o C, các bào tử vi khuẩn bị giết nhanh ở

121o C

1.3.2 Tiệt trùng bằng tia cực tím

Nhiều nguyên liệu tế bào hấp thụ ánh sáng cực tím, dẫn đến gây nguy hiểm chogen và sau đó giết chết tế bào Bước sóng khoảng 256 nm có hiệu quả diệt khuẩn caonhất Tuy nhiên, tia cực tím có rất ít khả năng xuyên qua vật chất Vì thế, việc sử dụngchúng bị hạn chế đối với việc làm giảm quần thể vi sinh vật trong phòng nơi mà điều kiện

vô trùng cần thiết được duy trì thường xuyên, chẳng hạn như các phòng mổ của bệnhviện hoặc các buồng làm việc sạch trong phòng thí nghiệm

Tia X gây chết cơ thể vi sinh vật và có khả năng xuyên qua vật chất

Tuy nhiên, chúng không thực tế như các công cụ tiệt trùng khác do chi phí đắtcũng như sự lo lắng về an toàn lao động

1.3.3 Tiệt trùng bằng màng lọc

Là kỹ thuật được sử dụng hiệu quả nhất trong việc loại bỏ các vi sinh vật trongkhông khí hoặc trong các loại khí khác Trong trường hợp dung dịch lỏng, nó được dùngcho các sản phẩm hoặc các loại môi trường không bền nhiệt, dễ dàng bị phá hủy như cáchuyết thanh người và động vật, các loại enzyme

2 Đặc trưng hoạt động của thanh trùng – tiệt trùng

2.1 Phân loại

Người ta có thể phân loại các thiết bị thanh trùng dùng nhiệt như sau:

• Theo phương thức làm việc: có thiết bị làm việc gián đoạn và thiết bị làm việc liên

tục

• Theo áp suất được tạo ra trong thiết bị: có thiết bị làm việc ở áp suất thường và thiết bị làm việc áp suất Đới với thiết bị làm việc áp suất được chia ra: thiết bị có dùng áp suất đối kháng và thiết bị không dùng áp suất đối kháng

• Theo cấu tạo: có loại thiết bị kiểu đứng và loại thiết bị nằm ngang (đối với thiết

bị làm việc gián đoạn) Loại thiết bị dùng băng tải, dây xích hay gầu tải (đối với

thiết bị làm việc liên tục)

2.2 Môi trường gia nhiệt

Môi trường gia nhiệt được sử dụng trong thiết bị thanh trùng thường là hơi nước bão hòa hay nước nóng

• Dùng hơi nước làm chất truyền nhiệt có lợi là tiết kiệm được chi phí hơi có

nhiệt độ cao, được truyền trực tiếp cho hộp và quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độcần thiết nhanh

• Nước nóng dùng để truyền nhiệt cho hộp trong thiết bị thanh trùng đóng vai trò là chất truyền nhiệt trung gian và thường cũng được nâng nhiệt bằng hơi 2.3 Tầm quan trọng của việc loại bỏ khí không ngưng trước thanh trùng

Sự có mặt của không khí trong chu trình tiệt trùng ảnh hưởng xấu đến sự tiếp xúccủa hơi nước với vật liệu được khử trùng Vì vậy phải thường xuyên thực hiện kiểm trađảm bảo không khí bị cuốn vào được loại bỏ Cách tốt nhất là thực hiện kiểm tra xácminh hàng ngày theo hướng dẫn của nhà sản xuất máy tiệt trùng

Như vậy, một hệ thống đường ống và buồng hấp tiệt trùng không bị rò rỉ là rất quantrọng Sự có mặt của không khí ngăn cản hơi nước bão hòa tiếp xúc với bề mặt của vậtliệu được khử trùng, điều này làm giảm thời gian tiếp xúc và nhiệt độ tiếp xúc cần thiết

Hình 2.3 Chỉ thị hoá học Bowie-Dick (Lỗi – Đạt – Không đạt)

2.4 Ảnh hưởng của dạng hộp

2.4.1 Thanh trùng hộp sắt tây

Để thanh trùng hộp sắt tây dùng hơi hay nước nóng đều được, nhưng dùng hơi thì

quá trình nâng nhiệt xảy ra nhanh hơn Nếu thanh trùng hộp sắt trong nồi áp suất kiểuđứng nhiệt độ cao cần áp suất đối kháng thì phải sử dụng môi trường truyền nhiệt là nước

và áp suất đối kháng tạo ra bằng không khí nén hoặc nước có áp lực Nước cũng đượcchọn làm chất tải nhiệt thanh trùng hộp sắt ở nhiệt độ dưới 100℃

2.4.2 Thanh trùng hộp thuỷ tinh

Đối với hộp thủy tinh, không nên thanh trùng trực tiếp bằng hơi nóng, dễ làm

vỡ, nứt vì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và bao bì rất lớn Các đồ hộp đóng trong bao

bì thủy tinh thường được thanh trùng trong môi trường nước, nhờ nước nâng nhiệt từ

từ và đồng đều mà thủy tinh không bị thương tổn Khi làm nguội sau thanh trùng cũngvậy, phải đảm bảo nhiệt độ thiết bị hạ từ từ bằng cách điều chỉnh nước làm nguội

2.5 Lựa chọn thiết bị thanh trùng sốt nấm đóng hộp

2.5.1 Thiết bị thanh trùng dạng thẳng đứng

Hình 2.4 Thiết bị thanh trùng dạng đứng

1 Đường cấp hơi nóng 2 Đường nước 3 Nước tháo 4 Van an toàn

5 Bầu nắp nhiệt kế, áp kế 6 Giỏ nguyên liệu 7 Đối trọng 8 Ống hơi

9 Giá đỡ giỏ nguyên liệu 10 Van xả khí không ngưng

Thiết bị dạng hình trụ chế tạo bằng thép đen, nắp và đáy hình elip hoặc ovan Nắpđậy kín nhanh do có kết cấu đai xiết và mở nhanh được do có đối trọng (7) Phía đáytrong thiết bị có ống hơi hình tròn hoặc chữ thập (8) và giá đỡ giỏ nguyên liệu (9) Giỏnguyên liệu (6) hình tròn làm bằng thép Inox phía trên có quai, xung quanh có lỗ Trênnắp thiết bị có van an toàn (4) Giữa thiết bị có một bầu (5) nhô ra để lắp nhiệt kế (tới

150℃), áp kế Đáy bầu được nối với đáy bằng ống dẫn (2) cho nước đối lưu, để nhiệt độ

đo được chính xác

Trên ống dẫn hơi và nước đưa vào thiết bị, người ta có thể đặt van thuận nghịch đểcho hơi hoặc nước từ thiết bị trở về các ống dẫn đó nếu áp suất ở mạng cung cấp hơi vànước bị giảm đi Riêng trên ống hơi còn phải lắp hai van dự trự nữa Trình tự thao tác củathiết bị thanh trùng cao áp làm việc gián đoạn kiểu đứng như sau:

- Mở van xả khí, hơi đuổi khí thoát ra hết (khi thấy hơi ra van khí), đóng van khí lại.Thời gian đun nóng cho giảm thì cho hơi vào Khi nhiệt độ cao quá thì đóng bớtvan hơi lại.

- Khi đạt thời gian thanh trùng thì đóng hơi, xả van khí cho áp suất giảm xuống dầncho đến khi bằng áp suất khí quyển thì mở nắp cho giỏ ra ngoài và làm nguội bằngvòi nước phun hay ngâm trong bể nước lạnh

- Đồ hộp được làm nguội đến 40 ÷ 50 ℃

Ưu điểm: Thiết bị thanh trùng cao áp làm việc gián đoạn kiểu đứng có cấu tạo

tương đối gọn hơn so với kiểu nằm ngang Khi bố trí nhiều thiết bị không tốn nhiều diệntích, làm việc thao tác tương đối thuận lợi, có điều kiện cơ khí hóa và kiểm tra tự độngthuận lợi

Phù hợp: Năng suất thiết bị vừa phải tương đối để đồng bộ với năng suất máy

ghép mí vì yêu cầu đồ hộp sau khi ghép mí kín thường không để quá 30 phút mới đemthanh trùng Thiết bị thanh trùng này có thể làm việc với nhiều loại đồ hộp khác nhau, ởnhiều nhiệt độ khác nhau và ngoài bao bì bằng kim loại còn có thể thanh trùng được bao

bì thủy tinh

Nhược điểm: Tuy nhiên thiết bị thanh trùng loại này có nhược điểm là thao tác

còn nặng nhọc, thời gian thanh trùng kéo dài, năng suất chỉ thích hợp với quy mô trungbình trở xuống và được cơ khí hóa cao

2.5.2 Thiết bị thanh trùng nằm ngang

Thiết bị thanh trùng kiểu nằm ngang gồm có thân trụ, nắp đậy kín thiết bị có cơcấu quay, miệng thùng tiếp xúc với nắp có gioăng cao su hoặc đệm amiăng Thùng đượcđặt nằm ngang trên chân đế Hơi nóng vào thùng theo ống đặt phía trên thiết bị, nướcngưng theo ống thoát ra ngoài Các xe chở đồ hộp được đẩy vào thùng trên các đườngray Phía trên thùng có lắp các thiết bị: áp kế, van xả khí không ngưng, đồng hồ nhiệt độ,van an toàn

Hình 2.5 Thiết bị thanh trùng dạng nằm ngang

1 Van an toàn 2 Nhiệt kế 3 Áp kế 4 Cửa hơi đốt vào

5 Cơ cấu mở nắp 6 Xe goòng 7 Đường xả nước 8 Van xả khí

9 Nắp thiết bị 10 Đường ray

- Mở nắp thùng, kéo xe đến khu vực xối nước làm lạnh

Chú ý: Nếu làm nguội nước ngay trong thiết bị thì sau khi thanh trùng xong đóng

hơi vào, phải cho không khí nén từ máy nén vào thiết bị thanh trùng với áp suất lớn hơn

áp suất hơi khoảng 0,5 at rồi mới cho nước lạnh vào Nếu không làm như vậy thì hơinóng trong thiết bị thanh trùng bị ngưng tụ nhanh chóng, trong hộp sẽ tạo ra áp suất dư cóthể gây ra hiện tượng làm mất độ kín của hộp

Phù hợp: Năng suất trung bình của thiết bị thanh trùng kiểu nằm ngang là 1000 ÷

2000 hộp cho một lần thanh trùng Loại thiết bị này có khả năng làm việc với lượng lớn

đồ hộp, thao tác, điều chỉnh không phức tạp Tuy nhiên thiết bị cồng kềnh, thời gian thaotác đưa xe có hộp vào và lấy ra kéo dài dẫn đến tổng thời gian làm của thiết bị dài Chiphí hơi, nước cho thiết bị tương đối lớn nên thiết bị chỉ được dùng cho năng suất vừa vànhỏ

Trên hình mô tả cụ thể nguyên lý hoạt động của một thiết bị thanh trùng gián đoạnnằm ngang Thanh trùng nằm ngang có loại dùng nước, có loại dùng hơi

Kết luận: Với năng suất của thiết bị thanh trùng là khoảng 1200 hộp/mẻ, thì năng

suất như thế thì áp dụng được với quy mô nhỏ, làm việc gián đoạn Do đó, từ nhữngphương pháp thanh trùng đã đưa ra có thể thấy phương thanh trùng phù hợp nhất trong

đề tài này là phương pháp thanh trùng đồ hộp kiểu nằm ngang làm việc gián đoạn

3 Tính toán thiết bị chính

3.1 Yêu cầu công nghệ:

- Thiết bị làm việc theo mẻ, mỗi mẻ cấp 1200 hộp

- Chọn hộp đựng thực phẩm kích thước (120mm x 80 mm, thể tích 603 mL), thểtích thực phẩm là 500 mL Chọn khối lượng hộp là 500g/hộp

- Các hộp được đưa vào nhờ các xe goong, chọn 2 xe goong, mỗi xe goong chứa

- Chiều cao khay chọn: 50 mm

- Để giảm khối lượng của khay và hỗ trợ quá trình thanh trùng ta đột lỗ 40mm

- Chiều dài xe= chiều rộng, dài khay = 850 mm

- Hàn thêm một tay đẩy xe bằng thép ống đường kính 30mm

- Chọn bánh xe goòng có thông số như sau:

Từ đó tính được chiều cao xe là:

3.3 Tính toán kích thước thiết bị

- Có chiều dài nồi L= l.n +

- Bán kính trong của thiết bị: R= (0,964+0,055):2+0,2=0,71(m)

- Đường kính trong thiết bị: D= 0,71.2 = 1,42(m)

- Chọn đường kính của nồi thanh trùng là 1,5 m

3.4 Tính toán bề dày thân nồi

- Theo cơ sở tính toán thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong,

nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức

.2,3.[ ]

- S là bề dày thân thiết bị, m

- P là áp suất dư làm việc trong thiết bị, với sản phẩm, chọn P= 1,2 atm Theotiêu chuẩn an toàn thì ta lấy

- D t là đường kính trong của thiết bị D t= 1,5 m

- k là hệ số dự trữ độ bền của kim loại khi mối hàn k= 4,5

2, 6

k k k n

σ

σ = η= =

2 /

N m

6

6

240.10[ ]= 0,9 144.10

1,5

c c c n

σ

σ η = =

2 /

N m

6

[ ] 131,5.10 .0,7 454, 23202650

c h P

- C2: đại lượng bổ sung do hao mòn: C2= 0 (m)

- C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiềudày tấm vật liệu (m)

Thay vào ta tính được:

Bề dày S cần tối thiểu 7,26 mm, để tiện chế tạo thep thép tiêu chuẩn ta lấy S=8mmKiểm tra ứng suất theo áp suất thử

Chiều cao nồi: = H= 1,5 + 0,008 x 2= 1,516 (m)

Suy ra khối lượng của thân nồi:

= S x ρ

x π x D x L

= 0.008.7850.3,14.(1,5+1,516)/2.2 = 594,73 (Kg)

3.5 Chế độ làm việc

a Chế độ nhiệt độ theo thời gian

- Thời gian làm việc của một chu kì thanh trùng

TG = + A + B + C + (phút)

- : Thời gian chuẩn bị thao tác thiết bị và đưa giỏ đồ hộp vào thiết bị

= 10 phút chuyển đồ vào thiết bị + 5 phút đuổi khí ra khỏi thiết bị

- A, B, C: thời gian nâng nhiệt, giữ nhiệt và giảm nhiệt trong thiết bị thanh

trùng tương ứng, phút Theo [4]-tr.20 thì tại nhiệt độ C thì cần tối thiều 12

phút để tiêu diệt Clostridum botulinum Vậy với sản phẩm xốt nấm đónghộp ta có công thức:

A= 20 phút, B= 30 phút, C = 15 phút

- : Thời gian đưa giỏ đồ hộp ra khỏi thiết bị, phút, T2= 10 phút

Khi đó: TG = 10 + 5 +20 + 30 +15 +10 = 80 phútNhiệt độ thanh trùng T= 119,6 Nhiệt độ tại tâm sản phẩm đạt 115

b Chế độ áp suất theo thời gian

Tương tự nguyên lý của thiết bị thanh trùng nằm ngang thanh trùng bằng hơi nước

và có khí nén, ta có trình tự điều khiển như sau:

- Cho xe goòng vào trong thiết bị thanh trùng Đóng nắp thiết bị: đẩy nắp ănkhớp với vành răng Nhấn start xy lanh xoay nắp tới vị trí cố định tới khi chạmvào công tắc hành trình thì dừng lại, sau đó chốt an toàn khí nén nhận tín hiệu

tự động chốt cửa Cuối cùng xoay khóa thủ công;

- Mở van cầu dưới đáy để xả nước ngưng, đồng thời mở van hơi phía trên củathiết bị để đuổi phần không khí trong khoang thanh trùng ra ngoài Tới khi cóhơi nước bay ra khỏi van thì đóng tất cả van lại, nhiệt độ trong nồi khoảng 90-

95 oC, ta tiếp tục làm nóng nồi Quá trình thường diễn ra trong khoảng 5 tới 10phút;

- Dựa vào quá trình tăng nhiệt của tâm sản phẩm, PLC điều khiển độ mở củavan hơi, khí nén được cấp vào trong nồi lớn hơn 0,2 at so với áp suất trong hộp

nước lần hai sẽ giải nhiệt sản phẩm tới 80oC lượng nước lần 3 giải nhiệt để sảnphẩm cuối cùng có nhiệt độ tâm là 45oC thì ta dừng máy (nước giải nhiệt trên

45oC thì xả) Các lần bơm cho tuần hoàn thường trong vòng 5-7 phút tới khinhiệt độ tâm sản phẩm không thay đổi Mở van xả nước ra khỏi thiết bị Ta cóthể quan sát được mực nước qua lưu lượng kế;

4 Xây dựng và phân tích sơ đồ chức năng đo lường – điều khiển

Hướng tới vấn đề cụ thể đã nêu và đối với đề tài tính toán – Thiết kế thiết bị thanh trùng trong sản xuất sốt nấm đóng hộp, các vấn đề đo và điều khiển có thể đặt ra Đo:

• Nhiệt độ

• Áp suất

Điều khiển:

• Điều khiển nhiệt độ

• Điều khiển áp suất

• Điều khiển van

Nhóm em quan tâm tới bài toán sau:

Đo nhiệt độ, áp suất từ đó dẫn tới điều khiển van trong quá trình thanh trùng sốt nấm đóng hộp.

Việc thanh trùng ở nhiệt độ cao, áp suất cao nếu không được kiểm tra thường xuyên,điều chỉnh các thông số, nếu các thông số vượt qua mức thanh trùng có thể gây cháy nổthiết bị rất nguy hiểm cho công nhân, nhà máy Việc đo, điều chỉnh áp suất, nhiệt độ làmột trong những bài toán quan trọng trong thiết bị thanh trùng

Hình 4.6 Sơ đồ chức năng hệ thống thanh trùng đồ hộp

Phân tích sơ đồ:

1 Đầu tiên van V2 mở cấp hơi nước bão hòa vào trong thiết bị thanh trùng đuổikhông khí không ngưng trong thiết bị qua van V1, nước ngưng tụ chảy qua vanV5 Van V1 và V5 mở trong 5 phút (thời gian đuổi hết phần thể tích khí trong thiếtbị), sau đó đóng lại, chỉ có V2 mở

2 Thời gian nâng nhiệt: Chỉ mở V2.

3 Thời gian giữ nhiệt: Cảm biến đo nhiệt độ trong khoang thiết bị chứa đồ hộp đưa

tín hiệu về tủ điều khiển và điều chỉnh độ đóng mở của van màng V2 để đảm bảonhiệt độ tâm sản phẩm luôn xấp xỉ 115 trong thời gian 30 phút

4 Thời gian làm nguội: Khí nén được cấp thêm 0,5 atm trước khi phun nước giải

nhiệt vì hơi nước ngưng tụ làm giảm áp suất đột ngột làm cho áp suất trong hộpsản phẩm lớn hơn môi trường bên ngoài dẫn tới hở mí ghép, biến dạng hộp sảnphẩm Thời gian van V1 được điều chỉnh đóng mở dựa trên áp suất trong thiết bị

để đảm bảo áp suất môi trường xung quanh hộp sản phẩm được hạ từ từ

5 Làm nguội lần 1: Van ba ngả V4 ở vị trí nối bơm với bể Bơm lượng nước đã

được tính toán vào thiết bị thanh trùng để giải nhiệt sản phẩm xuống 100 Cảmbiến đo nhiệt độ nước gửi tín hiệu về tủ điều khiển

Nếu nhiệt độ nước dưới 45 thì van 3 ngả V4 đổi trạng thái cho bơm tuần hoàn Nếu nhiệt độ nước lớn hơn hoặc bằng 45 thì van V5 mở xả nước ra ngoài, bơm

dừng hoạt động Kết thúc quá trình thanh trùng

6 Làm nguội lần 2: Tương tự lần 1 nhưng giải nhiệt sản phẩm xuống 80

7 Làm nguội lần 3: Tương tự lần 2 nhưng giải nhiệt sản phẩm xuống 45

5 Xây dựng & phân tích sơ đồ I/O

5.1 Chọn các loại cảm biến

5.1.1 Nguyên tắc chọn cảm biến

- Dải đo: Các thông số hoạt động của thiết bị nằm trong vùng đo ổn định của cảm

biến

- Chuẩn tín hiệu đầu ra: Cảm biến xuất tín hiệu phù hợp với hệ thống điều khiển

(theo chuẩn tín hiệu điện áp hoặc dòng điện)

- Sai số: Cảm biến có sai số ở mức độ cho phép

- Kích thước: Cảm biến cần có kích thước phù hợp với hệ thống thiết bị

- Khả năng lắp ghép: Cảm biến có khả năng dễ dàng kết nối với thiết bị thông

- Điều kiện môi trường: Cảm biến cần có khả năng làm việc ổn định trong

khoảng điều kiện làm việc của thiết bị

- Điều kiện an toàn trong môi trường hóa chất, cháy nổ: Trong các thiết bị đặc

thù, cảm biến có thể cần yêu cầu thêm khả năng chống cháy nổ theo quy chuẩn

5.1.2 Chọn cảm biến

a Cảm biến nhiệt độ

Yêu cầu:

- Một cảm biến đo nhiệt độ trong khoang thiết bị, có khả năng đo dải nhiệt độ từ ,

có khả năng chịu áp suất khí nén lên tới 2,2 atm và hơi nước nhiệt độ cao Cảm biến xuấttín hiệu điện theo chuẩn về bộ điều khiển PLC

- Một cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát, có khả năng đo dải nhiệt độ từ , có khảnăng chống nước Cảm biến xuất tín hiệu điện tiêu chuẩn về bộ điều khiển PLC

- Cảm biến nhiệt độ Omron Loại PT100 E52MY-PT20C D6.3MM SUS316

Hình 5.7 Cảm biến nhiệt độ Omron loại PT100 E52MY-PT20C D6.3MM SUS316

- Cảm biến loại: Pt100 (3 dây) Class B, tầm đo 0~400 độ C

- Chiều dài thân cảm biến: 300mm (độ dài đủ để xuyên qua lớp bảo ôn)

- Đầu đo: đầu đo 6.3mm bằng chất liệu SUS316

- Đường kính: ren ½”

- Kiểu đấu nối: terminal (kiểu củ hành), dây nối dài 2m

- Xuất xứ: Omron – Japan

b Cảm biến áp suất

- Một cảm biến áp suất, có khả năng đo áp suất từ 1 - 2.5 atm, có khả năng hoạt động ổnđịnh trong khoảng nhiệt độ từ

Hình 5.8 Cảm biến áp suất DMP 331P – DB – Đức

− Nguồn cấp: 8-32VDC

− Tín hiệu ngõ ra 4-20 mA chuẩn Hart (2 wire)

− Sai số: 0.25% với áp suất lớn hơn hoặc bằng 0.4 bar

− Dãy đo tiêu chuẩn: 0-2.5 bar

− Khả năng chịu quá áp tương ứng: 15 bar

Hình 5.9 Đồng hồ đo áp suất M5000 – Geogin – Pháp

− Do áp suất làm việc của thiết bị chỉ từ 0-2,5bar nên ta chọn đồng hồ có dải đo: 0 –

6 bar để tránh sai số

− Cấp chính xác: 0,1 bar

− Vật liệu: inox 316L cho ống bourdon và chân kết nối

− Ống siphon A3000-100 làm bằng Inox 316 Ti

− Cấp bảo vệ: IP 65 hoặc IP 67

− Nhiệt độ làm việc ổn định: -40°C +65°C

− Nhiệt độ làm việc tối đa: +200°C

− Kết nối: ¼’’ BSPM hoặc ¼’’ NPTM với và ½’’ BSPM hoặc ½’’ NPTM với

− Mã sản phẩm: M5000 – CD3L1000-AT

5.1.3 Van an toàn

Hình 5.10 Van an toàn SL-38 Fukutaro

- Dải đo: 0,11-1 Mpa

- Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 225

- Lưu thể: nước, hơi nước

- Mã hiệu: VEN1 SL38-D3-20A

5.1.4 Van ba ngả

Hình 5.11 Van ba ngả

- Áp suất hoạt động: 16 bar

- Nhiệt độ hoạt động: -25 đến 180 độ C

- Kết nối: Ren PT

- Dòng Rò: 0.01%

- Loại van: 2 ngã hoặc 3 ngã

- Nguồn cấp: 24VAC hoặc 220VAC

- Ngõ vào điều khiển tuyến tính: 4-20mA hoặc 0-10VDC

- Kiểu điều khiển: Tuyến tính hoặc ON OFF

5.1.5 Van điện

Hình 5.12 Van điện TPC

- Van điện từ nước 24V có kích thước: Phi 21 / 27/ 34 / 42 / 48/ 60 / 73 / 90/ 114 /168

- Điện áp điều khiển: 24v

- Môi trường: Nước lạnh / Hơi nóng / Nước nóng

- Áp suất làm việc lý tưởng của van điện từ nước 24V: 16bar

- Nhiệt độ làm việc: -5 - 180 độ C

- Chất liệu thân van: Đồng thau, gang, nhựa hoặc inox 304

- Kiểu kết nối: Ren, mặt bích, rắc co

- Coil điện: coil cuộn, coil đúc được đúc bằng đồng

- Thời gian điều khiển để đóng mở cửa van nhanh hơn

- Khách hàng sẽ hẹn được giờ mở – đóng van nếu sử dụng thêm các thiết bị tự độngđiện Nhờ đó tiết kiệm công sức cũng như thời gian điều khiển

- Van điện từ nước 24V có kích thước đa dạng tương thích với nhiều hệ thống, máymóc quy mô khác nhau