Thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị thanh trùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Q
TRÌNH CƠNG NGHỆ

Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
thiết bị thanh trùng
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Nguyễn Thu Hương

20145212

Nguyễn Văn Phong

20144356

Trần Văn Long

20145218

Trần Thanh Loan

20144587

Bộ mơn:

Q trình và thiết bị CNSH & CNTP

Viện:

Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm


Mục lục



DANH MỤC CÁC HÌNH

4


DANH MỤC CÁC BẢNG

5


1

So sánh, đánh giá về phạm vi ứng dụng của thanh trùng – tiệt trùng

Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển việc đưa các yếu tố máy móc tự động có độ
chính xác cao hơn, xử lý nhanh và chính xác hơn ngày càng được ưu tiên. Đồng thời
cũng giảm bớt gánh nặng cho con người. Đặc biệt, đối với các ngành địi hỏi độ chính
xác và an tồn cao, trong đó phải kể đến các ngành liên quan đến lĩnh vực thực phẩm.
Nhất là đối với các thiết bị máy móc. Vì thế, việc giải quyết các vấn đề về đo và điều
khiển các yếu tố trong các thiết bị trong thực phẩm rất quan trọng.
1.1 Tổng quan về quá trình thanh trùng – tiệt trùng
Thanh trùng là q trình làm nóng chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định trong một
khoảng thời gian cụ thể để giảm sự phát triển của vi sinh vật.

Tiệt trùng là quá trình tiêu diệt tồn bộ vi sinh vật (ở dạng tế bào sinh dưỡng hoặc
bào tử) và ửc chế không thuận nghịch các enzyme trong thực phẩm. Sau quá trình tiệt
trùng, sản phẩm sẽ trở thành vô trùng. Như vậy, q trình tiệt trùng khơng những đảm
bảo cho thực phẩm an tồn về mặt vệ sinh mà cịn kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm,
giúp ổn định các chỉ tiêu chất lượng của thực phẩm sau một thời gian dài sau sản xuất
Thực phẩm sau khi được chế biến nhiệt, sau đó sẽ được cho vào hộp ghép mí kín.
Tuy trong giai đoạn này đã tiêu diệt đi một số lượng lớn vi sinh vật bám trên thực phẩm
nhưng vẫn cịn một lượng khá nhiều cịn sống sót hoặc từ bên ngồi xâm nhập vào trong
khi chế biến. Vì vậy, phải thanh trùng/tiệt trùng để tiêu diệt nốt số vi sinh vật cịn sót lại
để đảm bảo cho đồ hộp vô trùng. Đặc biệt đối với các nha bào vi khuẩn, như vậy đồ hộp
mới bảo quản được lâu.
1.2 Các phương pháp thanh trùng
1.2.1 Phương pháp thanh trùng vật lý
• Thanh trùng bằng dịng điện cao tần
Thanh trùng bằng cách đặt sản phẩm trong điện trường của dòng điện xoay chiều
(có tần số cao 3.108-3.107). Các phần tử tích điện trong sản phẩm (ion, điện tử) sẽ dao
động do tác dụng của điện năng, chuyển điện năng hấp thu thành nhiệt năng để làm chết
vi sinh vật. Khả năng hấp thu điện năng phụ thuộc vào: kích thước bao bì đựng thực
phẩm, điện áp, tần số dịng điện. Tần số của dịng điện càng lớn hay bước sóng càng ngắn
thì quá trình thanh trùng càng nhanh. Thời gian thanh trùng trong 2-5 phút.
• Thanh trùng bằng sử dụng áp suất cao

6


Áp lực 300-600 MPa có khả năng vơ hoạt các vi sinh vật khơng hình thành bào tử.
Trong khi để vô hoạt các vi khuẩn sinh bào tử cần áp lực rất cao (1800 MPa). Tuy nhiên,
tại áp suất thấp 200-400 MPa cũng làm giảm sự sản sinh bào tử.
• Lọc thanh trùng
Sản phẩm lỏng, như nước quả trong có thể loại từ vi sinh vật bằng cách lọc. bản

lọc, thường là các màng sứ xốp, có những lỗ đủ nhỏ chỉ cho sản phẩm qua, còn giữ lại vi
sinh vật. sau khi lọc sản phẩm được rót vào bao bì đã sát trùng, rồi ghép kín ngay. Q
trình này phải tiến hành trong điều kiện vệ sinh cao. Bằng phương pháp này, sản phẩm
hồn tồn giữ được tính chất tự nhiên.
1.2.2 Thanh trùng bằng tác dụng của nhiệt độ
Thanh trùng bằng nhiệt độ cao của nước nóng và hơi nước nóng là phương
pháp thanh trùng phổ biến nhất trong sản xuất đồ hộp. Khi nâng nhiệt độ của môi
trường q nhiệt độ tối thích của vi sinh vật thì hoạt động của vi sinh vật bị chậm lại. Ở
nhiệt độ cao, protid của chất nguyên sinh của vi sinh vật bị đông tụ làm cho vi sinh vật bị
chết. Q trình đơng tụ protid này khơng thuận nghịch, nên hoạt động của vi sinh vật
không phục hồi sau khi hạ nhiệt.
Thời gian thanh trùng
Một nhiệt độ thanh trùng nhất định, vi sinh vật trong đồ hộp thường không bị tiêu
diệu ngay tức thời, mà cần phải có một thời gian nhất định gọi là thời gian thanh trùng
hay thời gian tác dụng nhiệt ký hiệu t (phút).
Trong quá trình thanh trùng, sản phẩm đựng trong đồ hộp, không được đun nóng
tức thời tới nhiệt độ thanh trùng cần đạt được, mà nhiệt lượng phải truyền dần từ môi
trường đun nóng, qua bao bì vào lớp sản phẩm bên ngồi, rồi vào tới khu vực trung tâm
của đồ hộp. Quá trình này phải mất một thời gian, gọi là thời gian truyền nhiệt (ký hiệu
là t1).
Khi khu vực trung tâm của đồ hộp đạt tới nhiệt độ thanh trùng (thường bằng hoặc
thấp hơn nhiệt độ thanh trùng 0,5-1,5 oC tùy theo từng loại đồ hộp), thì giữ ở nhiệt độ đó
trong một thời gian nhất định, gọi là thời gian tiêu diệt (ký hiệu t2). Suy ra t = t1 + t2.
Nhưng trong thực tế, ngay trong thời gian truyền nhiệt, một số vi sinh vật có trong đồ hộp
cũng bị tiêu diệt, do tác dụng của nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phát triển của vi sinh vật đó.
Vì vậy thời gian thanh trùng trong thực tế nhỏ hơn tổng của thời gian truyền nhiệt và thời
gian tiêu diệt. Ta có: t < t1 + t2.

7

Hình 1.1. Đồ thị truyền nhiệt khi thanh trùng
1- Nhiệt độ thiết bị
2- Nhiệt độ thực phẩm
Áp suất đối kháng
Thực phẩm trong hộp bao gồm các thành phần: chất rắn, chất lỏng, chất khí. Dưới
tác dụng của nhiệt độ cao, các áp suất riêng phần và sự dãn nở của các cấu tử đó tăng lên,
làm cho áp suất chung trong bao bì đựng sản phẩm tăng lên. Áp suất này (có thẻ tới 2
atm) có thể làm cho bao bì sắt tây bị biến dạng, bao bì thủy tinh bị nứt, vỡ. Vì vậy ta cần
tạo ra áp suất trong thiệt bị thanh trùng (căn cứ vào tính chất của bao bì, thành phần của
sản phẩm đựng trong hộp và nhất là nhiệt độ thanh trùng) bằng hay gần bằng áp suất dư
đã tăng lên trong hộp, áp suất này gọi là áp suất đối kháng, thường vào khoảng 0,4-1,4
atm.

8


Hình 1.2. Biểu đồ áp suất đối kháng trong thanh trùng đồ hộp

Khi xác định được các thông số của một chế độ thanh trùng đồ hộp, ta ghi lại
thành:

Trong đó:
a: thời gian đuổi khơng khí ra khỏi thiết bị thanh trùng (bằng hơi nước), tính
bằng phút. Thời gian đuổi khí thường kéo dài 5 – 10 phút. Nếu thanh trùng trong thiết bị
hở (bằng nước) thì khơng có thời gian đuổi khí a
A: thời gian nâng nhiệt độ, trong thiết bị thanh trùng đã chứa đồ hộp, từ nhiệt độ
ban đầu tới nhiệt độ thanh trùng cần thiết (phút).
B: thời gian giữ nhiệt độ không đổi trong thiết bị thanh trùng (phút).
C: thời gian hạ nhiệt từ nhiệt độ thanh trùng tới nhiệt độ có thể lấy đồ hộp ra

(phút).
To: nhiệt độ thanh trùng (oC).
P: áp suất đối kháng cần tạo ra trong thiết bị thanh trùng.
Vận tốc đun nóng của sản phẩm trong đồ hộp chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ ban
đầu của sản phẩm, độ rắn chắc hay độ khít của sản phẩm và tính chất của sản phẩm, bề
dày và kích thước của bao bì đồ hộp.
Khi thanh trùng bằng nhiệt, đồ hộp là sản phẩm đựng trong bao bì, nên đồ hộp đó
chịu tác dụng của áp suất bên ngoài và áp suất bên trong. Áp suất bên ngoài là áp suất của

9


hơi nước hay còn gọi là áp suất của nước. Áp suất bên trong đồ hộp được tạo ra do sự
giãn nở của sản phẩm, của khơng khí cịn lại trong đồ hộp.
1.3 Các phương pháp tiệt trùng
1.3.1 Tiệt trùng bằng nhiệt độ
Nhiệt là phương thức được sử dụng rộng rãi nhất để tiệt trùng, có thể sử dụng cho
cả hai loại mơi trường đặc và lỏng. Nó có thể được ứng dụng dưới dạng nhiệt khô hoặc
ẩm (hơi nước). Nhiệt ẩm thường hiệu quả hơn nhiệt khô, do khả năng kháng nhiệt ở bên
trong của các tế bào vi khuẩn được tăng lên mạnh trong trạng thái khơ hồn tồn. Kết quả
là tỷ lệ chết của tế bào khơ thấp hơn nhiều so với tế bào ẩm. Sự dẫn nhiệt trong khơng khí
khơ cũng có tốc độ kém hơn trong khơng khí ẩm. Vì thế, nhiệt khơ chỉ được dùng để tiệt
trùng dụng cụ thủy tinh hoặc các vật liệu rắn chịu nhiệt. Bằng cách tăng áp suất lên bình
ni cấy, nhiệt độ hơi nước có thể tăng lên một cách ý nghĩa trên cả điểm sôi của nước.
Nồi tiệt trùng áp suất (autoclave) ở phịng thí nghiệm thường được hoạt động ở áp
suất hơi nước khoảng 15 psi tương ứng với 121 o C, các bào tử vi khuẩn bị giết nhanh ở
121o C.
1.3.2 Tiệt trùng bằng tia cực tím
Nhiều nguyên liệu tế bào hấp thụ ánh sáng cực tím, dẫn đến gây nguy hiểm cho
gen và sau đó giết chết tế bào. Bước sóng khoảng 256 nm có hiệu quả diệt khuẩn cao

nhất. Tuy nhiên, tia cực tím có rất ít khả năng xun qua vật chất. Vì thế, việc sử dụng
chúng bị hạn chế đối với việc làm giảm quần thể vi sinh vật trong phòng nơi mà điều kiện
vơ trùng cần thiết được duy trì thường xuyên, chẳng hạn như các phòng mổ của bệnh
viện hoặc các buồng làm việc sạch trong phịng thí nghiệm.
Tia X gây chết cơ thể vi sinh vật và có khả năng xuyên qua vật chất.
Tuy nhiên, chúng không thực tế như các công cụ tiệt trùng khác do chi phí đắt
cũng như sự lo lắng về an tồn lao động.
1.3.3 Tiệt trùng bằng màng lọc
Là kỹ thuật được sử dụng hiệu quả nhất trong việc loại bỏ các vi sinh vật trong
khơng khí hoặc trong các loại khí khác. Trong trường hợp dung dịch lỏng, nó được dùng
cho các sản phẩm hoặc các loại môi trường không bền nhiệt, dễ dàng bị phá hủy như các
huyết thanh người và động vật, các loại enzyme.

10


2

Đặc trưng hoạt động của thanh trùng – tiệt trùng
2.1 Phân loại
Người ta có thể phân loại các thiết bị thanh trùng dùng nhiệt như sau:
• Theo phương thức làm việc: có thiết bị làm việc gián đoạn và thiết bị làm việc liên
tục
• Theo áp suất được tạo ra trong thiết bị: có thiết bị làm việc ở áp suất thường và
thiết bị làm việc áp suất. Đới với thiết bị làm việc áp suất được chia ra: thiết bị có
dùng áp suất đối kháng và thiết bị khơng dùng áp suất đối kháng
• Theo cấu tạo: có loại thiết bị kiểu đứng và loại thiết bị nằm ngang (đối với thiết
bị làm việc gián đoạn). Loại thiết bị dùng băng tải, dây xích hay gầu tải (đối với
thiết bị làm việc liên tục)
2.2 Môi trường gia nhiệt

Môi trường gia nhiệt được sử dụng trong thiết bị thanh trùng thường là hơi nước
bão hịa hay nước nóng.
• Dùng hơi nước làm chất truyền nhiệt có lợi là tiết kiệm được chi phí hơi có
nhiệt độ cao, được truyền trực tiếp cho hộp và quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ
cần thiết nhanh.
• Nước nóng dùng để truyền nhiệt cho hộp trong thiết bị thanh trùng đóng vai
trị là chất truyền nhiệt trung gian và thường cũng được nâng nhiệt bằng hơi.
2.3 Tầm quan trọng của việc loại bỏ khí khơng ngưng trước thanh trùng
Sự có mặt của khơng khí trong chu trình tiệt trùng ảnh hưởng xấu đến sự tiếp xúc
của hơi nước với vật liệu được khử trùng. Vì vậy phải thường xuyên thực hiện kiểm tra
đảm bảo khơng khí bị cuốn vào được loại bỏ. Cách tốt nhất là thực hiện kiểm tra xác
minh hàng ngày theo hướng dẫn của nhà sản xuất máy tiệt trùng.
Như vậy, một hệ thống đường ống và buồng hấp tiệt trùng khơng bị rị rỉ là rất quan
trọng. Sự có mặt của khơng khí ngăn cản hơi nước bão hịa tiếp xúc với bề mặt của vật
liệu được khử trùng, điều này làm giảm thời gian tiếp xúc và nhiệt độ tiếp xúc cần thiết
để khử trùng thành công.
Năm 1963, tạp chí Lancet đã cơng bố thơng tin về “Bài kiểm tra Bowie-Dick” (ISO
11140-4 gọi thử nghiệm này là “Bowie and Dick-type tests”), do Tiến sĩ J. Bowie và Ông
J. Dick thành lập [14]. Gói thử nghiệm này được đặt trực tiếp trong buồng tiệt trùng và
không cần thiết bị nào đi kèm. Bên trong nó là một tờ chỉ thị hoá học ở trung tâm. Sự
thay đổi màu sắc trên chỉ báo từ màu vàng sang màu xanh lam cho thấy sự xâm nhập của
hơi nước đầy đủ, loại bỏ hồn tồn khí khơng ngưng.
11


Hình 2.3. Chỉ thị hoá học Bowie-Dick (Lỗi – Đạt – Không đạt)
2.4 Ảnh hưởng của dạng hộp
2.4.1 Thanh trùng hộp sắt tây
Để thanh trùng hộp sắt tây dùng hơi hay nước nóng đều được, nhưng dùng hơi thì

q trình nâng nhiệt xảy ra nhanh hơn. Nếu thanh trùng hộp sắt trong nồi áp suất kiểu
đứng nhiệt độ cao cần áp suất đối kháng thì phải sử dụng mơi trường truyền nhiệt là nước
và áp suất đối kháng tạo ra bằng khơng khí nén hoặc nước có áp lực. Nước cũng được
chọn làm chất tải nhiệt thanh trùng hộp sắt ở nhiệt độ dưới 100℃.
2.4.2 Thanh trùng hộp thuỷ tinh
Đối với hộp thủy tinh, không nên thanh trùng trực tiếp bằng hơi nóng, dễ làm
vỡ, nứt vì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và bao bì rất lớn. Các đồ hộp đóng trong bao
bì thủy tinh thường được thanh trùng trong môi trường nước, nhờ nước nâng nhiệt từ
từ và đồng đều mà thủy tinh không bị thương tổn. Khi làm nguội sau thanh trùng cũng
vậy, phải đảm bảo nhiệt độ thiết bị hạ từ từ bằng cách điều chỉnh nước làm nguội.

12


2.5 Lựa chọn thiết bị thanh trùng sốt nấm đóng hộp
2.5.1 Thiết bị thanh trùng dạng thẳng đứng

Hình 2.4. Thiết bị thanh trùng dạng đứng
1. Đường cấp hơi nóng

2. Đường nước

3. Nước tháo

4. Van an toàn

5. Bầu nắp nhiệt kế, áp kế

6. Giỏ nguyên liệu

7. Đối trọng

8. Ống hơi

9. Giá đỡ giỏ ngun liệu

10. Van xả khí khơng ngưng

Thiết bị dạng hình trụ chế tạo bằng thép đen, nắp và đáy hình elip hoặc ovan. Nắp
đậy kín nhanh do có kết cấu đai xiết và mở nhanh được do có đối trọng (7). Phía đáy
trong thiết bị có ống hơi hình trịn hoặc chữ thập (8) và giá đỡ giỏ ngun liệu (9). Giỏ
ngun liệu (6) hình trịn làm bằng thép Inox phía trên có quai, xung quanh có lỗ. Trên
nắp thiết bị có van an tồn (4). Giữa thiết bị có một bầu (5) nhơ ra để lắp nhiệt kế (tới
150℃), áp kế. Đáy bầu được nối với đáy bằng ống dẫn (2) cho nước đối lưu, để nhiệt độ
đo được chính xác.
Trên ống dẫn hơi và nước đưa vào thiết bị, người ta có thể đặt van thuận nghịch để
cho hơi hoặc nước từ thiết bị trở về các ống dẫn đó nếu áp suất ở mạng cung cấp hơi và
nước bị giảm đi. Riêng trên ống hơi cịn phải lắp hai van dự trự nữa. Trình tự thao tác của
thiết bị thanh trùng cao áp làm việc gián đoạn kiểu đứng như sau:
-

Dùng tời điện đưa giỏ đồ hộp vào thiết bị, đậy kín nắp.
13


-

Mở van xả khí, hơi đuổi khí thốt ra hết (khi thấy hơi ra van khí), đóng van khí lại.

-

Thời gian đun nóng cho giảm thì cho hơi vào. Khi nhiệt độ cao q thì đóng bớt
van hơi lại.
Khi đạt thời gian thanh trùng thì đóng hơi, xả van khí cho áp suất giảm xuống dần

-

cho đến khi bằng áp suất khí quyển thì mở nắp cho giỏ ra ngồi và làm nguội bằng
vòi nước phun hay ngâm trong bể nước lạnh.
Đồ hộp được làm nguội đến 40 ÷ 50℃.

Ưu điểm: Thiết bị thanh trùng cao áp làm việc gián đoạn kiểu đứng có cấu tạo
tương đối gọn hơn so với kiểu nằm ngang. Khi bố trí nhiều thiết bị khơng tốn nhiều diện
tích, làm việc thao tác tương đối thuận lợi, có điều kiện cơ khí hóa và kiểm tra tự động
thuận lợi.
Phù hợp: Năng suất thiết bị vừa phải tương đối để đồng bộ với năng suất máy
ghép mí vì u cầu đồ hộp sau khi ghép mí kín thường khơng để q 30 phút mới đem
thanh trùng. Thiết bị thanh trùng này có thể làm việc với nhiều loại đồ hộp khác nhau, ở
nhiều nhiệt độ khác nhau và ngồi bao bì bằng kim loại cịn có thể thanh trùng được bao
bì thủy tinh.
Nhược điểm: Tuy nhiên thiết bị thanh trùng loại này có nhược điểm là thao tác
còn nặng nhọc, thời gian thanh trùng kéo dài, năng suất chỉ thích hợp với quy mơ trung
bình trở xuống và được cơ khí hóa cao.
2.5.2

Thiết bị thanh trùng nằm ngang

Thiết bị thanh trùng kiểu nằm ngang gồm có thân trụ, nắp đậy kín thiết bị có cơ
cấu quay, miệng thùng tiếp xúc với nắp có gioăng cao su hoặc đệm amiăng. Thùng được
đặt nằm ngang trên chân đế. Hơi nóng vào thùng theo ống đặt phía trên thiết bị, nước

ngưng theo ống thốt ra ngồi. Các xe chở đồ hộp được đẩy vào thùng trên các đường
ray. Phía trên thùng có lắp các thiết bị: áp kế, van xả khí khơng ngưng, đồng hồ nhiệt độ,
van an tồn.

14


Hình 2.5. Thiết bị thanh trùng dạng nằm ngang
1. Van an toàn

2. Nhiệt kế

3. Áp kế

4. Cửa hơi đốt vào

5. Cơ cấu mở nắp

6. Xe goòng

7. Đường xả nước

8. Van xả khí

9. Nắp thiết bị

10. Đường ray

Trình tự thao tác:
-

Cho xe chở hộp vào, đậy nắp kín. Mở van xả khí cho hơi vào để đuổi khí khơng

-

ngưng (5 phút).
Đóng van xả khí, tiếp tục cho hơi vào đun nóng hộp cho đến khi đạt nhiệt độ thanh

-

trùng. Thanh trùng xong ngưng cho hơi vào, xả từ từ hơi trong thiết bị cho đến khi
đạt áp suất bằng áp suất khí quyển.
Mở nắp thùng, kéo xe đến khu vực xối nước làm lạnh.

Chú ý: Nếu làm nguội nước ngay trong thiết bị thì sau khi thanh trùng xong đóng
hơi vào, phải cho khơng khí nén từ máy nén vào thiết bị thanh trùng với áp suất lớn hơn
áp suất hơi khoảng 0,5 at rồi mới cho nước lạnh vào. Nếu khơng làm như vậy thì hơi
nóng trong thiết bị thanh trùng bị ngưng tụ nhanh chóng, trong hộp sẽ tạo ra áp suất dư có
thể gây ra hiện tượng làm mất độ kín của hộp.
Phù hợp: Năng suất trung bình của thiết bị thanh trùng kiểu nằm ngang là 1000 ÷
2000 hộp cho một lần thanh trùng. Loại thiết bị này có khả năng làm việc với lượng lớn
đồ hộp, thao tác, điều chỉnh không phức tạp. Tuy nhiên thiết bị cồng kềnh, thời gian thao
tác đưa xe có hộp vào và lấy ra kéo dài dẫn đến tổng thời gian làm của thiết bị dài. Chi
phí hơi, nước cho thiết bị tương đối lớn nên thiết bị chỉ được dùng cho năng suất vừa và
nhỏ.
Trên hình mơ tả cụ thể nguyên lý hoạt động của một thiết bị thanh trùng gián đoạn
nằm ngang. Thanh trùng nằm ngang có loại dùng nước, có loại dùng hơi.

15

Kết luận: Với năng suất của thiết bị thanh trùng là khoảng 1200 hộp/mẻ, thì năng
suất như thế thì áp dụng được với quy mô nhỏ, làm việc gián đoạn. Do đó, từ những
phương pháp thanh trùng đã đưa ra có thể thấy phương thanh trùng phù hợp nhất trong
đề tài này là phương pháp thanh trùng đồ hộp kiểu nằm ngang làm việc gián đoạn.

3

Tính tốn thiết bị chính
3.1 Yêu cầu công nghệ:
-

Thiết bị làm việc theo mẻ, mỗi mẻ cấp 1200 hộp
Chọn hộp đựng thực phẩm kích thước (120mm x 80 mm, thể tích 603 mL), thể
tích thực phẩm là 500 mL. Chọn khối lượng hộp là 500g/hộp
Các hộp được đưa vào nhờ các xe goong, chọn 2 xe goong, mỗi xe goong chứa
600 hộp

3.2 Tính tốn xe goòng
-

Chọn khay đựng hộp: ta phân bố số hộp trên một khay theo chiều dài và chiều
rộng là 10x10= 100 hộp) nên mỗi xe-goong có 6 khay hộp
Chiều dài, rộng khay:
.

-

-

Chọn khay = 850 m
Chiều cao khay chọn: 50 mm
Để giảm khối lượng của khay và hỗ trợ quá trình thanh trùng ta đột lỗ 40mm
Tâm lỗ cách thành khay: 35mm
Khoảng cách 2 tâm lỗ là: 60mm
Bốn góc khay đục lỗ để hàn 4 ống thép đường kính 30mm độ dày 3mm chống
cùng 4 đế trịn rỗng dưới đáy có đường kính 40mm dày 3mm
Khay Cuối cùng được đặt lên một khung thép hộp kích thước 34mm x 34mm dày
2mm 4 góc của khung thép hộp hàn 4 mấu thép vuông để cố định khi xếp khay
cuối lên. Hàn 4 tấm thép lót dày 8mm để bắt vít các bánh xe goong.
Chiều dài xe= chiều rộng, dài khay = 850 mm
Hàn thêm một tay đẩy xe bằng thép ống đường kính 30mm
Chọn bánh xe gng có thơng số như sau:
Bánh xe: DS 8040 VGC
Thông số kỹ thuật:
Chất liệu: V Grooved Caster (VGC)
Đường kính: 100 mm
Chiều cao: 130 mm
Tải trọng: 200 kg
16


Từ đó tính được chiều cao xe là:

3.3 Tính tốn kích thước thiết bị
-

Có chiều dài nồi L= l.n +
Với:
o l: chiều dài xe goòng (l= 0,85 m)

o n: Số xe goòng (n=2)
o : Khoảng cách của xe với 2 đầu nồi (r= 0,15 x 2=0,3 m)
Suy ra: L= 2.0,85 + 0,3 =2 (m)

-

Bán kính trong của thiết bị: R= (0,964+0,055):2+0,2=0,71(m)
Đường kính trong thiết bị: D= 0,71.2 = 1,42(m)
Chọn đường kính của nồi thanh trùng là 1,5 m

3.4 Tính tốn bề dày thân nồi
-

Chọn vật liệu làm thiết bị trích ly là thép CT3 có:
σ k = 380.106 N / m 2
Độ bền kéo
σ c = 240.106 N / m 2
Độ bền chảy
Theo cơ sở tính tốn thiết bị, thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong,

nên chiều dày của vỏ được tính theo cơng thức

S=

P.Dt .k
+C
2,3.[σ ].ϕ

(m) ([6]-tr 360)

Trong đó
-

S là bề dày thân thiết bị, m

17


-

P là áp suất dư làm việc trong thiết bị, với sản phẩm, chọn P= 1,2 atm. Theo
tiêu chuẩn an tồn thì ta lấy

P'

= 1,3 ÷ 1,5P. Do vậy lấy

P'

= 2 atm = 202650

N / m2

-

Dt

Dt

là đường kính trong của thiết bị = 1,5 m

k là hệ số dự trữ độ bền của kim loại khi mối hàn k= 4,5
ϕ

ϕ

là hệ số độ bền của mối hàn , = 0,7

[σ ]

là ứng suất cho phép của thép
[σ k ] =

σk
380.106
.η =
.0,9 = 131,5.106
nk
2, 6
N / m2

[σ c ]=

σc
240.106
.η =
.0,9 = 144.106
nc
1,5
N / m2

[σ c ]
131,5.106
.ϕh =
.0, 7 = 454, 23
P
202650

-

C: hệ số an tồn dự trữ cho sự ăn mịn hóa học
C = C1 + C2 + C3

Trong đó:
-

C1

: Bổ sung cho sự ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mịn vật liệu của

mơi trường và thời gian làm việc của thiết bị:
-

C2

: đại lượng bổ sung do hao mòn:

C2

C1

= 0 (m)

= 0 (m)

C3

: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều
dày tấm vật liệu (m)

Thay vào ta tính được:
S=

202650.1,5.4,5
+ C3 = 6, 46.10−3 + C3
6
2,3.131,5.10 .0, 7

Theo [3]-tr364, bảng XIII.9,

C3

(m)

=0,8(mm)

⇒ S = 6, 46.10 −3 + 0,8.10−3 = 7, 26.10 −3

18

(m)

Bề dày S cần tối thiểu 7,26 mm, để tiện chế tạo thep thép tiêu chuẩn ta lấy S=8mm
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử
[Dt + ( S − C )]P0 σ k 131,5.106
σ=
<
=
= 109, 6.10 6 ( N / m2 )
2( S − C )ϕ
1, 2
1, 2
P0

P0 = Pth + P1 ( N / m 2 )

- áp suất thử,

Trong đó:
Pth

- áp suất thử thủy lực, theo [3]ư-tr.358, bảng XIII.5:

Pth

=202650

( N / m2 )
P1

- áp suất thủy tĩnh của nước,
P1 = g .ρ n .H

⇒ P0

= 217319,38

N / m2

, theo [3]-tr.360, công thức XIII.10:

= 9,81.996,9.1,5=14669,384

( N / m2 )

( N / m2 )

Khi đó:
σ=

σ
[150 + (0,8 − 0,3)].31,865
= 68,51.106 ( N / m2 ) < k = 109, 6.106 ( N / m 2 )
2.(0,8 − 0,3).0, 7
1, 2

Suy ra thỏa mãn
Chiều cao nồi: = H= 1,5 + 0,008 x 2= 1,516 (m)
Suy ra khối lượng của thân nồi:
=Sx

ρ

x

π

xDxL

= 0.008.7850.3,14.(1,5+1,516)/2.2 = 594,73 (Kg)
3.5 Chế độ làm việc
a. Chế độ nhiệt độ theo thời gian
-

Thời gian làm việc của một chu kì thanh trùng
TG = + A + B + C + (phút)
-

: Thời gian chuẩn bị thao tác thiết bị và đưa giỏ đồ hộp vào thiết bị
= 10 phút chuyển đồ vào thiết bị + 5 phút đuổi khí ra khỏi thiết bị

19


-

A, B, C: thời gian nâng nhiệt, giữ nhiệt và giảm nhiệt trong thiết bị thanh
trùng tương ứng, phút. Theo [4]-tr.20 thì tại nhiệt độ C thì cần tối thiều 12
phút để tiêu diệt Clostridum botulinum. Vậy với sản phẩm xốt nấm đóng
hộp ta có cơng thức:

A= 20 phút, B= 30 phút, C = 15 phút.

-

: Thời gian đưa giỏ đồ hộp ra khỏi thiết bị, phút, T2= 10 phút
Khi đó: TG = 10 + 5 +20 + 30 +15 +10 = 80 phút
Nhiệt độ thanh trùng T= 119,6. Nhiệt độ tại tâm sản phẩm đạt 115

b. Chế độ áp suất theo thời gian
Tương tự nguyên lý của thiết bị thanh trùng nằm ngang thanh trùng bằng hơi nước
và có khí nén, ta có trình tự điều khiển như sau:
-

-

-

Cho xe gng vào trong thiết bị thanh trùng. Đóng nắp thiết bị: đẩy nắp ăn
khớp với vành răng. Nhấn start xy lanh xoay nắp tới vị trí cố định tới khi chạm
vào cơng tắc hành trình thì dừng lại, sau đó chốt an tồn khí nén nhận tín hiệu
tự động chốt cửa. Cuối cùng xoay khóa thủ cơng;
Mở van cầu dưới đáy để xả nước ngưng, đồng thời mở van hơi phía trên của
thiết bị để đuổi phần khơng khí trong khoang thanh trùng ra ngồi. Tới khi có
hơi nước bay ra khỏi van thì đóng tất cả van lại, nhiệt độ trong nồi khoảng 9095 oC, ta tiếp tục làm nóng nồi. Q trình thường diễn ra trong khoảng 5 tới 10
phút;
Dựa vào quá trình tăng nhiệt của tâm sản phẩm, PLC điều khiển độ mở của
van hơi, khí nén được cấp vào trong nồi lớn hơn 0,2 at so với áp suất trong hộp
sản phẩm;
Bảng 3.1. Áp suất trong hộp sản phẩm thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt độ(

Áp suất(at)

115
2

110
1,54

105
1,24

100
1

95
1

90
1

Đặt giá trị của van xả áp an toàn là 2,14 at. Trong thời gian thanh trùng có thể
quan sát giá trị của áp suất và nhiệt độ trên đồng hồ đo. Thanh trùng giữ tâm sản phẩm tại
115 độ C trong 30’
-

Sau gian đoạn giữ nhiệt thanh trùng, đóng van hơi, bơm cao áp hoạt động bắt
đầu quá trình làm nguội (sau cửa xả của bơm lắp thêm van 1 chiều để tránh khí
nén đi ngược). Chia 3 mức nước làm nguội; bơm lần 1 giảm nhiệt độ tâm sản
phẩm xuống 100 oC (giai đoạn tiền làm nguội, giai đoạn này lấy nhiệt nhanh
nên khơng cần tuần hồn mà sau khi phun giải nhiệt thì mở van xả đáy), lượng

20


nước lần hai sẽ giải nhiệt sản phẩm tới 80 oC lượng nước lần 3 giải nhiệt để sản
phẩm cuối cùng có nhiệt độ tâm là 45 oC thì ta dừng máy (nước giải nhiệt trên
45oC thì xả). Các lần bơm cho tuần hồn thường trong vịng 5-7 phút tới khi
nhiệt độ tâm sản phẩm không thay đổi. Mở van xả nước ra khỏi thiết bị. Ta có
thể quan sát được mực nước qua lưu lượng kế;
4

Xây dựng và phân tích sơ đồ chức năng đo lường – điều khiển

Hướng tới vấn đề cụ thể đã nêu và đối với đề tài tính tốn – Thiết kế thiết bị thanh
trùng trong sản xuất sốt nấm đóng hộp, các vấn đề đo và điều khiển có thể đặt ra
Đo:
• Nhiệt độ
• Áp suất
Điều khiển:
• Điều khiển nhiệt độ
• Điều khiển áp suất
• Điều khiển van
Nhóm em quan tâm tới bài tốn sau:
Đo nhiệt độ, áp suất từ đó dẫn tới điều khiển van trong q trình thanh trùng sốt
nấm đóng hộp.
Việc thanh trùng ở nhiệt độ cao, áp suất cao nếu không được kiểm tra thường xuyên,
điều chỉnh các thông số, nếu các thơng số vượt qua mức thanh trùng có thể gây cháy nổ
thiết bị rất nguy hiểm cho công nhân, nhà máy. Việc đo, điều chỉnh áp suất, nhiệt độ là
một trong những bài toán quan trọng trong thiết bị thanh trùng.

21

Hình 4.6. Sơ đồ chức năng hệ thống thanh trùng đồ hộp

22


Phân tích sơ đồ:
1. Đầu tiên van V2 mở cấp hơi nước bão hòa vào trong thiết bị thanh trùng đuổi
khơng khí khơng ngưng trong thiết bị qua van V1, nước ngưng tụ chảy qua van
V5. Van V1 và V5 mở trong 5 phút (thời gian đuổi hết phần thể tích khí trong thiết
bị), sau đó đóng lại, chỉ có V2 mở.
2. Thời gian nâng nhiệt: Chỉ mở V2.
3. Thời gian giữ nhiệt: Cảm biến đo nhiệt độ trong khoang thiết bị chứa đồ hộp đưa
tín hiệu về tủ điều khiển và điều chỉnh độ đóng mở của van màng V2 để đảm bảo
nhiệt độ tâm sản phẩm luôn xấp xỉ 115 trong thời gian 30 phút.
4. Thời gian làm nguội: Khí nén được cấp thêm 0,5 atm trước khi phun nước giải
nhiệt vì hơi nước ngưng tụ làm giảm áp suất đột ngột làm cho áp suất trong hộp
sản phẩm lớn hơn mơi trường bên ngồi dẫn tới hở mí ghép, biến dạng hộp sản
phẩm. Thời gian van V1 được điều chỉnh đóng mở dựa trên áp suất trong thiết bị
để đảm bảo áp suất môi trường xung quanh hộp sản phẩm được hạ từ từ
5. Làm nguội lần 1: Van ba ngả V4 ở vị trí nối bơm với bể. Bơm lượng nước đã
được tính tốn vào thiết bị thanh trùng để giải nhiệt sản phẩm xuống 100. Cảm
biến đo nhiệt độ nước gửi tín hiệu về tủ điều khiển.
Nếu nhiệt độ nước dưới 45 thì van 3 ngả V4 đổi trạng thái cho bơm tuần hoàn.
Nếu nhiệt độ nước lớn hơn hoặc bằng 45 thì van V5 mở xả nước ra ngoài, bơm
dừng hoạt động. Kết thúc quá trình thanh trùng.
6. Làm nguội lần 2: Tương tự lần 1 nhưng giải nhiệt sản phẩm xuống 80
7. Làm nguội lần 3: Tương tự lần 2 nhưng giải nhiệt sản phẩm xuống 45

5

Xây dựng & phân tích sơ đồ I/O
5.1 Chọn các loại cảm biến

5.1.1 Nguyên tắc chọn cảm biến
- Dải đo: Các thông số hoạt động của thiết bị nằm trong vùng đo ổn định của cảm
biến
- Chuẩn tín hiệu đầu ra: Cảm biến xuất tín hiệu phù hợp với hệ thống điều khiển
(theo chuẩn tín hiệu điện áp hoặc dịng điện)
- Sai số: Cảm biến có sai số ở mức độ cho phép
- Kích thước: Cảm biến cần có kích thước phù hợp với hệ thống thiết bị
- Khả năng lắp ghép: Cảm biến có khả năng dễ dàng kết nối với thiết bị thông
qua cách nối phù hợp
23


- Điều kiện mơi trường: Cảm biến cần có khả năng làm việc ổn định trong
khoảng điều kiện làm việc của thiết bị
- Điều kiện an tồn trong mơi trường hóa chất, cháy nổ: Trong các thiết bị đặc
thù, cảm biến có thể cần yêu cầu thêm khả năng chống cháy nổ theo quy chuẩn
5.1.2 Chọn cảm biến
a. Cảm biến nhiệt độ
Yêu cầu:
- Một cảm biến đo nhiệt độ trong khoang thiết bị, có khả năng đo dải nhiệt độ từ ,
có khả năng chịu áp suất khí nén lên tới 2,2 atm và hơi nước nhiệt độ cao. Cảm biến xuất
tín hiệu điện theo chuẩn về bộ điều khiển PLC.
- Một cảm biến đo nhiệt độ nước làm mát, có khả năng đo dải nhiệt độ từ , có khả
năng chống nước. Cảm biến xuất tín hiệu điện tiêu chuẩn về bộ điều khiển PLC.
- Cảm biến nhiệt độ Omron Loại PT100 E52MY-PT20C D6.3MM SUS316

Hình 5.7. Cảm biến nhiệt độ Omron loại PT100 E52MY-PT20C D6.3MM SUS316
-

Cảm biến loại: Pt100 (3 dây) Class B, tầm đo 0~400 độ C
Chiều dài thân cảm biến: 300mm (độ dài đủ để xuyên qua lớp bảo ôn)
Đầu đo: đầu đo 6.3mm bằng chất liệu SUS316
Đường kính: ren ½”
Kiểu đấu nối: terminal (kiểu củ hành), dây nối dài 2m
Xuất xứ: Omron – Japan

b. Cảm biến áp suất
24


- Một cảm biến áp suất, có khả năng đo áp suất từ 1 - 2.5 atm, có khả năng hoạt động ổn
định trong khoảng nhiệt độ từ .

Hình 5.8. Cảm biến áp suất DMP 331P – DB – Đức
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−

Nguồn cấp: 8-32VDC.
Tín hiệu ngõ ra 4-20 mA chuẩn Hart (2 wire).
Sai số: 0.25% với áp suất lớn hơn hoặc bằng 0.4 bar.
Dãy đo tiêu chuẩn: 0-2.5 bar.
Khả năng chịu quá áp tương ứng: 15 bar
Cấp bảo vệ: IP 65 hoặc IP 67
Chức năng chống cháy nổ: Zones 0, 1 hoặc cao hơn
Vật liệu cảm biến: SS316L.
Nhiệt độ làm việc: -40 đến 200
Kết nối cơ khí: Ren trong G1/2 NPT hoặc G3/4 NPT hoặc G1 NPT.
Mã sản phẩm: DMP 331P-500-2501-1-9-850-Z00-1-0-2-000

c. Đồng hồ đo áp suất

25