Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị CNTP II

Bài 1: Thí nghiệm trao đổi nhiệt hai dịng lưu thể xuôi chiều

I. Cơ sở lý thuyết.
Trong công nghiệp sản xuất, nhất là ngành CNSH cà CNTP có rất nhiều quá trình cần đến
quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất tải nhiệt, có ba nhóm chính là trực tiếp, gián tiếp và
loại đệm. Trong đó thì trao đổi nhiệt gián tiếp được sử dụng rộng rãi. Trong bài thí nghiệm
chúng ta làm quen với thiết bị rất phổ thông đó là trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống xoắn ruột
gà. Chiều chuyển động hai lưu thể trong thiết bị ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả truyền nhiệt.
Trong bài này ta khảo sát hai hình thức chảy của lưu chất là xi chiều và ngược chiều từ đó
suy ra hình thức nào hiệu quả cao hơn.
Chảy xi chiều: Hai lưu chất chảy song song, cùng chiều nhau, trao đổi nhiệt qua một bề
mặt trao đổi nhiệt.
Chảy ngược chiều: Hai lưu chất chảy song song ngược chiều nhau, trao đổi nhiệt qua một
bề mặt trao đổi nhiệt.
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình của hai lưu thể trong quá trình truyền nhiệt là:
𝛥ttb =

𝛥𝑡 đ−𝛥𝑡 𝑐
2,3𝑙𝑜𝑔

𝛥𝑡 đ
𝛥𝛥𝑡 𝑐

Trong đó: 𝛥𝑡đ = t1đ – t2đ
𝛥𝑡𝑐 = t1c – t2c

II. Quy trình thí nghiệm.
* Sơ đồ nguyên lí:

Trang 1

1 – Bình trao đổi nhiệt
2 - Ống xoắn ruột gà
3 - Thanh nhiệt
4 - Bình gia nhiệt
5 - Động cơ khuấy
6 - Ống chảy tràn
7 – Van
8 – Bơm
9 – Thùng chứa nước nóng ra
10 Cốc đong
11 – Thùng chứa nước lạnh ra

Cách vận hành: Cấp điện, kiểm tra mở van 12 đóng các van cịn lại. Cấp nước vào thùng
chứa 9, bật bơm 8 để bơm nước vào thùng gia nhiệt 4 đến khi nước trong thùng gia nhiệt
ngập thanh gia nhiệt và cánh khuấy thì bật thanh nhiệt 3 và động cơ cánh khuấy 5, Mở van
11 cấp nước nóng vào khơng gian giữa ống xoắn ruột gà và thành bình trao đổi nhiệt. Mở
van 9 để nước tuần hoàn về thùng chứa 9. Khi nước từ thùng gia nhiệt chảy tràn qua ống
chảy tràn xuống thùng chứa 9 thì điều chình lưu lượng chảy vào khoảng không gian giữa
ống xoắn và thành thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách điều chỉnh độ mở của van 9, đồng thời
điều chỉnh lượng nước bơm lên thùng gia nhiệt bằng cách điều chỉnh van 10. Đo vào điều
chỉnh lưu lượng nước nóng cấp vào thùng trao đổi nhiệt duy trì ở khoảng 1 lít/phút.. Ta đo
lưu lượng dịng nước nóng bằng cách đóng van 9 và mở van 7 để dòng nước chảy vào cốc
đong đồng thời bấm thời gian để biết được dịng nước nóng chảy được 1 lít cốc đong thì
mất bao nhiêu thời gian. Điều chỉnh van 11 đến khi dịng nước nóng chảy được 1 lít mất
khoảng 1 phút (đo 5 lần).
Khi nhiệt độ dịng lưu thể nóng cấp vào bình trao đổi nhiệt duy trì ở nhiệt độ đặt (55 độ)
thì mở van 2 và 4 để cấp nước lạnh vào không gian bên trong ống xoắn ruột gà từ dưới lên.
Mở van 5 cho nước lạnh ra chảy vào thùng chứa đợi đến khi dịng ổn định thì ta đo và điều
Trang 2

chỉnh lưu lượng dịng nước lạnh ở khoảng 1 lít/phút (đo 5 lần) bằng điều chỉnh độ mở của
van 2, đóng van 5 và mở van 6 cho nước lạnh ra chảy vào cốc đong rồi bấm thời gian.
Khi 2 dịng nước nóng và lạnh cấp vào bình trao đổi nhiệt ổn định ở lưu lượng khoảng 1
lít/phút thì tiến hành đo nhiệt độ nước nóng và nước lạnh ở đầu vào và ra khỏi nhiết bị trao
đổi nhiệt (mỗi thơng số đo 5 lần).
Kết thúc thí nghiệm ngắt điện và đóng hết các van lại và mở van 8 để xả hết nước nóng ở
trong khơng gian ngồi ống xoắn ruột gà xuống thùng chứa 9.

III. Kết quả thí nghiệm.
1. Kết quả và các số liệu.
Nguyên liệu thí nghiệm: Nước.
Thơng số
Nhiệt độ nước nóng vào
Nhiệt độ nước nóng ra
Nhiệt độ nước lạnh vào
Nhiệt độ nước lạnh ra
Lưu lượng nước nóng
Lưu lượng nước nóng
Lưu lượng nước lạnh
Lưu lượng nước lạnh

Đơn vị
°C
°C
°C
°C
lít/phút
m3/s

lít/phút
m3/s

Lần 1
55
42,6
31
39,2
1
1,67.10-5
1
1,67.10-5

Lần 2
55
41,5
31
39,1
1
1,67.10-5
0,98
1,63.10-5

Lần 3
55
42
31,1
38,9
1
1,67.10-5

1
1,67.10-5

Trung bình
55,00
42,03
31,03
39,07
1
1,67.10-5
0,99
1,66.10-5

*Các thơng số của thiết bị:
Đường kình ngồi của ống: dn = 9 mm.
Đường kính trong của ống: dt = 7 mm.
Đường kính vịng xoắn: D = 200 mm.
Đường kính bình trao đổi nhiệt: DB = 250 mm.
Chiều cao bình trao đổi nhiệt: H = 310 mm.
Bước xoắn của ống ruột gà: x = 22 mm.
Chiều dày ống truyền nhiệt: δ = 1 mm.
Trang 3


Số vòng xoắn: n = 12.
Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: λ = 24,15

𝑊
𝑚𝐾

*Các thống số của lưu thể:
Nhiệt dung riêng nước nguồn nóng: CN = 0,997(kcal/kgđộ).
Nhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: CL = 0,997 (kcal/kgđộ).
Hệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: λ’ = 0,562 (kcal/mhđộ)
Khối lượng riêng của nước: ρ = 997 kg/m3.
Độ nhớt động học của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: ʋ = 5,71.10-7 (m2/s).
Độ nhớt động lực của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: µ = 5,195.10-5 (kps/m2).

2. Tính tốn.
Chiều dài một vịng xoắn: l =

(𝜋𝐷)2 + 𝑥 2 =

Diện tích trao đổi nhiệt: F = l.n.π.

𝑑 𝑛 +𝑑 𝑡
2

(0,2𝜋)2 + 0,0222 = 0,629 (m).

= 0,629.12.π.

0,009+0,007
2

= 0,190 (m2).

Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào: QN = GNCN(tN1 – tN2) = 997.1,67.10-5 . 0,997.(55-42,3)
= 0,211 (kcal/s).
Nhiệt lượng nguồn lạnh nhận được: QL = GLCL(tL2 – tL1)

= 997.1,66.10-5. 0,997.(39,07-31,03) = 0,133 (Kcal/s)
Sự chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể:
Δttb =

𝛥𝑡 𝐿 −𝛥𝑡 𝑁
𝛥𝑡

2,3𝑙𝑜𝑔 𝛥𝑡 𝐿

𝑁

=

23,97−2,96
23,97

2,3𝑙𝑜𝑔 2,96

= 10,06 (°C).

Trong đó: ΔtL = tN1 – tL1 = 55 – 31,03 = 23,97
ΔtN = tN2 – tL2 = 42,03 – 39,07 = 2,96

Trang 4


Hệ số truyền nhiệt thực: Ktt =
Vận tốc lưu thể: ω =

𝐺𝑁

𝐹

=

Chuẩn số Reynolds: Re =

𝑄𝐿

=

𝛥𝑡 𝑡𝑏 .𝐹

1,67.10 −5

µ

=

10,06.0,19

= 0,07 (kcal/m2sđộ).

= 8,79.10-5 (m/s).

0,19

𝜌𝜔 𝐷𝐵

0,133

𝜔 𝐷𝐵
ʋ

=

8,79.10 −5 .0,25
5,71.10 −7

= 38,49.

Nhận thấy Re<2300 nên chuẩn số Nu được tính theo cơng thức:
Nu = 0,15.εd.Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25. (*)

Chiều dài của cả ống xoắn ruột gà là: L = nl = 12.0,629 = 7,548 (m)
Ta có:

𝐿
𝑑𝑡

=

7,548
0,007

= 1078,29 nên suy ra εd = 1 (từ bảng 4.2 trang 199, tính tốn q trình

và thiết bị trong cơng nghệ hóa chất và thực phẩm tập 1, Nguyễn Bin).
Từ (*) ta có:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25.

Tính các chuẩn số Pr và Gr:
Pr = 3600.
Gr =

𝑔𝑙 3
ʋ2

𝐶𝑝 .µ
𝜆,

= 3600.

.β1.Δt1 =

𝐶𝑝 .ʋ.𝜌
𝜆,

9,81.0,25 3

(5,71.10 −7 )2

= 3600.

0,997.5,71.10 −7 .997
0,562

= 3,64.

. 4,46.10-4 .2 = 419,35.106.

Trong đó: β = 4,46.10-4 : hệ số giãn nở thể tích tại nhiệt độ trung bình của lưu thể nóng
là:

55+42,03
2

= 48,515 (°C).

(nguồn: www.engineeringtoolbox.com/).
Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể và vách.
l: đặc trưng hình học, ở đây l = DB = 250 mm.

Trang 5


*Tìm nhiệt độ của vách ống phía tiếp xúc với lưu thể nóng chảy ngồi ống xoắn ruột gà:
Coi mất mát nhiệt khi truyền nhiệt từ lưu thể nóng sang lưu thể lạnh khơng q 5%, khi đó
nhiệt tải riêng q của 2 lưu thể nóng và lạnh cũng khơng được chênh lệch quá 5%. (Nhiệt tải
riêng là lượng nhiệt trên một đơn vị diện tích bề mặt).

Chọn độ chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể nóng và vách là 2°C. Đặt:
Δt1 = tN – tT1 = 2.
Suy ra:
tT1 = tN – Δt1 = 48,515 – 2 = 46,515°C.
Ứng với tT1 ta tính được chuẩn số Prt:
Prt =

𝐶𝑝 .µ
𝜆𝑡

=

𝐶𝑝 ʋ𝜌
𝜆𝑡

0,997 .5,92.10 −7 .989

=

0,553

.3600 = 3,8.

Tại 46,515°C ta có Cp = 0,997 (kcal/kgđộ), λt = 0,553 (kcal/mhđộ), ρ = 989 kg/m3,
ʋ = 5,92.10-7 (m2/s).
Khi đó chuẩn số Nu là:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25
3,64

= 0,15.38,490,33. 3,640,43.(419,35.106)0,4.(

3,8

)0,25

= 2425,99.
Nu =

𝛼 1 .𝐷𝐵
𝜆′

suy ra α1 =

𝑁𝑢 .𝜆 ′
𝐷𝐵

=

2425 ,99.0,562
0,25

= 5453,64 (kcal/m2hđộ).

Nhiệt tải riêng phía lưu thể nóng là:

q1 = α1.Δt1 = 5453,64.2 = 10907,27 (kcal/m2h).
Nhiệt trở là: (bỏ qua nhiệt trở cặn bẩn)
Σr =

𝛿
𝜆

=

0,001
20,8

= 4,81.10-5 (m2hK/kcal) (λ = 24,15

𝑊
𝑚𝐾

= 20,8 kcal/mhK).

Trang 6


Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống:
Δt2 = q1. Σr = 10907,27. 4,81.10-5 = 0,52 (K) = 0,52 (°C).
Nhiệt độ thành ống bên trong là:
tT2 = tT1 - Δt2 = 46,515 – 0,52 = 45,995 (°C).
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống bên trong và nước lạnh là
Δt2’ = 45,995 – 35,05 = 10,945 (°C).
Ứng với nhiệt độ tT2 = 45,995 có ʋ = 5,98.10-7 m2/s, 𝜌 = 990 kg/m3, Cp = 0,997 (kcal/kgđộ),
λT = 0,552 (kcal/mhđộ).

Prt =

𝐶𝑝 .µ
𝜆𝑇

=

𝐶𝑝 ʋ𝜌
𝜆𝑇

=

0,997 .5,98.10 −7 .990
0,552

.3600 = 3,85.

Chuẩn số Reynolds cho dòng lưu chất chảy trong ống xoắn ruột gà:
Re =
Trong đó ω’ =

𝐺𝐿
𝐹

=

1,66.10 −5
0,19

𝜔 ′ 𝑑𝑡

ʋ′

=

8,74.10 −5 .0,007
7,84.10 −7

= 0,78

= 8,74.10-5 (m/s); ʋ’ = 7,84.10-7 (m2/s) tại 35,05 °C.

Chuẩn số Pr và Gr là:
Pr =

Gr =

𝐶 𝐿 ʋ′ 𝜌
𝜆𝐿
𝑔𝑑 𝑡 3
2
ʋ′

=

0,997.7,84.10 −7 .994

.β2.Δt2’ =

.3600 = 5,2.

0,538
9,81.0,007 3
(7,84.10 −7 )2

.3,44.10-4. 10,945= 20611,29.

Tại 35,05°C có ʋ′ =7,84. 10−7 (m2/s), 𝜆𝐿 =0,538 (kcal/mhđộ), β2 = 3,44.10-4.
Chuẩn số Nu:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡

)0,25

= 0,15.0,780,33.5,20,43. 20611,290,4.(

5,2
3,85

)0,25 = 16,09.

Trang 7


Nu =

𝛼2 𝑑𝑡
𝜆𝐿

nên 𝛼2 =

𝜆 𝐿 .𝑁𝑢
𝑑𝑡

=

0,538.16,09
0,007

= 1236,63 (kcal/m2hđộ).

Nhiệt tải riêng q2 là:
q2 = 𝛼2 . Δt2’ = 1236,63. 10,945 = 13534,93 (kcal/m2h).
Ta có:
𝑞 2 −𝑞 1
𝑞2

=

13534 ,93−10907,27
13534 ,93

= 0,19.

Hiệu suất sử dụng nhiệt:
η=

𝑄𝐿
𝑄𝑁

=

0,133
0,211

= 0,63.

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:
Klt =

1
1 𝛿 1
+ +
𝛼1 𝜆 𝛼2

=

1
1
1
+4,81.10−5 +1236 ,63
5453 ,64

= 961,43 (kcal/m2hđộ) = 0,27 (kcal/m2sđộ).

*Nhận xét: Nhiệt tải riêng q của 2 lưu thể nóng và lạnh chênh lệch quá 5%, trong trường
hợp này là 19%. Mặc dù đã chọn các giá trị khác của sự chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể
nóng và vách tiếp xúc với nó để tính tốn trong các trường hợp đó nhưng khơng tìm được
kết quả nào phù hợp. Gía trị 19% gần như là giá trị nhỏ nhất trong các trường hợp tính tốn

ở trên. Có sự sai khác này có thể là do sự đo nhiệt độ của lưu thể nóng và lưu thể lạnh trong
q trình làm thí nghiệm khơng được chính xác. Mặc dù vậy ta tạm chấp nhận điều này để
thực hiện q trình tính tốn. Hệ số truyền nhiệt trên thực tế ít hơn nhiều so với trên lý
thuyết do có nhiều yếu tố ảnh hưởng như khả năng truyền nhiệt của vách ống, nhiệt trowrw
của cặn bẩn bám trên ống,…

Trang 8


Bài 2: Thí nghiệm trao đổi nhiệt hai dịng lưu thể ngược chiều

I. Sơ đồ nguyên lý và quy trình thí nghiệm.
Trong phần thí nghiệm trao đổi nhiệt hai dịng lưu thể ngược chiều này thì sơ đồ nguyên lý
của hệ thống giống với sơ đồ nguyên lý phần trao đổi nhiệt của hai lưu thể cùng chiều. Quy
trình thí nghiệm cũng tương tự với phần trao đổi nhiệt hai lưu thể cùng chiều nhưng phải chú
ý điều chỉnh các van trên thiết bị thực tế để đưa chúng từ thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều
ban đầu về trao đổi nhiệt ngược chiều (Xi chiều thì mở van 2 cịn ngược chiều thì mở van
1).

II. Kết quả thí nghiệm.
1. Kết quả và các số liệu.
Ngun liệu thí nghiệm: Nước.
Thơng số
Nhiệt độ nước nóng vào
Nhiệt độ nước nóng ra
Nhiệt độ nước lạnh vào
Nhiệt độ nước lạnh ra
Lưu lượng nước nóng
Lưu lượng nước nóng
Lưu lượng nước lạnh

Lưu lượng nước lạnh

Đơn vị
°C
°C
°C
°C
lít/phút
m3/s
lít/phút
m3/s

Lần 1
55
42,8
31
38,1
1
1,67.10-5
1,1
1,83.10-5

Lần 2
55
43,3
31
37,8
1
1,67.10-5
1,05

1,75.10-5

Lần 3
55
43,2
31
37,9
1
1,67.10-5
1,07
1,78.10-5

Trung bình
55,00
43,10
31
37,93
1
1,67.10-5
1,07
1,79.10-5

*Các thơng số của thiết bị:
Đường kình ngồi của ống: dn = 9 mm.
Đường kính trong của ống: dt = 7 mm.
Đường kính vịng xoắn: D = 200 mm.
Đường kính bình trao đổi nhiệt: DB = 250 mm.
Chiều cao bình trao đổi nhiệt: H = 310 mm.
Trang 9

Bước xoắn của ống ruột gà: x = 22 mm.
Chiều dày ống truyền nhiệt: δ = 1 mm.
Số vòng xoắn: n = 12.
Hệ số dẫn nhiệt của vách truyền nhiệt: λ = 24,15

𝑊
𝑚𝐾

*Các thống số của lưu thể:
Nhiệt dung riêng nước nguồn nóng: CN = 0,997(kcal/kgđộ), khối lượng riêng: ρ = 988
kg/m3.
Nhiệt dung riêng của nước nguồn lạnh: CL = 0,997 (kcal/kgđộ), khối lượng riêng: ρ = 994
kg/m3.
Hệ số dẫn nhiệt của nước nguồn nóng: λ’ = 0,556 (kcal/mhđộ)
Độ nhớt động học của nước tại nhiệt độ của nước nguồn nóng: ʋ = 5,66.10-7 (m2/s).
2. Tính tốn.
Chiều dài một vịng xoắn: l =

(𝜋𝐷)2 + 𝑥 2 =

Diện tích trao đổi nhiệt: F = l.n.π.

𝑑 𝑛 +𝑑 𝑡
2

(0,2𝜋)2 + 0,0222 = 0,629 (m).

= 0,629.12.π.

0,009+0,007
2

= 0,190 (m2).

Nhiệt lượng nguồn nóng cấp vào: QN = GNCN(tN1 – tN2) = 988. 1,67.10-5. 0,997.(55-43,10)
= 0,196 (kcal/s).
Nhiệt lượng nguồn lạnh nhận được: QL = GLCL(tL2 – tL1)
=994. 1,79.10-5. 0,997.( 37,93-31) = 0,123 (Kcal/s)
Sự chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa 2 lưu thể:
Δttb =

𝛥𝑡 𝐿 −𝛥𝑡 𝑁
𝛥𝑡

2,3𝑙𝑜𝑔 𝛥𝑡 𝐿

𝑁

=

17,07−12,1
17,07

2,3𝑙𝑜𝑔 12,1

= 14,46 (°C).

Trong đó: ΔtL = tN1 – tL2 = 55 – 37,93 = 17,07.
ΔtN = tN2 – tL1 = 43,10 – 31= 12,1.

Trang 10


Hệ số truyền nhiệt thực: Ktt =
Vận tốc lưu thể: ω =

𝐺𝑁
𝐹

=

Chuẩn số Reynolds: Re =

𝑄𝐿
𝛥𝑡 𝑡𝑏 .𝐹

1,67.10 −5
0,19

𝜌𝜔 𝐷𝐵
µ

=

=

0,123
14,46.0,19

= 0,04 (kcal/m2sđộ).

= 8,79.10-5 (m/s).

𝜔 𝐷𝐵
ʋ

=

8,79.10 −5 .0,25
5,66.10−7

= 38,83.

Nhận thấy Re<2300 nên chuẩn số Nu được tính theo cơng thức:
Nu = 0,15.εd.Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25. (*)

Chiều dài của cả ống xoắn ruột gà là: L = nl = 12.0,629 = 7,548 (m)
Ta có:

𝐿
𝑑𝑡

=

7,548
0,007

= 1078,29 nên suy ra εd = 1 (từ bảng 4.2 trang 199, tính tốn q trình

và thiết bị trong cơng nghệ hóa chất và thực phẩm tập 1, Nguyễn Bin).
Từ (*) ta có:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25.

Tính các chuẩn số Pr và Gr:
Pr = 3600.
Gr =

𝑔𝑙 3
ʋ2

𝐶𝑝 .µ
𝜆,

= 3600.

.β1.Δt1 =

𝐶𝑝 .ʋ.𝜌
𝜆,

9,81.0,25 3
(5,66.10 −7 )2

= 3600.

0,997.5,66.10−7 .988
0,556

= 3,61.

. 4,46.10-4 . 2 = 426,8.106.

Trong đó: β ~~ 4,46.10-4 : hệ số giãn nở thể tích tại nhiệt độ trung bình của lưu thể nóng
là:

55+43,1
2

= 49,05 (°C).

(nguồn: www.engineeringtoolbox.com/).
Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể và vách.
l: đặc trưng hình học, ở đây l = DB = 250 mm.

Trang 11

*Tìm nhiệt độ của vách ống phía tiếp xúc với lưu thể nóng chảy ngồi ống xoắn ruột gà:
Coi mất mát nhiệt khi truyền nhiệt từ lưu thể nóng sang lưu thể lạnh khơng q 5%, khi đó
nhiệt tải riêng q của 2 lưu thể nóng và lạnh cũng khơng được chênh lệch quá 5%. (Nhiệt tải
riêng là lượng nhiệt trên một đơn vị diện tích bề mặt).
Chọn độ chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể nóng và vách là 2°C. Đặt:
Δt1 = tN – tT1 = 2.
Suy ra:
tT1 = tN – Δt1 = 49,05 – 2 = 47,05°C.
Ứng với tT1 ta tính được chuẩn số Prt:
Prt =

𝐶𝑝 .µ
𝜆𝑡

=

𝐶𝑝 ʋ𝜌

0,997 .5,87.10 −7 .989

=

𝜆𝑡

0,553

.3600 = 3,77.

Tại 47,05°C ta có Cp = 0,997 (kcal/kgđộ), λt = 0,553 (kcal/mhđộ), ρ = 989 kg/m3,
ʋ = 5,87.10-7 (m2/s).

Khi đó chuẩn số Nu là:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟

𝑃𝑟𝑡

)0,25
3,61

= 0,15.38,830,33. 3,610,43.(426,8.106)0,4.(

3,77

)0,25

= 2441,32.
Nu =

𝛼 1 .𝐷𝐵
𝜆′

suy ra α1 =

𝑁𝑢 .𝜆 ′
𝐷𝐵

=

2441 ,32.0,556

0,25

= 5429,5 (kcal/m2hđộ).

Nhiệt tải riêng phía lưu thể nóng là:
q1 = α1.Δt1 = 5429,5.2 = 10858,99 (kcal/m2h).
Nhiệt trở là: (bỏ qua nhiệt trở cặn bẩn)
Σr =

𝛿
𝜆

=

0,001
20,8

= 4,81.10-5 (m2hK/kcal) (λ = 24,15

𝑊
𝑚𝐾

= 20,8 kcal/mhK).

Trang 12


Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống:
Δt2 = q1. Σr = 10858,99. 4,81.10-5 = 0,52 (K) = 0,52 (°C).
Nhiệt độ thành ống bên trong là:

tT2 = tT1 - Δt2 = 47,05 – 0,52 = 46,53 (°C).
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống bên trong và nước lạnh là
Δt2’ = 46,53 – 34,465 = 12,065 (°C).
Ứng với nhiệt độ tT2 = 46,53 có ʋ = 5,92.10-7 m2/s, 𝜌 = 989 kg/m3, Cp = 0,997 (kcal/kgđộ),
λT = 0,553 (kcal/mhđộ).
Prt =

𝐶𝑝 .µ
𝜆𝑇

=

𝐶𝑝 ʋ𝜌
𝜆𝑇

=

0,997 .5,92.10 −7 .989
0,553

.3600 = 3,8.

Chuẩn số Reynolds cho dòng lưu chất chảy trong ống xoắn ruột gà:
Re =
Trong đó ω’ =

𝐺𝐿
𝐹

=

1,79.10−5
0,19

𝜔 ′ 𝑑𝑡
ʋ′

=

9,42.10 −5 .0,007
7,18.10 −7

= 0,92.

= 9,42.10-5 (m/s); ʋ’ = 7,18.10-7 (m2/s) tại 34,465 °C.

Chuẩn số Pr và Gr là:
Pr =

Gr =

𝐶 𝐿 ʋ′ 𝜌
𝜆𝐿
𝑔𝑑 𝑡 3
2
ʋ′

=

0,997.7,18.10 −7 .994

.β2.Δt2’ =

.3600 = 4,76.

0,538
9,81.0,007 3
(7,18.10 −7 )2

.3,44.10-4. 12,065 = 27089.44.

Tại 34,465°C có ʋ′ =7,18. 10−7 (m2/s), 𝜆𝐿 =0,538 (kcal/mhđộ), β2 ~ 3,44.10-4.
Chuẩn số Nu:
Nu = 0,15. Re0,33.Pr0,43.Gr0,4.(

𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡

)0,25
4,76

= 0,15. 0,920,33. 4,760,43. 27089.440,4.(

3,8

)0,25 = 17,91.

Trang 13

Nu =

𝛼2 𝑑𝑡
𝜆𝐿

nên 𝛼2 =

𝜆 𝐿 .𝑁𝑢
𝑑𝑡

=

0,538.17,91
0,007

= 1376,51 (kcal/m2hđộ).

Nhiệt tải riêng q2 là:
q2 = 𝛼2 . Δt2’ = 1376,51 . 12,065 = 16607,61(kcal/m2h).
Ta có:
𝑞 2 −𝑞 1
𝑞2

=

16607 ,61−10858 ,99
16607 ,61

= 0,35.

Hiệu suất sử dụng nhiệt:
η=

𝑄𝐿
𝑄𝑁

=

0,123
0,196

= 0,63.

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:
Klt =

1
1 𝛿 1
+ +
𝛼1 𝜆 𝛼2

=

1
1
1
+4,81.10−5 +1376 ,51
5429 ,5

= 1043,02 (kcal/m2hđộ) = 0,29 Kcal/m2sđộ

*Nhận xét: Như đã nói ở bài 1 thì ta có nhiệt tải riêng q của 2 lưu thể nóng và lạnh chênh
lệch quá 5%, trong trường hợp này là 63%. Trong bài này mặc dù cũng đã thử chọn các giá
trị khác của sự chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể nóng và vách tiếp xúc với nó để tính tốn
trong các trường hợp đó nhưng cũng khơng tìm được kết quả nào phù hợp. Sự sai khác này
như đã nói có thể là do sự đo nhiệt độ của lưu thể nóng và lưu thể lạnh trong q trình làm
thí nghiệm khơng được chính xác vì theo như lý thuyết, khi 2 lưu thể chảy ngược chiều nhau
có nhiệt độ của lưu thể lạnh đầu ra sẽ lớn hơn nhiệt độ lưu thể lạnh đầu ra của trường hợp
chảy cùng chiều, nhưng bài này ta so sánh lại xảy ra điều ngược lại. Mặc dù vậy ta tạm chấp
nhận điều này để thực hiện q trình tính tốn.
Hiệu suất sử dụng nhiệt trong 2 lần thí nghiệm tính tốn được chúng bằng
nhau. Hệ số truyền nhiệt trên thực tế ít hơn rất nhiều so với trên lý thuyết do nhiều yếu tố
ảnh hưởng. Chẳng hạn phụ thuộc khả năng truyền nhiệt của bề mặt trao đổi nhiệt hay nhiệt
trở của cặn bẩn, …

Trang 14


Bài 3: Thí nghiệm thanh trùng, tiệt trùng.

I. Mục đích thí nghiệm
Hiểu được q trình thanh trùng/tiệt trùng thực phẩm bằng nhiệt, sự tiêu diệt vi sinh vật và
bào tử bởi nhiệt. Từ đó hiểu và nắm được cách xây dựng công thức thanh trùng/tiệt trùng
cho một loại đồ hộp thực phẩm cụ thể nào đó.
Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách vận hành nồi thanh/tiệt trùng gián đoạn.

II. Thiết bị, dụng cụ, nguyên liệu
Thiết bị thanh/ tiệt trùng gián đoạn thực phẩm.
Dụng cụ đo tâm đồ hộp thực phẩm.
Hộp thực phẩm dưa chuột dầm dấm.

Máy đo pH

III. Nội dung thí nghiệm
Tiến hành xây dựng cơng thức thanh trùng cho sản phẩm dưa chuột dầm dấm đóng lọ thủy
tinh có khối lượng tịnh 500g/lọ, có pH = …..
Chuẩn bị nguyên vật liệu (dưa chuột, thìa là, ớt, muối ăn, đường, mì chính, axit axêtic,…).
Tiến hành chần dưa chuột ở 85°C trong 3 phút. Pha thành phần dịch rót đường 5%, muối
2%, axit axetic 0.4%, và đun sơi cho tan hết, xếp lọ theo tỷ lệ cái/nước là 50%.
Đo pH của hỗn hợp thực phẩm bằng máy đo pH (sau khi xay nhuyễn cả phần cái và nước
của thực phẩm).
Cho hộp/lọ chứa thực phẩm vào thiết bị thanh/tiệt trùng và tiến hành lắp dụng cụ đo nhiệt
độ tại tâm đồ hộp, đó là điểm đun nóng chậm nhất: với thực phẩm đặc thì tâm là điểm 1/3
chiều cao hộp từ đáy lên; với thực phẩm lỏng là điểm 1/2 chiều cao hộp tính từ đáy.
Tiến hành thanh/tiệt trùng đồ hộp thực phẩm và lựa chọn công thức thanh/tiệt trùng là

Trong đó:

𝐴−𝐵−𝐶
𝑝
𝑇

A: Thời gian nâng nhiệt từ nhiệt độ ban đầu lên nhiệt độ thanh trùng (phút) , ở bài thí
nghiệm này là nâng đến nhiệt độ T = 85°C.
Trang 15


B: Thời gian giữ nhiệt (phút), trong bài này thực hiện B = 20 phút, và mục đích của bài
thí nghiệm là cần xác định B là như thế nào là vừa đủ hiệu quả thanh trùng.
C: Thời gian hạ nhiệt (phút).
T: nhiệt độ thanh trùng (°C), với dưa chuột dầm dấm nhiệt độ T=85°C

p: Áp suất đối kháng (atm) - khi tiệt trùng ở nhiệt độ > 100°C.
Tiến hành đo nhiệt độ tại tâm đồ hộp trong suốt quá trình thanh trùng thực phẩm để xác
định hiệu quả thanh trùng Kf tại nhiệt độ t theo công thức cải tiến của Flaumenbaum và điền
giá trị Kf vào số liệu bảng bên dưới.
Kf =

1
𝑇 𝑒 −𝑇

10 𝑍

Trong đó:
Te: Nhiệt độ chuẩn, Te = 80 cho sản phẩm chua nhiều.
Z: Đại lượng bền nhiệt đặc trưng cho từng loại vi sinh vật (vi sinh vật điển hình trong đồ
hộp có độ axit cao là Z = 8,8°C).
Tổng hiệu quả thanh trùng thực tế:
FttZ = ΣKfΔτ
Trong đó:
FttZ: Tổng các hiệu quả thanh trùng thực tế ở nhiệt độ khác nhau trong thời gian thanh
trùng. Hiệu quả ở nhiệt độ khác nhau được xác định dựa trên nhiệt độ ghi ở điểm tăng nhiệt
chậm nhất (tâm hộp) của đồ hộp trong thời gian thanh trùng. Xác định nhiệt độ của điểm đun
nóng chậm nhất qua nhiệt kế được gắn vào hộp với đầu đo ngập trong tâm hộp. Sau một thời
gian thì đọc nhiệt độ ở điểm đun nóng chậm nhất và tính toán hiệu quả thanh trùng Kf (giá trị
gây chết) tại nhiệt độ t theo công thức rồi điền vào bảng kết quả thí nghiệm.
Δτ: Khoảng thời gian đọc nhiệt độ tại điểm đun nóng chậm nhất (phút).
FcZ: Hiệu quả thanh trùng lý thuyết là thời gian cần thiết mà đồ hộp chịu tác dụng nhiệt ở
nhiệt độ tiêu chuẩn nhằm giảm số lượng của nha bào hay tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật
xuống mức thấp nhất không gây hại cho người sử dụng. Đại lượng này được nghiên cứu
trước đó bằng thực nghiệm.

Trang 16


Hiệu quả thanh trùng cần thiết:
FCZ = De.log

𝐶0 𝑉0 .100
𝑆0

Trong đó:
De = D80 - Dchuẩn (với nhóm đồ hộp có độ axit cao 3,8-4). D80 = 2,95 với loại vi sinh vật
điển hình lựa chọn là Enterococcus faecalis.
C0 = 107: Mật độ vi sinh có trong một đơn vị khối lượng ban đầu (CFU/g).
V0: Lượng sản phẩm có trong hộp.
S0 = 0,001%: Tỉ lệ hư hỏng cho phép.
Để đảm bảo q trình thanh tiệt trùng thì FttZ>FcZ từ đó tìm được tổng thời gian cần thiết
thanh tiệt trùng (B phút) từ đó xây dựng được cơng thức thanh tiệt trùng.
𝐴−𝐵−𝐶
𝑝
𝑇
Theo dõi bảo ôn đồ hộp và đánh giá chất lượng của đồ hộp đó.

IV. Kết quả thí nghiệm.
Tiến hành thí nghiệm thanh trùng cho 3 lọ dưa chuột dầm dấm có thành phần:
Lọ 1: m1 = mdưa chuột + mcà rốt = 253,7 + 30,7 = 284,4 (g).
Lọ 2: m2 = mdưa chuột + mcà rốt = 244,3 + 36 = 280,3 (g).
Lọ 3: m3 = mdưa chuột + mcà rốt = 254,1 + 43,9 = 298 (g).
Trung bình khối lượng 3 lọ:
m=
Thời gian đọc (phút)

0
2
4

𝑚 1 +𝑚 2 +𝑚 3
3

=

284,4+280,3+298

Nhiệt độ môi trường
(°C)
16
19
29

3

= 287,6 (g).

Nhiệt độ tại tâm
(°C)
12
13
13

Hiệu quả thanh trùng
Kf tại nhiệt độ t
1,87.10-8

2,43.10-8
2,43.10-8
Trang 17


6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52

43
58
80
85
85
85
85
84
83
82
85
85
85
85
83
83
83
85
85
85
85
85
84
84

Từ cơng thức: Kf =

1
𝑇 𝑒 −𝑇
10 𝑍

3,16.10-8
6,93.10-8
2,57.10-7
10-5
3.10-4
3,16.10-3
0,0197
0,0562
0,1233
0,2081
0,3511
0,5926
1
1,299
1,299
1,299
1,688
2,192
2,848
3,700
3,700
3,700
3,700
3,700

14
17
22
36

49
58
65
69
72
74
76
78
80
81
81
81
82
83
84
85
85
85
85
85

, ta tính Kf với từng giá trị nhiệt độ với Te = 80°C, Z = 8,8°C.

Tổng hiệu quả thanh trùng thực tế:
FttZ = ΣKfΔτ = 62,96.
Hiệu quả thanh trùng cần thiết:
FCZ = De.log

𝐶0 𝑉0 .100
𝑆0

= 2,95.log

10 7 .100.287,6
0,001%

= 48,55.

Như vậy FttZ > FCZ, thời gian thanh trùng thực tế đã vượt quá thời gian thanh trùng cần
thiết.

Trang 18


Thời gian dư: t’ =

𝐹𝑡𝑡𝑍 − 𝐹𝐶𝑍
𝐾𝑓

=

62,96−48,55
3,700

= 9 (phút).

Thời gian giữ nhiệt cần thiết: B = 42 – 9 = 33 (phút).
Công thức thanh trùng:
𝐴−𝐵−𝐶
𝑇

=

12−33−𝐶
85

Đồ thị động học của quá trình thanh trùng sản phẩm ở 85°C:

90

4

80

3.5

70

3

60

2.5

50

2

40

1.5

30

1

20

0.5

10

0

0

T
Kf

-0.5
0

10

20

30

40

50

60



Trang 19


Trang 20