Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm

truyền nhiệt từ vật thể nóng hơn (hoặc từ chất tải nhiệt) sang vật thể nguội hơn (vật liệu được đun nóng). Làm nguội là quá trình ngược lại với quá trình đun nóng, nó là quá trình hạ nhiệt độ của vật từ nhiệt độ ban đầu cao xuống đến nhiệt độ theo yêu cầu (thấp hơn ) Hầu hết các biến đổi vật lý của quá trình làm nguội là ngược lại với quá trình đun nóng. Tuy nhiên phần lớn các quá trình sinh hóa, hóa học, hóa lý là những quá trình không thuận nghịch. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm luôn luôn gắn liền với quá trình đun nóng và làm nguội nhằm các mục đích sau: Chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo, tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm, làm tăng giá trị dinh dưỡng, giá trị cảm quan cho sản phẩm, chuẩn bị hoàn thiện sản phẩm Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng bằng cách: Hạ nhiệt độ của hơi (khí ) hoặc nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời. Quá trình truyền nhiệt được thực hiện bởi các phương thức sau: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt (cấp nhiệt) và bức xạ nhiệt. 6.1. Các phương thức truyền nhiệt 6.1.1. Truyền nhiệt dẫn nhiệt - Dẫn nhiệt là quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ phần tử này đến phần tử khác của vật thể khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau và có nhiệt độ khác nhau. Thường quá trình này chỉ xảy ra trong cùng một vật thể. Các phân tử có nhiệt độ cao hơn có chuyển động dao động mạnh, va chạm với các phân tử lân cận, truyền cho chúng phần động năng của mình và cứ như thế năng lượng nhiệt được truyền đi mọi phía của vật thể. Quá trình dẫn nhiệt có thể xảy ra trong môi trường khí hay lỏng nếu như toàn bộ khối khí và lỏng này đứng yên hay chảy dòng. - Định luật Fourier về dẫn nhiệt: Một nhiệt lượng q dẫn qua một nguyên tố bề mặt F sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, diện tích bề mặt và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai mặt đẳng nhiệt. Công thức Fourier: dn dtFq ..λ−= (2.68) Với dt – chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt đẳng nhiệt, dt = t1 – t2 ; K dn = khoảng cách giữa 2 mặt đẳng nhiệt (m). 63 Q – nhiệt lượng dẫn đi trong vật thể (W). λ – độ dẫn nhiệt, hay còn gọi hệ số dẫn nhiệt; (W/m.0K). F – bề mặt vuông góc với dòng nhiệt (m2). Dấu “-“: biểu thị dòng nhiệt biến đổi theo chiều giảm nhiệt độ. - Hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (λ) của các loại vật thể khác nhau thì khác nhau, nó phụ thuộc vào cấu trúc, khối lượng riêng, hàm ẩm, áp suất và nhiệt độ của vật thể, thường nó được xác định bằng thực nghiệm. Đơn vị của độ dẫn nhiệt là W/m.K ; W/m.oC Vậy: hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt (tính bằng Jun) dẫn qua bề mặt 1m2 trong thời gian 1 giây chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều dài theo phương pháp tuyến của mặt đẵng nhiệt là 1 độ. Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, nó là đặc tính vật lý của vật chất.  Hệ số dẫn nhiệt λ của một số vật liệu: • Kim loại: 50-400 (W/m.0K). • Hợp kim: 10-120 (W/m.0K). • Nước: 0,597 (W/m.0K). (ở 20oC). • Không khí: 0,0251 (W/m.0K). (ở 200C). • Vật liệu cách nhiệt: 0,035-0,173 (W/m.0K). • Thực phẩm: 0,2 – 0,5(W/m.0K). Bảng 2.4. Hệ số dẫn nhiệt của một số thực phẩm Sản phẩm Nhiệt độ (0C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m. K) Rau quả, củ Bưởi Cam Cà chua Cà rốt Chuối Củ cải Dứa Hành Khoai tây Thịt, cá Cá - 28 - - - 28 - 8,6 - -10 1,3500 0,5800 0,5279 0,6058 0,4811 0,6006 0,5486 0,5746 0,554 1,497 64 Thịt bò Thịt gia cầm Thịt heo Các chất dạng lỏng Dầu đậu phụng (dầu lạc) Dầu mè Nước táo Sữa Các chất khác Lòng đỏ trứng Lòng trắng trứng Margarine 5 10 - 6 59,3 3,9 - -18 80 20 2,8 0,5106 0,5227 0,4119 0,4881 0,5400 0,1679 0,1755 0,6317 0,5054 0,5435 0,338 0,2340 Nhiều phương trình đã được đề xuất để xác định độ dẫn nhiệt của thực phẩm sản phẩm. Đối với trái cây và rau với lượng nước lớn hơn 60%, độ dẫn nhiệt có thể được tính bằng phương trình (Sweat, 1974): λ = 0,148 + 0,493Xn (2.69) Trong đó: λ - độ dẫn nhiệt, W/m.K Xn - phần khối lượng của nước Đối với sản phẩm thịt chứa 60% đến 80% lượng nước, độ dẫn nhiệt có thể được tính bằng phương trình Sweat (1974): λ = 0,08 + 0,52Xn (2.70) Một phương pháp khác là sử dụng một phương trình dựa trên toàn bộ các thành phần thực phẩm để ước tính dẫn nhiệt (Sweat, 1995): λ = 0,25Xc + 0,155 Xp + 0,16 Xf + 0,135 Xa + 0,58 Xn (2.71) Trong đó: Xc, Xp, Xf, Xa, Xn – phần khối lượng của carbohydrate (c); protein (p); lipid (f); tro (a); và nước (n). - Dẫn nhiệt qua tường phẳng: Xét tường phẳng một lớp có chiều dày δ, độ dẫn nhiệt λ, diện tích F, nhiệt độ ở bề mặt tường là tT1 và tT2, giả sử tT1> tT2 (hình 2.12) Nhiệt lượng (Q) dẫn qua tường xác định bằng công thức: Q = λ/δ.F.(tT1-tT2) (2.72) 65 Hình 2.15. Mô tả quá trình dẫn nhiệt qua tường phẳng Đối với tường phẳng nhiều lớp, lượng nhiệt dẫn qua tường được tính bằng công thức: 1 2 1 .T Ti n i i i t tQ F δ λ = = − = ∑ (2.73) Trong đó: i – số thứ tự của tường n – số lớp tường δi – độ dày lớp tường thứ i, m λi – độ dẫn nhiệt lớp tường thứ i, W/m.K Q – lượng nhiệt, W - Dẫn nhiệt qua tường ống Xét tường ống một lớp có bán kính trong r1, bán kính ngoài r2, độ dẫn nhiệt λ, chiều dài L, nhiệt độ ở bề mặt ống bên trong là tT1 và nhiệt độ ở bề mặt ống bên ngoài là tT2, giả sử tT1> tT2 Nhiệt lượng (Q) dẫn qua tường ống một lớp xác định bằng công thức: (2.74) Lượng nhiệt dẫn qua tường ống nhiều lớp được xác định bằng công thức: (2.75) Trong đó: ri – bán kính lớp tường thứ i, m Ví dụ: Một ống thép dài 10m, bán kính trong là 2,5cm; bán kính ngoài 2,8cm; nhiệt độ bề mặt bên trong là 80oC, nhiệt độ bề mặt phía ngoài là 25 , hệ số dẫn nhiệt của thép λ=45 W/m.K. Hãy xác định lượng nhiệt dẫn qua ống thép. Giải Áp dụng phương trình (2.74), ta có: 66 Q= 1372 kW Chú ý: không cần thiết phải đổi đơn vị oC sang K khi tính lượng nhiệt dựa vào chênh lệc nhiệt độ và khi tính tỷ số bán kính trong và ngoài thì không cần chuyển đổi đoen vị đo bán kính sang mét (m) Hình 2.16. Sơ đồ dẫn nhiệt qua tường ống một lớp 6.1.2. Truyền nhiệt đối lưu - Trong môi trường lỏng và khí, hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng chủ yếu là bằng đối lưu. Truyền nhiệt đối lưu là hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng do các phần tử chất lỏng hoặc khí đổi chỗ trong không gian. - Hiện tượng đổi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng có thể tự nhiên hay cưỡng bức. Đối lưu tự nhiên xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần tử khí hoặc lỏng gây nên chênh lệch khối lượng riêng làm cho các phần tử khí hoặc lỏng chuyển động. Đối lưu cưỡng bức là dùng công bên ngoài như bơm, khuấy trộn...để làm cho các phần tử khí hoặc lỏng chuyển động. Hiện tượng trao đổi nhiệt trong đối lưu cưỡng bức mạnh hơn so với đối lưu tự nhiên. - Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ chất lỏng (hay khí) đến tường hoặc thành thiết bị tiếp xúc với nó, hay ngược lại, gọi là quá trình cấp nhiệt. Vậy thực chất quá trình cấp nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu (có thể đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức). Định luật Newton về cấp nhiệt Định luật Newton được phát biểu như sau: Một nhiệt lượng q do một nguyên 67 tố bề mặt F của vật thể có nhiệt độ tT cấp cho môi trường xung quanh thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường Công thức Newton : q = α.F.(t T - tm) (2.76) Trong đó: tT - nhiệt độ bề mặt của vật thể, oC tm - nhiệt độ của môi trường xung quanh, oC. α - hệ số cấp nhiệt, thường được xác định bằng thực nghiệm, W/m2.oC - Hệ số cấp nhiệt α là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh (hay ngược lại nhận nhiệt từ môi trường xung quanh) trong khoảng thời gian 1 giây và khi hiệu số nhiệt độ là 1oC. Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp nên việc tính toán rất khó chính xác. 6.1.3. Truyền nhiệt bức xạ Nhiệt bức xạ là hiện tượng vận chuyển nhiệt lượng từ vật thể nóng đến vật thể nguội trong không gian dưới dạng các tia năng lượng gọi là tia bức xạ, không cần môi trường trung gian. Nhiệt phát ra từ vật thể nóng thành những tia bức xạ lan truyền trong không gian, đến một chỗ nào đó thì toàn bộ hay một phần của các tia năng lượng này được một vật thể nguội hấp thụ và biến đổi thành nhiệt năng. Hãy xét một chùm tia bức xạ mang một năng lượng Q (j), đập vào bề mặt một vật thể (hình 2.13) trong trường hợp tổng quát nhất năng lượng đó sẽ chia ra 3 phần: + Một phần năng lượng QA được vật thể hấp thụ để biến đổi thành nhiệt năng. + Một phần năng lượng QR bị phản xạ trở lại. + Một phần năng lượng QD khúc xạ qua vật thể. Vậy theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Q= QA+ QR + QD. Ta ký hiệu: QA/Q=A, QR/Q=R, QD/Q=D. Thế thì: A+ R+D =1. Người ta gọi A là khả năng hấp thụ của vật thể, R là khả năng phản xạ và D là khả năng khúc xạ của vật thể. Trong kỹ thuật, ta ít gặp vật thể khúc xạ hoàn toàn, nên: A +R =1 (còn D≈ 0). Những vật thể có bề mặt hấp thụ hoàn toàn các tia năng lượng đập lên nó gọi là vật đen tuyệt đối hoặc vật đen lý tưởng. Khi đó thì A=0,9-0,95(A ≈1)và R≈0. Những vật thể có bề mặt phản xạ hoàn toàn các tia bức xạ đập lên nó gọi là vật trắng tuyệt đối hoặc vật trắng lý tưởng. Khi đó thì R ≈1 và A=0. Nhưng trong thực tế không có vật đen tuyệt đối và vật trắng tuyệt đôi mà chỉ có những vật thể vừa có khả năng hấp thụ vừa có khả năng phản xạ các tia bức xạ, những vật thể đó gọi là vật xám. 68 Định luật Stefan-Boltzmann Khả năng bức xạ của vật thể: là năng lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của vật thể bức xạ trong một đơn vị thời gian. Nếu ta ký hiệu năng lượng bức xạ của vật thể trong một giây là Q (j/s), bề mặt của vật thể là F(m2), thì khả năng bức xạ của vật thể có thể biểu diễn theo công thức: QE F = Hình 2.17. Mô tả sự phản xạ, phản xạ và hấp thụ bức xạ của vật thể QA, QR, QD – Phần năng lượng hấp thụ, phản xạ, khúc xạ Định luật Stefan-Boltzmann: khả năng bức xạ của vật thể tỉ lệ bậc bốn với nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt vật thể. E0= C0.ε.T4 (2.77) Trong đó: C0: hệ số Stefan-Boltzmann, C0 = 5,669.10-8 W/m2K4. T: nhiệt độ tuyệt đối, K ε: tỉ số phát xạ (0-1), tỉ số ε của thể đen là 1. C0 là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. 6.2. Các quá trình truyền nhiệt Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác qua một tường ngăn cách gọi là truyền nhiệt. Vậy truyền nhiệt bao gồm cả cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt. Năng lượng bức xạ đóng vai trò quan trọng khi nhiệt độ cao, khi nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường thì nhiệt bức xạ không đáng kể. Quá trình truyền nhiệt được ứng dụng phổ biến bao gồm dẫn nhiệt và đối lưu như nhiệt truyền qua tường, thiết bị trao đổi nhiệt - Phân loại truyền nhiệt: Dựa theo nhiệt độ làm việc của lưu thể mà người ta chia ra truyền nhiệt đẳng nhiệt và truyền nhiệt biến nhiệt. + Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo thời gian và không gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 69 một hằng số ở mọi vị trí và mọi thời gian. (Ví dụ dùng hơi nước để cung cấp nhiệt cho chất lỏng đang sôi). + Truyền nhiệt biến nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của lưu thể có thay đổi trong quá trình làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể có thay đổi. Trong truyền nhiệt biến nhiệt người ta còn phân biệt: * Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: tức là trường hợp hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian. (Trường hợp này chỉ xảy ra đối với các quá trình làm việc liên tục). * Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: tức là trường hợp hiệu số nhiệt độ giữa 2 lưu thể đều thay đổi theo vị trí và thời gian. (Trường hợp này chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn). - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp và nhiều lớp Hình 2.18. Sơ đồ truyền nhiệt qua tường phẳng t1 – nhiệt độ lưu thể nóng; t2 – nhiệt độ lưu thể nguội tT1, - nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với lưu thể nóng; tT2 - nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với lưu thể nguội δ - chiều dày của tường tm1 là nhiệt độ của màng phía lưu thể nóng tm2 là nhiệt độ của màng phía lưu thể nguội Giả sử có một tường phẳng một lớp có chiều dày δ, bề mặt tường F, độ dẫn nhiệt λ, một phía của tường là lưu thể nóng có nhiệt độ t1 và một phía là lưu thể nguội có nhiệt độ t2. Hệ số cấp nhiệt từ lưu thể nóng đến tường là α1 và từ tường đến lưu thể nguội là α2 . Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội gồm 3 giai đoạn: + Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến mặt tường (cấp nhiệt). + Nhiệt dẫn xuyên qua tường (dẫn nhiệt). + Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể nguội (cấp nhiệt). 70 Ta xét quá trình trong trạng thái nhiệt ổn định, do đó lượng nhiệt vận chuyển qua mỗi giai đoạn trong khoảng thời gian τ đều như nhau. Dựa vào tính chất vận chuyển nhiệt lượng qua từng giai đoạn mà thành lập phương trình sau: + Cấp nhiệt bên lưu thể nóng: (ta coi t1=tm1 là nhiệt độ của màng phía lưu thể nóng): q = α1 .F.(t1-tT1) Hoặc q/α1 = F.(t1-tT1). (a) + Dẫn nhiệt qua tường: q = λ/δ.F.(tT1-tT2). Hoặc: q.δ/λ = F.(tT1-tT2). (b) + Cấp nhiệt bên lưu thể nguội: (ta coi t2=tm2), q = α2.F.τ(tT2-t2). Hoặc: q/α2 = F.(tT2-t2) (c) Cộng 3 phương trình a,b,c ta được: ( )21 21 .11 ttFq −=      ++ αλ δ α Chuyển vế: ( )21 21 .. 11 1 ttFq −       ++ = αλ δ α (2.78) Ta đặt:       ++ = 21 11 1 αλ δ α k (2.79) k – là hệ số truyền nhiệt qua tường phẳng, W/m2.oC Và ∆t=(t1-t2), thì ta có: q = k .F.∆t (W) (2.80) Đây là phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp. Đối với tường phẳng nhiều lớp, ta cũng chứng minh tương tự và đi đến công thức (2.77) nhưng hệ số truyền nhiệt của tường nhiều lớp được tính như sau: 11 2 1 1 1n i i i k δ α λ α= = + +∑ (2.81) - Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống một lớp và nhiều lớp Ta xét một tường hình ống bán kính trong là r1, bán kính ngoài là r2, chiếu dày δ, độ dẫn nhiệt λ và chiều dài L. Lưu thể nóng đi bên trong ống có nhiệt độ t1, lưu thể nguội đi ngoài ống có nhiệt độ t2. Hệ số cấp nhiệt của lưu thể nóng là α1 và của lưu thể nguội là α2. Cũng như trong tường phẳng, nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng sang lưu thể 71 nguội phải qua 3 giai đoạn: + Từ lưu thể nóng đến mặt trong của tường ống. + Nhiệt dẫn xuyên qua tường ống. + Từ mặt ngoài của tường ống đến lưu thể nguội. Vì quá trình truyền nhiệt ổn định nên trong khoảng thời gian τ, lượng nhiệt qua 3 giai đoạn trên đều như nhau: ta lập phương trình cho từng giai đoạn: + Cấp nhiệt phía bên tường nóng: q = α1(t1-tT1).F= α1(t1-tT1).2π.r1.L (a) + Nhiệt dẫn qua thành ống: q = λ/δ.F.(tT1-tT2) = 2π.L λ.(tT1-tT2) /ln(r2/r1) (b) + Cấp nhiệt phía tường nguội: q = α2.2π.r2(tT2-t2) (c) Cộng ba phương trình a, b, c ta được: ( ) ( )21221211 .2 /1/ln/1/1 1 ttL rrrr q − ++ = π αλα (2.82) Đặt: ( )221211 /1/ln/1/1 1 rrrr kR αλα ++ = (2.83) Vậy q= kR.2πL.∆t (2.84) kR – hệ số truyền nhiệt của tường ống, W/m.oC ∆t = t1 – t2 , oC Trường hợp r2/r1 < 2, ta có thể sử dụng phương trình (2.79) và (2.80) của tường phẳng để tính toán cho tường ống. Đây là phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống một lớp. - Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định và hiệu số nhiệt độ trung bình Trường hợp truyền nhiệt biến nhiệt ổn định, hiệu số nhiệt độ giữa hai đối lưu thể biến đổi theo vị trí (không gian) nhưng không biến đổi theo thời gian (tức là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của từng lưu thể đều khác nhau và hệ số nhiệt độ của hai lưu thể ở những vị tri tương ứng khác nhau). Bởi vậy ta không thể tính lượng nhiệt truyền đi với ∆t =(t1-t2) như trong phương trình truyền nhiệt đẳng nhiệt được mà phải tính theo hiệu số nhiệt độ trung bình. + Chiều chuyển động của lưu thể Chiều chuyển động của lưư thể ở hai phía bề mặt trao đổi nhiệt quan hệ rất nhiều đến quá trình truyền nhiệt. Qua thực tế phân loại như sau: * Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song và cùng chiều theo tường ngăn cách. (hình 2.16a) * Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều nhau theo tường ngăn cách. (hình 2.16b) * Chảy chéo nhau: lưu thể 1 và 2 chảy theo phương vuông góc nhau (hình 2.16c) 72 * Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chỉ chảy theo 1 hướng nào đấy, còn lưu thể 2 lúc thì chảy cùng chiều lúc thì chạy ngược chiều với lưu thể (hình 2.16d) Trong tất cả 4 trường hợp trên, nhiệt độ của hai lưu thể đều thay đổi. Lưu thể nóng giảm nhiệt độ từ nhiệt độ đầu (t1đ) đến nhiệt độ cuối (t1c). Còn lưu thể nguội sẽ tăng nhiệt độ giữa hai lưu thể cũng thay đổi từ (t2đ) đến (t2c). Do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể cũng thay đổi trị số đầu (∆tđ) đến trị số cuối (∆tc). Hình 2.19. Biểu diễn chiều chuyển động của hai lưu thể + Hiệu số nhiệt độ trung bình Xét hai lưu thể chảy xuôi chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt (hình 2.20). Nhiệt độ của lưu thể nóng giảm còn nhiệt độ của lưu thể nguội tăng. Nhận thấy nhiệt độ của hai lưu thể đều thay đổi dọc theo bề mặt trao đội nhiệt nhưng ở từng điểm thì nhiệt độ không thay đổi theo thời gian (hình 2.21). Hình 2.20. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Ký hiệu: t1đ, t1c – nhiệt độ ban đầu và cuối của lưu thể nóng t2đ, t2c – nhiệt độ ban đầu và cuối của lưu thể nguội Ký hiệu: ∆ttb - hiệu số nhiệt độ trung bình. ∆tđ = t1đ-t2đ : hiệu số nhiệt độ ban đầu. ∆tc = t1c-t2c : hiệu số nhiệt độ cuối. Nhiệt độ trung bình khi hai lưu thể chảy cùng chiều được tính theo công thức: 73 ln d c tb d c t tt t t ∆ − ∆ ∆ = ∆ ∆ (2.85) Chú ý: nếu trong quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể biến đổi ít, tức là khi tỉ số ∆tđ /∆tc <2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình có thể tính gần đúng như sau: ∆ttb= (∆tđ +∆tc)/2. (2.86) Hình 2.21. Sự phân bố nhiệt độ khi hai lưu thể chảy cùng chiều Trường hợp chảy ngược chiều, ta vẫn dùng phương trình (2.85), trong đó hiệu số nhiệt độ lớn làm hiệu số nhiệt độ ban đầu (∆tđ) và hiệu số nhiệt độ nhỏ làm hiệu số nhiệt độ cuối (∆tc). Biểu diễn sư thay đổi nhiệt độ khi chảy ngược chiều (hình 2.22). Trường hợp (a): ∆tđ = t1c-t2đ Trường hợp (b): ∆tđ = t1đ-t2c ∆tc = t1d-t2c ∆tc = t1c-t2d (a) (b) Hình 2.22. Biểu diễn hiệu số nhiệt độ khi lưu thể chuyển động ngược chiều 74 6.3. Nguồn nhiệt và các phương pháp đun nóng trong chế biến thực phẩm 6.3.1. Hơi nước bão hòa - Ưu, nhược điểm Hơi nước dùng đun nóng trong công nghiệp thực phẩm chủ yếu là hơi nước bão hòa. Hơi nước bão hòa sử dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm vì có nhiều ưu điểm: +Hệ số cấp nhiệt α lớn (α = 10000 -15000W/m2.0C) do đó bề mặt truyền nhiệt nhỏ, thiết bị gọn nhẹ. +Ẩn nhiệt hóa hơi (r) lớn tức lượng nhiệt tỏa ra khi hơi ngưng tụ lớn (tính trên một đơn vị khối lượng hơi). +Dễ điều chỉnh nhiệt độ bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi nước bão hòa . +Vận chuyển đi xa được dễ dàng bằng đường ống. Tuy nhiên hơi nước bão hòa có nhược điểm là không thể dùng để đun nóng ở nhiệt độ cao (<1800C) vì khi tăng nhiệt độ đòi hỏi áp suất lớn, khi đó ẩn nhiệt hóa hơi r sẽ giảm, đồng thời thiết bị sẽ thêm phức tạp. - Các phương pháp đun nóng bằng hơi nước : + Đun nóng trực tiếp: Cho hơi nước sục thẳng vào chất lỏng cần đun nóng. Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất lỏng , nước ngưng trộn lẫn với chất lỏng. Phương pháp này chỉ dùng trong trường hợp được phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xảy ra giữa chất lỏng và nước, thường dùng để đun nóng nước và các dung dịch nước. Thiết bị dùng để đun nóng có thể là loại sục hoặc sủi bọt. Lượng hơi đốt cần dùng trong quá trình đun nóng trực tiếp đựơc tính toán trên cơ sở phương trình cân bằng nhiệt lượng. c22 mđ2c222 tCi .Q)tt(CGD − τ+− = (2.86) Ở đây: G2- Lượng chất lỏng cần đun nóng ,kg. C2 - Nhiệt dung riêng của chất lỏng ,J/kg.0C. t2đ ,t2c - nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng ,0C. i - nhiệt lượng riêng của hơi nước, J/kg. Qm - nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, W. τ - thời gian đun nóng ,s. + Đun nóng gián tiếp Đun nóng gián tiếp tức là giữa hơi nước và chất lỏng cần đun có tường ngăn cách.Nhiệt từ hơi sẽ truyền qua tường và cấp cho chất lỏng .Hơi nước sau khi cấp nhiệt cho chất lỏng qua tường thì sẽ ngưng tụ thành nước ngưng chảy ra khỏi thiết bị theo 75 một đường ống riêng.Quá trình đun nóng gián tiếp có thể thực hiện trong các loại thiết bị khác nhau như : thiết bị vỏ bọc ngoài, thiết bị ống xoắn, ống chùm. Trong quá trình đun nóng, chiều lưu thể không ảnh hưởng đến quá trình nhiệt, nhưng khi làm việc người ta cho hơi vào thiết bị từ phía trên để nước ngưng chảy xuống dễ dàng. Lượng hơi đốt cần dùng trong quá trình đun nóng gián tiếp đựơc tính toán trên cơ sở phương trình cân bằng nhiệt lượng. Ci QttCGD mđc θ τ − +− = .)( 2222 (2.85) Trong đó: G2- Lượng chất lỏng cần đun nóng ,kg. C2 - Nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.0C. t2đ ,t2c - nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng, 0C. i - nhiệt lượng riêng của hơi nước, J/kg. Qm - nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, W. τ - thời gian đun nóng ,s. C -nhiệt dung riêng của nước,J/kg.0C. θ - nhiệt độ nước ngưng, 0C. Cần lưu ý trong quá trình đun nóng gián tiếp cần phải tháo nước ngưng và khí không ngưng một cách kịp thời, đồng thời khi tháo thì không cho hơi ra khỏi thiết bị. Thường để tháo nước ngưng người ta dùng thiết bị tháo nước ngưng hay thiết bị phân ly hơi nước. Hinh 2.19. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm 76 6.3.2. Đun nóng bằng dòng điện Đun nóng bằng dòng điện là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng để đung nóng vật liệu. Quá trình đun nóng được thực hiện trong các kiểu lò khác nhau: lò điện trở, lò hồ quang, lò cảm ứng. 6.3.3. Đun nóng bằng khói lò Khói lò được tạo thành khi đốt cháy các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí trong các lò đốt. Khói lò có nhiệt độ từ 4000C đến 10000C, do đó có thể đun nóng sản phẩm đến nhiệt độ cao. Người ta dùng khói lò làm tác nhân đun nóng, sấy khô trong các máy sấy thùng quay. Nhiệt độ các khí khói lò cao, khó điều chỉnh do đó có thể làm cho sản phẩm bị quá nhiệt, cháy và phát sinh các quá trình phụ trong chế biến.Việc sử dụng khói lò rất nguy hiểm trong trường hợp đun nóng các vật liệu dễ cháy. 6.4. Các phương pháp làm nguội Trong công nghiệp thực phẩm phải làm nguội các sản phẩm rắn và lỏng, cũng như làm nguội không khí trong quá trình điều hòa không khí. Nước ,không khí, nước đá là những chất tải nhiệt làm nguội phổ biến và rẻ tiền nhất. Nước đá có thể làm nguội đến nhiệt độ dưới 00C. 6.4.1. Làm nguội bằng không khí Không khí là chất tải nhiệt phổ biến để làm nguội thực phẩm và thiết bị. Không khí được dùng làm nguội trong quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Phương pháp này dùng làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ trong phòng. Làm nguội các sản phẩm lỏng được tiến hành ở các thiết bị hở. Nhiệt lượng Q của sản phẩm giảm đi khi bay hơi trong các thiết bị hở được xác định bởi công thức: Q = D (i – Ct), j/s (2.86) Trong đó: D - Lượng chất lỏng bay hơi, kg/s. i - nhiệt lượng riêng của hơi chất lỏng tạo thành, J/kg. C - nhiệt dung riêng của sản phẩm làm nguội, J/kg.độ t - nhiệt độ trung bình của sản phẩm làm nguội, 0C. Làm nguội tự nhiên bằng không khí thời gian rất dài. Phương pháp này phải dùng phụ thêm trong các thiết bị loại tưới ướt, và sản phẩm được làm nguội chủ yếu là do sự trao đổi nhiệt với nước lạnh. Làm nguội nhân tạo bằng không khí tiến hành nhờ tác dụng của luồng không khí do quạt thổi vào sản phẩm hoặc thiết bị. Làm nguội nhân tạo nhanh hơn làm nguội tự nhiên do tốc độ luồng không khí lớn, ảnh hưởng tới sự tăng hệ số cấp nhiệt. 6.4.2. Làm nguội bằng nước đá Dùng nước đá làm chất tải nhiệt có thể làm nguội sản phẩm đến gần 00C.Nước 77 đá được trực tiếp đưa vào trong thiết bị có sản phẩm. Nhiệt độ nước đá là -10C đến – 20C, khi tan sẽ thu nhiệt của sản phẩm. Nước do đá tan ra sẽ hòa lẫn vào sản phẩm lỏng, do đó chỉ dùng phương pháp này cho sản phẩm lỏng cần làm loãng và không có tác dụng hóa học với nước. Lượng nước đá cần để làm nguội: c mcđ t.Cr .Q)tt(C.GD + τ+− = (2.87) Ở đây: G - lượng chất lỏng cần làm nguội , kg. C - nhiệt dung riêng của chất cần làm nguội ,j/kg.0C Qm - nhiệt tổn thất, W. td , tc - nhiệt độ đầu và cuối của chất cần làm nguội ,0C r - nhiệt nóng chảy của nước đá , r = 335,2 kj/kg Ngoài nước đá ra người ta còn làm lạnh trực tiếp sản phẩm bằng hỗn hợp nước đá muối. Phương pháp này có thể làm nguội sản phẩm đến dưới 00C.. 6.4.3. Làm nguội bằng nước lạnh Nước lạnh có thể cho trực tiếp vào sản phẩm hoặc cho vào các thiết bị Lượng nước cần để làm nguội : )( .)(. 12 ttC QttCGD n mcđ n − +− = τ (2.88) Ở đây :G - lượng chất lỏng cần làm nguội , kg. C - nhiệt dung riêng của chất cần làm nguội ,j/kg.0C Qm -nhiệt tổn thất, W. td , tc - nhiệt độ dầu và cuối của chất cần làm nguội ,0C Cn - nhiệt dung riêng của nước làm nguội ,j/kg.0C t1 , t2 - nhiệt độ dầu và cuối của nước làm nguội ,0C Đối với quá trình làm nguội theo phương pháp gián tiếp, người ta thường tiến hành theo phương pháp ngược chiều vì như thế sẽ tốn ít nước làm nguội hơn.Cần chú ý chọn nhiệt độ cuối của nước làm nguội. Cần chọn nhiệt độ cuối nhỏ hơn 500C để ngăn ngừa hiện tượng kết tủa các muối hòa tan trong nước trên bề mặt truyền nhiệt. 6.5. Các phương pháp ngưng tụ Trong chương trình ta chỉ nghiên cứu quá trình ngưng tụ bằng cách làm nguội hơi hoặc khí và dùng nước để làm nguội. 6.5.1. Ngưng tụ bề mặt Ngưng tụ bề mặt còn gọi là ngưng tụ gián tiếp, tức là quá trình ngưng tụ được tiến hành trong các thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa hơi và nước. Hơi ngưng tụ lại trên bề mặt trao đổi nhiệt. Phương pháp ngưng tụ này được dùng để thu 78 hồi các sản phẩm của quá trình chưng luyện. 6.5.2. Ngưng tụ hỗn hợp Ngưng tụ hỗn hợp còn gọi là ngưng tụ trực tiếp tức là quá trình tiến hành bằng cách cho hơi và nước tiếp xúc trực tiếp với nhau.Hơi cấp ẩn nhiệt cho nước và ngưng tụ lại, nước lấy nhiệt của hơi và nóng lên.Hơi ngưng tụ và nước tạo thành hỗn hợp. Phương pháp ngưng tụ hỗn hợp chỉ dùng để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước. Khi làm việc, giữa hơi và nước cần phải có bề mặt tiếp xúc lớn thì hiệu quả ngưng tụ mới cao. Vì vậy người ta phun nước qua những vòi phun hoặc cho chảy qua những tấm ngang có lỗ nhỏ. Thiết bị dùng để ngưng tụ (baromet) có thể là thiết bị ngưng tụ cùng chiều, ngược chiều; ngưng tụ loại ướt, loại khô. Thiết bị ngưng tụ thường được dùng trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm và thường đặt cuối hệ thống cô đặc nhiều nồi để tạo chân không cho các nồi cô đặc. Thiết bị dùng trong quá trình đun nóng, làm nguội, ngưng tụ gọi chung là thiết bị trao đổi nhiệt. 7. SỰ TRUYỀN CHẤT (CHUYỂN KHỐI) TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 7.1. Khái niệm chung - Định nghĩa Trong công nghiệp thực phẩm, nhiều quá trình sản xuất dựa trên cơ sở sự biến đổi nồng độ của dung dịch hoặc hỗn hợp nhờ sự tiếp xúc trực tiếp giữa các pha để tạo nên sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác. Quá trình di chuyển các phân tử vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối hay là quá trình khuếch tán. Động lực của quá trình là sự chênh lệch nồng độ làm cho chất khuếch tán di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Quá trình truyền khối đóng vai trò chủ yếu trong công nghiệp thực phẩm để tách các chất ra khỏi nguyên liệu, thu hồi và làm tinh khiết các sản phẩm chính, giảm các tạp chất. - Phân loại các quá trình truyền khối Các quá trình truyền khối được phân loại theo sự tiếp xúc pha như sau: + Khí – Lỏng * Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Pha hơi được tạo nên từ pha lỏng bằng cách bốc hơi, pha lỏng được tạo nên từ pha hơi bằng cách ngưng tụ. Cấu tử cần tách hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau. * Hấp thụ là quá trình hòa tan khí (hơi) vào trong chất lỏng, trong đó vật chất (một cấu tử hay nhiều cấu tử) di chuyển từ pha khí vào pha lỏng. Quá trình ngược lại, vật chất đi từ pha lỏng vào pha khí thì quá trình được gọi là nhả khí. Sự khác biệt chủ 79 yếu là do chiều di chuyển của vật chất. + Khí – Rắn * Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) vào chất rắn xốp. Nếu pha khí có nhiều cấu tử được hấp thu ở những mức độ khác nhau thì quá trình được gọi là hấp phụ phân đoạn. Nếu quá trình diễn ra theo chiều ngược lại gọi là giải hấp. * Sấy là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) đi từ pha rắn vào pha khí. + Lỏng – Lỏng * Trích ly lỏng – lỏng là quá trình tách chất tan trong chất lỏng bằng chất lỏng khác không tan với chất lỏng trước. + Lỏng – Rắn * Kết tinh là quá trình tách chất rắn hòa tan trong dung dịch ra khỏi dung dịch, trong đó vật chất sẽ chuyển từ pha lỏng vào pha rắn. * Trích ly rắn – lỏng là quá trình tách chất tan trong chất rắn bằng dung môi. Vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng. Nếu quá trình xảy ra theo chiều ngược lại thì gọi là hấp phụ trong chất lỏng. - Biểu diễn thành phần pha Ký hiệu: Φx – pha lỏng Φy – pha hơi Gx – khối lượng pha Φx , kg Gy – khối lượng pha Φy , kg nx – số mol của pha Φx , kmol ny – số mol của pha Φy , kmol gk – khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx , kg g’k – khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy , kg nk – số mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx , kmol n’k – số mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy , kmol yk: nồng độ phần mol của cấu tử bất kỳ trong pha Φy xk: nồng độ phần mol của cấu tử bất kỳ trong pha Φx : phần khối lượng của cấu tử bất kỳ trong pha Φx ȳ : phần khối lượng của cấu tử bất kỳ trong pha Φy Bảng 2.6. Công thức tính các loại nồng độ của các pha Pha lỏng Pha khí Phần khối lượng kk gy Gy ′ = 80 Phần mol k k y ny n ′ = Phần trăm khối lượng .100%k ka x= .100%k ka y′ = Tính phần mol khi biết phần khối lượng, phần trăm khối lượng 1 1 k k k k k i m i m i i i ii i x a M Mx x a M M = = = = = = ∑ ∑ 1 1 k k k k k i m i m i i i ii i y a M My y a M M = = = = ′ = = ∑ ∑ Tính phần khối lượng khi biết phần mol 1 k k k i m i i i x Mx M x = = = ∑ 1 k k k i m i i i y My y M = = = ∑ Trong các quá trình nêu trên, ta nói vật chất di chuyển từ pha này đến pha kia là căn cứ trên kết quả cuối cùng của quá trình còn thực sự thì vật chất luôn di chuyển thuận nghịch chứ không theo một chiều duy nhất. Ngoài các quá trình tách cấu tử nêu trên, còn có thể thực hiện bằng các kỹ thuật khác như màng thẩm thấu ngược, ứng dụng hiện tượng bề mặt. Tác nhân của quá trình phân riêng trong chưng cất, sấy, cô đặc là nhiệt; trong trích ly là dung môi; trong hấp phụ là chất hấp phụ; trong quá trình phân riêng bằng màng đó là vật liệu làm màng. 7.2. Khuếch tán 7.2.1. Định nghĩa Khuếch tán là sự chuyển động của một cấu tử riêng biệt qua hỗn hợp dưới tác dụng của một kích thích vật lý. Nguyên nhân thông thường nhất của khuếch tán là gradient nồng độ của các cấu tử khuếch tán. Gradient nồng độ có khuynh hướng di chuyển cấu tử theo chiều sao cho cân bằng được nồng độ và triệt tiêu gradient. Khi hai pha tiếp xúc với nhau, do cản trở của pha này đối với pha kia, nghĩa là do sự ma sát giữa chúng mà trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng. Chế độ chuyển động trong màng và trong nhân của dòng có sự khác nhau. ở trong màng có sự chuyển động dòng còn trong nhân của pha có sự chuyển động xoáy. Quá trình di chuyển vật chất qua màng là quá trình khuếch tán phân tử. Ở nhân của pha, sự di chuyển vật chất nhờ sự khuếch tán đối lưu. Vận tốc khuếch tán qua màng rất chậm so với vận tốc khuếch tán trong nhân. Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc vào vận tốc khuếch tán trong màng. 7.2.2. Các dạng khuếch tán - Khuếch tán phân tử Khuếch tán phân tử là quá trình khuếch tán xảy ra khi vật chất truyền từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp, xảy ra trong lớp màng hay trong môi trường đứng yên ở chế độ chuyển động dòng Động lực của quá trình khuếch tán là gradien nồng độ, tức là sự biến thiên 81 nồng độ trên một đơn vị chiều dài theo phương khuếch tán ( dC dx ). Vận tốc khuếch tán là lượng vật chất đi qua một đơn vị diện tích bề mặt thẳng góc với phương khuếch tán trong một đơn vị thời gian ( dG Fdτ ) Định luật khuếch tán Fick: vận tốc khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ: (2.89) Trong đó: F – diện tích bề mặt thẳng góc với phương khuếch tán, m2 τ - thời gian, s dấu trừ (-) chỉ quá trình khuếch tán xảy ra theo chiều giảm nồng độ G – lượng vật chất khuếch tán, kg D - hệ số khuếch tán, có đơn vị là m2/s Hệ số khuếch tán là lượng vật chất đi qua một đơn vị diện tích bề mặt thẳng góc với phương khuếch tán trong một đơn vị thời gian khi nồng độ vật chất giảm một đơn vị trên một đơn vị chiều dài theo phương khuếch tán. Hệ số khuếch tán của một chất nào đó là đặc trưng lý học của chất đó và môi trường xung quanh (nhiệt độ, áp suất, nồng độ, dung dịch lỏng, khí hay rắn và bản chất của các cấu tử khác), đặc trưng cho tính chất khuếch tán của chất đó trong môi trường. Hệ số khuếch tán của cấu tử A vào trong cấu tử B hay ngược lại cấu tử B vào trong cấu tử A là như nhau. Khuếch tán phân tử quyết định tốc độ cho cả quá trình khuếch tán - Khuếch tán đối lưu Xảy ra trong nhân pha là nhờ sự xáo trộn của các phân tử trong dòng, ở chế độ chuyển động xoáy. Khuếch tán đối lưu xảy ra trong môi trường lỏng có chuyển động. Vật chất khuếch tán vào môi trường chuyển động không chỉ nhờ vào khuếch tán phân tử mà còn nhờ vào sự chuyển động của các pha. 7.2.3. Động lực khuếch tán: Quá trình truyền chất giữa các pha xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha khác nhau. Hiệu giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng gọi là động lực khuếch tán hay động lực truyền chất. Động lực khếch tán có thể tính theo nồng độ pha Φx hay nồng độ pha Φy Nếu tính theo nồng độ pha Φx, ta có động lực là: Δy = ycb – y hay Δy = y - ycb Nếu tính theo nồng độ pha Φy, ta có động lực là: Δx = xcb – x hay Δx = x – xcb Đối với bất cứ một quá trình truyền chất nào qua một tiết diện bất kỳ đều có thể biểu diễn nồng độ bằng đồ thị (hình 2.21) 82 Chất phân bố sẽ đi vào pha nào có nồng độ làm việc thấp hơn nồng độ cân bằng. Ở đồ thị 2.21a,b vật chất đi từ pha Φx vào pha Φy. Ở đồ thị 2.21c,d vật chất đi từ pha Φy vào pha Φx Động lực của quá trình thay đổi từ đầu đến cuối nên trong tính toán phải dùng động lực trung bình của quá trình. ∆ y ∆ x (a) (b) ∆ y∆ x (c) (d) Hình 2.21. Biểu diễn động lực của quá trình truyền chất Gọi Δytb, Δxtb – Động lực trung bình của quá trình truyền chất. (2.90) Lượng vật chất chuyển qua màng Φy trong thời gian τ là: G = kyτFΔytb (2.91) Trong thời gian đó, lượng vật chất chuyển qua màng Φx trong thời gian τ là: G = kxτFΔxtb (2.92) Trong đó: ky, kx : hệ số khuếch tán của trong pha Φy, Φx τ – thời gian khuếch tán, s F – bề mặt khuếch tán, m2 7.3. Cân bằng pha 7.3.1. Khái niệm về cân bằng pha Giả sử chỉ có 2 pha Φx và Φy tiếp xúc với nhau, cấu tử phân bố trong chúng là 83 M, lúc đầu M chỉ có trong pha Φy với nồng độ là yM, còn trong pha Φx không có M, nghĩa là xM = 0. Khi tiếp xúc pha thì M sẽ di chuyển từ pha Φy vào pha Φx. Vì quá trình truyền chất là thuận nghịch nên khi trong pha Φx xuất hiện cấu tử M thì lập tức có quá trình di chuyển cấu tử M ngược lại. Tuy nhiên, vận tốc di chuyển của cấu tử M từ pha Φy vào pha Φx lớn hơn vận tốc di chuyển của cấu tử M từ pha Φx vào pha Φy. Quá trình di chuyển như vậy thực hiện cho đến khi đạt được cân bằng động, tức là vận tốc theo chiều thuận và vận tốc theo chiều nghịch bằng nhau. Lúc đó nồng độ cấu tử M trong pha Φx đạt đến nồng độ cân bằng (nồng độ cân bằng là nồng độ lớn nhất của cấu tử M mà pha Φx có thể chứa được tại một điều kiện nhất định). Gọi xcb là nồng độ cân bằng của cấu tử M trong pha Φx, ta có sự liên hệ giữa nồng độ cân bằng xcb và nồng độ yM như sau: xcb = f(yM) Trong trường hợp tổng quát, quan hệ giữa nồng độ cân bằng và nồng độ chất phân bố trong mỗi pha biểu thị như sau: ycb = f1(x) xcb = f2(y) Nếu như yM < ycb thì vật chất M di chuyển từ pha Φx vào pha Φy Nếu như yM > ycb thì vật chất M di chuyển từ pha Φy vào pha Φx 7.3.2 Các định luật cân bằng pha - Định luật Henry Đối với dung dịch lý tưởng, áp suất riêng phần của khí trên chất lỏng tỉ lệ thuận với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch; được xác định theo công thức: p = ψ.x (2.93) Trong đó: p - áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí Ψ - hệ số Henry, phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của khí, lỏng. Khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng. x - phần mol của cấu tử trong pha lỏng Đối với khí lý tưởng thì phương trình trên được biểu thị là đường thẳng. Đối với khí thực thì hệ số Hăng ri ψ còn phụ thuộc vào nồng độ và đường biễu diễn là đường cong. Khi nồng độ x nhỏ thì đường biễu diễn là đường thẳng. Mặt khác, nếu ycb là nồng độ cân bằng của cấu tử trong hỗn hợp khí và áp suất chung của hỗn hợp là P thì áp suất riêng phần của khí có thể xác định theo phương trình sau: p = P.ycb (2.94) Kết hợp hai phương trình (2.92) và (2.93), ta có: x P ycb Ψ = 84 Đặt P m Ψ= , ta được: ycb= m.x (2.95) m gọi là hằng số cân bằng, không có đơn vị, có giá trị không đổi cho một hệ lỏng – khí ở nhiệt độ không đổi và áp suất không đổi. Đường biểu diễn của phương trình (2.94) gọi là đường cân bằng, biểu diễn sự liên hệ giữa nồng độ cân bằng trong pha khí và nồng độ trong dung dịch. Đối với dung dịch lý tưởng thì đường cân bằng là đường thẳng. Trong trường hợp chung thì đường cân bằng là đường cong và có dạng ycb = f(x) Định luật Henry chỉ đúng với chất khí. - Định luật Raoult Áp suất riêng phần của một cấu tử trên dung dịch bằng với áp suất hơi bão hoà của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó trong dung dịch p= Pk.x (2.96) Trong đó p: áp suất hơi riêng phần của cấu tử trong hỗn hợp hơi Pk: áp suất hơi bão hoà của cấu tử ở cùng nhiệt độ x: nồng độ cấu tử trong dung dịch. Theo định luật Henry thì p = P.ycb nên ta có Pkx = P.ycb (2.97) x P Py kcb =⇒ (2.98) Nếu một hệ gồm hai cấu tử, theo định luật Dalton ta có áp suất chung P = pA + pB Hay P=PAx + PB(1-x) (2.99) Trong đó PA, PB là ấp suất hơi bão hoà của cấu tử A, B Thay P vào phương trình (2.97), ta có )1.(. . xPxP xPy BA A cb −+ =⇒ (2.100) Đặt B A P P =α là độ bay hơi tương đối của cấu tử A trong hỗn hợp Khi đó, ta có )1.(1 −+ = α α x xycb (2.101) Phương trình (2.100) gọi là phương trình cân bằng và đường biễu diễn của nó 85 gọi là đường cân bằng. Phương trình này đúng với dung dịch lý tưởng. Đối với dung dịch thực thì phải xác định bằng thực nghiệm. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày các tính chất vật lý, cấu trúc và cảm quan của thực phẩm 2. Cân bằng vật liệu dựa trên cơ sở nào và nêu các dạng phương trình cân bằng vật liệu 3. Cân bằng năng lượng dựa trên cơ sở nào, viết phương trình tổng quát cân bằng năng lượng 4. Định nghĩa chất lỏng, các tính chất đặc trưng của chất lỏng 5. Thế nào là áp suất thủy tĩnh, các tính chất của áp suất thủy tĩnh 6. Thế nào là áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất dư 7. Phát biểu và viết phương trình cơ bản của tĩnh lực học chất lỏng 8. Nêu các ứng dụng của phương trình cơ bản thủy tĩnh học 9. Hoàn thành bảng sau, liên hệ giữa độ sâu và áp suất. Áp suất trên bề mặt ở cột thứ tư là chỉ áp suất trên bề mặt chất lỏng. 10. Một tank chứa sữa có dung tích 500.000 lít. Sữa chảy vào tank qua một ống có đường kính 0,05m, tốc độ chảy 3 m/s. Đồng thời sữa cũng được tháo ra với tốc độ chảy 2,5 m/s, qua ống có đường kính 0,06m. Hỏi có bao nhiêu sữa trong tank sau một giờ? 11. Phát biểu và nêu phương trình Bernoulli 12. Các chế độ chuyển động của chất lỏng và xác định chế độ chuyển động của chất lỏng theo số Reynolds 13. Táo có nhiệt dung riêng của 3,60 kJ/kgK. Hỏi bao nhiêu nhiệt cần phải được lấy đi nhiệt để làm nguội 10 kg táo từ 30°C xuống đến 4°C ? 14. Bao nhiêu kg nước đá cần dùng để làm mát 1000 kg táo từ 20°C xuống đến 0°C 86 nếu chỉ dùng nhiệt ẩn nóng chẩy của nước đá để làm mát? 15. Cân bằng pha là gì, các định luật về cân bằng pha 16. Cần dùng bao nhiệt sữa khô để thêm vào 100 kg dung dịch nước đường 20% để làm tăng nồng độ của dung dịch lên 50%? 17. Nước cam tươi chứa 12 % chất khô được nâng lên đến nồng độ 60% trong hệ thống bốc hơi đa hiệu. Để tăng chất lượng thành phẩm, nước cam sau khi cô đặc được phối trộn với một số nước cam tươi để thành hỗn hợp có nồng độ 42%. Tính lượng nước hỗn hợp đã tách ra trong hệ thống bốc hơi và tính lượng nước cam tươi cần thêm vào nươc cam sau khi cô đặc. Cho biết lưu lượng nguyên liệu đi vào hệ thống bốc hơi ban đầu là 1000kg/h và nguyên liệu vào thiết bị bốc hơi dòng nguyên liệu ở trạng thái ổn định. 18. Cần bao nhiêu dung dịch đường 10% phải đưa vào hệ thống bốc hơi để có được 10.000kg/h sản phẩm có nồng độ 65%? 19. Cần bao nhiêu nước để thêm vào 200 kg nước quả cô đặc có nồng độ 65% để thành nước quả có nồng độ 12% chất khô? 20. Một loại thực phẩm được sấy khô trong máy sấy bằng không khí. Thực phẩm trước khi sấy có hàm lượng nước là 0,8 kg nước/kg nguyên liêu; sau khi sấy chứa 0,2 nước/kg sản phẩm. Không khí vào máy sấy có hàm lượng nước là 0,1 kg nước/kg KKK (không khí khô),; không khí sau khi ra khỏi máy sấy có hàm lượng nước là 0,2 kg nước/kg KKK. Không khí và thực phẩm chuyển động ngược chiều nhau. Cho biết lưu lượng của nguyên liệu vào máy sấy là 100 kg/h, hãy xác định lưu lượng không khí phải cung cấp là bao nhiêu để làm bay hơi nước trong thực phẩm để đạt độ ẩm yêu cầu. 21. Dung dịch sữa đi vào thiết bị gia nhiệt với lưu lượng 1000 kg/h. Nhiệt độ của sữa lúc vào 45oC và lúc ra là 72oC. Chất tải nhiệt nóng là nước, nhiệt độ lúc vào là 90oC, lúc ra khỏi thiết bị gia nhiệt là 75oC. Tính toán lưu lượng nước nóng cần dùng cho quá trình trao đổi nhiệt nếu nhiệt tốn thất ra môi trường là 1 kW, nhiệt dung riêng của nước là 4,2 kJ/kg.oC và của sữa là 3,9 kJ/kg.oC. 22. Hơi nước bão hòa ở 150oC chuyển động trong ống thép, đường kính trong là D=4,925 cm; tốc độ trung bình của hơi nước bão hòa là 10 m/s. Tính lưu lượng hơi nước bão hòa, cho biết thể tích riêng hơi nước bão hòa ở 150oC là 0,3928 m3/kg. 23. Tính số Reynolds của một dung dịch có lưu lượng 5 m3/h chảy trong ống có đường kính trong 4,925 cm; độ nhớt 1cp và khối lượng riêng là 0,998 g/ml. Với chất lỏng đó, hãy tính lưu lượng chất lỏng chảy trong ống để có được dòng chảy ở chế độ chảy dòng. 24. Tính toán vận tốc vận tốc trung bình của chất lỏ ng chảy trong ống 0,04089 m nằm ngang với lưu lượng 0,0003 m3/s. Khối lượng riêng chất lỏng 988 kg/m3 và độ nhớt 0,005 Pa.s. Chất lỏng chảy rối hay chảy tầng. 25. Xác định đường kính ống truyền nhiệt dùng trong thanh trùng nước quả. Nước cam có độ nhớt 0,375 Pa.s, khối lượng riêng 1005 kg/m3. Lưu lượng chất lỏng chảy trong 87 ống là 0,000066 m3/s chảy với Re =2000. 26. Tính lượng nhiệt truyền qua cửa số bằng kính có diện tích 3 m2, dày 5 mm. Cho biết nhiệt độ ở hai phía bề mặt của cửa tấm kính là 14oC và 15oC, độ dẫn nhiệt của kính là 0,7 W/m.oC, quá trình nhiệt là ổn định. 27. Một căn phòng dài 20m, rộng 8m, cao 2,5m có vách tường bằng gạch dầy 20cm. Nhiệt độ trung bình ngoài trời là 320C và trong phòng là 250C. Hệ số dẫn nhiệt của gạch là 0,25W/m.oC. Tính lượng nhiệt truyền qua vách từ 8 giờ sáng đến 5 giờ chiều? 28. Tường lò có 2 lớp. Lớp gạch chịu lửa có độ dày 500mm, lớp gạch xây dựng có độ dày 250mm. Nhiệt độ bên trong của lò là 13000C, nhiệt độ xung quanh phòng là 250C. a) Xác định nhiệt tổn thất từ bề mặt tường. b) Nhiệt độ tại vùng tiếp xúc giữa gạch chịu lửa và gạch xây dựng. Hệ số cấp nhiệt từ khí trong lò đến tường α1 = 30W/m2C. Hệ số cấp nhiệt từ tường đến không khí môi trường α2 = 14W/m2C. Hệ số dẫn nhiệt của gạch chịu lửa λ1 = 1 W/m0C. Hệ số dẫn nhiệt của gạch xây dựng λ2 = 0,5 W/m0C. 29. Nước cam được thanh trùng trong bộ trao đổi nhiệt hoạt động theo 2 sơ đồ ngược chiều và xuôi chiều. Hơi nước để gia nhiệt cho nước cam có nhiệt độ vào là 1100C và nhiệt độ ra là 1000C. Nhiệt độ nước cam tăng từ 300C đến 900C. Tính sự hiệu số nhiệt độ trong trường hợp xuôi chiều và ngược chiều và so sánh 2 trường hợp trên. Nước ở 20°C được gia nhiệt đến 80°C bằng sự ngưng tụ củahơi nước. Hơi bão hòa có nhiệt độ 200°C. Hãy tính nhiệt dộ trung bình. 88 MỤC LỤC PHẦN I. NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG ........................................................................... 12 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM .................................................. 12 1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 12 1.1. Khái niệm về kỹ thuật và công nghệ .............................................................................. 12 1.2. Phân loại các phương pháp công nghệ ........................................................................... 13 1.3. Phân loại các quá trình công nghệ ................................................................................. 16 1.4. Khái niệm công nghệ gia công và công nghệ chế biến ................................................... 17 2. CÁC CHÚ Ý VỀ TRANG THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM 17 3. TỔ CHỨC KINH TẾ TRONG KỸ THUẬT THỰC PHẨM 18 3.1. Sức lao động ................................................................................................................. 18 3.2. Đối tượng lao động........................................................................................................ 18 3.3. Công cụ lao động .......................................................................................................... 19 4. ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN 19 4.1. Định nghĩa thuật ngữ ..................................................................................................... 19 4.2. Các hệ thống đo lường .................................................................................................. 19 4.3. Hệ SI ............................................................................................................................. 20 Chương 2. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM ............................ 24 1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA THỰC PHẨM 24 1.1. Tính chất vật lý ............................................................................................................. 24 1.2. Tính chất nhiệt .............................................................................................................. 25 1.3. Tính chất cảm quan ....................................................................................................... 26 2. SỰ THAY ĐỔI GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG CỦA THỰC PHẨM 27 3. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 27 3.1. Định luật bảo toàn khối lượng ....................................................................................... 27 3.2. Phương trình cân bằng khối lượng ................................................................................. 28 4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 29 4.1. Định luật bảo toàn năng lượng ....................................................................................... 29 4.2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng ................................................................................ 29 5. CƠ HỌC CHẤT LỎNG 29 5.1. Chất lỏng và đặc tính của chất lỏng ............................................................................... 29 5.2. Thủy tĩnh học ................................................................................................................ 33 5.3. Thủy động học .............................................................................................................. 37 5.4. Sự chuyển động của chất lỏng qua lớp hạt ..................................................................... 43 5.5. Bơm chất lỏng ............................................................................................................... 46 5.6. Máy nén ........................................................................................................................ 57 5.7. Quạt .............................................................................................................................. 58 6. SỰ TRUYỀN NHIỆT 63 6.1. Các phương thức truyền nhiệt ........................................................................................ 63 6.2. Các quá trình truyền nhiệt ............................................................................................. 69 6.3. Nguồn nhiệt và các phương pháp đun nóng trong chế biến thực phẩm ........................... 75 6.4. Các phương pháp làm nguội .......................................................................................... 77 6.5. Các phương pháp ngưng tụ ............................................................................................ 78 7. SỰ TRUYỀN CHẤT (CHUYỂN KHỐI) TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 79 7.1. Khái niệm chung ........................................................................................................... 79 7.2. Khuếch tán .................................................................................................................... 81 7.3. Cân bằng pha ................................................................................................................ 83 89