Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Dưa hấu (Citrullus lanatus) là loại cây trồng nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt tập trung ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và duyên hải miền Trung. Quả dưa hấu có giá trị dinh dưỡng cao với hàm lượng nước chiếm khoảng 91,35%, chứa nhiều hợp chất sinh học có lợi như lycopene, citrulline, các loại vitamin (A, C, nhóm B) và khoáng chất (K, Mg, Ca, P, Zn). Tuy nhiên, do hàm lượng ẩm cao và thời gian bảo quản tự nhiên ngắn, việc chế biến sâu nhằm nâng cao giá trị gia tăng và kéo dài thời gian bảo quản cho nguyên liệu dưa hấu là yêu cầu cấp thiết trong công nghiệp thực phẩm.

Quá trình cô đặc là phương pháp quan trọng để tách bớt dung môi nước ra khỏi dịch quả, làm tăng nồng độ chất khô hòa tan từ nồng độ loãng ban đầu đến nồng độ yêu cầu. Đồ án kỹ thuật thực phẩm này tập trung giải quyết bài toán tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc chuyên dụng cho dung dịch nước ép dưa hấu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Tìm hiểu đặc tính nguyên liệu dưa hấu, tính chất vật lý - hóa học của sản phẩm và các biến đổi nhiệt động học trong quá trình cô đặc.
  2. Lựa chọn phương pháp cô đặc và mô hình thiết bị phù hợp với đặc thù dịch quả dưa hấu nhằm hạn chế tổn thất chất lượng do nhiệt.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn hệ thống với năng suất sản phẩm đầu ra đạt 240 L/h, nâng nồng độ chất khô từ 5% lên 68%.
  4. Tính toán truyền nhiệt, xác định kích thước hình học chính xác của buồng đốt, buồng bốc, nắp, đáy và các đường ống dẫn lưu chất.
  5. Tính toán cơ khí kiểm tra độ bền, bề dày chi tiết thân, đáy, nắp, mặt bích, vỉ ống, tai treo - chân đỡ và lựa chọn thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu khô, bơm chân không, bơm ly tâm).

Đối tượng nghiên cứu là dịch nước ép dưa hấu nguyên chất. Phạm vi thực hiện đề tài giới hạn trong tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống cô đặc một nồi làm việc liên tục ở điều kiện chân không, hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật Thực phẩm, Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

  • Nguyên lý cô đặc chân không: Dựa trên hiện tượng hạ nhiệt độ sôi của dung dịch khi giảm áp suất làm việc, giúp quá trình bốc hơi dung môi diễn ra ở nhiệt độ thấp ($74,7^\circ\text{C}$ thay vì trên $100^\circ\text{C}$ ở áp suất thường), tránh làm phân hủy các hợp chất mẫn cảm với nhiệt như vitamin và sắc tố lycopene.
  • Mô hình tính toán nhiệt vật lý của thực phẩm Choi và Okos (1986): Xác định khối lượng riêng của dung dịch dưa hấu theo nhiệt độ dựa trên tỷ lệ phần trăm các thành phần chính (nước, carbohydrate, protein, chất xơ, chất béo):
    • $\rho_{\text{Nước}} = 997,18 + 3,1439 \times 10^{-3}T - 3,7574 \times 10^{-3}T^2$
    • $\rho_{\text{Carbs}} = 1599,1 - 0,31046T$
    • $\rho_{\text{Protein}} = 1330 - 0,5184T$
    • $\rho_{\text{Chất xơ}} = 2423,8 - 0,28063T$
    • $\rho_{\text{Chất béo}} = 925,59 - 0,41757T$
  • Công thức Tisenco và các phương trình tổn thất nhiệt độ: Tính toán tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ chất tan ($\Delta'$), tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$) và tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi thứ ($\Delta'''$).
  • Lý thuyết truyền nhiệt đối lưu và ngưng tụ: Áp dụng phương trình cấp nhiệt khi ngưng tụ màng của hơi bão hòa ngoài ống đứng và phương trình cấp nhiệt khi sôi đối lưu tự nhiên trong ống truyền nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán kỹ thuật dựa trên các tiêu chuẩn và công thức kinh nghiệm trong giáo trình và sổ tay "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất và Thực phẩm" (Tập 1, Tập 2, Tập 5).
  • Phương pháp nội suy toán học dữ liệu bảng tra nhiệt động học của nước, hơi nước bão hòa và dung dịch đường/nước quả.
  • Nguồn dữ liệu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (tập 1, 2); Giáo trình Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt (tập 5); Dữ liệu thực nghiệm thành phần hóa học quả dưa hấu.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình thiết bị cô đặc một nồi buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm, vận hành liên tục ở điều kiện áp suất chân không. Vật liệu chế tạo toàn bộ thiết bị tiếp xúc với dịch quả là thép không gỉ SUS ($\lambda = 17,5\text{ W/m}^\circ\text{C}$) nhằm chống ăn mòn hóa học và đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.

Dây chuyền công nghệ sản xuất

Quy trình công nghệ tổng thể gồm các công đoạn kế tiếp:

  1. Dưa hấu nguyên liệu $\rightarrow$ Phân loại $\rightarrow$ Rửa sạch $\rightarrow$ Xử lý vỏ/dập nát $\rightarrow$ Ép lấy dịch $\rightarrow$ Lọc thô tách bã $\rightarrow$ Ly tâm $\rightarrow$ Gia nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ sôi.
  2. Dịch nước ép đưa vào thiết bị cô đặc buồng đốt trong làm việc liên tục.
  3. Dung dịch sau cô đặc đạt nồng độ $68%$ được tháo ra, phối trộn phụ gia $\rightarrow$ Rót chai $\rightarrow$ Ghép nắp $\rightarrow$ Thanh trùng $\rightarrow$ Bảo quản thành phẩm.

Bảng thông số kỹ thuật tổng hợp của hệ thống

Bộ phận / Đại lượng Thông số thiết kế Đơn vị Ghi chú
Năng suất sản phẩm ($G_c$) 240 (tương đương 242,15) L/h (kg/h) Nồng độ cuối $x_c = 68%$
Suất lượng nhập liệu ($G_đ$) 3293,24 kg/h Nồng độ đầu $x_đ = 5%$
Lượng hơi thứ bốc lên ($W$) 3051,10 kg/h Tách ra trong buồng bốc
Áp suất hơi đốt ($P_D$) 3,0 at Hơi nước bão hòa ($t_D = 132,9^\circ\text{C}$)
Độ chân không thiết bị ngưng tụ ($P_{ck}$) 0,75 at Áp suất tuyệt đối $P_{nt} = 0,25\text{ at}$
Nhiệt độ sôi cuối dung dịch ($t_c$) 74,7 $^\circ\text{C}$ Nhiệt độ làm việc trong nồi
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta t_{hi}$) 61,2 $^\circ\text{C}$ Chênh lệch nhiệt hữu ích
Diện tích truyền nhiệt tính toán ($F$) 16,0 $\text{m}^2$ Bề mặt ống truyền nhiệt
Ống truyền nhiệt 140 ống $\Phi 25/27$ ống Chiều dài ống $l = 1,5\text{ m}$
Ống tuần hoàn trung tâm $\Phi 159$ mm Đặt đồng trục trong buồng đốt
Đường kính trong buồng đốt ($D_đ$) 600 mm Chiều cao buồng đốt $H_đ = 1,5\text{ m}$
Đường kính trong buồng bốc ($D_b$) 1200 mm Chiều cao buồng bốc $H_b = 8,0\text{ m}$
Đáy buồng đốt Đáy nón $H_{nón} = 544$ mm Thể tích đáy $V_đ = 71\text{ L}$
Nắp buồng bốc Nắp elip $H_{nắp} = 1087$ mm Thể tích nắp $V = 520\text{ L}$
Thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu khô - Ngưng tụ trực tiếp bằng nước lạnh

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu và thiết bị cô đặc

Chương này tổng hợp cơ sở dữ liệu về nguyên liệu dưa hấu (Citrullus lanatus), phân tích giá trị dinh dưỡng gồm $91,35%$ nước, $7,5%$ carbohydrate (glucose, fructose, sucrose), $0,6%$ protein, $0,4%$ chất xơ, $0,15%$ lipid cùng hệ vi chất vitamin và khoáng chất phong phú. Tác giả phân tích các biến đổi vật lý - hóa học xảy ra trong quá trình cô đặc: khi nồng độ chất tan tăng, khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt độ sôi tăng lên trong khi nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt giảm xuống.

Chương 1 tiến hành so sánh các chủng loại thiết bị cô đặc:

  • Thiết bị tuần hoàn tự nhiên (buồng đốt trong, buồng đốt ngoài).
  • Thiết bị tuần hoàn cưỡng bức.
  • Thiết bị cô đặc màng (màng chảy xuôi, màng chảy ngược).

Kết luận lựa chọn thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục ở áp suất chân không vì kết cấu gọn, dễ vệ sinh cơ học, hiệu suất truyền nhiệt ổn định đối với dịch quả có độ nhớt ban đầu thấp và trung bình.

Chương 2: Sơ đồ quy trình công nghệ và mô tả nguyên lý hoạt động

Chương 2 trình bày sơ đồ công nghệ hoàn chỉnh từ nguyên liệu quả tươi đến sản phẩm nước ép dưa hấu cô đặc đóng chai. Nguyên lý vận hành của hệ thống được thuyết minh chi tiết:

  • Dịch dưa hấu $5%$ sau khi qua các công đoạn chuẩn bị được bơm lên bồn cao vị, đi qua lưu lượng kế và thiết bị gia nhiệt ống chùm (sử dụng hơi nước bão hòa $3\text{ at}$, nhiệt độ $132,9^\circ\text{C}$) để nâng nhiệt độ lên nhiệt độ sôi.
  • Dịch quả đi vào buồng đốt của nồi cô đặc. Tại đây, dòng hơi bão hòa cấp nhiệt ngoài ống truyền nhiệt làm sôi dung dịch bên trong ống.
  • Hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng nhỏ chuyển động dâng lên miệng ống truyền nhiệt vào buồng bốc, trong khi dung dịch tại ống tuần hoàn trung tâm có nhiệt độ thấp hơn và ít bọt khí hơn sẽ chảy ngược xuống đáy, tạo nên chu trình đối lưu tuần hoàn tự nhiên khép kín liên tục.
  • Dòng hơi thứ bốc lên đỉnh buồng bốc qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu khô tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh tưới từ trên xuống. Nước ngưng tự chảy qua ống Baromet ra bồn chứa ngoài khí quyển, còn khí không ngưng được bình tách lỏng giữ lại giọt lỏng trước khi bơm chân không hút xả ra ngoài.

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình

Chương 3 triển khai toàn bộ các phương trình cân bằng công nghệ:

  • Cân bằng vật chất:
    • Năng suất sản phẩm: $G_c = 240\text{ L/h} \times 1008,97\text{ kg/m}^3 \times 10^{-3} = 242,15\text{ kg/h}$ (với khối lượng riêng sản phẩm $68%$ đạt $1337,08\text{ kg/m}^3$).
    • Suất lượng nhập liệu theo bảo toàn chất khô: $G_đ = 242,15 \times \frac{68}{5} = 3293,24\text{ kg/h}$.
    • Lượng hơi thứ bốc lên: $W = 3293,24 - 242,15 = 3051,10\text{ kg/h}$.
  • Tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1,0^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất do nồng độ theo công thức Tisenco: $\Delta' = 3,5^\circ\text{C}$ (tại $x_c = 68%$).
    • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng: $\Delta'' = 3,0^\circ\text{C}$ (tính theo nồng độ trung bình $x_{tb} = 36,5%$).
    • Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 3,5 + 3,0 + 1,0 = 7,5^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt độ và áp suất làm việc:
    • Áp suất chân không $P_{ck} = 0,75\text{ at} \Rightarrow P_{nt} = 0,25\text{ at} \Rightarrow t_{nt} = 64,2^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ hơi thứ buồng bốc: $t_{ht} = 64,2 + 1,0 = 65,2^\circ\text{C}$ ($P_{ht} = 0,2575\text{ at}$).
    • Nhiệt độ sôi cuối của dung dịch: $t_c = 64,2 + 3,5 + 2(3,0) + 1,0 = 74,7^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = 132,9 - 64,2 - 7,5 = 61,2^\circ\text{C}$.
  • Cân bằng nhiệt lượng:
    • Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc: $Q_D = 181.579.009,7\text{ J/h}$ ($50.438,6\text{ W}$).
    • Tiêu hao hơi đốt bão hòa ($3\text{ at}$): $D = 83,64\text{ kg/h}$.
    • Suất tiêu hao hơi đốt riêng: $m = \frac{83,64}{3051,10} = 0,027\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.

Chương 4: Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

Chương này xác định hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

  • Nhiệt tải riêng phía hơi đốt ngưng tụ màng ngoài ống đứng: $q_1 = 51.755,44\text{ W/m}^2$ (với nhiệt độ vách $t_{v1} = 126,3^\circ\text{C}$).
  • Nhiệt tải riêng phía dung dịch dưa hấu sôi bên trong ống: $q_2 = 51.272,59\text{ W/m}^2$.
  • Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách thép không gỉ dày $3,5\text{ mm}$ ($\lambda = 17,5\text{ W/m}^\circ\text{C}$) và lớp cặn bẩn hai phía đạt tổng $\sum r = 0,932 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2\text{K/W}$.
  • Sai số nhiệt tải: $\frac{|q_1 - q_2|}{q_2} = 0,942% < 5%$ (thỏa mãn điều kiện hội tụ truyền nhiệt ổn định).
  • Nhiệt tải riêng trung bình: $q_{tb} = 51.514,02\text{ W/m}^2$.
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F = 16,0\text{ m}^2$.

Chương 5: Tính kích thước thiết bị cô đặc

  • Buồng đốt:
    • Ống truyền nhiệt kích thước $\Phi 25/27\text{ mm}$, chiều dài $l = 1,5\text{ m}$, bước ống $s = 37,8\text{ mm}$ sắp xếp theo hình lục giác đều.
    • Số ống tính toán: 140 ống. Ống tuần hoàn trung tâm đường kính $d_{th} = 159\text{ mm}$.
    • Đường kính trong buồng đốt: $D_đ = 600\text{ mm}$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế đạt $17,24\text{ m}^2 > 10,37\text{ m}^2$ (đạt hệ số dự phòng an toàn).
    • Đáy nón buồng đốt: đường kính $600\text{ mm}$, chiều cao $H_{nón} = 544\text{ mm}$, gờ $h = 40\text{ mm}$, thể tích chứa $V_đ = 71\text{ L}$.
  • Buồng bốc:
    • Vận tốc lắng của giọt lỏng đường kính $d = 0,3\text{ mm}$ trong dòng hơi thứ đạt chuẩn.
    • Đường kính trong buồng bốc: $D_b = 1,2\text{ m}$ ($1200\text{ mm}$).
    • Cường độ bốc hơi cho phép và thể tích không gian hơi: $V_{KGH} = 9,03\text{ m}^3 \Rightarrow$ Chiều cao buồng bốc: $H_b = 8,0\text{ m}$.
    • Nắp elip có gờ: đường kính $1200\text{ mm}$, chiều cao $H_{nắp} = 1087\text{ mm}$, diện tích bề mặt $2,57\text{ m}^2$, thể tích $520\text{ L}$.
  • Kích thước các ống dẫn:
    • Ống nhập liệu: $G_đ = 0,915\text{ kg/s}$, vận tốc chọn $v = 2\text{ m/s}$, $\rho = 1019,65\text{ kg/m}^3$.
    • Ống tháo liệu: $G_c = 0,067\text{ kg/s}$, vận tốc chọn $v = 0,75\text{ m/s}$, $\rho = 1337,08\text{ kg/m}^3$.
    • Ống dẫn hơi đốt: $D = 0,023\text{ kg/s}$, vận tốc $v = 30\text{ m/s}$, áp suất $3\text{ at}$, $\rho = 1,618\text{ kg/m}^3$.
    • Ống dẫn hơi thứ: $W = 0,85\text{ kg/s}$, vận tốc $v = 50\text{ m/s}$, áp suất $0,2575\text{ at}$, $\rho = 0,1624\text{ kg/m}^3$.
    • Ống dẫn nước ngưng: $G = 0,023\text{ kg/s}$, vận tốc $v = 2\text{ m/s}$, $\rho = 932,3\text{ kg/m}^3$.

Chương 6: Tính cơ khí cho các chi tiết thiết bị

Chương này thực hiện tính toán cơ học kết cấu:

  • Xác định chiều dày và kiểm tra bền cho thân buồng đốt, thân buồng bốc chịu áp suất chân không và áp suất làm việc trong.
  • Tính toán bền lỗ khoét trên vỏ thiết bị, vỉ ống cố định chùm ống truyền nhiệt.
  • Tính toán và tra kích thước tiêu chuẩn mặt bích ghép nối (bích buồng bốc - buồng đốt, bích buồng đốt - đáy nón, bích buồng bốc - nắp elip).
  • Tính chọn kết cấu tai treo, chân đỡ chịu tải trọng toàn bộ thiết bị, dung dịch và nước thử thủy lực.
  • Tính tổng thể tích và khối lượng kim loại chế tạo thiết bị.

Chương 7: Tính toán thiết bị phụ

  • Thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu khô: Tính lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị để ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi thứ $3051,10\text{ kg/h}$; tính toán lượng không khí và khí không ngưng cần hút; xác định đường kính thân thiết bị ngưng tụ và chiều cao ống Baromet tự chảy.
  • Tính chọn bơm: Xác định thông số lưu lượng, cột áp để chọn bơm ly tâm cấp liệu, bơm tháo sản phẩm đậm đặc và chọn bơm chân không tạo áp suất chân không $0,75\text{ at}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập đầy đủ bộ thông số công nghệ và nhiệt động học cho hệ thống cô đặc nước ép dưa hấu từ $5%$ lên $68%$ chất khô với năng suất $240\text{ L/h}$ ($242,15\text{ kg/h}$).
  • Tính toán định lượng chính xác lượng hơi thứ bốc lên ($3051,10\text{ kg/h}$), lượng nguyên liệu nhập ($3293,24\text{ kg/h}$), nhiệt lượng tiêu thụ ($181.579.009,7\text{ J/h}$) và lượng hơi đốt bão hòa ($83,64\text{ kg/h}$).
  • Xác lập bản thiết kế kích thước hình học chi tiết của buồng đốt ($\Phi 600\text{ mm} \times 1500\text{ mm}$, 140 ống $\Phi 25/27\text{ mm}$, ống tuần hoàn $\Phi 159\text{ mm}$) và buồng bốc ($\Phi 1200\text{ mm} \times 8000\text{ mm}$).
  • Đảm bảo kiểm tra truyền nhiệt đạt sai số nhiệt tải rất nhỏ ($0,942%$), diện tích truyền nhiệt thiết kế thực tế $17,24\text{ m}^2$ đáp ứng tốt diện tích yêu cầu $16,0\text{ m}^2$.

Đóng góp thực tiễn

  • Đồ án cung cấp một tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, có tính hệ thống cao từ khâu tính toán nhiệt động học, truyền nhiệt, thủy lực đến thiết kế kết cấu cơ khí cho một hệ thống cô đặc chân không dịch quả nhiệt đới.
  • Ứng dụng thành công mô hình dự đoán tính chất nhiệt vật lý thực phẩm Choi & Okos (1986) kết hợp với các công thức kinh nghiệm trong Sổ tay Quá trình và Thiết bị để giải quyết bài toán thiết kế thiết bị thực phẩm cụ thể.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đồ án mới dừng lại ở phạm vi tính toán lý thuyết và thiết kế kỹ thuật trên bản vẽ, chưa có điều kiện kiểm chứng thực nghiệm sự biến đổi thực tế của hàm lượng lycopene và vitamin C trong dịch quả dưa hấu ở nhiệt độ sôi $74,7^\circ\text{C}$.
  • Hệ thống cô đặc 1 nồi có suất tiêu hao nhiệt trên một đơn vị sản phẩm cao hơn so với hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 nồi hoặc 3 nồi).
  • Mức độ tự động hóa và hệ thống cảm biến đo lường điều khiển (PLC/SCADA) cho các van điều tiết lưu lượng và mức chất lỏng chưa được thiết kế chi tiết.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Tính toán thiết kế mở rộng sang hệ thống cô đặc chân không nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi) hoặc tích hợp hệ thống tái nén hơi nhiệt (MVR/TVR) nhằm tiết kiệm hơi đốt trong sản xuất quy mô công nghiệp lớn.
  • Khảo sát thực nghiệm tối ưu hóa chế độ nhiệt độ - áp suất chân không để tối đa hóa tỷ lệ thu hồi hoạt chất chống oxy hóa (lycopene) trong nước ép dưa hấu sau cô đặc.
  • Bổ sung thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa kiểm soát nồng độ Brix trực tuyến và ổn định mức dung dịch trong buồng đốt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt và Kỹ thuật Cơ khí Máy thực phẩm: Dùng làm mẫu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận, quy trình tính toán từng bước của đồ án môn học Quá trình và Thiết bị / Kỹ thuật Thực phẩm.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy chế biến rau quả, nước giải khát: Tham khảo quy trình tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính truyền nhiệt và kích thước thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp tính toán chi tiết chuỗi tổn thất nhiệt độ ($\Delta', \Delta'', \Delta'''$), tiến trình lặp tính nhiệt tải riêng ($q_1, q_2$) và phương pháp xác định kích thước buồng bốc dựa trên vận tốc lắng của giọt lỏng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn thiết bị cô đặc có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm?

Thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dưỡng và vệ sinh cơ học bên trong ống truyền nhiệt. Do dịch nước ép dưa hấu ban đầu có độ nhớt tương đối thấp, chênh lệch khối lượng riêng giữa hỗn hợp lỏng - hơi trong ống truyền nhiệt và dung dịch trong ống tuần hoàn đủ lớn để tạo ra chu trình đối lưu tuần hoàn tự nhiên ổn định mà không cần trang bị bơm tuần hoàn cưỡng bức tốn năng lượng.

2. Nhiệt độ sôi của dung dịch dưa hấu trong nồi cô đặc là bao nhiêu và chịu những tổn thất nào?

Nhiệt độ sôi cuối của dung dịch trong nồi là $t_c = 74,7^\circ\text{C}$. Giá trị này cao hơn nhiệt độ ngưng tụ của hơi thứ trong thiết bị Baromet ($t_{nt} = 64,2^\circ\text{C}$) do tổng các tổn thất nhiệt độ $\Delta = 7,5^\circ\text{C}$, bao gồm: tổn thất do nồng độ dung dịch chất tan ($\Delta' = 3,5^\circ\text{C}$), tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng ($\Delta'' = 3,0^\circ\text{C}$) và tổn thất trở lực đường ống hơi thứ ($\Delta''' = 1,0^\circ\text{C}$).

3. Suất tiêu hao hơi đốt và lượng hơi thứ bốc lên của hệ thống đạt giá trị bao nhiêu?

Hệ thống xử lý $3293,24\text{ kg/h}$ dịch dưa hấu nhập liệu để thu được $242,15\text{ kg/h}$ sản phẩm cô đặc ($240\text{ L/h}$), lượng hơi thứ bốc lên cần ngưng tụ là $W = 3051,10\text{ kg/h}$. Lượng hơi đốt bão hòa ($3\text{ at}$) cần cung cấp là $D = 83,64\text{ kg/h}$, tương ứng suất tiêu hao hơi đốt riêng đạt $0,027\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.

4. Kích thước hình học cơ bản của buồng đốt và buồng bốc được xác định như thế nào?

  • Buồng đốt có đường kính trong $D_đ = 600\text{ mm}$, chiều cao $H_đ = 1,5\text{ m}$, chứa 140 ống truyền nhiệt $\Phi 25/27\text{ mm}$ (dày $1\text{ mm}$) và 1 ống tuần hoàn trung tâm $\Phi 159\text{ mm}$, diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $17,24\text{ m}^2$.
  • Buồng bốc có đường kính trong $D_b = 1200\text{ mm}$ ($1,2\text{ m}$) và chiều cao $H_b = 8,0\text{ m}$ nhằm đảm bảo không gian hơi $V_{KGH} = 9,03\text{ m}^3$ đủ lớn để vận tốc dòng hơi thứ nhỏ hơn vận tốc lắng của các giọt lỏng cuốn theo.

5. Thiết bị ngưng tụ Baromet được lựa chọn trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào?

Đồ án lựa chọn thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu khô tiếp xúc trực tiếp. Nước làm mát được bơm tưới từ trên xuống, tiếp xúc trực tiếp ngược chiều với dòng hơi thứ đi từ dưới lên để ngưng tụ hơi nước. Hỗn hợp nước làm mát và nước ngưng tự động chảy xuống bồn chứa qua chân Baromet đặt ở độ cao khí quyển mà không cần bơm tháo nước ngưng, giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Kết luận

Đồ án "Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc nước ép dưa hấu, năng suất 240 L/h" đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống cô đặc chân không một nồi buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm cho dịch quả dưa hấu từ nồng độ $5%$ lên $68%$. Toàn bộ các thông số nhiệt động học, cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt và kết cấu cơ khí đều được tính toán nhất quán, logic và có cơ sở lý thuyết chuẩn xác. Kết quả của đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho công tác học tập, nghiên cứu và thiết kế thiết bị chế biến thực phẩm dạng lỏng.