Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của thực phẩm trong bảo quản

nhiễm bẩn nặng hay nhẹ Các yếu tố khác như chất đạm , đường hoàn nguyên trong thực phẩm có tác dụng bảo vệ sinh vật CO2 , độ ẩm cao , nhiệt độ cao là các yếu tố giúp cho việc diệt khuẩn bằng phóng xạ có hiệu quả hơn Ảnh hưởng của tia phóng xạ đối với thực phẩm : Nếu dùng liều lượng tia bức xạ cao thì làm thực phẩm bị biến đổi đó là đối với vi khuẩn còn đối với men liều diệt còn lớn hơn nhiều so với vi khuẩn từ 5 đến 20 lần *Phương pháp sử dụng khí ozon để bảo quản : Phương pháp này dựa vào tính chất oxy hoá mạnh của ôzôn có thể làm ngừng hẳn hoặc làm chậm sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc cũng như các bào tử của nó trên bề mặt sản phẩm . Sự phát triển của khuẩn sẽ ngừng lại khi nồng độ của ozon trong không khí là 2 mg/ m3 .Khi nồng độ ozon cao đến 10 mg/ m3 sự phát triển của mốc giảm xuống từ 1,5 -2 lần so với khi chúng phát triển trong không khí .Tác dụng của ozon phụ thuộc vào loại vi sinh vật và hàm lượng của nó , nhiệt độ và độ ẩm của không khí và thời gian tác dụng . Dùng ozon tiêu diệt khuẩn , nấm vào những bào tử của chúng nhanh hơn so với khi dùng nhiệt độ thấp .Khi độ ẩm tương đối của không khí trong phòng bảo quản giảm xuống thì tác dụng của ozon đến các vi sinh vật yếu đi Hiệu quả tốt nhất là khi dùng ozon để bảo quản thịt với nồng độ 10 mg/ m3 vào ozon hoá 3 giờ 1 ngày trong 3 - 4 ngày đầu tiên . Trong những thời gian tiếp theo tiến hành ozon hoá phòng bảo quản 3 giờ 1 ngày với nồng độ của ozon 3 mg/ m3 . Theo các công trình nghiên cứu thì ozon hoá phòng bảo quản thời gian bảo quản thịt ướp lạnh có thể tăng lên 25 - 50 lần so với việc bảo quản bình thường .Ngoài ra còn khử mùi lạ trong phòng ngay khi nồng độ không quá cao . Khi nồng độ ozon quá cao thì nó sẽ làm thịt có mầu tối nếu tăng lên mãi thì đến một lúc nào đó thì mỡ sẽ bị oxy hoá . Do vậy để giữ được giá trị dinh dưỡng của thịt khi bảo quản thịt người ta không ozon hoá không khí trong phòng bằng ozon có nồng độ vượt quá 2 mg/ m3 1.2.3 Cách bảo quản một số thực phẩm : a. Bảo quản thịt : Bảo quản thịt có nhiều phương pháp nhưng trong thương nghiệp thường dùng bảo quản lạnh và ướp muôí * Bảo quản lạnh : - Bảo quản lạnh là một trong những phương pháp tốt nhất vì nhiệt độ thấp 00C đến 40C có khả năng hạn chế sự hoạt động của vi sinh vật trong thịt do đó kéo dài được thời gian bảo quản . Mặt khác khi làm lạnh nước trong thịt đông lại ở bề mặt ngoài của thịt , sẽ có tác dụng bảo vệ các lớp thịt bên trong , thường ướp lạnh bằng nước đá , bằng không khí lạnh ( phòng lạnh hoặc tủ lạnh ) Trong thời gian bảo quản lạnh các giai đoạn biến đổi vẫn xảy ra ở thịt nhưng chậm hơn vì hoạt động và men vi sinh vật bị hạn chế *Bảo quản bằng ướp muối : Muối ăn có khả năng hút nước từ tế bào sinh vật , làm cho vi sinh vật mất khả năng hoạt động Ướp muối khô- thịt trước khi đưa vào bảo quản cần phải rửa sạch hết máu , phân và bụi bẩn . Trước hêt sát lên mặt thịt một hỗn hợp 93% muối ăn còn lại là đường và diêm tiêu , sau đó xếp thịt vào chum hay các thùng gỗ , cứ một lớp thịt phủ một lớp muối thỉnh thoảng đảo lại thịt cho muối ngấm đều. Ướp muối ướp - xếp thịt vào chum , vại rồi đổ ngâm thịt bằng dung dịch chứa 14%- 15% muối , 0,5% diêm tiêu giữ trong 20 ngày đến một tháng Cách này làm cho muối ngấm vào thịt đều hơn cách ướp khô , nhưng chất dinh dưỡng bị hao hụt nhiều hơn . Để tăng nhanh quá trình ướp trước khi ngâm thịt vào dung dịch muối Ướp muối phối hợp khô và ướt : Trước hết tiêm dung dịch muối , đường và diêm tiêu vào giữa súc thịt , sau đó xoa lên mặt thịt hỗn hợp muối ăn diêm tiêu và đường rồi xếp vào chum vại hay thùng gỗ để 6 đến 20 ngày b. Bảo quản cá : * Bảo quản cá sống : Cá sống có giá trị dinh dưỡng cao từ thành phần hoá học chưa bị biến đổi đêm chế biến món ăn có chất lượng tốt , hương vị thơm ngon , do đó các cửa hàng ăn uống khách sạn trong và ngoài nghành thương nghiệp nên tiến hành bảo quản cá sống Dùng bể xi măng để thả cá , để sống được lâu cần cung cấp đủ lượng ôxy bằng cách thay nước sạch thường xuyên với khối lượng đầy đủ * Muối cá : Muối khô : chọn cá tươi có kích thước đều mổ bỏ ruột rửa sạch để ráo nước dùng chum , bể xi măng , cọ rửa sạch sẽ để chứa đựng . Dùng muối sạch nghiền nhỏ để ướp cứ một lớp cá cho một lớp muối Muối ướt : Dung dịch nước muối bão hoà cho cá vào ngâm đậy vỉ , nén chặt để cá khỏi nổi lên . Phương pháp này dùng trong trường hợp bảo quản ngắn ngày để đem hun khói , làm đồ hộp ... * Làm khô cá : -Phơi nắng : rải đều cá trong nong hoặc sàn xi măng để phơi nắng cứ khoảng 2 - 3 giờ lật đảo một lần . Loại cá to thì cần ướp trước rồi treo từng con phơi khi đưa vào nhà để rải tránh hiện tượng cá hấp hơi, bốc nóng Sấy cá : dùng lò than có nhiều ngăn , xếp lên từng ngăn để sấy , nhiệt độ lò nung từ (0-70)0C thường xuyên thay đổi vị trí để cá khô đều Bảo quản cá khô : Dùng giấy xi măng sạch , lá chuối khô các loại này lót trong sọt tre , hòm gỗ , bao tải ... để đựng cá , vì các bao bì này có khả năng cách ẩm tốt .Trước khi phơi rửa sạch cá bằng nước phèn có nồng độ 0,5 g/lít ). Phần này tham khảo sách “Tổng luận các phương pháp bảo quản thực phẩm”[4] PHẦN 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA Hiện nay trong công nghiệp thực phẩm , trong nghành công nghiệp dược ... các hệ thống sấy đóng vai trò rất quan trọng nhất là việc bảo quản hay chế biến thực phẩm . Hệ thống sấy thăng hoa cũng là một trong những hệ thống sấy được dùng khá phổ biến mặc dù trong hệ thống sấy thăng hoa có chi phí cho mỗi sản phẩm khá cao . Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa . Như vậy để tạo ra quá trình sấy thăng hoa vật liệu sấy phải được làm lạnh dưới điểm 3 thể . Từ đó vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ dạng rắn trực tiếp thăng hoa lên thể khí và thải vào môi trường . 2.1 . ĐỒ THỊ PHA P -T Hình biểu diễn đồ thị chuyển pha của nước trên toạ độ p-t: p lỏng rắn O khí F D E B t Hình trên biểu diễn đồ thị chuyển pha của hơi nước trên toạ độ p - t . Điểm O gọi là điểm ba thể , ở đó nước tồn tại đồng thời ba thể ,rắn , lỏng , hơi . Nhiệt độ và áp suất điểm ba thể tương ứng bằng t = 0,00980C và p = 4,6mmHg Đồ thị trên biểu diễn các đường như sau Đường BO biểu diễn ranh giới giữa các pha rắn và pha hơi Tương tự đường OK là ranh giới giữa pha lỏng và khí Điểm K gọi là điểm giới hạn ở đó nhiệt ẩn hoá hơi có thể xem bằng không. Nếu ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng băng ở điểm F như ở đồ thị trên được đốt nóng đẳng áp đến nhiệt độ tD tương ứng với điểm D thì nước có thể rắn sẽ thực hiện quá trình thăng hoa DE . Cũng từ hình trên có thể thấy rằng áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của nước càng bé . Do đó khi cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì nhiệt độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và vật liệu sấy càng tăng . Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ưu điểm của sấy thăng hoa so với sấy chân không bình thường . 2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA: Quá trình sấy thăng hoa được chia làm 3 giai đoạn : * Giai đoạn làm lạnh : Trong giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 200C xuống nhiệt độ -100C đến -150C . Đồng thời trong giai đoạn này không gian bình thăng hoa được hút chân không bởi bơm chân không do vậy áp suất trong bình thăng hoa giảm . Do áp suất giảm nên phân áp suất hơi nước trong bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất hơi nước trong lòng vật liệu sấy . Điều đó dẫn đến hiện tượng thoát ẩm từ vật liệu sấy vào không gian bình thăng hoa . Như vậy kết thúc giai đoạn làm lạnh nhiệt độ của vật liệu sấy nhỏ hơn nhiệt độ điểm 3 thể , áp suất trong bình thăng hoa cũng nhỏ hơn áp suất điểm ba thể . Theo số liệu thực nghiệm có khoảng 15% đến 20% toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy trong giai đoạn này * Gai đoạn thăng hoa : Trong giai đoạn này nhờ dòng nhiệt chủ yếu là bức xạ nhiệt từ các tấm bức xạ nước trong vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt . Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh gần như tuyến tính . Như vậy , giai đoạn thăng hoa có thể xem là giai đoạn có tốc độ sấy không đổi . Phần lớn nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa . Do đó nhiệt độ vật liệu sấy mới dần dần tăng từ -100C đến -150C lên 00C . Đến đây quá trình thăng hoa kết thúc . * Giai đoạn bốc ẩm còn lại : Sau giai đoạn thăng hoa do trạng thái của nước trong vật liệu sấy nằm trong điểm 3 thể nên ẩm trong vật liệu sấy trở về dạng lỏng . Vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn được gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa . Như vậy giai đoạn bốc ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình thường Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với quá trình dịch chuyển ẩm trong các hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển . Khi thăng hoa các phần tử nước không va chạm nhau . Nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ưu điểm rất lớn là bảo đảm được chất lượng sinh học của sản phẩm sấy . Nhược điểm lớn nhất của hệ thống sấy thăng hoa là chi phí sấy của một kg sản phẩm rất cao , hệ thống phức tạp , cồng kềnh , phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh . Do đó vận hành phức tạp và đòi hỏi công nhân có trình độ cao . PHẦN 3 . TÍNH TOÁN NHIỆT CHO QUÁ TRÌNH SẤY Trong quá trình tính toán và thiết kế hệ thống sấy , phần tính toán nhiệt cho quá trình sấy là một phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế . Sau khi tính toán nhiệt chúng ta mới tính toán và chọn các thiết bị cần thiết cho hệ thống sấy như máy lạnh , bơm chân không , tính kích thước bình thăng hoa , bình ngưng tụ ẩm và các thiết bị khác ... Các thông số ban đầu của vật liệu sấy : - Vật liệu ẩm có độ ẩm tuyệt đối : Độ ẩm của thịt trước quá trình sấy là : = 400 % Độ ẩm của thịt sau quá trình sấy là : = 7 % - Khối lượng vật liệu sấy vào hệ thống sấy trong một mẻ G1 = 100 kg/ mẻ - Thời gian sấy t= 12 h - Thời gian đưa vật liệu sấy vào và ra khỏi bình thăng hoa t'= 14h - Thời gian và khối lượng ẩm cần bốc trong từng giai đoạn : + Quá trình làm lạnh : Thời gian trong giai đoạn làm lạnh là : t= 1,5 h Phần trăm khối lượng ẩm bốc hơi trong quá trình làm lạnh là 15% + Quá trình thăng hoa : Thời gian trong giai đoạn thăng hoa là : t= 7,5h Phần trăm khối lượng ẩm bốc hơi trong quá trình thăng hoa là 65% + Quá trình thải ẩm dư : Thời gian trong giai đoạn thải ẩm dư là: t= 3 h Phần trăm khối lượng ẩm bốc hơi trong qúa trình thải ẩm dư là 20% - Nhiệt độ thăng hoa là tth = -100C - Nhiệt độ môi trường là tmt = 20 0C 3.1.TÍNH TOÁN LƯỢNG ẨM CẦN THIẾT CHO TỪNG GIAI ĐOẠN TRONG QUÁ TRÌNH SẤY Khối lượng ẩm cần bốc hơi cho cả quá trình sấy : Ta có công thức tính khối lượng ẩm theo công thức sau : Theo công thức ( 7-7 )sách tính toán và thiết kế hệ thống sấy [1] Ga = G1 Trong đó : W: là khối lượng ẩm cần bốc hơi cho cả quá trình sấy : là độ ẩm tuyệt đối trước quá trình sấy : là độ ẩm tuyệt đối sau quá trình sấy G1 : khối lượng vật liệu sấy vào hệ thống sấy trong một mẻ Thay giá trị bằng số vào ta được : Ga = 100 =78,6 kg/mẻ 3.1.1. Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn làm lạnh trong một giờ : Ta có công thức sau: W1 = , kg/h Trong đó : Wa1 : lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn làm lạnh W1: lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn làm lạnh trong một giờ :Thời gian cần bốc ẩm trong giai đoạn làm lạnh Ta có trong giai đoạn làm lạnh với phần trăm khối lượng là 15% nên ta có Wa1 = 78,6 . 15% = 11,79 kg Thay số vào ta được : W1 = = 7,86 kg/h 3.1.2.Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn thăng hoa : Tương tự ta có công thức sau: W2 = , kg/h Trong đó : Wa2: lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn thăng hoa W2: lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn thăng hoa trong một giờ :Thời gian cần bốc ẩm trong giai đoạn thăng hoa Ta có trong giai đoạn làm lạnh với phần trăm khối lượng là 65% nên ta có Wa2 = 78,6 . 65% = 51,1 kg Thay số vào ta được : W2 = = 6,81 kg/h 3.1.3.Tính toán lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn bốc hơi ẩm dư: Tương tự ta có công thức sau: W3 = , kg/h Trong đó : Wa3 : lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn bốc hơi ẩm dư W3: lượng ẩm cần bốc hơi cho giai đoạn bốc hơi ẩm dư trong một giờ :Thời gian cần bốc ẩm trong giai đoạn thăng hoa Ta có trong giai đoạn thăng hoa với phần trăm khối lượng là 20% nên ta có Wa3 = 78,6 . 20% = 15,72 kg Thay số vào ta được : W3 = = 5,24 kg/h 3.2.TÍNH TOÁN NHIỆT CHO QUÁ TRÌNH SẤY: 3.2.1.Tính toán nhiệt bình thăng hoa: Khác với các thiết bị sấy khác , trong bình thăng hoa không có tổn thất nhiệt do : -Thiết bị truyền tải nên Qct = 0, kJ - Tổn thất ra môi trường Qmt = 0, kJ -Tổn thất do tác nhân sấy mang đi Qtns = 0, kJ Như vậy nhiệt lượng tiêu hao trong hệ thống sấy thăng hoa gồm: - Nhiệt lượng cần làm lạnh vật liệu sấy từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ thăng hoa Q1 - Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy thăng hoa Qth - Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi ẩm còn lại sau thăng hoa Qd -Nhiệt lượng vật lý để đưa vật liệu sấy từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ thăng hoa là Q' - Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình đông đặc Q'' Từ đó ta thấy phương trình cân bằng nhiệt cho hệ thống sấy thăng hoa theo công thức ( 15-1 ) [1] : Q = (Q1+ Qth) + Qd - ( Q' + Q'') (kJ) Ta thấy về mặt giá trị tuyệt đối ta có Q1 = Q' + Q'' (kJ) Do vậy ta có : Q = Qth + Qd (kJ) 3.2.2.Nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn thăng hoa: Ta có công thức sau : Qth = qth . ( kJ) qth là nhiệt lượng cần thiết cho quá trình thăng hoa trong một giờ qth = rth . W2 (kJ/kg) rth là nhiệt ẩn thăng hoa ở nhiệt độ -100C ta lấy bằng rth = 680 kcal/ kg hay là rth = 2843,488 kJ/kg theo / 4,6,7/ Như trên ta đã tính được W2 = 6,81 kg/h Do vậy ta được : qth = 2843,488 . 6,81 = 19364,15 kJ/h là thời gian trong giai đoạn thăng hoa Thay số vào ta được nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn thăng hoa : Qth = 19364,15 . 7,5 = 145231,15 kJ 3.2.3. Nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn bay hơi ẩm dư. Ta có nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn bay hơi ẩm dư được tính như sau: Qbh = qbh . (kJ) Trong đó : qbh nhiệt lượng cần thiết để bay hơi ẩm dư trong một giờ qbh = r . W3 kJ/h Như chúng ta thấy ẩm còn lại trong giai đoạn này tồn tại dưới dạng lỏng do vậy nhiệt hoá hơi lấy r = 591 kcakl/ kg = 2471,326 kJ/kg Với W3 = 5,24 kg/h ta đã tính được ở trên qbh = 2471,326 . 5,24 = 12949,75 kJ/h thời gian cần thiết để ẩm bốc hơi trong giai đoạn bay hơi ẩm dư Do vậy ta tính được nhiệt lượng cần thiết trong giai đoạn bay hơi ẩm dư là Qd = 12949,75 . 3 = 38849,24 kJ 3.2.4. Tổng nhiệt lượng cần thiết cho cả quá trình sấy : Q = Qth + Qd kJ Thay số vào ta được Q = 145231,15 + 38849,24 = 184080,4 kJ Hay ta có q = = = 2342kJ/kg ẩm 3.3.TÍNH TOÁN NHIỆT TOẢ RA Ở BÌNH NGƯNG ĐÓNG BĂNG : Bình ngưng-đóng băng là một thiết bị trao đổi nhiệt dạng chùm ống . Phía ngoài ống là quá trình NH3 bay hơi và phía trong hỗn hợp hơi nước - không khí không những thực hiện quá trình ngưng mà còn cả quá trình đóng băng . Do đó nhiệt lượng toả ra trong bình đóng băng là : Theo công thức (15-9 ) [1] Qn = Wb {( r + rđ) + Cpa ( th - tb)} kJ/h Trong đó : Wb là lượng ẩm đóng băng, kg/h r và rđ tương ứng là nhiệt ẩn hoá hơi và nhiệt đông đặc của nước, kJ/kg Cpa là nhiệt dung riêng của hơi, kJ/kg.K t và tb tương ứng là nhiệt độ hơi và nhiệt độ băng, 0C Chọn các nhiệt độ như sau : Nhiệt độ bay hơi NH3 : tbh = -200C Nhiệt độ băng : tb = -160C Nhiệt độ môi trường : th = 20 0C Theo bảng 3 nước và hơi bão hoà [3] Nhiệt ẩn hoá hơi của nước r = 2500kJ/kg Nhiệt đông đặc của nước rđ = 333,37kJ/kg Lượng ẩm đóng băng Wb = 7,86 kg/h Thay số vào ta được nhiệt lượng toả ra trong bình đóng băng: Qn = 7,86 . { (2500 + 333,37 ) + 1,842 . ( 20+16)} = 22791,5 kJ/h hay Qn = 6,33 kW PHẦN 4. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN MÁY LẠNH CHO HỆ THỐNG SẤY Đối với hệ thống sấy thăng hoa việc chọn máy lạnh có ý nghĩa rất quan trọng vì đối với hệ thống sấy thăng hoa thì máy lạnh là thiết bị lớn nhất 4.1. CHỌN CÁC THÔNG SỐ CỦA CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 4.1.1.Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh : Môi chất lạnh trong hệ thống này ta chọn là NH3 với nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh là t0 = - 20 0C 4.1.2. Nhiệt độ ngưng tụ ở bình ngưng : Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường làm mát của thiết bị . Đối với thiết bị làm mát bằng nước thì ta có : tk = tw2 + Dtk Trong đó : tk nhiệt độ ngưng tụ tw2 nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng Dtk hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu khoảng từ 30C đến 50C Chọn nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng là 300C Vậy nhiệt độ ngưng tụ là tk = 30 +5 = 35 0C với Dtk = 50C. 4.1.3.Nhiệt độ quá lạnh tql : Ngày nay do thiết bị quá lạnh làm cho máy thêm cồng kềnh , tiêu tốn vật tư tăng , giá thành tăng mà hiệu quả đem lại không cao các máy lạnh hầu như không còn trang bị thiết bị quá lạnh 4.1.4. Nhiệt độ hơi hút th: Nhiệt độ hơi hút là nhiệt độ của hơi trước khi vào máy nén , nhiệt độ hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của môi chất lạnh Để đảm bảo máy nén hoạt động không hút phải lỏng , người ta bố trí các bình tách lỏng và phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt Với môi chất lạnh NH3 nhiệt độ hơi hút cao hơn nhiệt độ sôi từ 50 đến 100C nghĩa là độ quá nhiệt hơi hút Dtk = 50 - 150C là có thể đảm bảo độ an toàn cho máy nén làm việc th = t0 + (50 - 150C ) Do vậy ta có nhiệt độ hơi hút vào máy nén : th = -20 + 5 = - 15 0C 4.2.CHU TRÌNH MÁY LẠNH 4.2.1 Sơ đồ và chu trình biểu diễn trên sơ đồ lgp- h a. Sơ đồ hệ thống lạnh : NT TL MN BH NT : Thiết bị ngưng tụ MN: Máy nén TL : Van tiết lưu BH : Thiết bị bay hơi Nguyên lý hoạt động của hệ thống lạnh : Hơi môi chất sinh ra ở thiết bị bay hơi được máy nén hút về và nén lên áp suất cao đẩy vào bình ngưng tụ , ở bình ngưng hơi môi chất thải nhiệt cho nước và ngưng tụ thành lỏng . Lỏng có áp suất cao đi qua van tiết lưu vào bình bay hơi tại bình bay hơi lỏng môi chất sôi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp thu nhiệt của môi trường lạnh . Hơi lại được hút về máy nén , như vậy vòng tuần hoàn được khép kín b. Chu trình máy lạnh trên đồ thị lgp- h: lgP 3 2 4 h Sự thay đổi trạng thái môi chất lạnh trong chu trình như sau: 1' - 1 quá nhiệt hơi hút 1 - 2 nén đoạn nhiệt hơi hút từ áp suất thấp p0 lên áp suất pk 2 - 2' làm mát đẳng áp hơi môi chất lạnh từ trạng thái quá nhiệt xuống trạng thái bão hoà 2' - 3 ngưng tụ môi chất đẳng áp và đẳng nhiệt 3 - 4 quá trình tiết lưu đẳng entanpy ở van tiết lưu 4 - 1' quá trình bay hơi đẳng áp và đẳng nhiệt p0 = const và t0 = const 4.2.2.Xác định các thông số của chu trình máy lạnh a. Các thông số tại các điểm nút : Từ các thông số cơ bản tra đồ thị lgp-h ta được các thông số khác Nhiệt độ bay hơi: t0 = -20 0C tra đồ thị ta được : áp suất bay hơi là p0 = 0,19 MPa Entanpy h1' = 1736,4 kJ/kg Nhiệt độ quá lạnh : tqn = -15 0C tra đồ thị ta được : - áp suất ph1 = 0,19 MPa Entanpy h1 = 1742,9 kJ/kg V = 0,64 m3/kg Nhiệt độ ngưng tụ : tk = 350C tra đồ thị ta được : áp suất ngưng tụ pk = 1,35MPa Từ điểm 1 theo đường s = const giao với đường pk ta được t2 =1200C và entanpy tại điểm 2 là h2 = 2035 kJ/ kg Từ pk = const giao với đồ thị tại điểm 3 từ đó ta tìm được h3 = 408,3 kJ/kg Từ điểm 3 theo đường h = const giao với đường p0 ta tìm được h4 = 408,3 kJ/kg Từ các thông số đã tính toán được ở trên ta tính toán các thông số của máy lạnh từ đó ta có thể chọn máy lạnh sao cho phù hợp với hệ thống sấy .Đảm bảo v hoạt động của hệ thống sấy cũng như đảm bảo sao cho chi phí cho một kg sản phẩm là thấp nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng Để thuận tiện cho việc tính toán ta lập bảng các thông số dưới đây : Điểm t [0C] p [MPa] h [kJ/kg] v[ m3/kg] 1' -20 0,19 1736,4 1 -15 0,19 1742,9 0,64 2 120 1,35 2035 3 35 1,35 408,3 4 -20 0,19 408,3 b.Xác định các thông số để chọn máy lạnh : Ta có năng suất lạnh đã tính được ở trên là Q0 =6,33 kW -Năng suất lạnh riêng : Ta có công thức 7- 1 sách hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh [2] q0 = h1' - h4 , kJ/kg Thay các thông số đã tính được ta có: q0 = 1736,4 - 408,3 = 1328,1 kJ/kg - Lưu lượng môi chất qua máy nén : Theo công thức 7-7 [2] mtt = kg/s Thay các thông số vào ta được : mtt = = 0,00477 kg/s -Thể tích hút thực tế : Theo công thức 7-8 [2] Vtt = mtt . v1 m3/s Thay thông số ta được : Vtt = 0,00477 . 0,64 =0,003051m3/s -Hệ số cấp : Theo công thức 7 -13 [2] = Trong đó : Lấy p0 = pk = 0,005 - 0,01MPa m = 0,95 - 1,1 đối với máy nén NH3 c- tỷ số thể tích chết , c = 0,03 - 0,05 Ta chọn các thông số như sau : - p0 = pk = 0,01 - m = 1 - c = 0,05 Thay các thông số vào ta được : = = 0,637 - Thể tích hút lý thuyết : Theo công thức 7-15 [2] ta có Vlt = m3/s Thay các thông số ta được : Vlt = =0,004788 m3/s - Chọn máy nén pittong Nga PB5 một cấp có thể tích 0,385. 10-2 m3/ s số liệu tra theo bảng 7-6 [2] - Số lượng máy nén : Theo công thức 7-17 [2] z = = 1,24365 Do vậy ta chọn 2 máy lạnh với các thông số như sau : Số xy lanh z = 1 Vòng quay n = 24 vg/s Đường kính pittong d = 67,5 mm Dài l = 470 mm Rộng r = 330 mm Cao h = 450 mm Khối lượng G = 80 kg - Công nén đoạn nhiệt : Theo công thức 7-19 [2] Ns = mtt . l , kW Thay số vào ta được : Ns = 0,00477 . ( 2035 - 1742,9) = 1,3933 kW - Hiệu suất chỉ thị : Theo công thức 7-21 [2] Thay số vào ta được : = 0,8 - Công suất chỉ thị : Theo công thức 7-20 [2] Ni = , kW Thay các thông số vào ta được : Ni = = 1,74 kW - Công suất ma sát : Theo công thức : Nms = Vtt . pms , kW chọn pms = 0,059 MPa Do vậy ta được : Nms = 59 . 0,00305 = 0,18 kW - Công suất hữu ích : Theo công thức 7-22 [2] ta có : Ne = Ni + Nms , kW Thay số vào ta được : Ne = 1,74 + 0,18 = 1,92 kW - Công suất tiếp điện : Theo công thức 7-24 [2] ta có : Nel = , kW Hiệu suất khớp , đai ... chọn = 0,95 Hiệu suất động cơ = 0,8 - 0,95 chọn bằng = 0,9 Thay số vào ta được : Nel = = 2,2456 kW Công suất tiếp điện mỗi động cơ là : = 1,1228 kW - Nhiệt thải ở bình ngưng : Qk = Q0 + Ni , kW Thay số vào ta được : Qk = 6,33 + 1,74 = 8,07 kW 4.3. CHỌN GIÀN NGƯNG CHO MÁY LẠNH Đối với thiết bị ngưng tụ của máy lạnh thì có nhiều loại khác nhau và có kết cấu khác nhau sau đây là một số loại thiết bị ngưng tụ chính : *Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước : Bình ngưng ống vỏ nằm ngang NH3 và freôn Bình ngưng phần tử nằm ngang NH3 và freôn Bình ngưng ống vỏ NH3 * Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp ( giải nhiệt nứơc và gió ) Dàn ngưng tưới Tháp ngưng tụ ( Có quạt hay giàn ngưng tụ bay hơi ) * Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí (Giải nhiệt gió) Giàn ngưng cương bức Giàn ngưng tự nhiên Dàn ngưng kiểu tấm Trong hệ thống sấy này ta dùng môi chất NH3 ta dùng bình ngưng ống vỏ nằm ngang . Bình ngưng gồm một vỏ hình trụ , bên trong bên trong bố trí chùm ống , hai đầu có mặt sàng . Hai phía có hai nắp . Hơi NH3 trong không gian giữa các ống ngưng tụ trên bề mặt các chùm ống . Nước vào theo đường ống bố trí trên các nắp , đi phía trong chùm ống theo các lối bố trí sẵn rồi ra theo ống nối phía trên Các thông số để chọn bình ngưng cho máy lạnh : Nhiệt toả ra ở bình ngưng Qk = 8,07 KW Nhiệt độ ngưng tụ tk = 35 0C Nhiệt độ bay hơi to = -20 0C Công suất máy lạnh Q0 = 6,33 KW Nhiệt độ nước vào bình ngưng t' = 250C Nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng t'' = 300C Diện tích truyền nhiệt của bình ngưng tụ được tính như sau: F = , m2 Trong đó : k: là hệ số truyền nhiệt , W/m2K : Độ chênh nhiệt độ , 0C Qk : Nhiệt toả ra ở bình ngưng , W 4.3.1. Tính hiệu nhiệt độ trung bình tk t"" t' Ta có : = tk - t' = 35 - 25 = 10 0C = tk - t'' = 35 - 30 = 5 0C Hiệu nhiệt độ trung bình theo công thức (8-2) [2] Thay các thông số vào ta được: = = 7,2 0C 4.3.2. Hệ số truyền nhiệt : Đối với bình ngưng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngưng tụ gọn nhẹ , chắc chắn , hệ số truyền nhiệt cao k = 800 - 1000W/m2K nên ta chọn hệ số truyền nhiệt là k = 800W/m2K 4.3.3. Diện tích truyền nhiệt : Ta có diện tích truyền nhiệt như sau: F = =1,4 m2 4.3.4.Tính chiều dài ống trong bình ngưng Đường kính ngoài của ống trong bình ngưng : d = 25 mm Đường kính trong của ống trong bình ngưng : d = 20 mm Diện tích trao đổi nhiệt cho một ( m) chiều dài: f = 2 ..R. l = 2. 3,14. 25.10-3 . 1 = 0,0785 m2/m Tổng chiều dài ống trao đổin nhiệt của bình ngưng là: L = , m Thay các thông số vào ta được : L = = 17,8 m Chọn L =18 m Ta chọn ống theo hàng ngang đường chéo lớn là m = 5 trong lục giác đều Vậy tổng số ống là : n = 0,75 . m2 + 0,25 Thay m = 5 vào công thức ta được : n = 0,75 .52 + 0,25 = 19 ống Vậy chiều dài ống trong bình ngưng : l = Thay L = 18 m và n = 19 ống vào ta được: l = m Ta chọn l = 1 m Thay lại ta được L = 1 .19 = 19 m Diện tích truyền nhiệt của bình ngưng là F = L . f = 19 . 0,0785 = 1,492 m2 Tăng khoảng 6,4 % để dự trữ Đường kính bình ngưng: Bước ống được xác định như sau : Chọn bước ống S =(1,24-1,45)da Chọn S = 1,4da = 1,4 . 25.10-3 = 0,035 mm Đường kính mặt sàng Ds = 19 .0,035 = 0,665m Chọn đường kính ngoài là D =0,7 m 4.4.CHỌN BÌNH TÁCH LỎNG : Bình tách lỏng bố trí trên đường hút máy nén để bảo vệ máy nén không hút phải lỏng gây va đập thuỷ lực làm hỏng máy nén Người ta chọn bình tách lỏng theo nối vào đường hút của máy nén Ta chọn bình tách lỏng theo bảng (8-18)[2]: Bình tách lỏng có các thông số như sau : Khối lượng G = 210kg Đường kính D =426mm Chiều dài H = 1750mm 4.5.CHỌN BÌNH CHỨA CAO ÁP: Theo bảng 8-17 [2] ta chọn bình chứa như sau : Chọn bình chứa nằm ngang : Loại bình 04PB với các thông số như sau : Đường kính :DxS =426x10 Khối lượng : G = 410 kg Dung tích 0,4 m3 4.6.TÍNH CHỌN THÁP GIẢI NHIỆT : Ta có nhiệt lượng ở bình ngưng : Qk = 8,07 kW Quy năng suất ra tôn .Theo tiêu chuẩn CT1 tôn nhiệt tương đương với 3900kcal/h Vậy Qk = 8,07 kW = 6950,5 kcal/h = 1,782tôn Theo bảng 8-22[2] Các đặc tính kỹ thuật cơ bản tháp rankin ta chọn tháp giải nhiệt như sau : Lưu lượng nước định mức 1,63l/s Chiều cao tháp 1600mm Đường kính tháp 930mm Đường kính ống nối nước vào 40mm Đường kính ống nối nước ra 40mm Đường chẩy tràn 25mm Đường kính ống van phao 15mm Lưu lượng quạt gió 70m3/ph Mô tơ quạt 0,2kW Khối lượng tĩnh 40kg Khối lượng khi vận hành 130kg Độ ồn quạt 46dBA Chọn bơm nước cho tháp giải nhiệt : Năng suất bơm nước: V = V năng suất bơm, m3/s mật độ nước lấy 1000kg/m3 tn1, t2 nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng, oC Cp nhiệt dung riêng của nước là 4,18kJ/kg.K Thay các thông số vào ta được: V = = 0,386.10-3m3/s = 1,38m3/h PHẦN 5 : TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 5 .1 .TÍNH TOÁN BÌNH THĂNG HOA : Như chúng ta đã biết vật liệu sấy thăng hoa nhận nhiệt từ các tấm được đốt nóng nhờ bức xạ , dẫn nhiệt , đối lưu . Tuy nhiên do trong điều kiện chân không nên nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được chủ yếu bằng con đường bức xạ Theo nghiên cứu của nhiều tác giả nhiệt lượng vật liệu sấy lớn nhất chiếm khoảng từ 75% - 85% dẫn nhiệt bé nhất là 3% - 5% . Do đó nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được từ các nguồn bức xạ được tính theo dạng công thức trao đổi nhiệt . Tuy nhiên để kể đến của dẫn nhiệt và đối lưu người ta đưa thêm hệ số thực nghiệm k = 1,2 1,25 Trong kết cấu bình thăng hoa có thể xem truyền nhiệt bức xạ giữa các tấm đốt nóng và vật liệu sấy như là truyền nhiệt bức xạ giữa hai tấm đặt song song . Do vậy nhiệt độ tấm đốt nóng t1 và nhiệtd độ vật liệu sấy thăng hoa tth thì nhiệt lượng nhận được như sau : Theo công thức (15-4 ) [1] Qth = k . F1 . C0 . , W Trong đó : F : diện tích tấm đốt nóng và cũng là bề mặt diện tích vật liệu sấy,m2 C0 : Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối : Độ đen quy dẫn 5.1.1. Hệ số bức xạ quy dẫn : Ta có hệ số quy dẫn được tính như sau : Theo công thức (15-5) [1] Với và tương ứng là độ đen của nguồn bức xạ và vật liệu sấy Ta lấy độ đen tương ứng là : = 0,96 = 0,9 Khi đó ta có độ đen quy dẫn là : = 0,867 5.1.2.Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối là : C0 = 5,67 W/m2 K4 5.1.3.Diện tích đốt nóng của bình thăng hoa F1 : F1= qth : Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình thăng hoa trong một giờ với giá trị được tính ở phần tính nhiệt của thiết bị thăng hoa Giá trị tính được ở phần trước tính được là qth = 19364,15kJ/h Ta có qth = 19364,15 kJ/h = 5,379.103 W Chọn hệ số khi tính đến dẫn nhiệt và đối lưu là k =1,2 Nhiệt độ tấm đốt nóng là Tdn = 35 + 273 =308 K Nhiệt độ thăng hoa là Tth =-10 + 273 = 263 K Độ đen quy dẫn đã được tính ở mục trên Thay các thông số vào công thức ta được : F1 = = 21,63 m2 Ta lấy tròn là F1 = 21 m2 5.1.4. Diện tích cần thiết chứa vật liệu sấy F2: Diện tích cần thiết để chứa vật liệu sấy F2 được tích theo công thức sau : F2 = Trong đó G' là vật liệu sấy nguyên liệu chứa trên một m2 nằm trong khoảng ( 4,5 5,5 ) kg / m2 theo [1] Với thịt băm ở đây ta chọn G' = 4,8 kg /m2 Còn G1 là khối lượng vật liệu sấy cần sấy theo đầu bài G1 = 100 kg .Từ các thông số trên thay vào công thức ta được : F2 = m2 Ta lấy F2 = 21 m2 Như vậy nếu lấy G' = 4,8 kg/ m2 thì diện tích chứa vật liệu sấy đúng bằng diện tích bề mặt đốt nóng của các tấm bức xạ F1 = F2 5.1.5. Số lượng bình thăng hoa cần thiết n : Số lượng bình thăng hoa được tính theo công thức sau : n = Trong đó : F2 là diện tích cần thiết chứa vật liệu sấy , m2 là tổng diện tích các khay trong một bình thăng hoa , m2 Tính tổng diện tích các khay trong một bình thăng hoa như sau: Ta chọn các thông số của bình thăng hoa và các khay: Chọn chiều cao khay là = 10 mm Chiều cao hộp nước nóng = 30 mm Khoảng cách giữa 2 khay = 40 mm Chiều dài khay l = 1500 mm Đường kính của bình thăng hoa D =1000 mm Muốn tính được số khay trong một bình thăng hoa thì phải tính được tổng chiều cao các khay trong một bình a Trong đó : R- là bán kính bình thăng hoa , mm a- chiều rộng hộp chứa vật liệu sấy , mm Ta lấy mép hộp chứa nước kẻ một đường tới tâm tạo lên một góc = 450 so với phương nằm ngang . Từ đó ta có chiều rộng của hộp chứa nước nóng : do vậy a = sin450 . 2R = . 2 . 500 = 710 mm Tổng chiều cao các hộp chứa nước tạo thành trong một bình thăng hoa cũng tương tự như chiều rộng của các hộp chứa nước h = a = 710 mm Ta trừ đi 10 mm để tránh các khay chạm vào thành bình , lấy chiều rộng khay chứa vật liệu là l = 680mm. Vậy tổng số khay trong một bình thăng hoa là : z = 8,75 Vậy ta chọn số khay là z = 9 khay Vậy tổng diện tích các khay trong một bình thăng hoa là : = z . a . l Thay các thông số vào ta được : = 9 . 0,68 . 1,5 = 9,18 m2 Vậy số lượng bình thăng hoa của hệ thống sấy là : n = = 2,28 Do vậy ta chọn số bình thăng hoa là n = 2 bình 5.1.6. Lượng nước nóng cho quá trình thăng hoa Gn : Gn = , m3/h Trong đó qth nhiệt lượng cần thiết cho quá trình thăng hoa trong một giờ Cpn Nhiệt dung riêng của nước Cpn = 4,1816 kJ/kg. K Độ chênh nhiệt độ của nước vào và ra khỏi bình thăng hoa = 50C Thay các thông số vào ta được Gn = = 926,12 kg/h ta có = 1000 kg/ m3 Do vậy lượng nước nóng cần thiết cho quá trình thăng hoa là Gn = 0,926,12 m3/h 5.2. TÍNH TOÁN BÌNH NGƯNG TỤ ẨM Như ta đã biết bình ngưng-đóng băng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng chùm ống . Phía ngoài ống là quá trình NH3 bay hơi và phía trong ống hỗn hợp hơi nước - không khí không những thực hiện qúa trình ngưng mà còn quá trình đóng băng . Bình ngưng - đóng băng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống , là một hình trụ đứng , trong đó bố trí các ống có đường kính 57/51 mm được gắn kết với nhau và hình trụ nhờ hai mặt sàng . Hỗn hợp hơi nước và không khí được bơm chân không hút từ bình thăng hoa qua một lưới phân phối phía dưới đi vào trong các ống .Amôniắc đưa vào trên mặt sàng và chứa đầy không gian giữa các ống . Tại đây hỗn hợp hơi nước - không khí được làm lạnh và hỗn hợp đó ngưng tụ lại bám vào các thành trong của ống , còn không khí khô qua bơm chân không để thải vào khí quyển . Ngược lại , amôniắc lỏng nhận nhiệt của hỗn hợp hơi nước - không khí để bay hơi và qua bình tách lỏng về máy nén của máy lạnh 5.2.1. Xác định bề mặt truyền nhiệt của bình ngưng Các thông số ban đầu cần thiết để : - Sử dụng 2 bình ngưng tụ lân phiên nhau làm việc Trong giai đoạn đầu là giai đoạn lạnh đông dùng 1 bình , giai đoạn thăng hoa sử dụng 1 bình . Như vậy một bình còn lại dùng cho tất cả các trường hợp ở trạng thái xả băng và một bình có thể dự phòng - Bình ngưng có dạng ống có đường kính ống d = 57/51 mm - Nhiệt độ ngưng của NH3 là tk = 35 0C - Nhiệt độ vách ống phía NH3 tvo = -180C -Nhiệt độ ngưng tụ của hơi bão hoà khi ph = 1,55 mmHg là th = -120C - Nhiệt độ băng tb = -160C - Nhiệt độ ống trước và sau chu kỳ xả băng t' = -180C và t'' = 100C - Nhiệt độ nước tạo thành sau khi xả băng tn = 5 0C Đây là bài toán truyền nhiệt qua một vách ngăn giữa hỗn hợp hơi nước không khí trong ống với amôniác sôi ở ngoài ống . Khi đó nếu gọi F là diện tích bề mặt truyền nhiệt , k là hệ số truyền nhiệt và Dt là độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hai dịch thể thì phương trình truyền nhiệt có dạng : Qn = k . F . Dt , W Ta có k là hệ số truyền nhiệt . Vì ống rất mỏng = 3 mm và chiều dày lớp băng cũng rất nhỏ (6 - 8 ) mm nên trong tính toán bình ngưng đóng băng chúng ta xem bài toán truyền nhiệt ở đây như bài toán truyền nhiệt qua một vách phẳng . Do đó hệ số truyền nhiệt k bằng : k = , W/ m2K Theo công thức (15-11) [1] Trong đó : - Hệ số tương ứng là hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của NH3 và khi ngưng của hơi nước trên lớp băng đóng trong mặt trong của ống Các hệ số trong tỉ số lần lượt tương ứng là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của vách ống và của lớp băng Như vậy để xác định hệ số trao đổi nhiệt k chúng ta cần tính hệ số trao đổi nhiệt a . Xác định hệ số trao đổi nhiệt của khi sôi của NH3 với vách ống Hệ số trao đổi nhiệt là hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của amôniác với vách nóng do đó có thể tính theo các công thức thực nghiệm xác định trao đổi nhiệt khi sôi đã giới thiệu trong các giáo trình truyền nhiệt và các giáo trình kỹ thuật lạnh hoặc thiết bị trao đổi nhiệt Ta có công thức thực nghiệm tính toán hệ số trao đổi nhiệt như sau Theo công thức (15-12) [1] = 4,2 . ( 1 + 0,007 tvo ) q0,7 kcal/m2h K Trong đó : tvo là nhiệt độ vách , 0C q là mật độ dòng nhiệt kcal/m2 Nếu q, tương ứng là W/m2 và W/m2K thì ta có dạng Theo công thức (15-13) [1] = 4,395 . ( 1 + 0,007 tvo ). q0,7 W/m2K Như vậy để tính được thì phải chọn sơ bộ mật độ dòng nhiệt q và sau đó chúng ta kiểm tra lại giá trị này sau khi đã tính được bề mặt truyền nhiệt Ta chọn sơ bộ mật độ dòng nhiệt là q = = 1080 kJ/m2h = 300 W/m2 Thay các thông số đã biết vào công thức trên ta được : = 4,395 . { 1 + 0,007 ( - 18 )}3000,7 = 204,85 W/ m2K b. Xác định hệ số trao đổi nhiệt Có thể xác định hệ số trao đổi nhiệt theo các công thức thực nghiệm khi ngưng của hơi nước . Tuy nhiên đây không chỉ ngưng hơi thuần tuý mà là hơi nước trong hỗn hợp khí - hơi . Theo công thức thực nghiệm (15 .14) [1] = Trong đó : - hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp khí hơi , kcal/mhK q' cường độ ngưng tụ , kg/ m2 h g là gia tốc trọng trường , m/s độ nhớt động học của hơi , kg.s/m2 Tbh nhiệt độ bão hoà của hơi , K Tb nhiệt độ bề mặt làm lạnh hay nhiệt độ bề mặt băng , K Nếu tính trong hệ chuẩn với (W/mK) và (W/m2K) thì công thức trên sẽ có dạng Theo công thức (15-15) [1] = Để xác định ta chọn sơ bộ cường độ ngưng tụ sau đó kiểm tra lại Ta chọn q' = 0,395 kg/m2h Nhiệt độ bão hoà của hơi : Tbh = 273 - 12 = 261 K Nhiệt độ bề mặt lạnh hay nhiệt độ bề mặt băng : Tb = 273 - 16 = 257 K Thay các thông số trên vào công thức ta được = 6,568 .10-4 . 50,88 W/m2K c. Xác định hệ số truyền nhiệt của bình ngưng k Chiều dày của ống : = 0,5 ( d2 - d1 ) = 0,5 ( 57 - 51 ) = 3 mm Hệ số dẫn nhiệt của thép lấy theo[1] = 39 kcal/mhK = 45,357 W/mK Chiều dày băng lấy bằng : = 6 mm Hệ số dẫn nhiệt của băng lấy : = 1,935 kcal/mhK = 2,250 W/mK Do vậy hệ số truyền nhiệt là : k = = 36,67 W/m2K d. Độ chênh nhiệt độ trung bình = th - t0 = -12 - (-20) = 8 0C e. Diện tích truyền nhiệt của bình ngưng F F = , m2 Qn1 Nhiệt lượng toả ra trong một bình là Qn1 = = = 3,165 kW W11 khối lượng ẩm cần giữ lại trong một bình ngưng là W11 = = = 3,93 kg/h Vậy ta có diện tích truyền nhiệt của bình ngưng là : F = = 10,78 m2 f. Kiểm tra lại giá trị của q và q' Kiểm tra lại mật độ dòng nhiệt : q = , W/m2 Thay số vào ta được : q = = 293,6 W/m2 Sai số tương đối là = 2,18 % Sai số tương đối lớn nên cần lặp lại mật độ dòng nhiệt với giá trị khác Kiểm tra lại cường độ ngưng tụ: q' = , kg/m2h Thay số vào ta được : q' = = 0,3645 kg/m2h Sai số tương đối là = 8,35 % Sai số tương đối lớn nên cần lặp lại cường độ ngưng tụ Do sai số của mật độ dòng nhiệt và cường độ ngưng tụ ẩm tương đối lớn nên chọn lại các giá trị để tính lại diện tích g. Tính lại diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của bình ngưng Tính lại hệ số trao đổi nhiệt : Chọn mật độ dòng nhiệt q11 = 320 W/m2 Ta có = , W/m2K Do đó = 217,8 W/m2K Tính lại hệ số trao đổi nhiệt : Ta vẫn chọn cường độ ngưng tụ ẩm như trên nên ta có =50,88 W/m2K Thay các thông số trên vào công thức tính hệ số truyền nhiệt ta được : k = = 37,067 W/m2K Tính lại diện tích F F = = 10,262 m2 Ta lấy F = 10 m2 Kiểm tra lại mật độ dòng nhiệt : q = W/m2 Sai số tương đối là = 0,5 % Kiểm tra lại cường độ ngưng tụ : q' = =0,393 kg/m2h Sai số tương đối là : = 1,08 % Do sai số tương đối nhỏ nên mọi tính toán ở trên đây có thể chấp nhận được 5.2.2.Tính chiều dài của ống trong bình ngưng tụ ẩm Vì ta chọn đường kính ống của bình ngưng tụ là 57/51mm nên diện tích truyền nhiệt trên mỗi (m ) ống được tính như sau : f =P.d.1 , m2 Thay các giá trị đã biết ta có: f = 3,14 . 57.10-3 . 1 = 0,17898m2 Ta có tổng chiều dài ống trong bình ngưng tụ ẩm là : L = , m Thay số vào ta được: L = = 55,8 m Ta chọn số ống theo hàng ngang của đường chéo lớn nhất là m trong lục giác đều , vậy tổng số ống sẽ là : n = 0,75 m2 + 0,25 Chọn m =8 Thay số vào ta được : n = 0,75 .82 + 0,25 = 48,25 ống Vậy tổng số ống là 48 ống Vậy chiều dài mỗi ống: l = = = 1,16m Chọn chiều dài mỗi ống là 1,2 m Các ống được bố trí trên đỉnh tam giác đều toàn bộ chùm ống bố trí trên bề mặt sàng có hình lục giác đều. Bước ống được xác định theo kinh nghiệm Theo sách Thiết bị trao đổi nhiệt ta có S = ( 1,24 - 1,45) da Trong đó da là đường kính ngoài của ống Chọn S = 1,4 . da Thay da = 57 mm vào công thức trên ta được : S = 1,4 . 57. 10-3 = 79,8 .10-3 m Chọn S = 80 mm Đường kính mặt sàng : Ds = m . S , mm Thay số vào ta được : Ds = 8 . 80 = 640 mm Chọn Ds = 640 mm Đường kính trong của bình phải chọn lớn hơn khoảng 20mm để bố trí cánh và gioăng của nắp nên ta chọn : Đường kính trong của bình là: Di = 660 mm Đường kính ngoài của bình là: Da = 680mm Chiều dầy = 10 mm 5.2.3.Nhiệt lượng cần thiết xả băng trong bình ngưng Qx: Có thể thấy nhiệt lượng cần thiết trong bình ngưng đóng băng gồm : Nhiệt vật lý của băng Nhiệt đông đặc và nhiệt vật lý của khối lượng thép trong bình ngưng đóng băng Nếu gọi Gb , kg và Go , kg tương ứng là khối lượng của băng và khối lượng của toàn bộ ống của bình ngưng ta có: Qx = Gb {(rb + Cpb(tn- tb) }+ Gô Cpô(tô'' - t'ô) , kJ Trong đó : rb là nhiệt đông đặc của nước , rb = 333,37 kJ/kg [1] Cpb là nhiệt dung riêng của băng Cpb =2,174kJ/kgK [1] Cpô là nhiệt dung riêng của ống thép Cpô = 0,5 kJ/kgK [1] tn , tb tương ứng là nhiệt độ của nước sau khi tan và nhiệt độ băng tô'' và tô' tương ứng là nhiệt độ của ống thép sau và trước xả băng Khối lượng kim loại của toàn bộ ống trong bình ngưng được tính như sau: Gô = V. , kg Trong đó : V = .( 572 -512). 55,8 = 28,384.10-3 m2 = 7,85 .103 kg/m3 theo bảng (7.1) đặc tính vật liệu Vậy khối lượng toàn bộ ống : Gô = 28,384.10-3 .7,87.103 = 222,82 kg Khối lượng băng : Gb = Fb. kg Thay số vào ta được : Gb = 10 .6.10-3 . 920 = 55,2 kg với =920 kg/m3 theo [1] = 6mm , F =10 m2 Qx =55,2{(333,37 + 2,174 (5 - ( -16)) }+222,82 . 0,5( 10 -(-18) ) Qx = 24041,6 kJ 5.2.4. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa amôniắc ngưng với lớp băng : Khi sử dụng hơi amôniắc để xả băng thì amôniắc ngưng tụ lại do đó có thể được tính như hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng theo các công thức thực nghiệm: Theo công thức (8.26) [3] : , W/m2K Trong đó : - khối lượng riêng của môi chất lỏng ngưng , kg/m3 - gia tốc trọng trường , m/s2 - hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng ngưng , W/mK r - nhiệt hoá hơi , J/kg - độ nhớt động học N.s/m2 - chiều cao của ống đặt đứng , m tn - nhiệt độ ngưng của môi chất ,0C tw - nhiệt độ vách ống ,0C Nhiệt độ trung bình logarit : , oC Nhiệt độ băng sau khi xả băng là t =50C Nhiệt độ ngưng amôniắc tn = 350C = 35 – (-16) = 510C = 35 – 5 = 300C Chọn nhiệt độ vách ống : = ts - = 35 - = 15,20C Nhiệt độ trung bình : = 25,10C Tra bảng 6[2] Tính chất vật lý của amôniắc trên đường bão hoà và tra bảng 7[2] bảng hơi bão hoà của amôniắc ta được các thông số sau: =602,6 kg/m3 = 48,5 . 10-2W/mK = 1,39.10-4Ns/m2 r = 1121,4 kJ/kg Chiều cao của bình là h = 1,2m Thay các thông số vào ta được : W/m2K 5.2.5.Tính thời gian xả băng : Ta có thời gian xả băng theo 15.22[1] = Hệ sô truyền nhiệt k được tính theo công thức 15.23[1] : k = , W/m2K Trong đó đã tính được như ở trên , và là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của vách ống và lớp băng. Thay các thông số vào ta được : k = = 295,36 W/m2K Thay vào công thức tính thời gian xả băng ta được : tx = = 205,54(s) Hay tx 4 phút 5.3.TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO NƯỚC Do nhiệt thải ra ở bình ngưng có nhiệt độ thấp nên không đáp ứng được yêu cầu nhiệt độ tấm đốt nóng . Bình ngưng nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng khoảng t'' = 300C do vậy không thể đáp ứng được yêu cầu với nhiệt độ đốt nóng là 350C . Do vậy cần phải thiết kế thiết bị gia nhiệt cho nước để đáp ứng nhiệt độ trên . Để tính toán thiết bị gia nhiệt cho nước ta cần chọn các thông số cần thiết như nhiệt độ nước vào và ra khỏi thiết bị , đường kính ống , nhiệt độ bề mặt của thiết bị gia nhiệt . Ta chọn các thông số như sau : Chọn nhiệt độ nước vào thiết bị gia nhiệt là t'n = 280C Nhiệt độ nước ra thiết bị gia nhiệt là t''n = 380C Chọn đường kính ống d = 18.10-3 m Nhiệt độ bề mặt tw = 2000C Nhiệt độ trung bình của nước là : = Tra bảng 26 bài tập nhiệt động và truyền nhiệt [3] với nhiệt độ trung bình của nước ta được các thông số của nước như sau : Hệ số dẫn nhiệt = 62,496 . 10-2 W/mK Độ nhớt động học = 0,8212 . 10-6 m2/s Khối lượng riêng =933,5 kg/m3 Nhiệt dung riêng Cp = 4,174 kJ/kgK Tiêu chuẩn Prandtl = 5,08 , = 0,97 Ta có tiêu chuẩn Reynold Ref = Thay các giá trị ở trên ta được : Ref = Ta có Ref Î( 103 - 2.105) Do vậy ta có Nuf theo công thức (8-20) [3] Nuf = 0,25 .Ref0,6 . Prf0,38. Thay số vào ta được : Nuf = 0,25 . ( 30,5. 103 )0,6 . 5,080,38 . = 287,15 Nuf = Trong đó : là hệ số toả nhiệt , W/m2K là hệ số dẫn nhiệt , W/mK d là đường kính ống = , W/m2K Thay các thông số vào ta được: = 996,98 W/m2K Lượng nhiệt truyền cho nước là : Qnc = G . Cp . ( tw - tf ) , W Ta có : Gnc = 0,925 .103 kg/h = 0,25553 kg/s Thay số vào ta được : Qnc = 0,25553 . 4,174 .( 38 - 28) = 1066 kJ/s = 10,66 kW Vậy chiều dài ống là : l = , m Thay số vào ta được : l = = 1,1327 m Chọn chiều dài ống là l = 1,15 m 3 Tính nhiệt độ của dây : 2 1 Trong đó : nhiệt độ bề mặt của dây điện trở tw1 nhiệt độ bề mặt trong của ống tw2 nhiệt độ bề mặt ngoài của ống tw3 Mật độ dòng nhiệt của 1 m chiều dài ống là : Theo công thức (7.2) [3] q = W/m di là đường kính của lớp thứ i Hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ i , W/mK Ta biến đổi công thức trên ta tìm được nhiệt độ của các bề mặt tw1 = tw2 + q . , 0C Đường kính trong của ống thép : d2 = 12 mm Đường kính ngoài của dây điện trở : d1 = 2 mm Hệ số dẫn nhiệt của chất cách điện:= 3,8 W/mK (Theo sách vật liệu điện) Nhiệt độ bề mặt ngoài của ống tw1 = ? Mật độ dòng nhiệt q = W/m2 q = =9,267 .103 W/m Thay các thông số vào ta được : tw1 = tw2 + 9,267. ,0C Tìm nhiệt độ tw2 tw2 = tw3 + q. , 0C Trong đó : Đường kính ngoài của ống d3 = 18 mm Hệ số dẫn nhiệt của ống hợp kim lấy theo bảng 21[3]= 18,1W/mK Thay các thông số vào ta được : tw2 = 200 + 9,267. 103 . = 2330C Từ đó ta tính được tw1 tw1 = 233 +9,267. 103 . =928,80C Trong khi đó hợp kim Cr-Ni để làm dây điện trở có nhiệt độ làm việc cực đại là tmax = 12000C theo bảng 7-1( Đặc tính vật liệu dây điện trở) nên có thể chấp nhận được. 5.4.CHỌN BƠM CHÂN KHÔNG CHO HỆ THỐNG SẤY Nếu biết được thời gian đuổi khí cho phép chúng ta chọn được năng suất bơm chân không . Thời gian đuổi khí được tính theo công thức (15-24) [1] = , h Trong đó : - Hệ số dự phòng , có thể lấy = 1,2 1,3 V- Thể tích bình thăng hoa , lit. v - Tốc độ đuổi khí lit/h B - áp suất khí trời , mmHg p0 - áp suất giới hạn mà bơm chân không có thể tạo ra , mmHg pth - áp suất cần thiết cho quá trình thăng hoa , mmHg Thời gian đuổi khí chính là thời gian hút chân không của bơm chân không t1 = 1,5 h Nhiệt độ trong bình thăng hoa tth = 200C Từ đó tính được áp suất trong bình thăng hoa được tính theo công thức sau: Theo công thức (2-29) [1] pth = exp, bar Thay các thông số vào công thức trên ta được : pth = exp = 0,0233 bar Hay pth = 17,48mmHg Thể tính bình thăng hoa được tính như sau: V = . - n . a . b . , m3 Trong đó : D - Đường kính bình thăng hoa , m l - Chiều dài bình thăng hoa , m n - Số hộp nước trong bình thăng hoa a - Chiều rộng của hộp nước gia nhiệt , m b - Chiều dài của hộp nước gia nhiệt , m - Chiều dày của hộp nước gia nhiệt ,m Thay các thông số đã biết ở trên ta được : V = 3,14..30.10-3 = 0,956 m3 V = 0,956 (10dm)3 =956 lít Để tính được tốc độ đuổi khí ta phải giả thiết áp suất mà bơm chân không có thể tạo ra p0 Giả thiết p0 = 15mmHg Từ đó ta có tốc độ đuổi khí là : v = , lit/h Chọn hệ số dự phòng Chọn áp suất khí trời B = 745 mmHg Thời gian đuổi khí = 1,5 h v = 1,25 .= 4528lít/h hay v = 1,258lít/s.Chọn bơm MX5 Ta chọn một bơm chân không cho hệ thống sấy thăng hoa 5.5. TÍNH CHỌN BƠM NƯỚC CHO HỆ THỐNG SẤY Khi chọn bơm nước để tuần hoàn nước gia nhiệt cho hệ thống sấy trước hết cần xác định được hai đaị lượng cơ bản nhất là năng suất của bơm và cột áp của bơm : Ta lần lượt tính các thông số của bơm . 5.5.1.Tính năng suất bơm : Năng suất bơm hay lưu lượng của bơm là thể tích chất lỏng mà bơm cấp vào ống đẩy trong một đơn vị thời gian . V V- năng suất của bơm , m3/s - mật độ nước kg/m3 Cn – nhiệt dung riêng của nước , kJ/kgK tn2, tn1 nhiệt độ nước vào và nước ra Ta có : =933,5 kg/m3 Cn = 4,174kJ/kgK tn1 = 280C , tn2 =380C Thay các thông số vào ta được: V ==0,25553kg/s =0,925.103kg/h V =0,92612m3/h 5.5.2.Tính cột áp của bơm: Cột áp của bơm còn được gọi là chiều cao áp lực hay lượng tăng năng lượng của chất lỏng khi từ miệng hút đến miệng đẩy của bơm và thường được tính bằng m cột chất lỏng kí hiệu là H: H = Hđ + Hh Dựa vào lưu lượng của bơm V = 0,92612m3/h = 0,25725 l/s và các đường đặc tính của bơm đồ thị 10.2[2] ta tra được H = 19mH20 và công suất yêu cầu của bơm N = 1,3 kW 5.5.3.Tính trở lực đường ống : Khi chất lỏng chảy trong ống , có hai dạng trở lực xuất hiện : ma sát theo chiều dài đường ống hms và trở kháng cục bộ hcb ( các điểm uốn , van , phân nhánh ..) h = hms +hcb , Pa Tổn thất áp suất do ma sát được tính như sau : hms = hms- tổn thất áp suất , Pa - hệ số trở kháng của ống l – chiều dài phần ống thẳng , m - mật độ chất lỏng , kg/m3 - tốc độ chuyển động của chất lỏng , m/s di -đường kính của ống , m Tính hệ số trở kháng do ma sát phụ thuộc vào độ nhám bề mặt ống , vào chế độ dòng chảy khi tính giả thiết các ống là nhẵn thuỷ lực Chế độ chẩy rối sẽ được xác định theo công thức (10.10)[2] : = Re == =20.106 Re > 2320 do vậy ta được : == 0,00735 Thay các hệ số vào phương trình tính tổn thất áp suất do ma sát ta được : hms = Tổn thất áp suất do trở kháng cục bộ xác định theo công thức (10.11)[2] hcb = hcb – tổn thất áp suất , Pa - hệ số trở kháng cục bộ Đường nước có 4 nhánh 900 do vậy hệ số trở kháng cục bộ được chọn từ khoảng 0,5-0,6 theo [2] nên ta chọn =0,55 Thay các thông số vào ta được : hcb = 4 . =1026,85 Pa Từ đó ta có trở lực đường ống là : h = 752 + 1026,85 =1751,85Pa PHẦN 6. TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH SẢN PHẨM SẤY Ta có công suất của các thiết bị trong quá trình sấy : Công suất máy lạnh : Nml = 1,1228kW Công suất bơm nước Nbơm = 1,3kW Công suất của mô tơ quạt cho tháp giải nhiệt NQuạt = 0,2 kW Nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt. Q =10,66kW 6.1.CÔNG SUẤT MÁY LẠNH CHO QUÁ TRÌNH SẤY *Thời gian làm việc của máy lạnh trong quá trình sấy : t = 12 h ( làm việc cả 3 giai đoạn ) Do vậy tổng công suất của máy lạnh là : = 12 .2,2456 = 26,95 kW.h 6.2.CÔNG SUẤT CỦA BƠM NƯỚC CHO QUÁ TRÌNH SẤY *Thời gian làm việc của bơm nước nóng trong quá trình sấy : t = 10,5 h ( làm việc giai đoạn thăng hoa và giai đoạn thải ẩm dư ) Do vậy tổng công suất của bơm nước trong quá trình sấy là : = 10,5 . 1,3 = 13,65 kW.h 6.3.CÔNG SUẤT CỦA MÔ TƠ QUẠT CHO THÁP GIẢI NHIỆT CHO QUÁ TRÌNH SẤY *Thời gian làm việc của mô tơ quạt cho tháp giải nhiệt là : t =12 h Do vậy tổng công suất của mô tơ quạt trong quá trình sấy là : = 12 . 0,2 = 2,4 kW Tổng công suất các thiết bị trong cả quá trình sấy thăng hoa là: = +++ Thay các giá trị đã biết ta được : = 26,95 +13,65 + 2,4 + 10,5.10,66 = 155 kW.h Giá điện cho 1.kW.h =1500 VNĐ. Do vậy ta được : 155 .1500 = 232500VNĐ Vậy giá năng lượng trên một kg sản phẩm là =2325 VNĐ/kg TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Trần Văn Phú. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy. Nhà xuất bản giáo dục. 2001. [2].Nguyễn Đức Lợi. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh .Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 1999. [3].Bùi Hải, Trần Thế Sơn. Bài tập nhiệt động truyền nhiệt và kỹ thuật lạnh. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật .1997 [4]. Lê Bá Chính . Tổng luận các phương pháp bảo quản thực phẩm .Hà nội 1990. MỤC LỤC Tiêu đề Trang Tài liệu tham khảo 79