Báo cáo tiểu luận truyền nhiệt truyển khối nguyên lý hoạt Động của thiết bị ngưng tụ

nguyên lý hoạt động của quá trình ngưng tụ giúp chúng ta tối ưu hóacác quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.1.2.Nguyên lý hoạt động Theo nguyên lý cơ bản về động lự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

TRUYỀN NHIỆT TRUYỂN KHỐI

Bình Dương, 28 tháng 10 năm 2024

Mục Lục

MỞ ĐẦU 2

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGƯNG TỤ 4

1.1 Khái niệm 4

1.2 Nguyên lý hoạt động 4

1.3 Ứng dụng 5

Chương 2: CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 7

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

2.2 PHÂN LOẠI 7

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 10

3.1 Dàn Ngưng Tụ 10

3.1.1 Giới thiệu 10

3.1.2 Phân loại 10

3.1.3 Cấu tạo 11

3.1.4 Nguyên lý hoạt động 12

3.1.5 Ứng dụng và vai trò trong công nghiệp thực phẩm 13

3.2 Bình ngưng tụ 14

3.2.1 Giới thiệu 14

3.2.2 Phân loại 14

3.2.3 Cấu tạo 15

3.2.4 Nguyên lý hoạt động 16

3.2.5 Vai trò và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm 16

3.3 Thiết bị ngưng tụ ống vỏ nằm ngang 17

3.3.1 Giới thiệu 17

3.3.2 Phân Loại 17

3.3.3 Cấu tạo 18

3.3.4 Nguyên lý hoạt động 19

3.3.5 Vai trò và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm 19

Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ TRONG CÔNG

NGHIỆP THỰC PHẨM 20 KẾT LUẬN 22

MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp thực phẩm, với vai trò cung cấp nguồn dinhdưỡng thiết yếu cho con người, luôn là một trong những ngành kinh tếtrọng điểm của các quốc gia Sự phát triển không ngừng của nền côngnghiệp này đi kèm với những yêu cầu ngày càng khắt khe về chấtlượng, an toàn vệ sinh thực phẩm và hiệu quả sản xuất Trong quátrình sản xuất thực phẩm, một trong những công đoạn quan trọng làquá trình ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển đổi chất từ trạngthái hơi sang trạng thái lỏng, đóng vai trò không thể thiếu trong nhiềucông đoạn sản xuất như cô đặc, tinh chế và làm lạnh Ví dụ, trongngành sữa, ngưng tụ giúp tạo ra sữa đặc, sữa bột, cung cấp nguồndinh dưỡng thiết yếu cho trẻ em và người già Hay trong ngành bia,ngưng tụ giúp thu hồi cồn và các chất thơm, tạo ra những hương vị biađặc trưng, làm phong phú thêm thị trường đồ uống

Ngành công nghiệp thực phẩm hiện nay đang đối mặt với nhữngyêu cầu ngày càng cao về chất lượng, an toàn vệ sinh thực phẩm vàtính cạnh tranh Thiết bị ngưng tụ, với vai trò quan trọng trong cácquá trình cô đặc, tinh chế và tách chiết, đóng góp đáng kể vào việcnâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất Tuy nhiên, việclựa chọn và vận hành hiệu quả các thiết bị ngưng tụ vẫn còn nhiềuthách thức Do đó, việc nghiên cứu sâu về thiết bị ngưng tụ không chỉgiúp giải đáp các vấn đề tồn tại mà còn góp phần thúc đẩy sự pháttriển bền vững của ngành công nghiệp thực phẩm, đáp ứng nhu cầungày càng cao của người tiêu dùng về các sản phẩm thực phẩm chấtlượng, an toàn và thân thiện với môi trường

Thiết bị ngưng tụ, với chức năng chính là thực hiện quá trìnhngưng tụ, đã trở thành một phần không thể thiếu trong các nhà máychế biến thực phẩm Việc nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả các thiết

bị ngưng tụ không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểuhao phí mà còn góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Bài tiểu luận này sẽ đi sâu vào tìm hiểu về thiết bị ngưng tụ trongcông nghiệp thực phẩm Cụ thể, bài viết sẽ trình bày chi tiết về cácloại thiết bị ngưng tụ phổ biến, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của từngloại, cũng như các ứng dụng cụ thể trong các ngành công nghiệp thựcphẩm khác nhau Bên cạnh đó, bài viết cũng sẽ phân tích những ưunhược điểm của từng loại thiết bị và đưa ra những gợi ý để lựa chọnthiết bị ngưng tụ phù hợp cho từng quy trình sản xuất.

Việc nghiên cứu về thiết bị ngưng tụ không chỉ có ý nghĩa lýthuyết mà còn mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn rất lớn Hiểu rõ vềthiết bị ngưng tụ sẽ giúp các nhà sản xuất thực phẩm tối ưu hóa quytrình sản xuất, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm, từ đó đápứng ngày càng tốt hơn nhu cầu của thị trường

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGƯNG TỤ

1.1.Khái niệm

Ngưng tụ là quá trình chuyển đổi trạng thái của một chất từ thểkhí sang thể lỏng Quá trình này diễn ra khi hơi nước hoặc chất khímất nhiệt và nhiệt độ giảm xuống dưới điểm sương của nó, khiến cácphân tử khí gần nhau hơn và chuyển sang trạng thái lỏng

Quá trình ngưng tụ diễn ra khi các phân tử khí mất nhiệt năngkhiến chúng chuyển sang thể lỏng Đó là khi hơi được làm lạnh hoặcnén vượt hơn mức giới hạn bão hòa của nó Giới hạn này là khi mật độphân tử của pha khí đạt đến ngưỡng cao nhất

Quá trình ngưng tụ, quá trình chuyển đổi từ thể hơi sang thể lỏng,đóng vai trò cốt lõi trong nhiều ngành công nghiệp Ý nghĩa của nóvượt xa việc đơn thuần là một hiện tượng vật lý Trong sản xuất, ngưng

tụ đóng góp vào việc tái sử dụng năng lượng một cách hiệu quả Bằngcách thu hồi nhiệt từ các quá trình sản xuất và ngưng tụ hơi nước, cácdoanh nghiệp có thể giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và chi phí vậnhành Ngoài ra, ngưng tụ còn là công đoạn không thể thiếu trong cácngành hóa chất và dược phẩm để tinh chế và tách các hợp chất hữuích Trong ngành thực phẩm, ngưng tụ được ứng dụng để sản xuất cácsản phẩm như sữa đặc, nước đá và các loại nước uống Trong lĩnh vực

xử lý nước, ngưng tụ đóng vai trò quan trọng trong quá trình khử muối

và tạo ra nước sạch Cuối cùng, không thể không nhắc đến vai trò của

ngưng tụ trong các hệ thống điều hòa không khí, giúp tạo ra môi

trường làm việc và sống thoải mái Nhìn chung, quá trình ngưng tụkhông chỉ là một hiện tượng tự nhiên mà còn là một công cụ mạnh mẽ,góp phần vào sự phát triển bền vững của các ngành công nghiệp.Tóm lại, ngưng tụ là một quá trình vật lý quan trọng có nhiều ứngdụng trong công nghiệp, đặc biệt là trong ngành thực phẩm Hiểu rõ

nguyên lý hoạt động của quá trình ngưng tụ giúp chúng ta tối ưu hóacác quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

1.2.Nguyên lý hoạt động

Theo nguyên lý cơ bản về động lực học: Ngưng tụ xảy ra khi hơinước hoặc một chất khí mất nhiệt (tức là giải phóng năng lượng dướidạng nhiệt) và nhiệt độ của nó giảm xuống dưới điểm sương – nhiệt độ

mà tại đó hơi nước trong không khí bắt đầu chuyển sang trạng tháilỏng Quá trình này liên quan đến sự mất nhiệt của phân tử khí, khiếnchúng mất động năng Khi năng lượng nhiệt bị giảm, các phân tử khí

di chuyển chậm hơn, gần nhau hơn và lực hút giữa chúng trở nên đủmạnh để hình thành liên kết, chuyển từ trạng thái khí sang trạng tháilỏng

Áp suất và nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong quá trìnhngưng tụ Theo định luật Clausius-Clapeyron, khi áp suất hơi bão hòabằng với áp suất bên ngoài, chất khí sẽ bắt đầu ngưng tụ Điều nàygiải thích tại sao khi tăng áp suất hoặc giảm nhiệt độ, quá trình ngưng

tụ diễn ra dễ dàng hơn Quá trình này là ngược lại với quá trình bayhơi, nơi mà các phân tử ở bề mặt chất lỏng hấp thụ đủ năng lượng đểthoát ra và chuyển sang trạng thái khí

Một hiện tượng đáng chú ý trong quá trình ngưng tụ là hiệu ứnglàm mát Khi chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng, hơi nước

sẽ giải phóng một lượng nhiệt lớn gọi là nhiệt ẩn Nhiệt này sẽ đượctruyền ra môi trường xung quanh, gây ra hiệu ứng làm mát cục bộ.Trong quá trình ngưng tụ, tổng năng lượng của hệ thống đượcbảo toàn Năng lượng nhiệt được giải phóng khi hơi nước ngưng tụ sẽđược truyền cho môi trường xung quanh, đảm bảo sự cân bằng nănglượng

1.3.Ứng dụng

Quá trình ngưng tụ đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng đadạng trong ngành công nghiệp thực phẩm Từ việc tái chế nước đểgiảm thiểu lãng phí và bảo vệ môi trường Trong quá trình sản xuấtthực phẩm, một lượng lớn nước được sử dụng cho các mục đích nhưrửa nguyên liệu, nấu chín, làm sạch thiết bị Một phần đáng kể lượng

nước này bị bay hơi trong quá trình sản xuất Quá trình ngưng tụ giúp

thu hồi lại một phần nước đã bị bay hơi này, giúp giảm thiểu lượngnước tiêu thụ và chi phí xử lý nước thải Ví dụ, trong các nhà máy sảnxuất sữa, hơi nước sinh ra từ quá trình đun sôi sữa có thể được thugom và ngưng tụ để tạo ra nước ngưng, sau đó được xử lý và tái sửdụng

Quá trình ngưng tụ cũng được ứng dụng vào công nghệ bảo quảnthực phẩm Trong các hệ thống lạnh như tủ lạnh, tủ đông, hơi lạnh sẽđược nén và ngưng tụ thành chất lỏng, giải phóng nhiệt ra môi trườngbên ngoài Sau đó, chất lỏng này sẽ giãn nở và hấp thụ nhiệt từ thựcphẩm, giúp duy trì nhiệt độ thấp và bảo quản thực phẩm tươi ngon.Ngoài ra, ngưng tụ cũng được sử dụng trong quá trình đông lạnhnhanh, giúp bảo quản các sản phẩm như kem, hải sản

Ngoài ra, Quá trình ngưng tụ được sử dụng rộng rãi trong việctách các thành phần khác nhau trong hỗn hợp Ví dụ: Trong quá trìnhchưng cất rượu, hỗn hợp rượu và nước được đun nóng, hơi rượu sẽ bayhơi trước và được ngưng tụ lại để thu được rượu nguyên chất Hay là,Tinh dầu được chiết xuất từ các loại cây bằng phương pháp chưng cấthơi nước Hơi nước sẽ mang theo tinh dầu bay hơi và sau đó đượcngưng tụ lại để thu được tinh dầu

Ngưng tụ không chỉ giúp tách chiết mà còn tham gia vào quátrình tạo ra các sản phẩm mới Ví dụ: Quá trình sản xuất sữa đặc: Sữatươi được đun nóng để làm bay hơi một phần nước, sau đó hơi nướcđược ngưng tụ và thu lại Phần sữa còn lại sẽ trở nên đặc hơn

Như vậy, quá trình ngưng tụ có vai trò vô cùng quan trọng trongngành công nghiệp thực phẩm, từ việc tái chế nước, làm lạnh, táchchiết cho đến sản xuất các sản phẩm mới Việc hiểu rõ nguyên lý vàcác ứng dụng của quá trình ngưng tụ sẽ giúp chúng ta nâng cao hiệuquả sản xuất, giảm thiểu lãng phí và bảo vệ môi trường.

Chương 2: CÁC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Thiết bị ngưng tụ là một loại thiết bị trao đổi nhiệt, có chức năngchuyển đổi chất từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng Trong các hệthống công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp thực phẩm, hóa chất vànăng lượng, thiết bị ngưng tụ đóng vai trò quan trọng trong việc làmlạnh, tách chiết và thu hồi các chất Nguyên lý hoạt động của thiết bịngưng tụ dựa trên việc truyền nhiệt từ hơi sang một chất lạnh (thường

là nước), làm giảm nhiệt độ của hơi đến nhiệt độ ngưng tụ và chuyểnhóa thành chất lỏng

Hình 1 Thiết bị ngưng tụ đạt chuẩn ARI

2.2 PHÂN LOẠI

Về nguyên lý hoạt động, thiết bị ngưng tụ có thể chia thành hailoại chính: thiết bị ngưng tụ bề mặt và thiết bị ngưng tụ trực tiếp.Trong thiết bị ngưng tụ bề mặt, hơi chất lỏng và môi chất làm mátđược ngăn cách bởi một bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt được truyền qua

bề mặt này, làm hơi ngưng tụ Ví dụ: Bình ngưng ống chum, dànngưng tụ không khí Còn trong thiết bị ngưng tụ trực tiếp, hơi chấtlỏng và môi chất làm mát tiếp xúc trực tiếp với nhau, hơi ngưng tụ trựctiếp trong môi chất làm mát Vd: tháp làm mát

Về môi chất làm mát, thiết bị ngưng tụ có thể sử dụng nước,không khí hoặc các chất lỏng khác Thiết bị ngưng tụ làm mát bằngnước có hiệu suất cao nhưng cần nguồn nước liên tục và dễ bị đóngcặn Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí thì đơn giản hơn vềmặt lắp đặt nhưng hiệu suất lại thấp hơn và bị ảnh hưởng bởi điều kiệnthời tiết Thiết bị ngưng tụ bay hơi sử dụng một chất lỏng khác để bayhơi và hấp thụ nhiệt, có hiệu suất cao nhưng phức tạp hơn và chi phíđầu tư cao hơn.

Dựa trên cấu tạo, có thể chia thiết bị ngưng tụ thành các loại sau:Dàn ngưng tụ: Với thiết kế gồm nhiều ống hoặc tấm xếp chồnglên nhau, dàn ngưng tụ tạo ra một diện tích tiếp xúc lớn giữa hơi vàchất lạnh, giúp quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả Khi hơi điqua các ống hoặc tấm này, nhiệt sẽ được truyền sang chất lạnh bênngoài, làm cho hơi ngưng tụ thành chất lỏng Loại thiết bị này thườngđược ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa khôngkhí và các ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm

Bình ngưng tụ: Khác với dàn ngưng tụ, bình ngưng tụ có cấu tạokín Hơi đi vào bên trong bình và được làm lạnh bằng nước chảy quacác ống đặt bên trong Thiết kế này đơn giản và dễ vận hành, thườngđược sử dụng trong các hệ thống hơi nước và các nhà máy hóa chất.Thiết bị ngưng tụ bề mặt: Trong loại thiết bị này, hơi và chất lạnhtiếp xúc trực tiếp với một bề mặt để trao đổi nhiệt Tùy thuộc vào thiết

kế cụ thể, thiết bị ngưng tụ bề mặt có thể được chia thành nhiều loạinhỏ hơn như thiết bị ngưng tụ ống chùm (với các ống dẫn nhiệt) hoặcthiết bị ngưng tụ tấm (sử dụng các tấm kim loại để tăng diện tích tiếpxúc)

Bảng 1 So sánh ưu và nhược điểm các thiết bị ngưng tụ

Dàn ngưngtụ

Bìnhngưng tụ

Thiết bịngưng tụ bề

Ưu điểm Hiệu suất

trao đổi nhiệtcao nhờ diệntích tiếp xúclớn

Cấu tạođơn giản, dễvận hành

Hiệu suấtcao và linh hoạt

Hiệu suấttrao đổi nhiệt

có thể thấp hơn

so với dànngưng tụ

Cấu tạophức tạp hơn

và chi phí sảnxuất cao hơn

Ví dụ, để lựa chọn thiết bị ngưng tụ cho một nhà máy sản xuấtsữa, người ta thường ưu tiên các loại dàn ngưng tụ có diện tích tiếpxúc lớn để đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm Ngược lại,trong các hệ thống hơi nước, bình ngưng tụ thường được sử dụng docấu tạo đơn giản và dễ vận hành

Vì vậy, việc lựa chọn thiết bị ngưng tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư: Dựa vào nhiệt lượng cần loại bỏ để quyết định kích thước thiết bị

Áp suất và nhiệt độ hơi ảnh hưởng đến vật liệu chế tạo và thiết kế củathiết bị Yêu cần về hiệu suất và độ tin cậy ảnh hưởng đến việc lựachọn loại thiết bị Và một số yếu tố khác như chất lỏng làm mát và chiphí đầu tư và vận hành

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT

BỊ NGƯNG TỤ

3.1 Dàn Ngưng Tụ

3.1.1 Giới thiệu

Dàn ngưng tụ hay còn gọi là dàn nóng trong hệ thống làm lạnh, l

à một thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệthống công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống nhiệt động lực học.Chức năng chính của dàn ngưng tụ là làm lạnh và ngưng tụ hơi thànhchất lỏng Thiết bị này sẽ chuyển hơi môi chất lạnh đang có nhiệt độ

và áp suất cao khi qua quá trình nén sẽ thành dạng lỏng và luânchuyển trong chu trình làm lạnh Hiện nay, dàn ngưng tụ đang là mộtthiết bị được sử dụng chủ yếu trong các loại máy làm lạnh như điềuhòa, container lạnh, kho lạnh…Tùy theo từng hệ thống lạnh với tínhứng dụng khác nhau, thiết bị này sẽ có cấu tạo và nguyên lý hoạt độngphù hợp.  Chức năng chính của dàn ngưng tụ chính là ngưng tụ khínóng chuyển hóa thành khí lạnh dưới dạng lỏng Vai trò này vô cùngquan trọng đối với các hệ thống máy lạnh (điều hòa, tủ lạnh, containerlạnh, kho lạnh…), bởi vậy thiết kế dàn ngưng luôn được quan tâmhàng đầu

Hình 2 Dàn ngưng tụ dạng tấm

3.1.2 Phân loại

Dàn ngưng tụ là một thành phần không thể thiếu trong các hệthống làm lạnh và nhiệt động lực học Tùy thuộc vào môi trường làmmát, cấu tạo, đặc điểm đối lưu và nguyên lý vận hành, dàn ngưng tụ cóthể được phân loại thành nhiều loại khác nhau

Dựa trên môi trường làm mát: Có thể chia dàn ngưng tụ thành các

loại: dàn ngưng tụ giải nhiệt bằng nước (dạng nhúng hoặc bình), dànngưng tụ giải nhiệt bằng gió, dàn ngưng tụ giải nhiệt kết hợp khôngkhí và nước, và dàn ngưng tụ sử dụng các chất trong môi trường.Dựa trên cấu tạo: Dàn ngưng tụ có thể được phân loại thành dànngưng tụ giải nhiệt bằng nước, dàn ngưng tụ theo cơ chế bay hơi, dànngưng tụ theo hình thức tưới, dàn ngưng tụ dựa trên không khí, dànngưng tụ dạng ống lồng ống và dàn ngưng tụ dạng tấm bản

Dựa trên đặc điểm đối lưu của không khí: Dàn ngưng tụ có thểhoạt động theo hình thức đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức.Dựa trên nguyên lý vận hành: Dòng chất lỏng và hơi ngưng tụtrong máy có thể di chuyển ngược chiều nhau (dòng chảy ngược) hoặccùng chiều nhau (dòng chảy song song)

3.1.3 Cấu tạo

Dàn ngưng tụ là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thốnglàm lạnh và điều hòa không khí Chức năng chính của dàn ngưng làlàm giảm nhiệt độ và áp suất của môi chất lạnh, giúp nó chuyển từtrạng thái hơi về trạng thái lỏng

Về cấu tạo, dàn ngưng tụ bao gồm nhiều ống dẫn nhiệt, thườngđược làm bằng đồng hoặc thép không gỉ, nhằm tăng cường khả năngtrao đổi nhiệt Các ống này được bố trí bên trong một vỏ bọc, tạothành một không gian kín Để tăng diện tích tiếp xúc và hiệu suất làmviệc, người ta thường sử dụng các tấm chắn nhiệt