Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cà chua (Solanum lycopersicum L., thuộc họ Cà Solanaceae) là một trong những loại nông sản thực phẩm có sản lượng và diện tích canh tác lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê, diện tích trồng cà chua tại Việt Nam dao động trong khoảng 23.000 đến 25.000 ha, trong đó khoảng 40% phân bố tại khu vực phía Nam với trọng điểm là tỉnh Lâm Đồng (khoảng 7.000 ha/năm). Quả cà chua có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học như Lycopene (sắc tố đỏ chống oxy hóa), Beta-carotene (tiền chất vitamin A), Naringenin và Axit chlorogenic.

Tuy nhiên, nước quả cà chua tự nhiên có hàm lượng nước cao (chiếm trên 90%), độ ẩm lớn, dễ bị hư hỏng bởi vi sinh vật và enzyme trong điều kiện thường, đồng thời gây tốn kém chi phí vận chuyển và lưu trữ. Việc cô đặc dung dịch nước cà chua nhằm nâng cao hàm lượng chất khô là công đoạn then chốt trong chuỗi công nghệ chế biến các sản phẩm như puree cà chua, tương cà (ketchup) và paste cà chua đóng hộp.

Đề tài "Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch nước cà chua" được thực hiện với các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Xác định các thông số công nghệ ban đầu và tính toán cân bằng vật chất cho toàn hệ thống nhằm tách ẩm từ nồng độ đầu 9% lên nồng độ sản phẩm 30% với năng suất nhập liệu 2.000 kg/h.
  2. Thiết lập cân bằng năng lượng, tính toán phân bố áp suất, nhiệt độ, các tổn thất nhiệt độ và xác định lượng hơi đốt sơ cấp cần cung cấp.
  3. Tính toán quá trình truyền nhiệt, xác định hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt cho từng nồi cô đặc.
  4. Xác định kích thước hình học chi tiết của thiết bị chính (buồng đốt, buồng bốc, ống tuần hoàn trung tâm, ống truyền nhiệt) và các đường ống dẫn môi chất.
  5. Tính toán thiết kế thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ Baromet) phục vụ việc duy trì độ chân không và ngưng tụ hơi thứ.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị cô đặc liên tục hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm. Phạm vi tính toán công nghệ dựa trên điều kiện vận hành kỹ thuật nhiệt tại Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học & Thực phẩm, Trường Đại học Cần Thơ (thực hiện tháng 5/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Khung lý thuyết và nguyên lý cô đặc nhiều nồi

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất tan không bay hơi trong dung dịch bằng cách đun sôi để tách một phần dung môi ở dạng hơi. Quá trình cô đặc nhiều nồi xuôi chiều vận hành dựa trên nguyên tắc: dung dịch và hơi đốt đi cùng chiều từ nồi trước đến nồi sau; áp suất và nhiệt độ sôi của các nồi giảm dần theo chiều chuyển động của dòng dung dịch ($P_1 > P_2 > P_{ngt}$; $T_1 > T_2 > T_{ngt}$).

Nhờ sự chênh lệch áp suất chân không giữa các nồi, dung dịch tự động chảy từ nồi 1 sang nồi 2 mà không cần bơm trung gian. Hơi thứ sinh ra từ buồng bốc của nồi 1 được tận dụng triệt để làm hơi đốt cho buồng đốt của nồi 2, giúp tiết kiệm đáng kể lượng hơi đốt sơ cấp so với cô đặc đơn nồi.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Đồ án áp dụng phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật nhiệt - thiết bị hóa chất và thực phẩm theo quy chuẩn ngành, kết hợp giải tích và lặp đúng dần:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định lượng hơi thứ bốc lên và lượng sản phẩm dựa trên định luật bảo toàn khối lượng toàn phần và khối lượng cấu tử chất khô.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Sử dụng hệ phương trình cân bằng entanpi và nhiệt dung riêng của dung dịch thực phẩm (tính theo nồng độ chất khô và nhiệt độ sôi) để xác định tiêu hao hơi đốt.
  • Phương pháp tính toán thủy nhiệt: Tính toán chi tiết các tổn thất nhiệt độ (tổn thất do nồng độ $\Delta'$, tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\Delta''$, tổn thất trở lực đường ống $\Delta'''$), hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1$, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2$ và hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$.
  • Nguồn dữ liệu và tài liệu quy chuẩn: Các công thức, hệ số thực nghiệm và đồ thị tra cứu được trích xuất từ các tài liệu chuẩn:
    • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2 - NXB Khoa học và Kỹ thuật).
    • Sổ tay Thiết kế Thiết bị Hóa chất và Chế biến Thực phẩm Đa dụng (Phan Văn Thơm).
    • Các Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt (Phạm Xuân Toản).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Cấu tạo và nguyên lý thiết bị chính

Thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm thuộc nhóm thiết bị truyền nhiệt có buồng đốt trong đồng trục. Cấu tạo chính gồm:

  • Buồng đốt: Dạng ống chùm thẳng đứng đặt trong thân hình trụ. Ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn ($D_{th} = 300\text{ mm}$) đặt ở giữa lưới đỡ ống; các ống truyền nhiệt nhỏ ($d_{ng} \times d_{tr} = 48,26 \times 40,894\text{ mm}$) được bố trí xung quanh theo dạng lục giác đều. Dung dịch sôi bên trong ống truyền nhiệt tạo thành hỗn hợp lỏng - hơi có khối lượng riêng nhỏ chuyển động hướng lên trên; dung dịch ở ống tuần hoàn trung tâm nguội hơn, khối lượng riêng lớn hơn sẽ chuyển động đi xuống, tạo nên chu trình đối lưu tuần hoàn tự nhiên khép kín liên tục.
  • Buồng bốc: Không gian hình trụ phía trên buồng đốt có đường kính $D_{bb} = 1.600\text{ mm}$ và chiều cao $H_{bb} = 2.600\text{ mm}$, thể tích đủ lớn để giảm vận tốc hơi thứ, ngăn ngừa hiện tượng cuốn theo các hạt lỏng cà chua sang thiết bị ngưng tụ.

Lựa chọn vật liệu chế tạo

Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm được thiết kế bằng thép không gỉ mã hiệu 0X17T có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 25,1\text{ W/(m}\cdot^\circ\text{C)}$ (ở $100^\circ\text{C}$). Thép không gỉ 0X17T đảm bảo độ bền cơ học, chống ăn mòn hóa học bởi môi trường acid hữu cơ có trong cà chua ở nhiệt độ cao, đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, không gây nhiễm tạp chất vào dịch quả cô đặc và hạn chế bám cặn bề mặt.

Nội dung chi tiết theo các phần của đồ án

Phần 1: Tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc

Nội dung chương tổng hợp các đặc tính thực vật học, phân loại các giống cà chua phổ biến (Slicing, Beefsteak, Oxheart, cà chua mận, cà chua bi, Campari...) và thành phần hóa học chính. Chương trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình bốc hơi, phân loại thiết bị cô đặc công nghiệp (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, màng mỏng) và phân tích ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm:

  • Ưu điểm: Cấu tạo gọn, dễ vệ sinh, vận hành liên tục ổn định; tận dụng hơi thứ giúp tiết kiệm năng lượng; dung dịch đậm đặc nhất ở nồi cuối chịu nhiệt độ sôi thấp nhất ($65,22^\circ\text{C}$), hạn chế sự phân hủy nhiệt của các hợp chất nhạy cảm như Lycopene và vitamin.
  • Nhược điểm: Nồng độ tăng cao ở nồi 2 làm tăng độ nhớt dung dịch, làm giảm hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt $K$.

Phần 2: Tính toán và xác định kích thước thiết bị chính

1. Cân bằng vật chất

Với lượng nguyên liệu vào $G_đ = 2.000\text{ kg/h}$ ($x_đ = 9%$), nồng độ sản phẩm yêu cầu $x_c = 30%$:

  • Lượng sản phẩm tạo thành: $$G_c = G_đ \cdot \frac{x_đ}{x_c} = 2000 \cdot \frac{0,09}{0,30} = 600\text{ kg/h}$$
  • Tổng lượng hơi thứ bốc lên từ hai nồi: $$W = G_đ - G_c = 2000 - 600 = 1400\text{ kg/h}$$
  • Phân bố lượng hơi thứ thực tế qua tính toán cân bằng nhiệt:
    • Lượng hơi thứ nồi 1: $W_1 = 681,42\text{ kg/h}$
    • Lượng hơi thứ nồi 2: $W_2 = 718,58\text{ kg/h}$
    • Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: $x_1 = 13,88%$ ($G_1 = 1.296,52\text{ kg/h}$)
    • Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2: $x_2 = 30,00%$ ($G_2 = 600\text{ kg/h}$)

2. Cân bằng năng lượng và xác định nhiệt độ sôi

  • Thông số áp suất và nhiệt độ:
    • Hơi đốt nồi 1 (hơi nước bão hòa): $P_{hđ1} = 1,232\text{ at}$, $T_{hđ1} = 105^\circ\text{C}$.
    • Thiết bị ngưng tụ: $P_{ngt} = 0,1605\text{ at}$, $T_{ngt} = 55^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số áp suất toàn hệ thống: $\Delta P = 1,071\text{ at}$. Phân bố $\Delta P_1 = 0,6748\text{ at}$, $\Delta P_2 = 0,3962\text{ at}$.
    • Hơi đốt nồi 2: $P_{hđ2} = 0,5572\text{ at}$, $T_{hđ2} = 83,47^\circ\text{C}$.
    • Hơi thứ nồi 1: $P_{01} = 0,5359\text{ at}$, $T_{m1} = 82,47^\circ\text{C}$ (áp suất làm việc trên mặt thoáng $0,5786\text{ at}$, $T = 84,47^\circ\text{C}$).
    • Hơi thứ nồi 2: $P_{02} = 0,1690\text{ at}$, $T_{m2} = 56,00^\circ\text{C}$.
Thông số tổn thất nhiệt độ Ký hiệu Nồi 1 Nồi 2 Toàn hệ thống ($\Sigma$)
Tổn thất do nồng độ tăng cao $\Delta'$ $0,2178^\circ\text{C}$ $0,4765^\circ\text{C}$ $0,6943^\circ\text{C}$
Tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\Delta''$ $3,1700^\circ\text{C}$ $8,7400^\circ\text{C}$ $11,9200^\circ\text{C}$
Tổn thất do trở lực đường ống $\Delta'''$ $1,0000^\circ\text{C}$ $1,0000^\circ\text{C}$ $2,0000^\circ\text{C}$
Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma\Delta_i$ $4,3914^\circ\text{C}$ $10,2211^\circ\text{C}$ $14,6125^\circ\text{C}$
  • Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch:
    • Nồi 1: $T_{s1} = 84,47 + 0,2178 + 3,17 = 87,86^\circ\text{C}$
    • Nồi 2: $T_{s2} = 56,00 + 0,4765 + 8,74 = 65,22^\circ\text{C}$
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực tế:
    • Nồi 1: $\Delta t_{hi1} = 105 - 87,86 = 17,14^\circ\text{C}$ (tính toán hiệu chỉnh: $17,430^\circ\text{C}$)
    • Nồi 2: $\Delta t_{hi2} = 83,47 - 65,22 = 18,25^\circ\text{C}$ (tính toán hiệu chỉnh: $17,957^\circ\text{C}$)
    • Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Sigma\Delta t_{hi} = 35,39^\circ\text{C}$.
  • Tiêu hao hơi đốt:
    • Lượng hơi đốt sơ cấp cần thiết cho Nồi 1: $D = 692,46\text{ kg/h}$.

3. Tính toán bề mặt truyền nhiệt và kích thước cơ khí

  • Nhiệt tải trao đổi: $Q_1 = 432.401\text{ W}$, $Q_2 = 435.537\text{ W}$.
  • Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
    • Nồi 1: $K_1 = 975,38\text{ W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$
    • Nồi 2: $K_2 = 953,63\text{ W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_1 = F_2 = 25,434\text{ m}^2$. Tính thêm 10% diện tích dự trữ mở rộng: $$F = 27,977\text{ m}^2$$
  • Số ống truyền nhiệt: Sử dụng ống thép không gỉ dài $l = 1,8\text{ m}$, đường kính trong $d_{tr} = 40,894\text{ mm}$, bề dày $3,048\text{ mm}$. Tổng số ống trên mặt sàng là 127 ống; trừ 7 ống danh nghĩa tại vị trí ống tuần hoàn trung tâm ($D_{th} = 300\text{ mm}$), số ống truyền nhiệt lắp đặt thực tế là 120 ống.
  • Kích thước buồng đốt: Đường kính trong $D_{tđ} = 1.200\text{ mm}$, chiều cao $1.800\text{ mm}$.
  • Kích thước buồng bốc: Đường kính trong $D_{bb} = 1.600\text{ mm}$, tổng chiều cao buồng bốc $H_{bb} = 2.600\text{ mm}$.

4. Kích thước các đường ống công nghệ

Đường kính trong của các ống dẫn môi chất được xác định dựa trên lưu lượng thể tích và vận tốc chuẩn:

  • Ống nhập liệu: $d = 37\text{ mm}$ (Quy chuẩn ống danh nghĩa: $\phi 38 \times 3\text{ mm}$).
  • Ống tháo sản phẩm Nồi 1: $d = 29,8\text{ mm}$; Nồi 2: $d = 19,5\text{ mm}$ (Quy chuẩn: $\phi 25 \times 2,5\text{ mm}$).
  • Ống dẫn hơi đốt Nồi 1: $d = 99,7\text{ mm}$ (Quy chuẩn: $\phi 108 \times 4\text{ mm}$).
  • Ống dẫn hơi thứ Nồi 1: $d = 144\text{ mm}$ (Quy chuẩn: $\phi 159 \times 4,5\text{ mm}$).
  • Ống dẫn hơi thứ Nồi 2 sang Baromet: $d = 279,38\text{ mm}$ (Quy chuẩn: $\phi 325 \times 12,5\text{ mm}$).
  • Ống dẫn nước ngưng: Nồi 1 ($d = 22,7\text{ mm}$), Nồi 2 ($d = 22,3\text{ mm}$).

Phần 3: Tính toán thiết bị phụ trợ (Thiết bị ngưng tụ Baromet)

Thiết bị ngưng tụ Baromet loại trực tiếp ngược chiều có nhiệm vụ ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2 ($W_2 = 718,58\text{ kg/h} = 0,1996\text{ kg/s}$) ở áp suất chân không $P_{ngt} = 0,1605\text{ at}$ ($T_{ngt} = 55^\circ\text{C}$):

  • Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị: Với nhiệt độ nước vào $t_{2đ} = 31^\circ\text{C}$, nước ra $t_{2c} = 41^\circ\text{C}$, nhiệt dung riêng trung bình $C_n = 4.178\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$, hàm nhiệt hơi ngưng $i = 2.617.889\text{ J/kg}$: $$G_n = \frac{W_2(i - C_n t_{2c})}{C_n(t_{2c} - t_{2đ})} = \frac{0,1996 \cdot (2617889 - 4178 \cdot 41)}{4178 \cdot (41 - 31)} = 11,689\text{ kg/s}$$
  • Đường kính thiết bị ngưng tụ: Tính toán $D_{ba} = 0,316\text{ m}$, quy chuẩn chọn đường kính trong $D_{tr} = 500\text{ mm}$ ($0,5\text{ m}$).
  • Cấu tạo tấm ngăn: Tấm ngăn hình viên phân đục các lỗ tròn đường kính $d = 5\text{ mm}$, chiều cao gờ tràn $h_g = 40\text{ mm}$, vận tốc tia nước qua lỗ $\omega_c = 0,62\text{ m/s}$.

Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật tổng hợp

Bảng tổng kết các thông số kỹ thuật và kích thước cơ bản của hệ thống cô đặc hai nồi:

Hạng mục thông số Đơn vị Nồi 1 Nồi 2
Năng suất dung dịch vào kg/h 2.000 1.296,52
Năng suất dung dịch ra kg/h 1.296,52 600,00
Nồng độ chất khô vào / ra % 9,00 / 13,88 13,88 / 30,00
Lượng hơi thứ bốc lên ($W$) kg/h 681,42 718,58
Lượng hơi đốt tiêu thụ ($D$) kg/h 692,46 681,42
Nhiệt độ hơi đốt $^\circ\text{C}$ 105,00 83,47
Áp suất hơi đốt at 1,232 0,5572
Nhiệt độ sôi dung dịch ($T_s$) $^\circ\text{C}$ 87,86 65,22
Hiệu số nhiệt hữu ích ($\Delta t_{hi}$) $^\circ\text{C}$ 17,43 17,96
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ($\alpha_1$) $\text{W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$ 16.838,86 17.217,10
Hệ số cấp nhiệt phía sôi ($\alpha_2$) $\text{W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$ 183,05 253,01
Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) $\text{W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$ 975,38 953,63
Nhiệt lượng trao đổi ($Q$) W 432.401 435.537
Bề mặt truyền nhiệt thiết kế ($F$) $\text{m}^2$ 27,977 27,977
Số ống truyền nhiệt ống 120 120
Đường kính / Chiều cao buồng đốt mm 1.200 / 1.800 1.200 / 1.800
Đường kính / Chiều cao buồng bốc mm 1.600 / 2.600 1.600 / 2.600
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm mm 300 300

Về mặt hiệu quả sử dụng năng lượng, tỷ lệ tiêu hao hơi riêng của hệ thống là: $$\frac{D}{W} = \frac{692,46}{1400} = 0,495\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$$ Chỉ số này chứng minh hệ thống hai nồi xuôi chiều tiết kiệm hơn 50% lượng hơi nước bão hòa so với hệ thống cô đặc một nồi thông thường (vốn tiêu tốn khoảng $1,002\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$).

Hạn chế và phạm vi áp dụng

Phạm vi áp dụng

Hệ thống thiết kế phù hợp cho các quy trình chế biến nước quả ép, puree cà chua, dịch chiết thảo dược hoặc các dung dịch thực phẩm nhạy cảm nhiệt có nồng độ chất khô ban đầu dưới 10% và yêu cầu nồng độ sau cô đặc đạt mức trung bình (khoảng 30-35%).

Hạn chế kỹ thuật trong tính toán

  • Các tính toán nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của dịch cà chua được quy đổi tương đương theo dung dịch đường (sucrose), chưa phản ánh toàn diện các đặc tính lưu biến phi Newton của puree cà chua khi hàm lượng chất xơ và pectin cao.
  • Giả thiết bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh và nhiệt hòa tan của dung dịch.
  • Chưa khảo sát ảnh hưởng thực tế của tốc độ hình thành lớp cặn bẩn bám dính trên thành ống theo thời gian vận hành dài hạn.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên, kỹ sư ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học và Máy & Thiết bị Công nghiệp:

  • Cung cấp quy trình tính toán nhiệt - cơ khí tuần tự, logic từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến xác định kích thước thiết bị chính và thiết bị ngưng tụ chân không.
  • Minh họa phương pháp chuẩn hóa kích thước cơ khí từ kết quả giải tích sang các thông số tiêu chuẩn công nghiệp (đường kính ống, mặt sàng, lưới đỡ ống lục giác đều).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều lại tiết kiệm năng lượng hơn hệ thống một nồi?

Trong hệ thống một nồi, để bốc hơi $1\text{ kg}$ hơi thứ cần khoảng $1,002\text{ kg}$ hơi đốt sơ cấp. Trong hệ thống hai nồi xuôi chiều, toàn bộ lượng hơi thứ sinh ra từ nồi 1 ($681,42\text{ kg/h}$) được tận dụng làm nguồn nhiệt đốt cho nồi 2. Do đó, chỉ cần cung cấp $692,46\text{ kg/h}$ hơi đốt sơ cấp ban đầu để bốc hơi tổng cộng $1.400\text{ kg/h}$ nước trên toàn hệ thống, đạt tỷ lệ tiêu hao $0,495\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$, giúp tiết kiệm hơn phân nửa lượng năng lượng nhiệt.

2. Vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt được lựa chọn là gì và có ưu điểm gì?

Vật liệu được chọn là thép không gỉ 0X17T có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 25,1\text{ W/(m}\cdot^\circ\text{C)}$. Vật liệu này có độ bền cơ học cao, khả năng chống oxy hóa và ăn mòn hóa học tốt trong môi trường dịch quả chua ở nhiệt độ sôi, không thôi nhiễm độc chất vào thực phẩm, dễ tẩy rửa vệ sinh và hạn chế bám dính cáu cặn.

3. Quy cách bố trí và số lượng ống truyền nhiệt trong mỗi nồi được tính toán ra sao?

Mỗi nồi sử dụng ống truyền nhiệt kích thước $\phi 48,26 \times 3,048\text{ mm}$ dài $1,8\text{ m}$. Các ống được bố trí theo hình lục giác đều trên mặt sàng. Tổng số ống quy chuẩn trên lưới là 127 ống; sau khi trừ đi 7 ống danh nghĩa tại vị trí đặt ống tuần hoàn trung tâm ($\phi 300\text{ mm}$), số ống truyền nhiệt thực tế lắp đặt là 120 ống, đảm bảo tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt đạt $27,977\text{ m}^2$ (đã bao gồm 10% diện tích dự trữ).

4. Tổng tổn thất nhiệt của hệ thống là bao nhiêu và gồm những yếu tố nào?

Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\Sigma\Delta = 14,6125^\circ\text{C}$, bao gồm:

  • Tổn thất do nồng độ tăng cao ($\Delta'$): $0,6943^\circ\text{C}$ (Nồi 1: $0,2178^\circ\text{C}$, Nồi 2: $0,4765^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng ($\Delta''$): $11,92^\circ\text{C}$ (Nồi 1: $3,17^\circ\text{C}$, Nồi 2: $8,74^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất do trở lực ma sát thủy lực trên đường ống dẫn hơi ($\Delta'''$): $2^\circ\text{C}$ ($1^\circ\text{C}$ cho mỗi nồi).

5. Thiết bị ngưng tụ Baromet tiêu thụ bao nhiêu lượng nước làm nguội và kích thước thế nào?

Thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp ngược chiều cần lượng nước tưới là $G_n = 11,689\text{ kg/s}$ (với nước vào $31^\circ\text{C}$, nước ra $41^\circ\text{C}$) để ngưng tụ $718,58\text{ kg/h}$ hơi thứ từ nồi 2 ở áp suất $0,1605\text{ at}$. Thiết bị có đường kính trong quy chuẩn $D_{tr} = 500\text{ mm}$, sử dụng các tấm ngăn hình viên phân đục lỗ $\phi 5\text{ mm}$ với chiều cao gờ tràn $40\text{ mm}$.

Kết luận

Bản đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm phục vụ cô đặc nước cà chua từ 9% lên 30% với năng suất 2.000 kg/h. Các kết quả tính toán nhiệt và cơ khí chỉ ra hệ số truyền nhiệt đạt $975,38\text{ W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$ (Nồi 1) và $953,63\text{ W/(m}^2\cdot^\circ\text{C)}$ (Nồi 2), tương ứng diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết kế là $27,977\text{ m}^2$ mỗi nồi với 120 ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ 0X17T. Hệ thống đảm bảo tính khả thi về mặt kỹ thuật, tối ưu hóa năng lượng với mức tiêu hao 0,495 kg hơi đốt/kg hơi thứ và bảo toàn chất lượng sản phẩm nhờ duy trì nhiệt độ sôi thấp ở nồi chân không cuối.