ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CÔ ĐẶC HỆ 3 NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC SỮA CÓ ĐƯỜNG

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CÔ ĐẶC HỆ 3
NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC SỮA CÓ
ĐƯỜNG


Đồ án chuyên ngành

CHƯƠNG 1: ............................................................................................................................... 4
I.

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ...................................................................................................... 4

II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ ................................................................................................ 4
1.

Khái niệm ................................................................................................................ 4

2.

Sơ lược về nguyên liệu: .......................................................................................... 4

3.

Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò...................................................................... 5

4.

Phân loại thiết bị cô đặc.......................................................................................... 6

5.

Lựa chọn thiết bị cô đặc.......................................................................................... 6

III.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ...................................................................................... 7

1.

Sữa tươi nguyên liệu ............................................................................................... 8

2.

Gia nhiệt sơ bộ ......................................................................................................... 8

3.

Thanh trùng.............................................................................................................. 8

4.

Cô đặc ...................................................................................................................... 8

5.

Làm lạnh ................................................................................................................ 10

6.

Thành phẩm ........................................................................................................... 11

CHƯƠNG 2: ............................................................................................................................. 12
I.

SƠ LƯC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ............................................................................ 12

II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG ........................................................ 12
1.

Cân bằng vật chất ............................................................................................... 13

2.

Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi .................................................................. 14

3.

Xác định tổn thất nhiệt độ hệ thống..................................................................... 15
3.1. Tổn thất do nồng độ ( ’) ................................................................................... 15
3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tónh ( ’’)..................................................... 16
3.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống ( ’’’) .......................... 16
3.4. Tổn thất chung cho toàn hệ thống .................................................................... 16
3.5. Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi ..................................................... 16

4.

Tính nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng ............................................................. 16
4.1. Nhiệt lượng riêng............................................................................................... 16
4.2. Nhiệt dung riêng: ............................................................................................... 16

5.

III.
1.

Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết ............ 17
CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH .................................................................. 20
Độ nhớt................................................................................................................... 21
1


Đồ án chuyên ngành
2.
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ............................................................................. 22
3.

Hệ số cấp nhiệt...................................................................................................... 22
3.1. Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị ............................................ 22
3.2. Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch .................................................... 23
3.3. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi ......................................................... 25

IV.
1.

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ......................................................................................... 26
Buồng đốt ............................................................................................................... 26
1.1. Ống truyền nhiệt ................................................................................................ 26
1.2. Đường kính buồng đốt ....................................................................................... 26

2.

Kích thước buồng bốc............................................................................................ 26

3.

Đường kính các ống dẫn ....................................................................................... 27
3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt và hơi thứ ............................................................ 27
3.2. Đường kính ống dẫn dung dịch ......................................................................... 28

V. TÍNH CƠ KHÍ .............................................................................................................. 29
1.

Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công........................................................ 29

2.

Xác định điều kiện làm việc................................................................................. 29

3.

Tính bề dày thân chịu áp suất ngoài .................................................................... 30

4.

Tính bề dày đáy, nắp buồng đốt và buồng bốc ................................................... 33
4.1. Nắp, đáy elip làm việc áp suất ngoài ............................................................... 33
4.2. Đáy nón làm việc áp suất ngoài: ...................................................................... 34

5.

Các bộ phận phụ .................................................................................................... 36
5.1. Bích và bulông: .................................................................................................. 36

5.2. Vó ống và đóa phân phối .................................................................................... 37
5.3. Tai treo ............................................................................................................... 38
5.4. Tính bề dày lớp cách nhiệt................................................................................ 41

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ........................................................................... 42
I.

THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET .......................................................................... 42

II. THIẾT BỊ GIA NHIỆT................................................................................................ 47
III.

TÍNH VÀ CHỌN BƠM ............................................................................................ 48

IV.

TÍNH HỆ THỐNG CHÂN KHÔNG........................................................................ 50

1.

Chọn bơm chân không........................................................................................... 50

2.

Chọn hệ thống ống dẫn khí ................................................................................... 50

3.

Xác định độ dẫn khí của các ống dẫn và trở lực của toàn hệ thoáng .................. 51
2

Đồ án chuyên ngành
4.
Xác định thời gian hút khí và áp suất tới hạn của hệ thống ............................... 52
CHƯƠNG 4:ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH ............................................................................... 54
I.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ................................... 54

II. ĐẠI LƯNG CẦN ĐIỀU CHỈNH ............................................................................. 56
III.

TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ...................................................................................... 57

IV.

CÁC THÔNG SỐ CẦN KIỂM TRA ....................................................................... 57

V. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................................................................... 57
CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT ........................................................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 62

3


Đồ án chuyên ngành

CHƯƠNG 1:

I.

TỔNG QUAN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch sữa đặc có đường bằng thiết bị ống dài, ba nồi ,
xuôi chiều, liên tục.
Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h
Nồng độ đầu: 10% khối lượng
Nồng độ cuối: 74% khối lượng
p suất ngưng tụ: 0,1 at
p suất hơi đốt : 3 at

II.

LỰA CHỌN THIẾT BỊ
1. Khái niệm

Cô đặc là phương pháp thường được dù ng để tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong
dung dịch 2 hay nhiều cấu tử . Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay dễ bay hơi ta
có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun
nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt. Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng
của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất
riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng của dung dịch (tức khi
dung dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch
đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng
thấp.
2. Sơ lược về nguyên liệu:

Người ta có thể sản xuất sữa cô đặc có đường từ nguyên liệu chính là sữa tươi hay sữa
tái chế (sữa tái chế được chuẩn bị từ bột gầy, chất béo khan từ sữa và nước). Ngoài ra,
người ta còn sữ dụng đường saccharose, lactose và một số phụ gia. Để là giảm giá thành
sản phẩm, một số nhà sản xuất dùng dầu thực vật để hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong
sản phẩm.
Sữa tươi và sữa tái chế: trong sản xuất sữa cô đặc, nguyên liệu sữa tươi và sữa tái chế
phải đạt các chỉ tiêu về cảm quan, hoá lý và vi sinh vật tương tự như trong sản xuất sữa
tiệt trùng và các sản phẩm khác từ sữa. Các nhà sản xuất thường quan tâm đến hai chỉ tiêu
dưới đây:
Sự ổn định của các protein sữa với tác nhân nhiệt càng cao thì càng tốt : yêu cầu
này nhằm hạn chế sự đông tụ protein trong các quá trình xử lý nhiệt , đảm bảo cấu
trúc sản phẩm được đồng nhất và không bị kết tủa. Để làm tăng tính ổn định của
các protein sữa, các nhà sản xuất cần sử dụng một số phụ gia thích hợp.
4


Đồ án chuyên ngành
Hàm lượng vi sinh vật trong sữa càng thấp càng tốt : do quá trình cô đặc sữa diễn ra
ở nhiệt độ thấp (65 – 700C) nên sẽ hoạt hoá các bào tử trong sữa và làm cho chúng
nảy mầm, đồng thời các tế bào sinh dưỡng chịu nhiệt sẽ không bị ức chế trong quá
trình cô đặc.
Đường saccharose: saccharose là một disaccharide do glucose va fructose tạo thành.
Việc sữ dụng saccharose trong sản xuất sữa đặc có đường với mục đích làm tăng áp lực
thẩm thấu trong sản phẩm, nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản sữa cô đặc. Thông thường,
các nhà sản xuất sữ dụng tinh thể saccharose (tinh luyện) để sản xuất sữa cô đặc có
đường. Các chỉ tiêu chất lượng như sau: hàm lượng saccharose không thấp hơn 99.8%, độ
ẩm không vượt quá 0.05%, độ tro không lớn hơn 0.03% và độ màu không quá 300
ICUMSA.
Đường lactose: trong sản xuất sữa đặc có đường, người ta bổ sung lactose vào sữa tươi
dưới dạng mầm tinh thể nhằm mục đích điều khiển quá trình kết tinh lactose sao cho kích

thức tinh thể phải nằm trong một khoảng giá trị yêu cầu. Nếu kích thước tinh thể lactose
quá lớn thì sẽ ảnh hưởng xấu đến giá trị cảm quan của sản phẩm. Trước khi sữ dụng,
đường lactose sẽ được sấy khô và nghiền mịn đến kích thước vài m.
Phụ gia: quan trọng nhất là nhóm phụ gia có chức năng ổn định các protein sữa nhằm
hạn chế hiện tượng đông tụ protein dưới tác dụng của nhiệt . Các nhà sản xuất thường sữ
dụng muối sodium phosphate, citrate hoặc tetrapolyphosphate.
Ngoài ra, để ổn định hệ nhũ tương của sản phẩm, một số nhà sản xuất còn bổ sung các
loại vitamin, gồm các loại vitamin tan trong nước và các vitamin tan trong chất béo.
Dầu thực vật: dầu thực vật là chất béo có giá thành thấp hơn chất béo khan từ sữa.
Một số công ty tại Việt Nam sữ dụng dầu thực vật (như dầu cọ) để hiệu chỉnh lượng chất
béo trong sản phẩm sữa cô đặc. Hàm lượng chất béo trong sữa cô đặc thường dao động
trong khoảng 8 – 9%. Việc sữ dụng dầu thực vật sẽ góp phần làm giảm giá thành sản
phẩm nhưng có thể ảnh hưởng đến một số chỉ tiêu vật lý và cảm quan sản phẩm. Chỉ tiêu
chất lượng quan trọng của dầu là hàm lượng triglyceride, độ ẩm, chỉ số acid, peroxide và
iodine. Mỗi công ty sẽ tự đề xuất mức giá trị cụ thể cho chỉ tiêu chất lượng của dầu
nguyên liệu.
3. Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò
Các thành phần
Nước

Trạng thái
Pha lỏng, tồn tại ở hai dạng: nước tự do và
nước liên kết
Gluxit (40 60) g/l
Chủ yếu ở dạng tự do (lactoza ở trạng thái
phân tử) và một lượng nhỏ ở dạng kết hợp
( galactoza, galactosamin, axit sialic ở
trạng thái keo, được liên kết với protein)
Chất béo (25 45) g/l Ở dạng cầu béo: là những chất béo có
đường kính (1 10) m, được bao bằng một

màng lipoprotein, ở dạng nhủ tương.

Khối lượng
902

% KL
87,4

49

4,75

39

3,78
5


Đồ án chuyên ngành

Hợp chất nitơ
(25 45) g/l

Chất khoáng
(25 40) g/l

Các chất khác

Ở dạng các hợp chất hoà tan trong chất
béo: các sắc tố ( -caroten) sterol

(cholesterol), các vitamin.
Ở dạng mixen 28g: ở dạng huyền phù, là
phức của phosphat canxi liên kết với liên
hợp của casein.
Ở dạng hoà tan 4,7g: là những cao phân tử
của albumin và imunoglobulin.
Nitơ phi protein 0.3g: ure, axit uric,
creatin,…
Ở trạng thái keo hoà tan như: ở dạng phân
tử và ion (axit xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg);
ở dạng các nguyên tố trung lượng (Zn, Al,
Fe, Cu. I,…)
Các chất xúc tác sinh học: vitamin (A, D,
E, K, B1, B2, PP, B6, B12, C,…) và các
enzime
Các chất khí hoà tan: CO2, O2,…

33

3,2

9

0,87

Vết

4. Phân loại thiết bị cô đặc
Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:
- Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bị dạng

này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự
nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bị trong
nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn
hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
-Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi
xuống. Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền
nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung
dịch.
Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài.
Tuỳ theo điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp
suất thường hay áp suất dư.
5. Lựa chọn thiết bị cô đặc
Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên
ta chọn loại thiết bị ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngoài, sử
dụng ba nồi xuôi chiều liên tục.
Ưu điểm của hệ thống:
6


Đồ án chuyên ngành
Dùng thiết bị cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dịch vào và ra khỏi dàn ống một
lần, không có tuần hoàn trở lại, nên thời gian dung dịch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt
truyền nhiệt ngắn, thích hợp với sản phẩm dễ bị biến tính vì nhiệt độ.
Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách
dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Nhiệt độ của dung dịch và áp suất
giảm dần từ nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cù ng sẽ
thấp.
Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao thiết bị, tách bọt triệt để do
buồng đốt cách xa không gian hơi.

Nhược điểm:
Hệ cô đặc 3 nồi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có
độ nhớt cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn
nên khó lấy ra.
Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết
tinh vì dung dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống.
Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chịu sự dãn nở vì nhiệt
nhiều.

III.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Sữa tươi nguyên
liệu (4÷8) 0C

Gia nhiệt sơ
bộ (55÷60) 0C

Thanh trùng
(70±2) 0C

Cô đặc nồi 1
(65÷70)0C

Cô đặc nồi 2
(60÷63) 0C

Cô đặc nồi 3
(55±2) 0C

Làm lạnh
(4÷8) 0C

Sữa cô
đặc
74%
7


Đồ án chuyên ngành
Thuyết minh quy trình công nghệ:
1. Sữa tươi nguyên liệu
Sữa tươi nguyên liệu sau khi kiểm tra tiêu chuẩn vệ sinh thường có chất khô
(10,6±0,1)%. Để chất lượng sữa tươi nguyên liệu có chất lượng ổn định chúng sẽ được làm
lạnh ở môi trường nhiệt độ (4÷8) 0C và được đưa vào bồn có dung tích phù hợp đã được
khử trùng.
2. Gia nhiệt sơ bộ
Sữa tươi ở nhiệt độ (4÷8) 0C từ bồn chứa sẽ được bơm vào vào bồn cân bằng. Do bồn
cân bằng có van phao kiểm soát mức sữa nên tránh hiện tượng dao động dòng sữa nguyên
liệu cấp vào tháp cô đặc.
Từ bồn cân bằng sữa tươi được đưa qua vỉ trao đổi nhiệt, nhờ trao đổi nhiệt với sản
phẩm sữa cô đặc của nồi cô đặc thứ 3 (hồi nhiệt) có nhiệt độ 550C thì nhiệt độ của sữa
tươi tăng lên (20÷26) 0C. Sau đó ra khỏi vỉ sữa tươi lại tiếp tục được gia nhiệt sơ bộ nhờ
bốn thiết bị gia nhiệt kiểu ống chùm. Nhiệt ở đây được tái sử dụng từ phần hơi dư của mỗi
tháp cô đặc. Trước khi vào thiết bị thanh trùng, nhiệt độ sữa tươi có thể đạt đến
(55÷60) 0C.
3. Thanh trùng
Sau khi gia nhiệt sơ bộ, sữa tươi sẽ đi vào thiết bị thanh trùng để được nâng nhiệt lên
đến nhiệt độ thanh trùng. Thiết bị thanh trùng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.

Sữa tươi đi trong ống trao đổi nhiệt gián tiếp với hơi đi ngoài ống. Hơi nước cấp vào thiết
bị thanh trùng nhờ một ejector mà phần đẩy là hơi cấp chính, phần hút là hơi thứ cấ p của
tháp cô đặc một.
Ra khỏi thiết bị thanh trùng sữa tươi tiếp tục qua hệ thống ống giữ nhiệt khoảng hai
phút. Nhờ đó các vi khuẩn gây hại sẽ bị tiêu diệt hết.
4. Cô đặc
Việc cô đặc sữa tươi trong hệ thống này gồm 3 giai đoạn tương ứng với 3 nồi cô đặc.
Nồi cô đặc hoạt động theo nguyên lý chảy màng: sữa tươi được bơm lên đỉnh tháp và chảy
tràn xuống các ống (dạng ống chùm) trên đường chảy xuống đáy tháp, sữa tươi tạo thành
một màng mỏng trên thành trong của ống. Nhờ tiếp xúc gián tiếp với hơi được ngưng tụ
theo phương pháp thông thường, trong đó nồi cô đặc 2 là thiết bị ngưng tụ cho nồi nồi cô
đặc 1, nồi cô đặc 3 là thiết bị ngưng tụ cho nồi cô đặc 2. Hơi nước bốc ra từ tháp cô đặc 3
được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ baromet. Nước này được cấp từ một tháp giải nhiệt.
Hơi nước bão hòa cấp vào tháp cô đặc 1 qua một ejector mà phần đẩy là hơi cấp
chính, phần hút là hơi thứ cấp của tháp cô đặc 1.
8


Đồ án chuyên ngành
Hơi nước bão hòa cấp vào nồi cô đặc 2 là hơi thứ bốc ra từ tháp cô đặc 1. Hơi nước cấp
vào nồi cô đặc 3 là hơi thứ bốc ra từ nồi cô đặc 2.
Nồi cô đặc 1 và 2 đuọc chia thành 2 phần, nồi cô đặc 3 được chia thành 3 phần nhằm
đạt được đúng lưu lượng của dòng chảy, tăng hiệu quả cô đặc. Mỗi phần đều có trang bị
máy bơm để gom sữa rơi xuống và bơm lên nóc của của phần kế tiếp hoặc của nồi cô đặc
kế tiếp. Sau khi ra khỏi nồi cô đặc 3, sữa cô đặc sẽ đạt được độ khô cần thiết. Độ khô của
sữa tươi được xác định bằng một bộ đo tỉ trọng tự động, nó xác định áp suất hơi cần thiết
để cấp vào ejector của nồi cô đặc 1. Do đó, muốn tăng độ khô của sản phẩm cuối cùng thì
cần phải tăng áp suất hơi cấp vào nồi cô đặc 1 vì lưu lượng cấp vào là cố định.
p suất chân không trong hệ thống hình thành do: thiết bị ngưng tụ và nhờ bơm chân
không, hơi nước sẽ được bơm chân không hút thải ngoài bắt buộc phải qua thiết bị ngưng

tụ để tách nước. Sữa cô đặc ở môi trường chân không sẽ có nhiệt độ cô thấp, không gây
phản ứng oxy hóa và biến tính cho sữa về nhiệt độ,…
Về mặt cấu tạo thiết bị cô đặc có dạng thân hình trụ, đặt đứng, gồm 3 bộ phận chính:
bộ phận nhận nhiệt (còn gọi là buồng đốt), không gian phân ly, bộ phận phân ly.
Buồng đốt: bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ. Các ống được bố trí
theo đỉnh hình tam giác đều, các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống. Trong đó hơi nước
(còn gọi là hơi đốt ) sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung
dịch chuyển động bên trong ống. Dung dịch nước mía sẽ được cho chảy thành màng
mỏng bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ
sôi, làm hoá hơi một phần dung môi. Phần hơi sẽ được tạo ra ở vùng trung tâm ống,
dung dịch sẽ được chảy thành màng mỏng sát thành ống.
Điều kiện cần thiết để quá trình truyền nhiệt xảy ra là phải có sự chênh lệch nhiệt
độ giữa hơi đốt và dung dịch đường; tức là phải có sự chênh lệch áp suất của hơi đốt
và hơi thứ trong nồi.
Các đại lượng, thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của buồng đốt là:
 Nhiệt độ và áp suất trong nồi vì nó liên quan mật thiết đến nhiệt độ sôi
trong nồi đó. Nếu áp suất trong nồi càng thấp thì điểm sôi càng thấp, áp suất hơi
càng lớn, dung dịch đường sôi càng mạnh. Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì
độ nhớt của dung dịch lớn, ảnh hưởng đến đối lưu và truyền nhiệt. Và nếu áp
suất thấp thì nhiệt độ của hơi thứ bốc lên cũng thấp, làm giảm khả năng truyền
nhiệt cho các nồi sau nếu như lượng hơi thứ này được sử dụng làm hơi đốt cho nồi
sau.
 Nhiệt độ nhậ p liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Nếu nhập
liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi vào buồng đốt phải tốn thêm một lượng nhiệt để
đưa nó đến trạng thái sôi. Nhưng do dung dịch được nhập liệu vào nồi với tốc độ
không đổi, và nó chảy từ đầu ống đến cuối ống không có tuần hoàn trở lại nên
nếu nhập liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi đi hết ống nó chưa nhận đủ lượng nhiệt
cần thiết để đạt đến nồng độ yêu cầu.
Hỗn hợp hơi-lỏng đi qua khỏi dàn ống, đến không gian phân ly và bộ phận phân ly,
gọi chung là buồng bốc.

Không gian phân ly: là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai
dòng, dòng hơi thứ cấp đi lên phía trên của buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch còn
lại được bơm qua nồi 2. Quá trình phân ly ở đây sử dụng chủ yếu là lực trọng trường, nhờ
9


Đồ án chuyên ngành
lực trọng trường các hạt chất lỏng to, nặng sẽ rơi xuống và tách khỏi dỏng hơi thứ và chảy
xuống dưới, còn dòng hơi sẽ tiếp tục đi lên trên.
Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo thành khi
tách khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo một lượng nhất định các hạt chất lỏng dung
dịch. Nếu dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dịch sẽ
lắng đọng làm bẩn bề mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Mặt khác nếu kéo theo
nhiều dung dịch sẽ gây tổn thất dung dịch. Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là
phải tách các hạt chất lỏng dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ cấp. Ta sử dụng 3 phương
pháp vật lý sau để phân ly hơi thứ cấp:
 Sử dụng lực trọng trường:
 Dùng lực dính ướt củ a chất lỏng: khi các hạt chất lỏng chạm vào bề mặt
vách rắn, lực dính ướt sẽ dính các hạt lỏng trên bề mặt và sau đó chảy xuống dưới.
 Dùng lực ly tâm: khi cho dòng hơi thứ cấp quay tròn, nhờ lực ly tâm các hạt
chất lỏng bị văng ra, chạm vách rắn chảy xuống.
 Để quá trình phân ly đạt hiệu quả cao thì chiều cao của không gian phân ly
phải đủ lớn.
Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh là nước
được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm cuối của thiết
bị. Hai dòng lỏng và hơi đi ngược chiều với nhau để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. Dòng
hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt nên nó sẽ ngưng tụ thành lỏng rơi trở xuống. Khi ngưng
tụ chuyển từ hơi thành lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm làm áp suất giảm, do đó tự bản
thân thiết bị áp suất sẽ giảm. Vì vậy thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân
không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Dòng hơi thứ đi từ dưới lên, ngưng

tụ, chảy xuống, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bình tách. Bình tách
là một vách ngăn, nó có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không
ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không
hút ra ngoài. Quá trình tách nước ra khỏi khí không ngưng để tránh trường hợp nước bị hút
vào bơm chân không gây va đập thủy lực, nó được thực hiện bằng cách sử dụng lực dính
ướt của chất lỏng và lực trọng trường. p suất làm việc của thiết bị baromet là áp suất
chân không do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự
chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm. Bơm chân không có nhiệm vụ là
hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị
ngưng tụ quá nhiều (vì hệ thống làm việc liên tục), làm cho áp suất của thiết bị ngưng tụ
tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi 3.
5. Làm lạnh
Trước khi và bồn chứa, sữa cô đặc được làm lạnh xuống khoảng (4÷8) 0C nhờ trao đổi
gián tiếp với nước lạnh khi đi qua bộ trao đổi nhiệt væ.

10


Đồ án chuyên ngành
6. Thành phẩm
Sữa sau cô đặc được chứa trong bồn 2 vỏ có dung tích phù hợp, có cánh khuấy, có bảo
ôn và có hệ thống làm lạnh. Nếu nhiệt độ của sữa cô đặc lớn hơn 80C thì sẽ tiếp tục làm
lạnh tại bồn chứa.

11


Đồ án chuyên ngành

CHƯƠNG 2:

I.

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

SƠ LƯC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dịch sữa .
 Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:
- Khoảng không gian sữa cần nhỏ nhất, không có khoảng không chết.
- Sữa lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn .
- Hơi đốt phải đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ống của dàn
ống (đảm bảo nhiệt phân bố đều cho các ống của dàn ống).
- Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để cho ngưng tụ (không làm bẩn bề
mặt ngưng) lấy nhiệt cấp cho nồi tiếp theo.
- Đảm bảo thoát khí không ngưng tốt. Vì khí không ngưng ở phòng đốt cần thoát ra
bình thường. Sự tồn tại của khí không ngưng trong phòng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp
nhiệt của hơi và do đó giảm năng suất bốc hơi.
- Đảm bảo thoá t nước ngưng tụ dễ dàng. Việc thoát nước ngưng tụ có liên quan chặt
chẽ đến tốc độ bốc hơi. Nếu có một nồi nào đó thoát nước ngưng không tốt, nước ngưng
đọng lại nhiều trong phòng đốt, làm giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến
tốc độ bốc hơi.
- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch.
- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hoá dễ dàng.

II.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG
Kí hiệu các đại lượng:
Kí hiệu

G
W
D
x
x
Q
i”
r
c
Qtt
Qcđ
P

đơn vị
kg/h, kg/s
kg/h, kg/s
kg/h, kg/s
%KL

ý nghóa
suất lượng dung dịch
suất lượng hơi thứ
suất lượng hơi đốt
nồng độ dung dịch sữa

%KL
kJ/kg,W
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg.độ

kJ/kg
kJ/kg
at

nồng độ trung bình của dung dịch sữa
nhiệt lượng có ích
entanpi của hơi
ẩn nhiệt ngưng tụ
nhiệt dung riêng
nhiệt lượng tổn thất
nhiệt cô đặc
áp suất
12


Đồ án chuyên ngành
ΔP
at
o
t
C
o
Δt
C
o
C
ts
ts
θ
φ

“1”
“2”
“3”
“đ”
“W ”
“D”

o

C
C
%
o

chênh lệch áp suất
nhiệt độ
chênh lệch nhiệt độ
nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch
nhiệt độ sôi của dung dịch
nhiệt độ nước ngưng
độ ẩm của hơi bão hoà
kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 1
kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 2
kí hiệu ứng với đầu ra của nồi 3
kí hiệu ứng với nhập liệu
kí hiệu ứng với hơi thứ
kí hiệu ứng với hơi đốt

Mục đích : Giúp tính toán hơi đốt hữu ích, Q, ∆t hi để tính toán bề mặt truyền nhiệt, từ
đó tính kích thước thiết bị.

Sơ đồ:
1. Chọn tỉ lệ hơi thứ: W1 : W2 = m
2. Tính W1,W2 , G, x
B1: Chọn tỉ lệ hiệu áp suất :
p1 : p2 = a, p2 = P ;
B2: Tính ra áp suất tại mỗi nồi p1, p2, p3, pw1, pw2, pw3;
B3: Xác định nhiệt độ tại mỗi nồi t 1, t 2 , t 3, t w1 , t w2, t w3;
B4 : Xác định nhiệt độ tổn thất cho mỗi nồi ;
B5 : Xác định nhiệt độ sôi của mỗi nồi;
B6 : Xác định nhiệt độ chênh lệch hữu ích mỗi nồi;
B7 : Kiểm tra điều kiện:
thi
thi 1
5%
max( thi , thi 1 )
Nếu điều kiện thỏa thì ngừng, nếu điều kiện không thỏa thì lặp lại từ B1.
4. Tính lại W1, W2, W3, D theo phương trình cân bằng năng lượng của nồi 1, nồi 2,
và nồi 2.
5. Kiểm tra điều kiện
WCBVC WCBNL
W
5%
Max( wCBVC ,WCBNL )
Nếu điều kiện đạt được thì ta tính tiếp, nếu không đạt được thì lặp lại tính từ bước 1.
Công thức tính toán :
1. Cân bằng vật chất
Đối với cả hệ thống:
Năng suất nhập liệu:

Gđ = 2000kg/h

13


Đồ án chuyên ngành
Nồng độ dung dịch nhập liệu:
Nồng độ dung dịch sản phẩm:

xđ = 0,10
xc = 0,74

Lượng hơi thứ tạo thành của cả hệ: WΣ = Gđ (1-

ì
xd
) = Wi =1729,73 kg/h
xc
i 1

Đối với từng nồi:
Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ:

Wi
Wi 1

1, 05

Như vậy: W1 = 604,93 kg/h; W2 = 576,12 kg/h; W1 = 548,68 kg/h
Noàng độ xi của sản phẩm tại các nồi:
Gd
Nồi 1:

x1 xd
14,34%
Gd W1
Gd
Noài 2:
x2 xd
24, 42%
Gd W1 W2
Gd
Noài 3:
x3 xd
74%
Gd W1 W2 W3
Suất lượng dung dịch ở các nồi :
Gd 1 Gd 2000 kg/h
Noài 1:
Noài 2:

Gd 2

Gc1 Gd W1 1395,07 kg/h

Noài 3:

Gd 3

Gc 2

Gc 3

Gd 3 W3

Gd W1 W2

818,96 kg/h

Gd W1 W2 W3

270,27 kg/h

2. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
Gọi P1, P2, P3, Pnt là áp suất hơi đốt trong các nồi I, II, III, và thiết bị ngưng tụ.
Giả sử sự giảm áp xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỉ lệ sau:
Pi
1,5
Pi 1
Vậy áp suất làm việc ở từng nồi là:
Ta có: P = P1 – Pnt = 3 – 0,1 = 2,9 at
P = P1 + P2 + P3 = 2,9 at
P1 = 1,374 at
P2 = 0,916 at
P3 = 0,611 at
PW1 = 1,626 at; PW2 = 0,711 at; PW3 = 0.100at
Goïi t D1, t D2, t D3, t Dnt là nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2, nồi 3, và thiết bị ngưng
tụ.
Gọi t W1, t W2, t W3 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3.
Tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn hơi thứ ''' =1oC
Do đó:
t Di+1 = t Wi – 1
(9)

Từ áp suất PW1, PW2, PW3 đã biết, ta tra bảng I-151/T377-[1] ta được nhiệt độ hơi
thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3, từ đó biết được nhiệt độ hơi đốt qua công thức (9). Biết nhiệt
độ hơi đốt ta biết áp suất hơi đốt bằng cách tra bảng I-250/T375-[1]:
14


Đồ án chuyên ngành
Bảng 1

Hơi đốt
Hơi thứ

Nồi 1
P1 (at)
t 1 ( 0C)
3
132,90
1,626
113,17

Noài 2
P2 (at)
t 2 ( 0C)
1,575
112,17
0,711
89,69

Noài 3
P3 (at)

t 3 ( 0C)
0,682
88,69
0,100
45,40

TB Baromet
Pnt (at) t nt ( 0C)
0,10
45,40

3. Xác định tổn thất nhiệt độ hệ thống
3.1. Tổn thất do nồng độ ( ’)
Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng một áp suất :
0
' ts0dd tsdm

(273 ts ) 2
(VI.10/T59-[2])
r
Trong đó: '0 là tổn thất nhiệt độ theo nồng độ %kl
t s là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, 0C
r là ẩn nhiệt hoá hơi của dm ở áp suất làm việc, J/kg
Xem dung dịch sữa có tính chất tổn thất nhiệt độ theo nồng độ %kl như dung dịch
đường, tra đồ thị hình VI.2/T60-[2] ta có:
Ta sử dụng công thức Tisenco:

Bảng 2:
xi (%kl)
0

'
0, ( C )

'

Nồi 1
14,34
0,5

'
0

f

'
0

.16, 2.

Nồi 2
24,42
0,1

Nồi 3
74
7

Dựa vào (I-251/T377-[1]) ta xác định được ẩn nhiệt hoá hơi theo áp suất hơi thứ:
Bảng 3:
PWi, at

t Wi, 0C
r.10-3, J/kg

Nồi 1
1,626
113,17
2171,000

Nồi 2
0,711
89,69
2228,233

Nồi 3
0,100
45,40
2287,776

Vậy ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo công thức Tisenco:
Bảng 4:
Nồi 1
0,5427 0C

Nồi 2
0,9325 0C

Nồi 3
4,8102 0C

’

6,285 0C

15


Đồ án chuyên ngành
3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tónh ( ’’)
Vì chọn chế độ chảy màng bằng hệ thố .ng ống dài nên xem như dung dịch sôi ở mặt
thoáng tức ’’= 0 oC.
3.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống ( ’’’)
Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi
nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1 C. Nên:
'''
'''
'''
’’’ = 3 0C
1 0C
1
2
3
3.4. Tổn thất chung cho toàn hệ thống
Bảng 5:

2

1,543 0C
1,933 0C

3

5,810 0C

1

9,285 0C

=

3.5. Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi
Bảng 6:

Nồi 1
Nồi 2
Nồi 3
Toàn hệ thống

Công thức
t hi1 = t D1 – t D2 t hi2 = t D2 – t D3 t hi1 = t D3 – t nt t ht = t D1 – t nt -

1
2
3

Giá trị, 0C
19,18
21,55
37,48
78,21

4. Tính nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng
4.1.

Nhiệt lượng riêng

- I là nhiệt lượng riêng của hơi đốt , J/kg
- i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg
Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ) I-250/T375-[1]
4.2.
-

Nhiệt dung riêng:
Nhiệt dung riêng của dung dịch sữa trước khi cô đặc:
xd = 10% < 20% nên C0 = 4186(1 – xd)
16


Đồ án chuyên ngành
- Nhiệt dung riêng của dung dịch sữa sau khi ra khỏi nồi 1:
x1 = 14,34% < 20% nên C1 = 4186(1 – x1)
-

Nhiệt dung riêng của dung dịch sữa sau khi ra khỏi nồi 2:
x2 = 24,42% > 20% neân C2 = Cht.x2 + 4186(1 – x2)

-

Nhiệt dung riêng của dung dịch sữa sau khi ra khỏi nồi 3:
x3 = 74% > 20% nên C3 = Cht.x3 + 4186(1 – x3)

-

Nhiệt dung riêng của chất khô trong sữa là: Cht = 1300 J/kg.độ (bảng
7.34/T322-[3])

Từ các công thức trên ta có bảng kết quả nhiệt lượng riêng hơi đốt , hơi thứ và nhiệt độ
sôi của các dung dịch trong nồi .
Bảng 7:
Nồi
1
2
3

Hơi đốt
Hơi thứ
Dung dịch
-3
-3
I.10 ,
Cn, J/kg.độ
i.10 ,
Cp ,
t, 0C
t, 0C
t, 0C
(*)
J/kg
J/kg
J/kg.độ
132,90

2667,40
4214,40
113,17
2637,48 113,72
3585,89
112,17
2635,86
4190,94
89,69
2610,59 90,62
3481,20
88,69
2608,75
4183,00
45,40
2587,56 50,21
2050,36
(*)
Cn tính bằng nội suy theo bảng I-249/T373-[1]

5. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết

Sơ đồ tính toán cân bằng nhiệt lượng trong dây chuyền
Ta coù:
17


Đồ án chuyên ngành

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Qvào = Qra
Ta có bảng tổng kết cân bằng cho các nồi :
Baûng 8

18


Đồ án chuyên ngành
Viết phương trình cân bằng nhiệt cho từng nồi :
Nồi 1:

(5.1)
Nồi 2:
Ở nồi 2 chú ý D2 = W1
Biến đổi ta được:
(5.2)

Nồi 3:
Ở nồi 3 chú ý: D3 = W2 vaø W = W1 + W2 + W3
Biến đổi ta được:
(5.3)

Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể xem
nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt : = tD
Từ phương trình (5.2) và (5.3), với số liệu ở các bảng trên, ta tính được:

1941648, 76W1 2291529,93W2

184602182,98

2275008, 00W1 4378997, 62W2

3877709947, 62

W1 W2 W3 1729, 73
W1

588,92kg/h

W2

579,56kg/h

W3

561, 25kg/h

Tính sai số để kiểm tra tỉ vệ hơi thứ theo công thức: W
Bảng 9

Nồi
1
2
3

W theo CBVC, kg/h
604,93
576,12
548,69

WCBVC WCBNL
Max( wCBVC , WCBNL )

W theo CBNL, kg/h
588,92
579,56
561,25

5%

Sai soá. %
1,47
0,47
1,13

19


Đồ án chuyên ngành
Như vậy, sai số giữa giá trị tính toán và chọn lựa có sai số không quá 5% nên các
kết quá tính toán trên được chấp nhận.
Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình (1): D1 = 788,50 kg/h

III.

CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH
Mục đích : Tính F => số ống n, chiều cao thiết bị H, tính kích thước buồng đốt, buồng
bốc làm cơ sở tính bền
Kí hiệu các đại lượng
Ký hiệu

q
K
rD
r
g
H
D
F
d

d
n
m
V
v
Utt
f
t

“D”
“w”
“n”
“t”
“đ”
“b”
“ô”

Đơn vị
W/m2
W/m2.độ

kJ/kg
m2.độ/W
m/s2
m
m
m2
m
m
ống
ống
m3
m/s
m3/m3.h
W/m.độ
m
m
W/m.độ
Pas
kg/m3
m

Ý nghóa
cường độ dòng nhiệt
hệ số truyền nhiệt tổng quát
ẩn nhiệt ngưng tụ
nhiệt trở
gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s2)
chiều cao thiết bị
đường kính thân thiết bị
diện tích bề mặt truyền nhiệt

đường kính ống truyền nhiệt
đường kính trung bình ống truyền nhiệt
tổng số ống truyền nhiệt
số ống truyền nhiệt trên đường chéo chính
thể tích thiết bị
vận tốc lưu chất
cường độ bốc hơi thể tích
hệ số điều chỉnh cho cường độ bốc hơi thể tích
hệ số cấp nhiệt
bước ống truyền nhiệt
chiều dày ống truyền nhiệt
hệ số dẫn nhiệt
độ nhớt tuyệt đối
khối lượng riêng
kích thước hình học đặc trưng
kí hiệu ứng với hơi đốt
kí hiệu ứng với hơi thứ
kí hiệu bên ngoài ống truyền nhiệt
kí hiệu bên trong ống truyền nhiệt
kí hiệu ứng với buồng đốt
kí hiệu ứng với buồng bốc
kí hiệu ứng với ống truyền nhiệt
20


Đồ án chuyên ngành
Sơ đồ các bước tính toán:
1. Chọn vật liệu ống truyền nhiệt và các thông số về kích thước thiết bị: H ô , dt, dn, n.
2. Chọn 2 giá trị chênh lệch nhiệt độ phía hơi đốt t rồi suy ra nhiệt độ vách ngoài
tương ứng.

3. Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía hơi đốt ( D và q D )
4. Tính chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của thành ống và chênh lệch nhiệt độ phía
dung dịch.
5. Chọn số ống truyền nhiệt nchọn
6. Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía dung dịch ( l và D )
7. Coi cường độ dòng nhiệt phụ thuộc tuyến tính vào t D ,ta dựng hai đường thẳng
qD=f( t D ) và qL = g( t D ), giao điểm của hai đường thẳng này ứng vớigiá trị t D
cần xác định. Lặp lại các bước 2 – 4 với giá trị này.
8. Kiểm tra điều kiện:
qL qD
q=
5%
max( q L , q D )
Nếu điều kiện không thoả, ta thực hiện lại bước 2 – 6. nếu điều kiện thoả, ta tiếp tục
bước tiếp theo.
9. Tính hệ số truyền nhiệt K
10. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi.
11. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F
12. Tính lại số ống truyền nhiệt n
13. kiểm tra điều kiện:
n chon n tinh
n
5%
n chon
Nếu điều kiện chưa thoả thì ta điều chỉnh lại các thông số về kích thước thiết bị đã
chọn ở trên. Nếu điều kiện thoả, ta làm tròn diện tích bề mặt truyền nhiệt và số ống
truyền nhiệt đến thông số chuẩn.
1. Độ nhớt
Độ nhớt ở nồng độ đầu và nồng độ cuối theo mục 1.1.2/T319-[3] và nội suy độ nhớt ở
nồng độ giữa theo nồng độ đầu và cuối, ta có bảng độ nhớt:

Bảng 10:
Nồi 1
Nồng độ, %
Độ nhớt ,103, N.s.m-2

Nồi 2

Nồi 3

0,143

0,244

0,740

1,500

6,317

30,000

21


Đồ án chuyên ngành
2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Tính theo công thức 7.172/T323-[3]:

n

(1 x)

ck

x

Trong đó:
là hệ số dẫn nhiệt của sữa, W/(m.K);
n là hệ số dẫ n nhiệ t củ a nướ c, W/(m.K) ;
ck là hệ số dẫ n nhiệ t củ a chấ t khô trong sữ a, W/(m.K).
Tuy nhiên ở đây không số liệu về hệ số dẫn nhiệt của chất khô trong sữa. Do trong sữa có
chứa một hàm lượng chất béo nhất định – là sản phẩm của phản ứng este hoá giữa
glixerin với axit béo nên hệ số dãn nhiệt của nó có thể tương ứng nhau. Thực tế tra theo
toán đồ hình I-49/T170-[1] của dung dịch glixerin ở nhiệt độ 20 0C, nồng độ 74% có giá trị
0,286 kcal/(m.h.oC) gần đúng với kết quả ở bảng 7.35/T323-[3] là 0,24 kcal/(m.h.oC) ở
cùng điều kiện.
Bảng 11:
Nồi 1
113,72

Nồi 3
50,21

0,244

0,740

0,573

Nhiệt độ sôi dd, C

Nồng độ, %
Hệ số dẫn nhiệt , W/(m.K)

Nồi 2
90,62

0,143

0

0,490

0,305

3. Hệ số cấp nhiệt
Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:
Ở đây ta dùng hơi nước bão hoà làm hơi đốt đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc
đi trong ống. Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp màng nước
ngưng tụ. Màng nước ngưng này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt .
Như vậy quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai
đoạn:
- Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số
cấp nhiệt là
-

1

với nhiệt tải là q1 (W/m2);

Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày , m;

Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt

2

và

2

hiệt tải là q2 (W/m ).
3.1.

Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị

Theo định luật Niutơn ta có:
q1 = 1 t 1
Trong đó t 1 là hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ ( bằng nhiệt độ hơi bão
hoà) và nhiệt độ thành: t 1 = t bh – t T , choïn t 1(n1) = 0,650C, t 1(n2) = 0,50C, t 1(n3) = 0,50C;
Chọn tốc độ của hơi nhỏ ( ’ 10 m/s, chính xác hơn khi ’ ’ 2 30) và màng nước
ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì hệ số cấp nhiệt 1 đối với ống thẳng đứng được
tính theo công thức sau:
22


Đồ án chuyên ngành

Trong đó:

r
, W/(m2.K)
t1 H

2, 04. A 4

1

(V.101/T28-[2])

H là chiều cao ống truyền nhiệt , chọn H = 5m theo VI.6/T80-[2]
2

3

A

0,25

, đối với nước giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

t m, tra A theo T29-[2];
t m là nhiệt độ màng tính theo công thức t m = t D – 0,5 t 1;
r ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt tra ở bảng I-250/T375-[1];
Ta có bảng các giá trị sau:
Bảng 12:
Nồi 1
132,90
0,65
132,58
191,77
2171,00
2171000,00

11184,35

t D, 0C
t1, 0C
t m, 0C
A
r.10-3, J/kg
2
1 , W/(m .K)
q1, W/m2

3.2.

Nồi 2
112,17
0,50
111,92
184,37
2228,23
2228233,21
11556,21

Nồi 3
88,69
0,500
88,44
173,22
2287,78
2287776,32
10929,39

Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch

Theo định luật Niutơn ta có:
q2 = 2 t 2
Trong đó:
t 2 là hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi : t 2 = t t – t s ;
t t là nhiệt độ thành ống phía dung dịch;
t s là nhiệt độ sôi dung dịch;
tt = tD – t1 – tT
t T là hiệu số nhiệt độ ở hai bên thành được tính theo công thức:
tT q1 r
r

r1 r2

r3

Theo bảng V.1/T4-[2] ta có các giá trị nhiệät trở:
Với lớp nước sạch: r 1 = 0,232.10-3 m2.K/W;
Với lớp cặn bẩn : r 2 = 0,387.10-3 m2.K/W;
Nhiệt trở thành ống: r3

(m2.độ/W), chọn loại vật liệu thép CT3,

tra bảng I.125/T147-[1] ta có hệ số dẫn nhiệt
r 3 = 0,040.10-3 m2.K/W

=50,2 W/(m.K)

23


Đồ án chuyên ngành
Hệ số cấp nhiệt 2 đối với dòng dung dịch chảy thành màng dưới ảnh hưởng của
trọng lực được tích theo công thức:
Nu.
H
Trong đó:

Chọn sơ bộ số ống và bề dày, đường kính ống:
n =127 ống ( sắp xếp ống theo hình sáu cạnh theo bảng V.11/T48[2]);
Đường kính ngoài ống: dn = 38.10-3 m;
Bề dày ống truyền nhiệt : = 2.10-3 m;
Suy ra, đường kính trong của ống, dt = 34.10-3 m.
( Đường kính, bề dày ống chọn theo chuẩn VI.6/T80-[2])
là khối lượng riêng của dung dịch được tính theo công thức 7.169/T319[3]:
100
, g/cm3
0
15,5 C
F
SNF
W
0,93 1, 608
0
0
15,5 C là khố i lượ ng riê ng củ a dung dịch sữ a ở 15,5 C, nế u nhiệ t độ củ a
sữa trên 200C thì:
0, 0002. t , t = t – 20;

15,50 C
F, SNF, W lần lược là hàm lượng chất béo, chất khô, và nước, %
Ta có bảng giá trị khối lượng riêng của dung dịch sữa:
Bảng 13:
0

Nhiệt độ sôi, C
F, %
SNF, %
W, %
, g/cm3
, kg/m3

Nồi 1
113,72
1,57
12,77
85,66
1,06816
1068,16

Nồi 2
90,62
2,68
21,75
75,58
1,10133
1101,33

Nồi 3

50,21
8,11
65,89
26,00
1,32713
1327,13

Lập bảng tính các giá trị trên để tính nhiệt tải q2 và sai số so với q1.
Bảng 14:
0

Nhiệt độ sôi, C
Chuẩn số Ga
Chuẩn số Pr

Nồi 1
113,72
6,22.1014
9,625

Nồi 2
90,62
3,73.1013
45,557

Nồi 3
50,21
2,40.1012
272,044
24