Bài giảng kỹ thuật thực phẩm 2 chương 2 ths trần văn hùng

MÔN HỌC
KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

Giảng viên: ThS. Trần Văn Hùng
Email:

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

CHƯƠNG II
CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Tiết 1: Các thiết bị trao đổi nhiệt
Nội dung tiết học
1. Các thiết bị trao đổi nhiệt trong thực phẩm
2. Tổ chức dòng chảy
3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Thiết bị truyền nhiệt ống chùm

9/10/2014

Thiết bị truyền nhiêt tấm bản

TRẦN VĂN HÙNG

Quá trình thanh trùng nước quả
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Quá trình thanh trùng sữa
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

1.CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG THỰC PHẨM

1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


III. Thiết bị truyền nhiệt gián tiếp
Trong thiết bị này các lưu thể có nhiệt độ khác nhau chuyển
động ở các phần không gian riêng được ngăn cách bằng bề
mặt truyền nhiệt.
Một số thiết bị truyền nhiệt gián tiếp:
• Thiết bị hai vỏ
• Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc
• Thiết bị truyền nhiệt ống chùm
• Thiết bị truyền nhiệt tấm bản
• Thiết bị ống lồng ống

• Thiết bị truyền nhiệt kiểu dàn ống
• Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn ruột gà
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Thiết bị truyền nhiệt gián tiếp

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ



Dùng để làm thiết bị phản ứng kết hợp cấp nhiệt
hay thải nhiệt phản ứng.



Cấu tạo chung:
- Gồm vỏ trong và vỏ ngoài lắp ghép với nhau
- Trong vỏ áo là khoảng không gian dành cho chất tải
nhiệt hoặc tải lạnh.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ


Nguyên lý vận hành :
- Thực hiện qua bề mặt của vỏ trong bị bao bởi vỏ ngoài.

- Chất tải nhiệt ở không gian giữa hai vỏ cấp nhiệt cho dung
dịch ở trong vỏ trong
- Có thể lắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong
- Quá trình làm việc : có thể liên tục hoặc gián đoạn.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ

 Phân

loại : 2 loại chính

- Loại không tháo rời hai vỏ
- Loại tháo rời hai vỏ
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ



Loại không tháo rời hai vỏ
Thiết bị trao đổi nhiệt loại nồi hai vỏ:
1 - cửa nạp liệu gián đoạn
2 - cửa lắp chân không kế 3 - nắp
4 - thân trong

5 – cửa cho hơi nước nóng vào
6 – giá đỡ 7 - vỏ ngoài 8 – đáy ngoài
9 - cửa nước ngưng ra
10 - cửa tháo sản phẩm
11 - cửa lắp áp kế
12 - cửa nối với bơm chân không.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ

Một số lắp ghép của vỏ trong và ngoài
1-vỏ trong
2-vỏ ngoài
3-vành bích.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ



Loại tháo rời hai vỏ
Phương pháp ghép
vỏ trong và vỏ ngoài:
a, b) 1-vỏ trong

2-vít cấy
3-bích của vỏ trong
4-bích của vỏ ngoài
5-vỏ ngoài;
c) 1-vỏ trong đúc liền bích;
2-vỏ ngoài.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT HAI VỎ

Ứng

dụng :

Thiết bị phản ứng hóa học, nồi nấu,
thiết bị cô đặc, thiết bị lên men,thiết bị
làm lạnh vỏ áo cánh khuấy…

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích trao đổi
nhiệt rất lớn, có thể đến hàng nghìn mét vuông, hệ số trao
đổi nhiệt cao, thích hợp dùng làm thiết bị truyền nhiệt
lỏng – lỏng, lỏng – khí, và cả khí – khí, thiết bị ngưng tụ.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM

Ưu điểm:

•

Cấu tạo gọn, chắc chắn tốn ít kim loại (tính theo một đơn vị
truyền nhiệt).
Dễ làm sạch phía trong ống trừ thiết bị có ống truyền nhiệt hình
chữ U

Nhược điểm:

•

Khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn được như gang
hoặc thép silic…
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM
•

Cấu tạo chung:



Gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được bọc ngoài bằng vỏ hình trụ,

hai đầu có nắp đậy.


Trong thiết bị có 2 không gian riêng biệt:
- Không gian giữa các ống : gồm khoảng trống bên trong vỏ

không bị ống chiếm chỗ .
- Không gian trong ống : gồm các phần rỗng ở trong các ống
và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM

Thiết bị ống chùm lắp cứng:
1-nắp; 2-vỉ ống; 3-ống truyền nhiệt;
4, 10-cửa thông với không gian giữa
các ống; 5-giá; 6-vỏ; 7-nắp;
8,11-cửa thông với không gian trong
ống; 9-vòng đệm kín.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM

Sắp xếp ống trên một vỉ

Lục giác đều

Đường tròn
đồng tâm

9/10/2014

Đỉnh hình vuông

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM


Thiết bị ống chùm - một pass phía ống
Vỉ ống

Cửa vào chất lỏng
giữa các ống

Vỉ ống

Chùm ống

Vỏ ống
Tấm ngăn
Cửa ra chất lỏng
Cửa thông chất
giữa các ống
lỏng trong 9/10/2014
ống

Cửa thông chất
lỏng trong ống

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM


Thiết bị ống chùm - hai pass phía ống
Vỉ ống

Cửa chất lỏng
vào trong ống
Cửa vào chất
lỏng giữa các ống

Chùm ống

Vỏ ống
Tấm ngăn
Cửa ra chất lỏng
giữa các ống

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Vỉ ống
Cửa chất lỏng
trong ống ra
ngoài


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM


Thiết bị ống chùm hình chữ U

Cửa vào chất lỏng
giữa các ống
Vách ngăn

Vỏ ống

Vỉ ống

Khoảng ra

Ra
Vào
chất lỏng
trong ống

Phía vỏ

Chùm ống
chữ U

9/10/2014

Tấm ngăn
TRẦN VĂN HÙNG

Cửa ra chất
lỏng giữa các
ống

Khoảng vào

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM

•

Ứng dụng:
Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm được sử dụng rộng rãi trong

công nghiệp, dùng làm thiết bị ngưng tụ, thiết bị nhiệt tiệt trùng,
thanh trùng, thiết bị cô đặc, thiết bị làm lạnh...

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TĐN ỐNG LỒNG ỐNG

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


1.Sơ lược về thiết bị
Ưu điểm:
Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tăng tốc độ chảy của cả hai
chất tải nhiệt.
Chế tạo đơn giản.
Nhược điểm:
Cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều vật liệu chế tạo.
Khó vệ sinh, làm sạch khoảng trống giữa hai ống.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2. Cấu tạo, nguyên lý vận hành

Sơ đồ cấu tạo thiết bị ống lồng ống:
1-Ống trong; 2-Ống ngoài; 3-Cút ống trong

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Phương pháp không tháo rời

Ống lồng ống ghép bằng hàn
1-Ống ngoài; 2-Ống trong; 3-Cút ống trong; 4-Bích nối các ống ngoài
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


Phương pháp lắp ghép mềm

Phương pháp lắp ghép mềm (dịch chuyển) giữa ống trong và ống ngoài
1- Cút nối ống trong; 2- Bích hộp chêm đệm; 3- Bích ống ngoài; 4- Đệm kín
5- Ống ngoài; 6- Ống trong.
G1- Lưu thể chảy trong ống trong; G2- Lưu thể chảy giữa hai ống.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Ứng dụng và thiết bị hiện có trên thị trường
Ứng dụng:
Thiết bị ống lồng ống thường được ứng dụng để tiến hành quá trình trao đổi
nhiệt giữa hai chất lỏng
Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống của hãng Vijay Engineers của Ấn Độ và Della
Toffla của Úc được chế tạo bằng thép không gỉ thích hợp để thanh trùng, tiệt
trùng nước trái cây

Vijay Engineers

9/10/2014

Della Toffla

TRẦN VĂN HÙNG

1. Dàn ống trơn thẳng đứng có ống tự

2. Dàn ống trơn (không có cánh)

tuần hoàn chất lỏng đang bay hơi.

3. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có cánh dọc:
a) ống có cánh dọc; b) mặt cắt ngang của thiết bị truyền nhiệt ống có cánh dọc;
1-lưu thể thứ nhất; 2-lưu thể thứ hai; 3-ống có cánh; 4-vỏ.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu dàn ống
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn ruột gà
1. Sơ lược về thiết bị
Ưu điểm:
-Dễ dàng điều chỉnh bề mặt truyền nhiệt
-Khắc phục được sự giãn nở vì nhiệt giữa vỏ và ống xoắn
- Ống không cần dày
Nhược điểm:

-Khó vệ sinh thiết bị
- Hệ số tỏa nhiệt α phía chất lỏng nhỏ hơn phía chuyển pha rất
nhiều.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2. Cấu tạo, nguyên lý vận hành

Thiết bị ống xoắn ruột gà: a)
bản vẽ lắp;
1,7-cửa vào, ra của lưu thể ở
pha hơi; 2-nắp; 3-giá đỡ; 4thân; 5-ống xoắn ruột gà kép;
6,10-cửa vào, ra của chất lỏng;
8-gân tăng cứng cho ống xoắn;
9-ống góp.
b) tiết diện ngang; c) kết cấu
9/10/2014
đầu nối.
TRẦN VĂN HÙNG


Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn

1-cửa vào của dung
dịch;
2- nắp; 3- thân; 4ống truyền nhiệt; 5,
8- cửa ra và vào của
ống truyền nhiệt;

6- cửa ra của dung
dịch; 7- đáy; 9- giá
đỡ.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

Là thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt.


-

Ưu điểm:
Có hệ số truyền nhiệt rất lớn (K = 2500W/m2 oC)
Cấu tạo nhỏ gọn nhưng có bề mặt truyền nhiệt lớn.
Chế độ nhiệt ổn định khi làm việc.
Có thể tăng thêm hay giảm bớt bề mặt truyền nhiệt
Dễ tháo, lắp khi làm vệ sinh bề mặt truyền nhiệt
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN



Nhược điểm:

- Không chịu được áp suất cao
- Không chịu được nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp
P ≤ 1,5 MN/m2
- 150oC < t < 450oC

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

Thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản
a) Nguyên lý cấu tạo và hoạt động
b) Cấu tạo thực nhìn từ bên ngoài
1-các tấm truyền nhiệt;
2-các tấm ép chặt các đệm kín
giữa hai tấm truyền nhiệt liên tiếp
3- tấm giữa (chỉ có khi dùng hai lưu
thể liên tiếp nhưng khác loại để làm
lạnh hoặc làm nóng một lưu thể)
4- các vít xiết chặt tạo lực ép.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Ứng dụng và những thiết bị trên thị trường
Trong công nghiệp hóa chất hay thực phẩm thiết bị thiết bị

ống xoắn được đặt trong các nồi nấu hay trong thiết bị lên men…

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


H¬i ®èt
Ng­ng tô

Thiết bị gia nhiệt kiểu tấm
9/10/2014

N­íc mÝa
H¬i thø

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ĐẶC TẤM BẢN (PLATE EVAPORATION)

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


SƠ ĐỒ HỆ THỐNG GIA NHIỆT TRONG CÔ ĐẶC TẤM BẢN

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

Cấu tạo của tấm truyền nhiệt và đệm kín

a) kích thước tấm
b, c) cấu tạo sóng khi dập
d) kích thước tiết diện
ngang của đệm kín

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

Kích thước tấm truyền nhiệt
Diện tích
truyền nhiệt
m2

Kích thước, mm
H

h

A

0.2

1000

904

850

75 315

0.3

1100 1000

980

0.5

1370 1242 1200 85 505 160 410

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

c

B

c

d

90

60

65 400 135

70


THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TẤM BẢN

 Ứng dụng :
Sử dụng trong dây chuyền công nghệ sản
xuất bia, nước giải khát, điều hòa không
khí, chế biến thủy sản, chế biến thịt như
thiết bị thanh trùng, thiết lạnh đông (lạnh
đông tiếp xúc).
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2. TỔ CHỨC DÒNG CHẢY

Biểu diễn chiều dòng chảy trong thiết bị vỏ ống
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2.1. Chiều dòng chảy

a. Cùng chiều

9/10/2014

b. Ngược chiều

TRẦN VĂN HÙNG


Khi trao đổi nhiệt có chuyển pha

Ngưng tụ chuyển pha

9/10/2014

Bốc hơi chuyển pha Ngưng tụ, bốc hơi chuyển pha

TRẦN VĂN HÙNG

2.2. Tổ chức dòng chảy phía vỏ



Khi ta muốn làm nguội lưu chất ta nên bố trí
dòng nóng phía ngoài vỏ



Trong 2 dòng lưu chất dòng nào có lưu lượng
hoặc thể tích lớn, dòng ăn mòn ít, nên bố trí
phía vỏ

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2.3. Tổ chức dòng chảy phía ống


Khi ta muốn đun nóng lưu chất ta nên bố trí
dòng nóng phía ngoài ống



Trong 2 dòng lưu chất dòng nào có lưu lượng
hoặc thể tích bé, áp suất cao, ăn mòn cao nên
bố trí phía ống

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2.4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
2.4.1. Tính ∆tlog của thiết bị truyền nhiệt vỏ ống
2.4.2. Tính nhiệt độ trung bình của các dòng lưu chất

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ
TRUNG BÌNH (song song)
 Nhiệt độ trung bình lôgarit:
t 

t max  tmin
t
ln max
t min

K 

Nhiệt độ trung bình số học:
t1'  t1" t2'  t 2"
K 

2
2
t  t min
K 

t  max
2
9/10/2014
TRẦN VĂN HÙNG
t 

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ
TRUNG BÌNH (cắt nhau)
tnc 

t max  tmin
t
ln max
tmin

K 

tcn   t tnc
 t  f ( P , R )
P

t2"  t2'
t 2
t '  t " t

; R  1" 1'  1
tmax tmax
t2  t2 t2

∆t xác định bằng đồ thị

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ
TRUNG BÌNH (cắt nhau)
tcn   t t nc
 t  f ( P , R )
P

t2"  t2'
t2

;
tmax t max

R

t1'  t1" t1

t2"  t2' t2

∆t xác định bằng đồ thị
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ
TRUNG BÌNH (cắt nhau)

tcn   t t nc
 t  f ( P , R )
P

t2"  t2'
t2

;
tmax t max

R

t1'  t1" t1

t2"  t2' t2

∆t xác định bằng đồ thị
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ
TRUNG BÌNH (cắt nhau)
tcn   t t nc
 t  f ( P , R )
P

t2"  t2'
t2


;
tmax t max

R

t1'  t1" t1

t2"  t2' t2

∆t xác định bằng đồ thị
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


TÍNH NHIỆT ĐỘ CUỐI CHẤT TẢI
NHIỆT
 Biết t’1, t’2, W1, W 2, tính t”1, t”2 với nhiệt
độ trung bình số học
t1'  t1" t2'  t2"

2
2
Q  kFt



t1'  t2'

 Q  1

1
1


Q  W1 t1'  t1"  W2 t 2"  t2' 
2W1 kF 2W2


K 

t 









9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2.4.3. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt
 Phương trình truyền nhiệt:
F

Q  kF t

Q
t tb .K

 Phương trình cân bằng nhiệt:







Q  G1 i1'  i1"  G2 i2"  i2'








Q  G1C p1 t1'  t1"  G2C p 2 t 2"  t 2'



t '  t "  W
t
Q  W1 t1'  t1"   W2 t 2"  t 2'   1  1" 1'  2
t2 t2  t2  W1
W = GCp là nhiệt dung toàn phần [W/K]
(1) - nóng ; (2) - lạnh ; (‘) - vào; (“) - ra.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

2.4.4. BỐ TRÍ ỐNG TRONG THIẾT BỊ TĐN VỎ ỐNG
- Tính số ống truyền nhiệt

n

F

 .d.l

F- là diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2;
d- đường kính ống truyền nhiệt,, m
l – chiều dài của một ống truyền nhiệt, m

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


Tính đường kính ống sơ bộ

4G

d

 . .v

[m]

Trong đó:
d - là đường kính trong của ống vào hoặc ra mà mình cần tính, m.
G – lưu lương của lưu thể đi qua ống mà ta đang cần tính, kg/s.
ρ - khối lượng riêng cửa lưu thể ứng với nhiệt độ lúc nó đi qua ống đang
tính, kg/m3.
v – vận tốc của lưu thể đi qua ống ta đang tính, m/s.

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

Đường kính ống đối lưu

n.

 .d t 2
4



 .d dl2
4.

n - số ống truyền nhiệt
dt - đường kính trong của ống truyền nhiệt, m
dđl - đường kính trong của ống đối lưu, m
 = (0,25 - 0,35)

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG

BÀI TẬP VỀ NHÀ
Bài 1

Bài 2

9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

2.

3.

4.

5.

6.

Nguyễn Bin. Các quá trình và thiết bị trong ngành hóa chất
và thực phẩm . Tập 4. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2000.
Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt + Bài tập kỹ thuật

nhiệt. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006.
Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa
học, Tập 1, 2. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2002.
Nguyễn Xuân Phương, Kỹ thuật lạnh thực phẩm, NXB Khoa
học và kỹ thuật, 2004. Tái bản năm 2006.
Lê Bạch Tuyết (chủ biên) . Các quá trình công nghệ cơ bản
trong sản xuất thực phẩm. NXB Giáo Dục, 1985.
Yunus A Cengel (2009) Heat and Mass Transfer: (SI Units):
A Practical Approach. 3rd. McGraw Hill Higher Education.
9/10/2014

TRẦN VĂN HÙNG