Bài tập quá trình và thiết bị nhiệt doc

BT quá trình và thiết bị nhiệt
Đề bài: Vẽ sơ đồ cấu tạo nguyên tắc làm việc và dự tính kích thước cơ bản
của thiết bị rán dùng hơi ( chỉ thiết bị và bộ phận đun nóng), để rán cá có
năng suất 600 kg/h, thời gian rán 10 phút, số lượng nguyên liệu ở mỗi khay
7kg, nhiệt độ đun nóng 150
o
C, bề mặt đun nóng riêng f
(s)
5,8. Tính nhiệt và
hơi.
Bài làm:
1. Nguyên tắc làm việc.
Đưa nguyên liệu vào các khay rán bằng hệ thống băng tải.
Đun dầu, mỡ lên đến nhiệt độ cần rán 150
o
C, mục đích loại bỏ hơi
nước có thể có ở trong dầu và một số mùi vị lạ và tạo ra chênh lệch
nhiệt độ cao giữa sản phẩm và dầu để giảm thời gian gia nhiệt, rán.
Khi nhiệt độ dầu đạt tới nhiệt độ cần rán thì cho nguyên liệu vào, đun
nguyên liệu tăng đến nhiệt độ rán.
Sau khi nguyên liệu đã được rán, nhờ băng tải đưa ra khỏi thùng rán
và được làm nguội ngay trong khoang làm nguội.
Sau khi làm nguội, sản phẩm được sử lý lựa chọn các cá thể hư hỏng.
Chú ý nhiệt độ của lớp gối nước không được vượt quá 60
o
C bằng cách
cho nước lạnh luân chuyển.
Sau một khoảng thời gian nhất định do chất lượng của dầu giảm và
tiêu hao nên cần bổ xung thêm dầu mới và thay dầu trong thiết bị rán.
2. Tính toán kích thước cơ bản đối với thiết bị.
- Số lượng khay đồng thời chứa đồng thời nguyên liệu rán ở trong thiết

bị rán:
n =
q.60
.
τ
G
=
60.7
10.600

≈
15 khay.
Trong đó:
G: năng suất thiết bị rán [kg/h].

τ
: thời gian rán [ phút]
Q: lượng nguyên liệu cá chứa trong một khay [kg].
- Giả sử cấu tạo của khay rán dài 1(m), rộng 0,37(m), cao 0,1(m) và
khoảng cách giữa các khay là 30(mm) = 0,03(m).
- Chiều dài của thiết bị rán:
l = ( 0,37+ 0,03).15 = 6,0 (m).
- Khoảng cách khay rán đến thành thiết bị 50(mm). Chiều rộng của
thiết bị là:
b = 1000 + 50.2 = 1100 (mm) = 1,1 (m)
- Diện tích mặt thoáng của dầu:
F
d
= 6,0.1,1 = 6,6 (m
2

)
- Diện tích tổng cộng của bộ phận đun nóng:
F
s
= F
d
.f
s
= 6,6.5,8 = 38,28 (m
2
).
- Cấu tạo thiết bị rán có 3 giàn ống truyền nhiệt. Do đó bề mặt đun
nóng của mỗi giàn ngắn là:
F
n
= F
s
/3 = 38,28/3 = 12,76 (m
2
)
- Bộ phận đun nóng là các ống hình ovan có:
+ đường kính ngoài tương đương: 40 (mm).
+ trục ngắn tiêu chuẩn: a = 20 (mm)
- Chu vi ống:
P = π.d
td
= 3,14.40 = 125,6 (mm)
- Phần thẳng thuộc trục lớn của ống ovan xác định bằng công thức:
2.b = P – π.a = 125,6 – 3,14.20 = 62,8
Suy ra b = 31,4 (mm)

- Trục lớn của ống ovan:
B = b + a = 31,4 + 20 = 51,4 (mm)
- Kết luận: ống truyền nhiệt có B = 51,4 (mm), a = 20 (mm), bán kính
phần tròn hai đầu R = 10 (mm).
- Chiều dài ống xác định như sau:
Các ống xếp thành hai hàng, khoảng cách giữa các ống s = 13 (mm),
khoảng cách từ mép ngoài cổ góp đến thành thiết bị là 75 (mm) và
khoảng cách giữa hai dàn truyền nhiệt là 85 (mm), chiều dài của một
dàn ống là:
l
1
=
3
)2.802.75( +−l
=
3
)2.802.75(6000 +−

≈
1897 (mm)
- Cổ góp có tiết diện truyền nhiệt là 100
×
140 (mm) được hàn với hai
hàng ống ovan, chiều dài mỗi dàn ống không kể cổ góp:
l
2
= l
1
– 2.100 = 1897 – 200 = 1697 (mm).
- Chiều rộng của bộ phận truyền nhiệt lấy C = 1000 (mm), bằng chiều

rộng và khoảng cách từ mép đầu ống đến thành thiết bị lấy 50 (mm).
- Số lượng ống ( xếp 1 hàng) theo bề rộng:
k =
.( 1)C s k
a
− −

s: khoảng cách giữa các ống lấy là 13 (mm).
a: trục nhỏ ống ovan bằng 20 (mm)
C: chiều rộng của bộ phận truyền nhiệt
Suy ra:
k =
1000 13.( 1)
20
k− −

⇔
20k = 1000 – 13k + 13
⇔
33k = 1013
⇔
k
≈
30 ống.
- Số lượng ống truyền nhiệt cho dàn N = 30.2 = 60 ống
- Bề mặt đun nóng của một dàn ống xác định:
F
1
= P.l
2

.N = 0,1256.1,697.60 = 12,79 (m
2
)
- Bề mặt của mỗi cặp cổ góp của bộ phận truyền nhiệt:
F
2
= 2.[2.( f
1
+ f
2
+ f
3
) – f
n
– N.f
o
]
Trong đó:
f
1
: bề mặt mỗi thành nằm ngang của cổ góp.
f
2
: bề mặt mỗi thành đứng của cổ góp.
f
3
: bề mặt mỗi thành bên của cổ góp.
f
n
: diện tích bề mặt của ống tháo nước ngưng và cung

cấp hơi, chọn f
n
= 0,03 (m
2
)
f
o
: diện tích phần một ống gắn vào cổ góp là đầu tròn có
R = 10 (mm).
Nên: F
2
= 2.[ 2.(0,1.1 + 0,14.1 + 0,1.0,14) – 0,03 – 60.3,14.0,01
2
]
F
2
;
= 0,41 (m
2
).
- Bề mặt toàn phần của mỗi dàn truyền nhiệt:
F = F
1
+ F
2
= 12,79 + 0,41 = 13,20 (m
2
)
- Do đó, bề mặt truyền nhiệt tổng cộng của thiết bị rán:
F

t
= F.3 = 13,20.3 = 39,60 (m
2
)
3. Tính nhiệt và hơi cho thiết bị rán
- Khi tính toán phải tính cho hai giai đoạn:
+ Giai đoạn đun nóng.
+ Giai đoạn rán
- Trong giai đoạn đun nóng: cung cấp nhiệt lượng để đun nóng dầu,
nước, thân thiết bị rán, bộ phận truyền nhiệt và tỏa ra môi trường xung
quanh.
- Giai đoạn rán: cung cấp nhiệt lượng để đun nóng nguyên liệu tới
150
o
C, đun nóng dầu bổ xung, đun nóng khay chứa nguyên liệu và tổn
thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
- Dầu trong thiết bị rán được phân thành 3 lớp được đun nóng đến các
nhiệt độ khác nhau. Chiều cao của lớp dầu hoạt động thường phải cao
hơn chiều cao của khay là 100 mm. Do đó, chiều cao của lớp hoạt
động là 200 mm. Lớp ở giữa có chiều cao bằng chiều cao bộ phận
truyền nhiệt bằng 140 mm. Lớp dầu thụ động thường lấy 30 mm.
- Nhiệt độ thích hợp của lớp dầu hoạt động và giữa là 150
o
C, còn lớp
thụ động là 110
o
C.
3.1 Giai đoạn đun nóng.
- Khối lượng của dầu ở trong lớp hoạt động và lớp giữa của thiết bị:
G

1
= ( V
1
– V
T
).
ρ
(kg)
Trong đó:
V
1
: thể tích của dầu chứa trong lớp hoạt động và lớp giữa
( dm
3
)
V
T
: thể tích của bộ phận truyền nhiệt (dm
3
)

ρ
: tỷ trọng của dầu bằng 0,94 (kg/dm
3
)
Thiết bị rán có chiều dài 6,0 m, chiều rộng 1,1 m. Nên
V
1
= 60.11.( 2,0 + 1,4 ) = 2244 (dm
3

)
Thể tích của bộ phận truyền nhiệt:
V
T
= 6.1,4.1,0.10 + 60.3.3,14.
0,514
2
.
0,2
2
.16,97 = 330,5 (dm
3
)
- Do đó: G
1
= ( 2244 – 330,5 ).0,94 = 1798,69 (kg).
- Chi phí nhiệt để đun nóng lớp dầu hoạt động và lớp dầu ở giữa:
Q
1
= G
1
.C
1
.( t
1
– t
0
)
G
1

: khối lượng dầu được đun nóng (kg)
C
1
: nhiệt dung riêng của dầu, C
1
= 2,1 ( kJ/kg.độ )
t
1
: nhiệt độ của dầu sau khi đun nóng
t
0
: nhiệt độ dầu trước khi đun nóng
Q
1
= 1798,69.2,1.(150 – 20) = 491042 (kJ)
- Khối lượng của lớp dầu thụ động
G
2
= V
2
.
ρ
V
2
: thể tích lớp dầu thụ động:
G
2
= 60.11.0,3.0,94 = 186,12 (kg)
- Nhiệt lượng cần để đun nóng lớp dầu thụ động:
Q

2
= 186,12.2,1.(110 – 20) = 35177 (kJ)
- Nhiệt lượng cần để đun nóng dầu:
Q
1-2
= Q
1
+ Q
2
= 491042 + 35177 = 526219 (kJ)
- Khối lượng nước thích hợp cần phải có trong thiết bị bằng 80% lớp
dầu hoạt động, tức là:
G
n
= 1798,69.0,8 = 1438,944 (kg)
Lấy nhiệt độ ban đầu của nước là 20
o
C và nhiệt độ cuối của lớp gối
nước là 60
o
C, chi phí nhiệt đun nóng lớp gối nước:
Q
3
= 1438,944.4,19.(60 – 20) = 241167 (kJ)
- Khối lượng vật liệu (thép) của bộ phận truyền nhiệt:
G
T
= F
1
.s.

ρ
F
1
: bề mặt truyền nhiệt (39,60 m
2
)
s: chiều dày trung bình của vật liệu gia công bộ phận truyền
nhiệt, s
≈
0,005 (m).

ρ
: khối lượng riêng của thép, bằng 7800 (kg/m
3
)
G
T
= 39,60.0,005.7800 = 1544,4 (kg)
- Chi phí nhiệt đun nóng bộ phận truyền nhiệt:
Q
4
= G
T
.C
T.
(t
h
– t
0
)

C
T
: nhiệt dung riêng của thép, bằng 0,482 (kJ/kg.độ)
t
h
: nhiệt độ hơi đưa vào ở 10at, lấy 179
o
C
t
0
: nhiệt độ ban đầu của bộ phận truyền nhiệt.
Q
4
= 1544,4.0,482.(179-20) = 118360 (kJ)
- Chi phí nhiệt đun nóng phần thiết bị rán tiếp xúc với dầu:
Q
5
= 200.0,482.(150 – 20) = 12532 (kJ)
- Chi phí nhiệt đun nóng phần thiết bị rán tiếp xúc với nước:
Q
6
= 500.0,482.(60 – 20) = 9640 (kJ)
- Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh phụ thuộc bề mặt thùng thiết
bị rán tiếp xúc với dầu và nước:
Q
7
= F
2
.
4

4
0
1
1 1 0
t
.(t - t ) + C
100 100
t
α
 
 
 
 
 
−
 
 
 ÷
 ÷
 
 
 
 
 
 
F
2
: bề mặt thùng thiết bị rán, F = 10 (m
2
)

t
1
: nhiệt độ mặt ngoài của thành thiết bị, t
1
= 50
o
C
t
0
: nhiệt độ không khí, t
0
= 20
o
C
C: hệ số bức xạ của lớp amiang, C = 5 (W/m
2
.
o
C)

1
α
: hệ số xác định theo công thức:

1
α
= 6,2 + 4,2.v = 6,2 + 4,2.0,25 = 7,25 (W/m
2
)
v: vận tốc không khí, lấy v = 0,25 (m/s)

Do đó:
Q
7
= 10.
( )
4 4
323 293
7,25. 50 20 5. .3600
100 100
 
 
 
   
− + −
 
 
 ÷  ÷
   
 
 
 
 
= 14156 (kJ/h)

- Tổn thất nhiệt do mặt thoáng của dầu:
Q
8
= F
3
.

( )
2 0
.
tb
t t
α
−
F
3
: diện tích mặt thoáng của dầu, F
3
= 6,6 (m
2
)

tb
t
: nhiệt độ trung bình của dầu ở giai đoạn đun nóng

2
α
: hệ số tỏa nhiệt từ mặt thoáng của dầu ra môi trường không
khí, xác định theo công thức:

2
9,3 0,058.
9,3 0,058.85 14,23(W/m . )
tb
o
t

C
α
α
= +
= + =
Do đó: Q
8
= 6,6.14,23.(85-20).3600 = 21977 (kJ/h)
- Tổng chi phí nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh:
Q
7-8
= Q
7
+ Q
8
= 14156 + 21977 = 36133 (kJ/h)
- Tổng chi phí nhiệt không kể chi phí nhiệt tổn thất ra môi trường xung
quanh:
Q
1-6
= Q
1
+ Q
2
+ Q
3
+ Q
4
+ Q
5

+ Q
6
Q
1-6
= 491042 + 35177 + 241167 + 118360 +12532 +9640
Q
1-6
= 907918 (kJ)
- Thời gian cần thiết đun nóng nhiệt độ của dầu đến nhiệt độ rán:

τ
1 6 7 8
.
. .
Q Q
k F t
τ
− −
+
=
V
(h)
F: bề mặt đun nóng tổng cộng, F = 39,60 (m
2
)
k: hệ số truyền nhiệt từ hơi đốt dầu rán qua thành ống k = 350
(W/m
2
.độ)
tV

: hiệu số nhiệt độ trung bình từ hơi đốt đến dầu rán
tV
=
( ) ( )
179 20 179 150
77
179 20
2,303lg
179 150
− − −
=
−
−
o
C
nên
τ
=
3
907918 36133.
350.10 .3600.39,60.77
τ
−
+
=
907918 36133.
3841992
τ
+
Do đó

τ
=
907918
3841992 36133−
= 0,24 (h) = 14,4 phút
Vậy tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh trong một quá trình rán ở
giai đoạn chuẩn bị rán:
Q
’
7-8
=
36133.14,4
8672
60
=
(kJ)
- Lượng nước chảy luân lưu xác định theo công thức:
- Chi phí nhiệt tổng cộng cho gia đoạn chuẩn bị rán:
Q
cb
= Q
1-6
+ Q
’
7-8
= 907918 + 8672 = 916590 (kJ)
- Chi phí hơi cho giai đoạn chuẩn bị rán:
D
’
1

=
( )
'
0,03
k
Q
i i i− −
i: nhiệt hàm của hơi bão hòa khô ở 10at, (i = 663.4,19 kJ)
i
k
: nhiệt hàm của nước ngưng ở 10at, (i = 181,2.4,19 kJ)
0,03i: tổn thất nhiệt do bình tháo nước ngưng xả ra.
D
’
1
=
( )
916590
473,6
4,19 663 181,2 0,03.663
=
 
− +
 
(kg)
- Chi phí hơi trong 1h của giai đoạn chuẩn bị rán:
D
1
=
'

1
.60 473,6.60
1973
14,4 14,4
D
= =
(kg/h)
- Tóm lai: Trong giai đoạn đun nóng:
- Tổng chi phí nhiệt: Q
cb
= 916590 (kJ)
- Tổng chi phí hơi trong 1h: D
1
= 1973 (kg/h)
3.2 Giai đoạn rán
- Chi phí nhiệt trong 1h để đun nóng cá lên 100
o
C:
Q
’
1
= 600.3,5.(100 – 20) = 168000 (kJ/h)
- Khi rán lượng nước trong cá bôc hơi chiếm 20% khối lượng cá, tức là:
W = 600.0,2 = 120 (kg)
- Chi phí nhiệt làm bốc hơi lượng nước đó:
Q
’
2
= W.r. (kJ/h)
r: ẩn nhiệt bốc hơi của nước ở 100

o
C ( r = 539,4 kcal/kg)
Q
’
2
= 120.539,4.4,19 = 271210 (kJ)
- Chi phí nhiệt để đun nóng lớp bề mặt của cá:
Q
’
3
= (600 – 120).0,2.3,5.(150 – 100) = 16800 (kJ)
0,2: là phần cá được đun nóng lên 150
o
C.
3,5: nhiệt dung riêng của cá (kJ/kg.độ).
- Theo các số liệu thực nghiệm, lượng dầu do cá rán mang theo chiếm
khoảng 6%, do đó chi phí dầu đồng thời cũng bằng lượng dầu bổ xung
là: G
d
= 600.0,06 = 36 (kg/h).
Nên chi phí nhiệt để đun nóng dầu bổ xung vào thiết bị rán:
Q
’
4
= G
d
.C
d
.(t
1

– t
0
) = 36.2,1.(150 – 20) = 9828 (kJ/h)
- Lượng nước luân lưu của nước có tác dụng lấy nhiệt ở lớp thụ động:
w =
( )
( )
2 1 1 2
2 3 4
. .G C t t
C t t
−
−
Trong đó:
G
2
: lượng dầu ở lớp thụ động, G
2
= 186,12 (kg)
C
1
: nhiệt dung riêng của dầu, C
1
= 2,1 (kJ/kg.độ)
C
2
: nhiệt dung riêng của nước, C
2
= 4,19 (kJ/kg.độ)
t

1
, t
2
: nhiệt độ đầu và cuối của lớp dầu thụ động, t
1
= 150
o
C,
t
2
= 110
o
C.
t
3
, t
4
: nhiệt độ đầu và cuối của nước luân lưu, t
3
= 60
o
C,
t
4
= 20
o
C
Nên:

( )

( )
186,12.2,1 150 110
w = 93,3( / )
4,19 60 20
kg h
−
=
−
- Do đó chi phí nhiệt để đun nóng lượng nước luân lưu:
Q
’
5
= G
n
.C
n
.(t
3
– t
4
) = 93,3.4,19.(60 – 20) = 15637 (kJ/h)
- Lượng cá trong mỗi khay là 7 kg, năng suất thiết bị rán là 600 kg/h,
trọng lượng khay là 1,2 kg. Do đó khối lượng khay rán cần thiết đi
vào thiết bị trong 1 giờ.
M =
600.1,2
7
= 103 (kg/h)
- Chi phí nhiệt đun nóng khay:
Q

6
= 103.0,482.(150 – 20) = 6454 (kJ/h)
- Tổng chi phí nhiệt trong giai đoạn rán không kể chi phí nhiệt tổn thất
ra xung quanh:
Q
’
1-6
= Q’
1
+ Q’
2
+ Q’
3
+ Q’
4
+ Q’
5
+ Q’
6
= 168000 + 271210 + 16800+ 9828+ 15637 + 6454
= 487929 (kJ/h)
- Chi phí nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh tính bằng 8% chi phí
nhiệt hữu ích:
Q
’
7
= 0,08.487929 = 39034 (kJ/h)
- Tổng chi phí nhiệt cho giai đoạn rán:
Q
r

= Q
’
1-6
+ Q
’
7
= 487929+ 39034 = 526963 (kJ/h)
- Chi phí hơi trong giai đoạn rán tức là giai đoạn rán làm việc ổn định
theo chế độ kỹ thuật của qui trình công nghệ:
D
2
=
( )
0,03.
r
k
Q
i i i− +
=
( )
526963
272
4,19 663 - 181,2 + 0,03.663
=
 
 
(kg)
- Đường kính ống dẫn hơi:
d =
1

1
30 . .
D
v s
π
(m)
D
1
: chi phí hơi lấy ở giai đoạn đầu cần nhiều hơi, D
1
= 1973 (kg/h)
v: vận tốc hơi trong ống ( v = 30 – 36 m/s), lấy v = 30m/s
s: tỷ trọng của hơi ở 10at, s =5,049 kg/m
3
Do đó:
d =
1 1973
30 3,14.30.5,049
= 0,068 (m) =68 (mm)
- Kết luận: trong giai đoạn rán cá
- Tổng chi phí nhiệt: 526963 (kJ/h)
- Tổng chi phí hơi: 272 (kg)
- Sau khi rán, cá được chuyển tới bộ phận làm nguội cá. Lượng cá rán
đưa vào làm nguội: 480 (kg/h) với nhiệt độ 100
o
C cần được làm nguội
đến 50
o
C, khi làm nguội lượng nước trong cá bốc hơi chiếm 3% khối
lượng cá.

- Lượng không khí tiêu hao trong 1h để làm nguội có thể xác định bằng
công thức:
L =
( )
( )
( )
( )
' '
1 2 2 1
'' '
2 1
2 1
. . . .
1000.
.
b t c
G C t t G C t t Q
w
d d
t t I I d
− + − −
+
−
− + −
w: lượng ẩm bốc hơi, w = 0,03.480 = 14,4 (kg/h)
G: khối lượng cá làm nguội, G = 480 (kg/h)
C: nhiệt dung riêng của cá, C = 3,5 (kJ/kg.độ)
t
1
, t

2
: nhiệt độ của cá trước và sau khi làm nguội
t
1
= 100
o
C, t
2
= 50
o
C
G
b
: khối lượng các kết cấu băng chuyền qua thiết bị rán trong 1h,
vận tốc băng chuyền 0,03m/s, và khối lượng của 1m băng chuyền là
20kg.
G
b
= 3600.0,03.20 = 2160 (kg/h)
C
1
: nhiệt dung riêng của thép 0,482 (kJ/kg.độ)
t
’
2
, t
’
1
: nhiệt độ đầu và cuối của dây xích chuyển động
t

’
2
= 120
o
C, t
’
1
= 45
o
C
Q
c
: tổn thất nhiệt ra môi trường bên ngoài, nhiệt lượng lấy bằng 3%
nhiệt lượng do cá và dây xích tỏa ra.
Q
c
= 0,03.[G.C.(t
1
– t
2
) + G
b
.C
1
.(t
’
2
– t
’
1

)]
= 0,03.[480.3,5.(100 – 50) + 2160.0,482.(120 – 45)] = 4863 (kJ/h)
- Trạng thái không khí dùng để làm nguội cá lấy ở trong điều kiện nhiệt
độ t
’
= 20
o
C, φ = 80 %. Khi đó, d
1
= 11,94 g/kg, I
1
= 12,01 kcal/kg.
- Các số liệu thực phẩm cho phép lấy trạng thái không khí sau khi làm
nguội có nhiệt độ là: t
’’
= 40
o
C và I
2
= 27,44 kcal/kg, d
2
= 29,05 g/kg.
- Thay số ta được:
L =
( ) ( )
( )
( )
480.3,5. 100 50 2160.0,482 120 45 4863
1000.14,4
27,44 12,01 .11,94.4,19

29,05 11,94
40 20
1000
− + − −
+
−
−
− +

L = 8410,5 (kg/h)
- Thể tích riêng của không khí ẩm ở nhiệt độ 24
o
C và φ = 60 % là
0,947 m
3
/h
- Lượng không khí cần thiết để làm nguội là:
V
kk
= 8410,5.0,947 = 7965 (m
3
/h).
- Từ thể tích này ta chọn loại quạt cho bộ phận làm nguội cá