Chương II Các thiết bị truyền nhiệt

9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG MÔN HỌC KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 Giảng viên: ThS. Trần Văn Hùng Email: Hungtp1k50@gmail.com 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 Thiết bị truyền nhiêt tấm bản 9/10/2014 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 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. Thiết bị truyền nhiệt gián tiếp 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 Đỉnh hình vuông 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM  Thiết bị ống chùm - một pass phía ống Vỉ ống Vỉ ống Chùm ống Vỏ ống Tấm ngăn Cửa thông chất lỏng trong ống Cửa thông chất lỏng trong ống Cửa ra chất lỏng giữa các ống Cửa vào chất lỏng giữa các ống 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM  Thiết bị ống chùm - hai pass phía ống Vỉ ống Vỉ ống Cửa chất lỏng vào trong ống Cửa chất lỏng trong ống ra ngoài Cửa ra chất lỏng giữa các ống Cửa vào chất lỏng giữa các ống Vỏ ống Chùm ống Tấm ngăn 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG CHÙM Tấm ngăn Vách ngăn Vỏ ống Khoảng ra chất lỏng trong ống  Thiết bị ống chùm hình chữ U Chùm ống chữ U Cửa ra chất lỏng giữa các ống Cửa vào chất lỏng giữa các ống Vào Ra Vỉ ống Khoảng vào Phía vỏ 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG 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 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. 1.Sơ lược về thiết bị 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 Ống lồng ống ghép bằng hàn 1-Ống ngoài; 2-Ống trong; 3-Cút ống trong; 4-Bích nối các ống ngoài Phương pháp không tháo rời 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 Della Toffla 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG 1. Dàn ống trơn thẳng đứng có ống tự 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. 2. Dàn ống trơn (không có cánh) 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; 4- thân; 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 đầu nối. 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG 1-cửa vào của dung dịch; 2- nắp; 3- thân; 4- ống truyền nhiệt; 5, 8- cửa ra và vào của ống truyền nhiệt; 6- cửa ra của dung dịch; 7- đáy; 9- giá đỡ. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn 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 N­íc mÝa H¬i thø Thiết bị gia nhiệt kiểu tấm 9/10/2014 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 410160505851200124213700.5 7013540065980100011000.3 60903157585090410000.2 dcBcAhH Kích thước, mm Diện tích truyền nhiệt m2 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG 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 b. Ngược chiều 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG Khi trao đổi nhiệt có chuyển pha Ngưng tụ chuyển pha Bốc hơi chuyển pha Ngưng tụ, bốc hơi chuyển pha 9/10/2014 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 của thiết bị truyền nhiệt vỏ ống 2.4.2. Tính nhiệt độ trung bình của các dòng lưu chất ∆tlog 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG Nhiệt độ trung bình lôgarit: Nhiệt độ trung bình số học: XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH (song song)  K t t tt t min max minmax ln        Kttt K tttt t 2 22 minmax " 2 ' 2 " 1 ' 1       9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG ∆t xác định bằng đồ thị XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH (cắt nhau)   2 1 ' 2 " 2 " 1 ' 1 max 2 max ' 2 " 2 min max minmax ; ),( ln t t tt tt R t t t tt P RPf tt K t t tt t t nctcn nc                      9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH (cắt nhau) 2 1 ' 2 " 2 " 1 ' 1 max 2 max ' 2 " 2 ; ),( t t tt tt R t t t tt P RPf tt t nctcn                   ∆t xác định bằng đồ thị 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH (cắt nhau) 2 1 ' 2 " 2 " 1 ' 1 max 2 max ' 2 " 2 ; ),( t t tt tt R t t t tt P RPf tt t nctcn                   ∆t xác định bằng đồ thị 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH (cắt nhau) 2 1 ' 2 " 2 " 1 ' 1 max 2 max ' 2 " 2 ; ),( t t tt tt R t t t tt P RPf tt t nctcn                   ∆t xác định bằng đồ thị 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG Biết t’1, t’2, W1, W2, tính t”1, t”2 với nhiệt độ trung bình số học TÍNH NHIỆT ĐỘ CUỐI CHẤT TẢI NHIỆT       21 ' 2 ' 1 ' 2 " 22 " 1 ' 11 " 2 ' 2 " 1 ' 1 W2 11 W2 1 WW 22                  kF tt Q ttttQ tkFQ K tttt t 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG Phương trình truyền nhiệt: Phương trình cân bằng nhiệt: W = GCp là nhiệt dung toàn phần [W/K] (1) - nóng ; (2) - lạnh ; (‘) - vào; (“) - ra. tkFQ                 1 2 ' 2 " 2 " 1 ' 1 2 1' 2 " 22 " 1 ' 11 ' 2 " 222 " 1 ' 111 ' 2 " 22 " 1 ' 11 W W WW       tt tt t t ttttQ ttCGttCGQ iiGiiGQ pp   2.4.3. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt Kt Q F tb .  9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG - Tính số ống truyền nhiệt ld F n ..  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 2.4.4. BỐ TRÍ ỐNG TRONG THIẾT BỊ TĐN VỎ ỐNG 9/10/2014 TRẦN VĂN HÙNG v G d .. 4   Tính đường kính ống sơ bộ [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   .4 . 4 . . 22 dlt ddn  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. Nguyễn Bin. Các quá trình và thiết bị trong ngành hóa chất và thực phẩm . Tập 4. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2000. 2. Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt + Bài tập kỹ thuật nhiệt. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006. 3. 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. 4. Nguyễn Xuân Phương, Kỹ thuật lạnh thực phẩm, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2004. Tái bản năm 2006. 5. Lê Bạch Tuyết (chủ biên) . Các quá trình công nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm. NXB Giáo Dục, 1985. 6. Yunus A Cengel (2009) Heat and Mass Transfer: (SI Units): A Practical Approach. 3rd. McGraw Hill Higher Education.