Chương 1: Cơ học lưu chất 16 6 2 1 2 Chương 2: Truyền nhiệt trong thực 16 10 2 1 phẩm 3 Chương 3: Các quá trình công nghệ 11 26 1 cơ bản và phạm vi ứng ứng dụng 28 Cộng 60 27 30 3 1 Chƣơng 1: CƠ HỌC LƢU CHẤT Mã Chƣơng: 1 Giới thiệu: Kiến thức cơ bản về Cơ học lưu chất dùng trong kỹ thuật. Mục tiêu: trình bày tính chất, phương pháp và thiết bị xác định độ nhớt, cân bằng vật chất và năng lượng cho dòng chảy trong ống, các thiết bị vận chuyển lưu chất. 1 Tính chất c chất ỏng Việc vận chuyển chất lỏng từ nơi nầy đến nơi khác có quan hệ rất mật thiết đến đặc tính của lưu chất. Các đặc tính của lưu chất có quan hệ với việc vận chuyển có thể kể đến: khối lượng riêng, độ nhớt của lưu thể.
Sự thay đổi các tính chất có ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán cung cấp năng lượng cho dòng chảy, c ng như thể hiện các đặc tính của dòng chảy. Hiểu biết về tính chất của lưu chất giúp ta thiết kế, vận hành hệ thống vận chuyển thực phẩm trong nhà máy đạt được hiệu quả cao.1 Vai trò của ứng suất trong dòng chảy Sự chảy của lưu chất xãy ra khi có một lực tác dụng lên lưu chất. Lực tác dụng lên lưu chất có thể ở các hướng khác nhau. Khi lực tác dụng theo phương thẳng góc với bề mặt lưu chất ta có áp suất (pressure).
Đơn vị của áp suất là N hay [Pa]. m 2 Khi lực tác dụng song song với bề mặt lưu chất ta có ứng suất cắt (shear stress). Đơn vị của ứng suất cắt là N hay [Pa]. m 2 Khi ứng suất cắt tác dụng lên chất lỏng làm chất lỏng bị biến dạng.
Ảnh hưởng của ứng suất cắt lên sự biến dạng của các vật liệu là yếu tố cơ bản để phân loại các loại vật liệu thực phẩm như: rắn, lỏng, khí , bán lỏng. * Vật iệu àn hồi: Khi ứng suất cắt tác dụng lên vật liệu đàn hồi sẽ làm vật liệu biến dạng (theo quan hệ đường thẳng), vật liệu không chảy (vẫn còn giữ nguyên trạng thái). Và khi loại bỏ lực tác dụng vật liệu sẽ trở lại dạng ban đầu. * Vật iệu ít àn hồi: Khi ứng suất tác dụng vật liệu sẽ bị biến dạng tốc độ biến dạng là một hàm số của ứng suất cắt (kh ng theo quan hệ đường thẳng).
Khi loại bỏ lực tác dụng chỉ một phần vật liệu trở lại dạng ban đầu (kh ng trở v trạng thái an đ u hoàn toàn), loại vật liệu nầy có thể kể đến: bơ, phomat. 2 * Chất ỏng: Khi ứng suất cắt tác dụng vật liệu bị biến dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (c th tu n theo qui u t đường thẳng hay theo qui u t hàm số m như trong trường h p ch t ng ewton và phi ewton). Khi loại bỏ ứng suất vật liệu không có khả năng trở lại dạng ban đầu.2 Khối lượng riêng (density) Được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thể tích ở cùng điều kiện xác định. Trong hệ SI khối lượng riêng có đơn vị là kg/m3.
Khối lượng riêng của lưu chất phụ thuộc vào nhiệt độ. T trọng (specific gravity) là đại lượng không đơn vị. Là tỉ lệ giữa khối lượng riêng của chất cần xác định với khối lượng riêng của một chất nào đó (thường à nư c ở o C c khối ư ng riêng à 1000 kg/m3). Có thể xác định khối lượng riêng và tỉ trọng bằng Baumé kế (độ B ), Brix kế Quan hệ giửa oBé và tỉ trọng (d) theo công thức: * Trong trường hợp: + Tỉ trọng d > 1, ta có quan hệ: 145 o Be 145 d d: tỉ trọng của chất lỏng + Tỉ trọng d < 1, ta có quan hệ: 140 o Be 130 d 1.
Chất lỏng không có khả năng biến dạng thuận nghịch, chất lỏng sẽ chảy khi có một lực tác dụng và vận tốc chảy càng tăng khi lực tác dụng càng tăng. Các chất lỏng khác nhau sẽ chảy với tốc độ rất khác nhau với cùng một lực tác dụng. Tính chất cản trở sự chuyển động dòng chảy được gọi là độ nhớt. Để hiểu r hơn về độ nhớt xét chi tiết ở (Hình 1.1 Di chuyển c các ớp chất ỏng khi tác dụng ực Khi quan sát hai lớp chất lỏng song song gần nhau có diện tích vô hạn (r t ài và r t rộng) như hình vẽ (Hình 1.
Hai lớp chất lỏng quan sát cách nhau một khoảng là y. Lớp chất lỏng phía trên chịu tác dụng một lực và sẽ di chuyển theo phương lực tác dụng với vận tốc là u, trong khi lớp chất lỏng phía dưới cố định có vận tốc u = 0 (kh ng i chuy n hay đứng yên). Giữa 2 lớp chất lỏng quan sát, có vô số lớp chất lỏng khác và các lớp chất lỏng c ng chuyển động theo cùng phương của lực tác dụng. Lớp chất lỏng trên cùng chuyển động với vận tốc lớn nhất u và giảm dần theo hướng lớp phía dưới u = 0.
Biểu đồ khác biệt vận tốc theo phương y có thể thấy ở (Hình 1. Các thực nghiệm cho thấy độ lớn của lực có quan hệ với vật tốc (u), diện tích bề mặt tiếp xúc (A) và khoảng cách giửa 2 lớp chất lỏng (y). Quan hệ giữa lực tác dụng với diện tích bề mặt, vận tốc và khoảng cách giữa 2 lớp chất lỏng được mô tả: Với được gọi là gradient vận tốc (1/s). Hoàn toàn có thể đặt một tham số bất kỳ để thể hiện mối quan hệ ( c th à hằng số hay hàm số b t kỳ), có thể viết lại: Với dấu (-) để thể hiện lực ( ) luôn luôn dương.
Tham số là hằng số được gọi là độ nhớt và chất lỏng tuân theo phương trình trên được gọi là chất lỏng Newton (Newtonian liquid). Một số chất lỏng thực phẩm có được xem là chất lỏng Newton có thể kể đến: mật ong, sữa tươi, nước quả. Độ nhớt của một số lưu chất được liệt kê ở (Bảng 1.1 Đ nhớt c m t số ƣu chất nhiệt ph ng Lƣu chất Đ nhớt (Pa.s) - Không khí 10-5 - Nước 10-3 - Dầu 10-4 - Glycerin 1 - Mật ong 10 (Nguồn: Heldman & Lund, 2007) + Đơn vị của độ nhớt Với đơn vị của ứng suất cắt () N 2 Pa m và gradient vận tốc () du m 1 1 dy s m s Vì vậy đơn vị của độ nhớt sẽ là Pa.s người ta còn dùng Poise (P) hay Centipoise (cP).s 1 cP = 0,01 P Với chất lỏng phi Newton, độ nhớt quan hệ với ứng suất và gradient vận tốc theo quan hệ hàm số m (do ch t l ng phi ewton c độ nh t thay đổi tuỳ theo lực tác ụng). n Với K: độ sệt [Pa.sn] n: chỉ số biểu thị độ sệt không đơn vị (Th ng thường n 1) Chất lỏng phi Newton là chất lỏng có độ nhớt thay đổi tùy theo ứng suất tác dụng hay nói cách khác nó không có độ nhớt thật, chỉ có độ nhớt biểu kiến (apparent viscosity). Độ nhớt biểu kiến (app) là độ nhớt tương ứng với một ứng suất xác định nào đó.2 Giá trị K và n c m t số thực phẩm Đ sệt K Chỉ số biểu thị sệt Thực phẩm (consistency coefficient) (behaviour index) Pa.sn Nước trái cây cô đặc 2 0,7 Chocolate 50 0,5 Sữa chua 3 0,3 Pure cà chua 70 0,2 Pure táo 10 0,3 Xốt cà chua 18,7 0,27 Nước cam cô đặc (42oBrix) 4,1 0,58 (Nguồn: Heldman & Lund, 2007) 2 Đo nhớt c ƣu chất Độ nhớt của lưu chất có thể được đo đạc bằng các phương pháp: ống mao quản, nhớt kế rotor, nhớt kế bi.
Phương pháp đo đạc độ nhớt bằng nhớt kế mao quản và nhớt kế rotor sẽ được đề cập đến ở phần nầy.1 Nhớt kế mao quản Xét 1 ống mao quản có chiều dài L và bán kính R. Với lực tác dụng F theo phương thẳng góc với diện tích mặt cắt ngang như (Hình 1.2 Nhớt kế m o quản Áp lực tác dụng trên thành ống theo phương song song. (Ứng su t ()) Hay Áp lực tác dụng theo phương thẳng góc. (Áp su t (P)) 6 Hay Do có cùng một lực ( ) tác dụng nên có thể viết lại Hay Có thể chuyển đổi Với vận tốc u = 0 tại thành ống dẫn tương ứng với bán kính r = R và vận tốc u = U(r) tương ứng với bán kính bất kỳ r, ta được: Lấy tích phân ta được phương trình phân bố vận tốc theo bán kính ống dẫn.
Phân bố vận tốc chất lỏng trong ống (U(r)) là hàm số bậc 2 theo bán kính (r) nên phân bố vận tốc chất lỏng chảy trong ống theo hình Parabol (Hình 1.3 Phân bố vận tốc chất ỏng chảy trong ống nằm ng ng Ví dụ 1.1: Một chất lỏng chảy trong ống nằm ngang có đường kính 2 cm dài 10 cm. Tổn thất áp lực P được ghi nhận là 11 Pa, độ nhớt của chất lỏng = 5 Pa. Tính toán vận tốc của chất lỏng tại một số vị trí trong ống. Giải Vận tốc tại các vị trí trong ống dẫn được tính theo công thức Xét một số vị trí trong ống mao quản Vị trí Vận tốc (m/s) r =0 U1 = 0,000550 1 7 r = 0,0025 U = 0,000516 2 2 r = 0,005 U = 0,000413 3 3 r = 0,0075 U = 0,000241 4 4 r = 0,1 U = 0,000000 5 5 Vận tốc trung bình U 0,00034 m/s Trong thực tế rất khó xác định vận tốc tại các vị trí trong ống dẫn.
Chính vì vậy, vận tốc trung bình ( U ) luôn được sử dụng trong các tính toán. Vận tốc trung bình được tính bằng lưu lượng (V) chia cho diện tích mặt cắt ngang (A). Với vận tốc trung bình V U A Gọi: Tiết diện cắt ngang của ống mao quản là A = .r2 Một diện tích vô cùng bé dA có thể di n giải V là thể tích của chất lỏng di chuyển qua khỏi ống trên một đơn vị thời gian hay còn gọi là lưu lượng (m3/s).A hay và với Ta có Với vận tốc chất lỏng tại sát thành ống dẫn U(r) = 0 ( o đ V = 0) tương ứng với r = R và vận tốc U (tương ứng v i V) tại trung tấm ống dẫn (r = 0).