Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cà chua (Lycopercium esculentum Mill) là loại rau quả có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao, chứa hàm lượng lớn các hợp chất sinh học quan trọng như vitamin C (10 – 40 mg%), carotene (1,07 mg%), đường (3 – 6%), protein (0,4%), axit hữu cơ cùng các khoáng chất như kali, magie, phospho và hợp chất chống oxy hóa lycopene. Tại Việt Nam, diện tích gieo trồng cà chua đạt hàng chục ngàn hecta, tập trung chủ yếu ở đồng bằng và trung du phía Bắc, đồng thời mở rộng sang Tây Nguyên, Nam Bộ và Đà Lạt với nhiều giống như cà chua hồng, cà chua múi và cà chua bi. Tuy nhiên, cà chua tươi có độ ẩm cao (84 – 88%), cấu trúc mềm, dễ bị dập nát và tổn thất sau thu hoạch. Việc chế biến dung dịch cà chua cô đặc là giải pháp kỹ thuật nhằm tăng nồng độ chất khô, nâng cao độ sệt đặc trưng, kéo dài thời gian bảo quản và giảm chi phí vận chuyển.

Đề tài "Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi dùng cô đặc dịch cà chua, năng suất 220 kg/mẻ" được thực hiện tại Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM bởi nhóm sinh viên Nguyễn Trần Khánh Linh và Nguyễn Việt Thành, dưới sự hướng dẫn của Thầy Phan Thế Duy (tháng 12/2022). Nhiệm vụ cốt lõi của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ chế biến và tính toán thiết kế chi tiết một hệ thống thiết bị cô đặc chân không gián đoạn có ống tuần hoàn trung tâm nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và chất lượng sản phẩm.

Các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Khảo sát tổng quan về nguồn nguyên liệu cà chua, các biến đổi hóa lý, sinh học trong quá trình chế biến và cơ sở lý thuyết của quá trình bốc hơi cô đặc dung dịch thực phẩm.
  2. Thiết lập quy trình công nghệ sản xuất cà chua cô đặc từ khâu nguyên liệu ban đầu đến khâu hoàn thiện sản phẩm đóng hộp.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống cô đặc 1 nồi làm việc gián đoạn với năng suất thành phẩm 220 kg/mẻ từ nồng độ đầu 7% đến nồng độ cuối 62%.
  4. Tính toán thiết kế nhiệt và xác định kích thước hình học chính xác của thiết bị cô đặc chính (buồng đốt, buồng bốc, ống truyền nhiệt, ống tuần hoàn trung tâm, vỉ ống, nắp, đáy, bích ghép).
  5. Tính toán bền cơ khí cho các chi tiết chịu áp lực và lựa chọn, tính toán các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền (thiết bị ngưng tụ Baromet, bồn cao vị, bơm chất lỏng, hệ thống bẫy hơi và lớp cách nhiệt).

Đối tượng nghiên cứu là dung dịch dịch quả cà chua cô đặc. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở hệ thống thiết bị cô đặc nhiệt một nồi làm việc gián đoạn dưới điều kiện áp suất chân không với nguồn cấp nhiệt là hơi nước bão hòa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Quá trình bốc hơi cô đặc là phương pháp nhiệt nhằm làm tăng nồng độ chất tan không bay hơi bằng cách bốc hơi dung môi (nước) khi đun sôi dung dịch. Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị gồm ba giai đoạn liên tiếp:

  • Giai đoạn 1: Cấp nhiệt từ hơi đốt ngưng tụ bên ngoài đến bề mặt ngoài ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt $\alpha_1$ và nhiệt tải riêng $q_1$.
  • Giai đoạn 2: Dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và các lớp cặn bẩn bám trên hai bề mặt truyền nhiệt.
  • Giai đoạn 3: Cấp nhiệt từ bề mặt trong của ống truyền nhiệt đến dung dịch cà chua đang sôi với hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ và nhiệt tải riêng $q_2$.

Do dịch cà chua nhạy cảm với nhiệt độ (dễ bị biến màu bởi phản ứng caramel hóa, phân hủy vitamin C, phân hủy đường khử và cháy khê cục bộ do cặn tinh bột), quá trình cô đặc bắt buộc phải tiến hành trong môi trường chân không ($P_{ck} = 0,8\text{ at}$, áp suất tuyệt đối buồng bốc $P_c = 0,2\text{ at}$) để hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống khoảng $60 - 70^\circ\text{C}$, giúp bảo toàn giá trị cảm quan và dinh dưỡng.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  1. Phương pháp cân bằng vật chất: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng chất khô tuyệt đối để xác định khối lượng nguyên liệu nhập liệu ($G_đ$), lượng sản phẩm ($G_c$) và lượng hơi thứ bốc ra ($W$).
  2. Phương pháp tính toán tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng ($\Delta'$): Xác định theo công thức Tisenco kết hợp hệ số hiệu chỉnh $f$ và đồ thị nồng độ chất tan.
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Tính toán dựa trên chiều cao mức chất lỏng sôi bọt ($H_{0p}$) và khối lượng riêng của dung dịch.
    • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$).
  3. Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Xác định nhiệt lượng tiêu tốn cho việc đun nóng dung dịch ($Q_đ$), nhiệt lượng làm bốc hơi dung môi ($Q_{bh}$), nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh ($Q_{tt}$), từ đó xác định lượng hơi đốt tiêu thụ ($D$) và suất tiêu tốn hơi riêng ($d$).
  4. Phương pháp tính toán truyền nhiệt lặp: Giả thiết nhiệt độ vách, tính toán hệ số cấp nhiệt $\alpha_1, \alpha_2$, đối chiếu sai số giữa $q_1$ và $q_2$ (chấp nhận sai số dưới 5%), tính hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$ và diện tích bề mặt truyền nhiệt $F$.
  5. Phương pháp tính toán cơ khí và thủy lực: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế cơ khí thiết bị hóa chất và thực phẩm để tính bề dày thân buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, đường kính ống tuần hoàn, vỉ ống, mặt bích và trở lực thủy lực trong thiết bị ngưng tụ Baromet.

Nguồn dữ liệu tra cứu

Hệ thống số liệu nhiệt động, tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa, dung dịch đường, khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt và quy chuẩn kim loại được trích xuất từ các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2), Thiết bị truyền nhiệt và truyền khối, và giáo trình máy chế biến thực phẩm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Sơ đồ quy trình công nghệ chế biến

Quy trình sản xuất dung dịch cà chua cô đặc được xây dựng qua các công đoạn liên hoàn:

  • Lựa chọn: Nguyên liệu được dàn mỏng trên băng tải để loại bỏ thủ công các quả sâu bệnh, dập nát, thối hỏng hoặc chưa đạt độ chín.
  • Rửa: Sử dụng máy rửa thổi khí. Quá trình gồm ngâm bở các chất bẩn, đất cát và xối sạch bằng tia nước áp lực, hạn chế tối đa việc dập nát quả.
  • Xé tơi: Làm nhỏ cơ học phần thịt quả trên máy xé tơi kiểu đĩa quay hoặc lưỡi dao cong để chuẩn bị cho quá trình truyền nhiệt.
  • Đun nóng: Gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ $85^\circ\text{C}$ trong thời gian 10 phút trên thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm. Mục đích: chuyển hóa protopectin không tan thành pectin hòa tan (giảm phế liệu từ 12% xuống còn 3,5 – 4%), vô hoạt enzyme pectinase và peroxidase, bài khí giảm tổn thất caroten và hạn chế tạo bọt khi cô đặc.
  • Chà: Dùng máy chà cánh đập để tách bỏ hoàn toàn vỏ và hạt, đồng nhất hóa dịch quả.
  • Cô đặc chân không: Tiến hành trong thiết bị cô đặc 1 nồi có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm ở áp suất chân không 0,8 at để nâng nồng độ chất khô từ 7% lên 62%.
  • Rót hộp và ghép nắp: Áp dụng phương pháp chiết nóng ở nhiệt độ $85 - 90^\circ\text{C}$ (đối với hộp 1 lít) hoặc $90^\circ\text{C}$ (đối với hộp 5 – 10 lít), sau đó ghép mí kín tự động ngay lập tức để bài khí và ngăn chặn tái nhiễm vi sinh vật.
  • Thanh trùng: Đối với hộp nhỏ, tiến hành thanh trùng ở $100^\circ\text{C}$ trong thời gian 20 – 50 phút nhằm tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh và ức chế bào tử Clostridium botulinum, sau đó làm nguội ngay trong thiết bị. Đối với hộp cỡ lớn, sản phẩm được làm nguội nhanh bằng nước lạnh sau khi chiết nóng mà không qua nồi thanh trùng áp lực.
  • Bảo ôn: Sản phẩm được lưu trữ ở nhiệt độ phòng tối thiểu 15 ngày để ổn định chất lượng trước khi xuất xưởng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc chính

Hệ thống thiết bị cô đặc chính gồm các cụm bộ phận:

  • Buồng đốt: Dạng ống chùm đặt đứng, bên trong chứa chùm ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn. Dung dịch cà chua chuyển động bên trong ống, hơi đốt (hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at) đi trong không gian ngoài ống (phía vỏ).
  • Ống tuần hoàn trung tâm: Hoạt động dựa trên sự chênh lệch khối lượng riêng. Dung dịch trong các ống truyền nhiệt nhỏ sôi mãnh liệt tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng nhỏ nên bị đẩy trào lên trên. Ngược lại, tại ống tuần hoàn trung tâm, tỷ lệ diện tích truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích nhỏ hơn nhiều, lượng hơi tạo ra ít, khối lượng riêng của hỗn hợp lớn hơn nên dòng lỏng bị đẩy tụt xuống dưới. Quá trình này tạo nên vòng tuần hoàn tự nhiên liên tục: đi lên trong ống truyền nhiệt và đi xuống trong ống tuần hoàn.
  • Buồng bốc và bộ phận tách giọt: Bố trí phía trên buồng đốt, tạo không gian cho hơi thứ thoát ra khỏi mặt thoáng dung dịch. Bộ phận tách giọt giữ lại các hạt lỏng bị cuốn theo dòng hơi thứ và hoàn lưu về nồi.
  • Thiết bị ngưng tụ Baromet: Thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp ngược chiều. Hơi thứ đi từ dưới lên, nước làm mát được phun từ trên xuống qua các ngăn phân phối để ngưng tụ toàn bộ hơi thứ, duy trì độ chân không ổn định cho hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cô đặc dung dịch cà chua

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về nguyên liệu cà chua, bao gồm phân loại giống (cà chua hồng, cà chua múi, cà chua bi) và phân tích thành phần hóa học chi tiết. Tác giả đi sâu vào bản chất nhiệt động học của quá trình cô đặc, phân tích các biến đổi vật lý (tăng độ nhớt, tăng khối lượng riêng, giảm hệ số dẫn nhiệt, tăng nhiệt độ sôi), biến đổi hóa học (thủy phân nhẹ giảm pH, biến tính nhiệt vitamin C, tương tác polyphenol hình thành màu sẫm) và biến đổi sinh học (tiêu diệt tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật).

Chương này cũng phân loại toàn diện các nhóm thiết bị cô đặc công nghiệp: thiết bị tuần hoàn tự nhiên (buồng đốt trong, buồng đốt ngoài), thiết bị tuần hoàn cưỡng bức và thiết bị cô đặc màng mỏng. Qua phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật đối với nguyên liệu dịch quả có độ nhớt tăng dần và chứa tinh bột, nhóm tác giả luận chứng việc lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi có ống tuần hoàn trung tâm là phương án phù hợp nhất cho quy mô sản xuất 220 kg/mẻ.

Chương 2: Tính toán và thiết kế thiết bị chính

Chương 2 là phần trọng tâm của đồ án, tập trung toàn bộ các bước tính toán công nghệ, nhiệt động và kết cấu cơ khí cho hệ thống:

  1. Tính toán cân bằng vật chất:

    • Nồng độ nguyên liệu ban đầu: $x_đ = 7%$; Nồng độ sản phẩm: $x_c = 62%$.
    • Năng suất sản phẩm: $G_c = 220\text{ kg/mẻ}$.
    • Suất lượng nhập liệu: $G_đ = \frac{G_c \cdot x_c}{x_đ} = \frac{220 \cdot 62}{7} = 1948,57\text{ kg/mẻ}$.
    • Lượng hơi thứ bốc lên: $W = G_đ - G_c = 1948,57 - 220 = 1728,57\text{ kg/mẻ}$.

  2. Xác định tổn thất nhiệt độ và chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

    • Áp suất tại thiết bị ngưng tụ: $P_c = 0,2\text{ at} \implies t_c = 59,7^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1^\circ\text{C} \implies$ nhiệt độ sôi của dung môi tại mặt thoáng $t_{sdm}(P_0) = 60,7^\circ\text{C}$ (ứng với $P_0 = 0,21\text{ at}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2355,8\text{ kJ/kg}$).
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: $\Delta' = 2,28^\circ\text{C}$ (nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất $P_0$ là $t_{sdd}(P_0) = 62,98^\circ\text{C}$).
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: $\Delta'' = 4,02^\circ\text{C}$ ($P_{tb} = 0,2562\text{ at}$, $t_{sdd}(P_{tb}) = 70^\circ\text{C}$).
    • Tổng tổn thất nhiệt độ: $\Sigma\Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 2,28 + 4,02 + 1 = 7,3^\circ\text{C}$.
    • Hơi đốt bão hòa có áp suất $P_d = 2,5\text{ at} \implies t_D = 126,25^\circ\text{C}$.
    • Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = t_D - (t_c + \Sigma\Delta) = 126,25 - (59,7 + 7,3) = 59,25^\circ\text{C}$.

  3. Tính toán cân bằng nhiệt lượng:

    • Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc: $Q_D = 1.266.666\text{ W}$ ($1.266,66\text{ kW}$).
    • Lượng hơi đốt tiêu thụ biểu kiến: $D = 0,608\text{ kg/s}$.
    • Suất tiêu hao hơi đốt riêng: $d = 1,27\text{ kg hơi đốt / kg hơi thứ}$.

  4. Tính toán truyền nhiệt và kích thước thiết bị cô đặc:

    • Nhiệt tải phía hơi nước ngưng: $q_1 = 40.161,34\text{ W/m}^2$.
    • Nhiệt tải phía dung dịch sôi: $q_2 = 39.029,82\text{ W/m}^2$. Sai số truyền nhiệt giữa 2 phía: $\varepsilon = 2,82% < 5%$.
    • Nhiệt tải riêng trung bình: $q_{tb} = 39.595,58\text{ W/m}^2$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_{tt} = 30,11\text{ m}^2$. Nhóm tác giả lựa chọn diện tích quy chuẩn bề mặt truyền nhiệt là $F = 50\text{ m}^2$.
    • Ống truyền nhiệt: Chọn ống thép không gỉ OX18H10T đường kính ngoài $D_n = 29\text{ mm}$ ($d_{tr} = 25\text{ mm}$, bề dày $\delta = 2\text{ mm}$), hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 16,3\text{ W/m.K}$, chiều dài $H = 2\text{ m}$. Tổng số ống truyền nhiệt tính toán quy chuẩn là $n = 517$ ống, bố trí theo hình lục giác đều 12 hình.
    • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính trong chọn theo tiêu chuẩn $D_{th} = 325\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện $D_{th} / d_{tr} = 13 > 10$). Số ống truyền nhiệt danh nghĩa bị thay thế là 127 ống; số ống truyền nhiệt thực tế còn lại là $n' = 390$ ống.
    • Thân buồng đốt: Đường kính trong của vỏ buồng đốt quy chuẩn $D_t = 1600\text{ mm}$.

  5. Tính toán cơ khí và thiết bị phụ:

    • Tính toán bề dày và độ bền cho thân buồng bốc, buồng đốt, đáy nón, nắp elip, vỉ ống và các mối ghép bích liên kết buồng đốt – buồng bốc, buồng bốc – nắp, buồng đốt – đáy.
    • Thiết kế thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu trực tiếp ngược chiều, xác định đường kính thân thiết bị ngưng tụ, chiều cao ống Baromet và lưu lượng nước làm mát.
    • Tính toán công suất bơm dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị, bơm nước làm mát và xác định chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt bảo ôn thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

Đại lượng / Thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán
Năng suất nhập liệu $G_đ$ kg/mẻ 1948,57
Năng suất tháo liệu (sản phẩm) $G_c$ kg/mẻ 220,00
Lượng hơi thứ bốc hơi $W$ kg/mẻ 1728,57
Nồng độ dung dịch đầu / cuối $x_đ / x_c$ % 7,0 / 62,0
Áp suất chân không thiết bị ngưng tụ $P_{ck}$ at 0,80
Áp suất hơi thứ tại mặt thoáng $P_0$ at 0,21
Áp suất tuyệt đối hơi đốt $P_D$ at 2,50
Nhiệt độ hơi đốt bão hòa $t_D$ $^\circ\text{C}$ 126,25
Nhiệt độ sôi dung dịch ở áp suất trung bình $t_{sdd}(P_{tb})$ $^\circ\text{C}$ 70,00
Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma\Delta$ $^\circ\text{C}$ 7,30
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{hi}$ $^\circ\text{C}$ 59,25
Nhiệt lượng cung cấp cho cô đặc $Q_D$ W 1.266.666
Tiêu hao hơi đốt biểu kiến $D$ kg/s 0,608
Suất tiêu hao hơi đốt riêng $d$ kg/kg 1,27
Diện tích truyền nhiệt tính toán $F_{tt}$ $\text{m}^2$ 30,11
Diện tích truyền nhiệt quy chuẩn $F$ $\text{m}^2$ 50,00
Kích thước ống truyền nhiệt ($\phi_{ngoài} \times \delta \times H$) - mm $29 \times 2 \times 2000$
Tổng số ống truyền nhiệt quy chuẩn $n$ ống 517
Số ống truyền nhiệt danh nghĩa bị loại bỏ $b$ ống 127
Số ống truyền nhiệt làm việc thực tế $n'$ ống 390
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm $D_{th}$ mm 325
Đường kính trong thân buồng đốt $D_t$ mm 1600

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Thiết lập một chu trình tính toán nhiệt học và cơ khí chuẩn xác cho quá trình cô đặc gián đoạn dịch cà chua nồng độ cao (từ 7% lên 62%).
  • Tối ưu hóa chế độ nhiệt thông qua việc kiểm soát độ chân không, khống chế nhiệt độ sôi dung dịch ở mức $70^\circ\text{C}$, hạn chế biến tính màu sắc và tổn thất vitamin C.
  • Hoàn thiện bản vẽ kết cấu chi tiết từ buồng đốt, buồng bốc, ống tuần hoàn đến thiết bị ngưng tụ Baromet, đáp ứng tiêu chuẩn chế tạo thiết bị áp lực trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Phương thức vận hành gián đoạn: Quá trình làm việc theo từng mẻ làm tăng thời gian phụ trợ (nạp liệu, gia nhiệt ban đầu, xả liệu, vệ sinh), năng suất tổng thể chưa cao so với các dây chuyền công nghiệp quy mô lớn.
  • Tốc độ tuần hoàn bị hạn chế: Do ống tuần hoàn trung tâm bố trí bên trong buồng đốt nên vẫn chịu tác động nhiệt gián tiếp từ hơi đốt, làm giảm mức chênh lệch khối lượng riêng giữa hai dòng lỏng, dẫn đến tốc độ tuần hoàn tự nhiên thường không vượt quá 1,5 m/s.
  • Tiêu hao năng lượng: Hệ thống 1 nồi làm việc độc lập không tận dụng được nhiệt năng của dòng hơi thứ để gia nhiệt cho các nồi tiếp theo, dẫn đến suất tiêu hao hơi đốt còn ở mức 1,27 kg hơi/kg nước bốc hơi.

Hướng phát triển

  • Mở rộng tính toán thiết kế sang hệ thống cô đặc liên tục nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi) có sử dụng hơi thứ làm nguồn nhiệt cho nồi sau để tiết kiệm hơi đốt và nâng cao hiệu quả kinh tế.
  • Khảo sát ứng dụng hệ thống cô đặc tuần hoàn cưỡng bức bằng bơm hoặc thiết bị cô đặc dạng màng rơi (falling film evaporator) nhằm gia tăng tốc độ truyền nhiệt và xử lý tốt hơn các sản phẩm có độ nhớt cao ở giai đoạn cuối.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Thực phẩm, Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt và Máy - Thiết bị Công nghiệp.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  1. Phương pháp luận tính toán cân bằng nhiệt lặp qua các lớp nhiệt trở vách và cặn bẩn để xác định chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế.
  2. Trình tự tính toán thủy tĩnh và tổn thất nhiệt độ hỗn hợp trong môi trường chân không sâu.
  3. Bộ thông số quy chuẩn về bố trí chùm ống truyền nhiệt lục giác đều, thiết kế ống tuần hoàn trung tâm và tính toán cơ khí thiết bị áp lực bằng vật liệu thép không gỉ OX18H10T.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống cô đặc dịch cà chua phải vận hành trong điều kiện chân không 0,8 at?

Quá trình cô đặc dịch cà chua được thực hiện ở áp suất chân không 0,8 at ($P_c = 0,2\text{ at}$) nhằm hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống khoảng $60 - 70^\circ\text{C}$. Dịch cà chua chứa nhiều hợp chất nhạy cảm với nhiệt như vitamin C, chất chống oxy hóa lycopene và hàm lượng tinh bột dễ tạo cặn gây cháy cục bộ. Môi trường chân không nhiệt độ thấp giúp giảm thiểu tổn thất dinh dưỡng, ngăn ngừa phản ứng caramel hóa làm sẫm màu sản phẩm và giữ nguyên độ sệt pectin đặc trưng.

2. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là bao nhiêu và gồm những yếu tố nào cấu thành?

Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống được tính toán bằng $\Sigma\Delta = 7,3^\circ\text{C}$, bao gồm ba thành phần:

  • Tổn thất do nồng độ tăng ($\Delta'$): $2,28^\circ\text{C}$ (xác định theo phương trình Tisenco).
  • Tổn thất do chiều cao cột áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): $4,02^\circ\text{C}$ (tính toán theo chiều cao mức chất lỏng sôi bọt).
  • Tổn thất do trở lực trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$): $1,00^\circ\text{C}$.

3. Quy mô năng suất và lượng hơi bốc ra trong một mẻ làm việc được xác định như thế nào?

Để thu được $G_c = 220\text{ kg}$ sản phẩm cà chua cô đặc nồng độ 62% từ dịch quả ban đầu có nồng độ 7%, hệ thống cần nạp vào $G_đ = 1948,57\text{ kg}$ nguyên liệu cho mỗi mẻ. Lượng dung môi (nước) bốc hơi chuyển thành hơi thứ thoát ra ngoài buồng bốc là $W = 1728,57\text{ kg/mẻ}$.

4. Kết cấu buồng đốt của thiết bị cô đặc có thông số hình học ra sao?

Buồng đốt có đường kính trong thân vỏ $D_t = 1600\text{ mm}$, sử dụng ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ OX18H10T đường kính ngoài $D_n = 29\text{ mm}$ (dày 2 mm), chiều dài ống $H = 2\text{ m}$. Toàn bộ chùm ống được bố trí theo hình lục giác đều gồm 12 hình với tổng số ống quy chuẩn là 517 ống. Ống tuần hoàn trung tâm có đường kính tiêu chuẩn $D_{th} = 325\text{ mm}$, chiếm không gian của 127 ống danh nghĩa, do đó số ống truyền nhiệt làm việc thực tế là 390 ống.

5. Mục đích của công đoạn đun nóng ở 85°C trong 10 phút trước khi chà là gì?

Công đoạn đun nóng có tác dụng chuyển hóa protopectin dạng không tan thành pectin hòa tan, giúp thịt quả mềm và dễ tách rời khỏi vỏ, qua đó làm giảm tỷ lệ phế liệu khi chà từ 12% xuống còn 3,5 – 4%. Đồng thời, nhiệt độ $85^\circ\text{C}$ giúp vô hoạt enzyme pectinase (chống tách nước) và enzyme polyphenoloxidase (chống sẫm màu), bài khí để giảm oxy hóa carotenoid và hạn chế hiện tượng trào bọt khi cô đặc.

Kết luận

Báo cáo đồ án của tác giả Nguyễn Trần Khánh Linh và Nguyễn Việt Thành đã hoàn thành việc thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi có ống tuần hoàn trung tâm để sản xuất dịch cà chua cô đặc 62% với năng suất 220 kg/mẻ. Toàn bộ dây chuyền công nghệ từ khâu xử lý nguyên liệu, đun nóng, chà, cô đặc chân không đến thanh trùng đóng hộp đã được xây dựng logic và bảo đảm tính khả thi kỹ thuật. Các kết quả tính toán nhiệt động học, truyền nhiệt và thiết kế cơ khí chi tiết cho buồng đốt đường kính 1600 mm cùng hệ thống thiết bị phụ trợ cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy cho việc chế tạo thiết bị thực tế trong ngành công nghiệp thực phẩm.