CHƯƠNG QUÁ TRÌNH ĐUN NÓNG, CHẦN VÀ LÀM NGUỘI ĐUN NÓNG & CHẦN Đun nóng (heating) chần (blanching) trình trao đổi nhiệt thực phẩm chất tải nhiệt nhằm nâng nhiệt độ thực phẩm Mục đích: - Tiêu diệt vi sinh vật thực phẩm - Làm vô hoạt hệ enzym thực phẩm - Tạo biến đổi vật lý, hóa học mong muốn ĐUN NÓNG & CHẦN Đun nóng = tăng nhiệt độ thực phẩm từ nhiệt độ ban đầu (Tđ, thường nhiệt độ phòng) tới nhiệt độ cao (Tc, theo yêu cầu công nghệ) ∆𝑇 = 𝑇𝑐 − 𝑇đ > Phương thức đun nóng: - Đun nóng liên tục: ΔT > thời điểm - Đun nóng không liên tục: Tùy vào thời điểm mà ΔT > 0, ΔT = ΔT < tăng nhiệt độ gián đoạn Tc Tđ t Tc Tc1 Tđ t ĐUN NÓNG & CHẦN Nguồn nhiệt Nhiệt dùng để đun nóng tạo nhiều phương pháp khác nhau: - Nguồn nhiệt trực tiếp: điện, gas - Nguồn nhiệt trung gian = Chất tải nhiệt: nước, nước nhiệt Yêu cầu chất tải nhiệt: - Có nhiệt độ đun nóng cao dễ điều chỉnh nhiệt độ - Không độc không gây phản ứng hóa học - An toàn sử dụng, không cháy, nổ - Rẻ dễ tìm ĐUN NÓNG & CHẦN Chất tải nhiệt Hơi nước bão hòa: - Có hệ số cấp nhiệt lớn (h = 10 000-15 000 W/m2 °C), bề mặt truyền nhiệt nhỏ - Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo đơn vị chất tải nhiệt) lượng nhiệt tỏa ngưng tụ - Đun nóng đồng nước ngưng tụ toàn bề mặt truyền nhiệt nhiệt độ không đổi - Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng cách điều chỉnh áp suất - Vận chuyển xa dễ dàng đường ống - Không thể đun nóng nhiệt độ cao, nhiệt độ tăng áp suất bão hòa tăng, đồng thời ẩn nhiệt hóa giảm ĐUN NÓNG & CHẦN - Phương thức truyền nhiệt: đối lưu + dẫn nhiệt - Do khác tốc độ truyền nhiệt >> Có điểm tăng nhiệt chậm + thực phẩm rắn bán lỏng: thường điểm trung tâm vật lý thực phẩm + thực phẩm lỏng đựng bao bì: điểm nằm đường cao trục, cách đáy hộp 1/3 chiều cao ĐUN NÓNG & CHẦN Chiều chuyển động lưu thể Chảy xuôi chiều (Parallel flow) Chảy ngược chiều (Counter flow) ĐUN NÓNG & CHẦN Chiều chuyển động lưu thể Chảy vuông góc (Cross flow) ĐUN NÓNG & CHẦN Tính toán lượng nước tiêu hao - Trong đun nóng nước trực tiếp: Từ phương trình cân nhiệt lượng: 𝑚𝑣 ℎ𝑣 + 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓1 = 𝑐𝑝𝑤 𝑚𝑣 𝑡𝑓2 + 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓2 + 𝑄𝑙 Ta có: 𝑚𝑣 = 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓2 − 𝑡𝑓1 + 𝑄𝑙 ℎ𝑣 − 𝑐𝑝𝑤 𝑡𝑓2 Trong đó: mv : khối lượng cần thiết (kg/s) mf : khối lượng thực phẩm cần đun nóng (kg/s) hv : nhiệt lượng riêng nước (J/kg) Ql : nhiệt tổn thất môi trường xung quanh (J) cpf : nhiệt dung riêng thực phẩm (J/kg ⁰C) cpw : nhiệt dung riêng nước ngưng tụ (J/kg ⁰C) tf1 :nhiệt độ ban đầu thực phẩm (⁰C) tf2 :nhiệt độ cuối thực phẩm (⁰C) ĐUN NÓNG & CHẦN Tính toán lượng nước tiêu hao - Trong đun nóng nước gián tiếp: Từ phương trình cân nhiệt lượng: 𝑚𝑣 ℎ𝑣 + 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓1 = 𝑐𝑝𝑤 𝑚𝑣 𝑡𝑤 + 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓2 + 𝑄𝑙 Ta có: 𝑚𝑣 = 𝑚𝑓 𝑐𝑝𝑓 𝑡𝑓2 − 𝑡𝑓1 + 𝑄𝑙 ℎ𝑣 − 𝑐𝑝𝑤 𝑡𝑤 Trong đó: tw : nhiệt độ nước ngưng tụ (⁰C) 10 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Lõi xoắn ngập thực phẩm (Heating coils immersed in liquids) - Ống xoắn hình ruột gà đặt ngập thực phẩm nồi chứa - Hơi ống truyền nhiệt cho thực phẩm - Tốc độ truyền nhiệt cao trường hợp nồi hai vỏ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn - Hệ số truyền nhiệt cao nồi hai vỏ, = 300 – 3600 J/m2 s °C Hình 4.3 Loại ống xoắn ruột gà 14 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng (Plate heat exchanger) Cấu tạo: - Gồm loạt mỏng có kích thước, cấu tạo giống gắn song song với khung đỡ (Hình 4.4a) - Các miếng đệm cao su gắn mép để tránh tượng trộn lẫn thực phẩm chất tải nhiệt; giúp định hướng dòng chất tải nhiệt dòng thực phẩm vào lỗ trống để tạo thành dòng chảy - Các mỏng : chế tao thép không gỉ, dập đường rãnh để tăng chuyển động hỗn loạn lưu thể (Hình 4.6) Hình 4.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng 15 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng Xem thêm internet: https://www.youtube.com/watch?v=Jv5p7o-7Pms 16 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng Dòng nóng dòng nguội chảy khác nhau, trao đổi nhiệt gián tiếp qua mỏng Hình 4.6 Cấu tạo mỏng thiết bị trao đổi nhiệt loại mỏng - Thích hợp cho thực phẩm có độ nhớt thấp (< Pa s) - Lưu lượng dòng đạt 5000 – 20 000 kg/h - Hệ số truyền nhiệt = 2400 – 6000 J/m2 s °C Ưu điểm: - Việc bảo dưỡng thiết bị đơn giản; dễ dàng loại bỏ cặn bẩn bám bề mặt - Tăng công suất cách lắp thêm mỏng vào khung - Giúp tiết kiệm lượng cách tái sử dụng nhiệt 17 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Loại ống (Tubular heat exchanger) Ống lồng ống Cấu tạo: Một ống nằm bên , trung tâm ống khác Hình 4.7 Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống - Một lưu thể chảy ống trong, lưu thể lại chảy khoảng không gian hình khuyên hai ống 18 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Loại ống Ống chùm (Shell and Tube heat exchanger) Hình 4.8 Nguyên lý họat động thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm 19 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Loại ống Ống chùm (Shell and Tube heat exchanger) Cấu tạo: Gồm ống thẳng (tube) gắn giá đỡ ống, đặt hình trụ Giữa ống lắp chắn để tăng chuyển động lưu thể bên ống Thực phẩm cần gia nhiệt ống; chất tải nhiệt không gian phía bên ống Xem thêm internet: https://www.youtube.com/watch?v=hxhB3k0vh2g 20 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị chần liên tục Cấu tạo: - Băng tải để vận chuyển thực phẩm rắn - Hệ thống phun nước phun Hình 4.9 Hệ thống thiết bị chần dùng Thực phẩm băng tải, đến khu vực nâng nhiệt nước nóng hơi; làm nguội nước lạnh không khí Tốc độ băng tải điều chỉnh để thời gian xử lý nhiệt đảm bảo việc vô hoạt enzyme cho sản phẩm cụ thể 21 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG Mục đích thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho yêu cầu cụ thể Sự thay đổi nhiệt lượng lưu thể thay đổi nhiệt độ từ T1 đến T2 là: 𝑞 = 𝑚 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1 ) (4.1) Tốc độ truyền nhiệt từ lưu thể nóng (H) sang lưu thể lạnh (C) là: 𝑑𝑞 = 𝑈∆𝑇𝑑𝐴 (4.2) ΔT: chênh lệch nhiệt độ lưu thể nóng lưu thể lạnh; ΔT = TH - TC Lưu ý: ΔT khác vị trí (1) (2) 22 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG 23 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG Áp dụng cân lượng 𝑑𝑞 = −𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑑𝑇𝐻 = 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶 𝑑𝑇𝐶 = 𝑈 𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 𝑑𝐴 𝑑(𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 ) 1 = −𝑈 + (𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 ) 𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶 𝑑𝐴 (4.3) (4.4) Tích phân phương trình (4.4), ta có: ∆𝑇2 1 𝑙𝑛 = −𝑈𝐴 + ∆𝑇1 𝑚𝐻 𝑐𝑝𝐻 𝑚𝐶 𝑐𝑝𝐶 (4.5) 24 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG Với: ∆𝑇1 = 𝑇𝐻,𝑣à𝑜 − 𝑇𝐶,𝑣à𝑜 (4.6) ∆𝑇2 = 𝑇𝐻,𝑟𝑎 − 𝑇𝐶,𝑟𝑎 (4.7) ∆𝑇2 𝑈𝐴 𝑙𝑛 =− (∆𝑇2 − ∆𝑇1 ) ∆𝑇1 𝑞 ∆𝑇2 − ∆𝑇1 𝑞 = 𝑈𝐴 ∆𝑇2 𝑙𝑛 ∆𝑇1 𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙𝑚 (4.8) (4.9) (4.10) 25 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG Với: ∆𝑇𝑙𝑚 ∆𝑇2 − ∆𝑇1 = ∆𝑇2 𝑙𝑛 ∆𝑇1 (4.11) ΔTlm : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit 26 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LOẠI ỐNG 27 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Ví dụ tính toán: Một thực phẩm lỏng (nhiệt dung riêng = kJ/[kg °C]) chảy ống thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Thực phẩm lỏng vào thiết bị 20°C nhiệt độ 60°C Lưu lượng thực phẩm lỏng 0,5 kg/s Trong khoảng không gian hình khuyên, nước nóng có nhiệt độ 90°C vào thiết bị chảy ngược dòng với lưu lượng kg/s Nhiệt dung riêng trung bình nước 4,18 kJ/(kg °C) Thừa nhận điều kiện ổn định Hãy tính nhiệt độ đầu nước Hãy tính chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit Nếu hệ số truyền nhiệt tổng số trung bình 2000 W/(m2 °C) đường kính ống cm, tính chiều dài thiết bị trao đổi nhiệt 28 .. .ĐUN NÓNG & CHẦN Đun nóng (heating) chần (blanching) trình trao đổi nhiệt thực phẩm chất tải nhiệt nhằm nâng nhiệt độ thực phẩm Mục đích: - Tiêu diệt vi sinh vật thực phẩm - Làm vô hoạt... 10 LÀM NGUỘI Làm nguội = trình hạ nhiệt độ thực phẩm xuống nhiệt độ thường Chất tải nhiệt thường dùng nước không khí Nếu cần làm nguội tới nhiệt độ thấp > dùng nước muối lạnh Thường sử dụng làm. .. riêng thực phẩm (J/kg ⁰C) cpw : nhiệt dung riêng nước ngưng tụ (J/kg ⁰C) tf1 :nhiệt độ ban đầu thực phẩm (⁰C) tf2 :nhiệt độ cuối thực phẩm (⁰C) ĐUN NÓNG & CHẦN Tính toán lượng nước tiêu hao - Trong