第二節(jié)熱量平衡計(jì)算

1、第二節(jié)第二節(jié) 熱量平衡計(jì)算熱量平衡計(jì)算 內(nèi) 容一、熱量衡算的意義、方法和步驟 二、計(jì)算實(shí)例 （3000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算）一、熱量衡算的意義、方法和步驟 （一）熱量衡算的意義 計(jì)算生產(chǎn)過程能耗定額指標(biāo) 設(shè)備類型的選擇及確定其尺寸、臺(tái)數(shù)的依據(jù) 組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ) （二）熱量衡算的方法和步驟 畫出單元設(shè)備的物料流向及變化的示意圖 分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式 搜集數(shù)據(jù) 確定合適的計(jì)算基準(zhǔn) 進(jìn)行具體的熱量計(jì)算 1畫出單元設(shè)備的物料流向及變化的示意圖。 2分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式： Q入 =Q出+Q損 式中 Q入輸入的熱量總和（kJ） Q出輸出的熱量總和

2、（kJ） Q損損失的熱量總和（kJ）通常，Q入=Q1+Q2+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q損=Q8式中 Q1物料帶入的熱量（kJ） Q2由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和 所處理的物料的熱量（kJ） Q3過程的熱效應(yīng)，包括生物反應(yīng)熱、 攪拌熱等（kJ） Q4物料帶出的熱量（kJ） Q5加熱設(shè)備需要的熱量（kJ） Q6加熱物料需要的熱量（kJ） Q7氣體或蒸汽帶出的熱量（kJ）3搜集數(shù)據(jù) 為了使熱量衡算順利進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果正確無誤和節(jié)約時(shí)間，首先要搜集有關(guān)數(shù)據(jù)，如物料量、工藝條件以及必需的物性數(shù)據(jù)等。這些有用的數(shù)據(jù)可以從專門手冊(cè)查閱，或取自工廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果選定。 4確定合適

3、的計(jì)算基準(zhǔn) 在熱量衡算中，取不同的基準(zhǔn)溫度，算出的（5-8）式中各項(xiàng)數(shù)據(jù)就不同。所以必須選準(zhǔn)一個(gè)設(shè)計(jì)溫度，且每一物料的進(jìn)出口基準(zhǔn)態(tài)必須一致。通常，取0為基準(zhǔn)溫度可簡(jiǎn)化計(jì)算。 此外，為使計(jì)算方便、準(zhǔn)確，可靈活選取適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)，如按100kg原料或成品、每小時(shí)或每批次處理量等作基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。 5進(jìn)行具體的熱量計(jì)算（1）物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4可按下式計(jì)算，即：Q=Gct式中 G物料質(zhì)量（kg） c物料比熱容kJ/(kgK) t物料進(jìn)入或離開設(shè)備的溫度（）（2）過程熱效應(yīng)Q3 過程的熱效應(yīng)主要有生物合成熱QB、攪拌熱QS和狀態(tài)熱（例如汽化熱、溶解熱、結(jié)晶熱等）： Q3=QB+QS 式中 QB發(fā)

4、酵熱（呼吸熱）（kJ），視不同條件、環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，參考本章第四節(jié)（二）有關(guān)內(nèi)容QS=3600P（kJ） 其中P為攪拌功率（kW），為攪拌過程功熱轉(zhuǎn)化率，通常=92%。 （3）加熱設(shè)備耗熱量Q5為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略設(shè)備不同部分的溫度差異，則： Q5=Gc（t2-t1） 式中 G設(shè)備總質(zhì)量（kg） c設(shè)備材料比熱容kJ/(kgK) t1、t2設(shè)備加熱前后的平均溫度（）（4）氣體或蒸汽帶出熱量Q7 Q7=G（ct+r） 式中 G離開設(shè)備的氣態(tài)物料量（kg） c液態(tài)物料由0升溫至蒸發(fā)溫度的平均比 熱容kJ/(kgK) t氣態(tài)物料溫度（） r蒸發(fā)潛熱（kJ/kg） （5）設(shè)備向環(huán)境散熱Q8為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假

5、定設(shè)備壁面的溫度是相同的，則： Q8=FT（tw-ta） 式中 F設(shè)備總表面積（m2） T 壁 面 對(duì) 空 氣 的 聯(lián) 合 給 熱 系 數(shù)W/(m2) tw壁面溫度（） ta環(huán)境空氣溫度（） 操作過程時(shí)間（s） T的計(jì)算： 空氣作自然對(duì)流，T=8+0.05tw 強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，T=5.3+3.6W（空氣流速W=5m/s）或T=6.7W0.78（W5m/s）（6）加熱物料需要的熱量Q6 Q6=Gc（t2-t1） 式中 G物料質(zhì)量（kg） c物料比熱容kJ/(kgK) t1、t2物料加熱前后的溫度（）（7）加熱（或冷卻）介質(zhì)傳入（或帶出）的熱量Q2對(duì)于熱量平衡計(jì)算的設(shè)計(jì)任務(wù)，Q2是待求量，也稱為有效熱

6、負(fù)荷。若計(jì)算出的Q2為正值，則過程需加熱；若Q2為負(fù)值，則過程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需冷卻。序號(hào) 名稱 規(guī)格每噸產(chǎn)品消耗定額 每小時(shí)最大用量 每晝夜（或每小時(shí)）消耗量 年消耗量 備注 最后，根據(jù)Q2來確定加熱（或冷卻）介質(zhì)及其用量。通常，能量消耗綜合表如表5-10所示。表5-10 能量消耗綜合表 有關(guān)熱量衡算值得注意的幾個(gè)問題 :（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉(zhuǎn)化熱量的其他能量，不要遺漏。但對(duì)衡算影響很小的項(xiàng)目可以忽略不計(jì)，以簡(jiǎn)化計(jì)算。（2）確定物料計(jì)算的基準(zhǔn)、熱量計(jì)算的基準(zhǔn)溫度和其他能量基準(zhǔn)。在相變時(shí)，必須確定相態(tài)基準(zhǔn)，不要忽略相變熱。（3）正確選擇與計(jì)算熱力學(xué)數(shù)據(jù)。 （4）在

7、有相關(guān)條件約束，物料量和能量參數(shù)（如溫度）有直接影響時(shí)，宜將物料平衡和熱量平衡計(jì)算聯(lián)合進(jìn)行，才能獲得準(zhǔn)確結(jié)果。 二、計(jì)算實(shí)例 （3000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算） 二次煮出糖化法是啤酒生產(chǎn)常用的糖化工藝，下面就以此工藝為基準(zhǔn)進(jìn)行糖化車間的熱量衡算。工藝流程示意圖如圖5-6所示，其中的投料量為糖化一次的用量（計(jì)算參考本章第一節(jié)表5-7）。圖5-6 啤酒廠糖化工藝流程示意圖 糖化過程各步操作熱量計(jì)算：（一）糖化用水耗熱量Q1 （二）第一次米醪煮沸耗熱量Q2 （三）第二次煮沸前混合醪升溫至70的耗熱量Q3 （四）第二次煮沸混合醪的耗熱量Q4 （五）洗糟水耗熱量Q5 （六）麥汁煮沸過程耗熱量Q6

8、（七）糖化一次總耗熱量Q總 （八）糖化一次耗用蒸汽量D （九）糖化過程每小時(shí)最大蒸汽耗量Qmax （十）蒸汽單耗 （一）糖化用水耗熱量（一）糖化用水耗熱量Q1根據(jù)工藝，糖化鍋加水量為：G1=（1003.9+200.8）4.5=5421.15(kg) 式中，1003.9為糖化一次大米粉量，200.8為糊化鍋加入的麥芽粉量（為大米量的20%）。而糖化鍋加水量為：G2=2808.93.5=9831.15(kg) 式中，2808.9為糖化一次糖化鍋投入的麥芽粉量，即3009.7-200.8=2808.9(kg)。而3009.7為糖化一次麥芽定額量。 故糖化總用水量為：Gw=G1+G2=15252.3(

9、kg)自來水平均溫度取t1=18，而糖化配料用水溫度t2=50,故耗熱量為：Q1=（G1+G2）cw(t1-t2) =488073.6(kJ)（二）第一次米醪煮沸耗熱量（二）第一次米醪煮沸耗熱量Q2由糖化工藝流程（圖5-6）可知， 1糊化鍋內(nèi)米醪由初溫t0加熱至100耗熱2煮沸過程蒸汽帶出的熱量 3熱損失 2222QQQQ 2Q2Q 2Q 1糊化鍋內(nèi)米醪由初溫t0加熱至100耗熱 =G米醪c米醪（100-t0） （1）計(jì)算米醪的比熱容c米醪根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 c谷物=0.01(100-W)c0+4.18W進(jìn)行計(jì)算。式中W為含水百分率；c0為絕對(duì)谷物比熱容，取c0=1.55kJ/(kgK)。c麥芽=0

10、.01(100-6)1.55+4.186=1.71kJ/(kgK)c大米=0.01(100-13)1.55+4.1813=1.89kJ/(kgK)2Q)Kkg/(kJ76. 315.54218 .2009 .100318. 415.542171. 18 .20089. 19 .10031w1GGGcGcGcGc麥芽大米麥芽麥芽大米大米米醪（2）米醪的初溫t0設(shè)原料的初溫為18，而熱水為50，則 =47.1（）（3）把上述結(jié)果代回（5-15）式，得： =6625.853.76(100-47.1) =1317908(kJ) 米醪米醪麥芽麥芽大米大米cGcGcGcGtw50)18(102Q2煮沸過程

11、蒸汽帶出的熱量設(shè)煮沸時(shí)間為40min，蒸發(fā)量為每小時(shí)5%，則蒸發(fā)水分量為：V1=G米醪5%4060 =220.86(kg) 故 =V1I=220.862257.2 =498525(kJ) 式中，I為煮沸溫度（約為100）下水的汽化潛熱（kJ/kg）。 2Q 3熱損失米醪升溫和第一次煮沸過程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即：=15%（ + ）4由上述結(jié)果得： Q2=1.15( + ) =2088898(kJ)2Q 2Q2Q2Q2Q（三）第二次煮沸前混合醪升溫至（三）第二次煮沸前混合醪升溫至7070的耗的耗熱量熱量Q Q3 3 按糖化工藝，來自糊化鍋的煮沸的米醪與糖化鍋中的麥醪混合后溫度應(yīng)為6

12、3，故混合前米醪先從100冷卻到中間溫度t。1糖化鍋中麥醪的初溫t麥醪已知麥芽粉初溫為18，用50的熱水配料，則麥醪溫度為： =46.67（）麥醪麥醪麥芽麥芽麥醪cG50cG18cGtw22根據(jù)熱量衡算，且忽略熱損失，米醪與麥醪并合前后的焓不變，則米醪的中間溫度為： = 96（）3Q3=G混合c混合（70-630） =494918(kJ)米醪米醪麥醪麥醪麥醪混合混合混合cGtcGtcGt76. 3640567.4663. 315.126396367. 319265（四）第二次煮沸混合醪的耗熱量（四）第二次煮沸混合醪的耗熱量Q Q4 4由糖化工藝流程可知：1混合醪升溫至沸騰所耗熱量Q4 2二次煮

13、沸過程蒸汽帶走的熱量Q4 3熱損失Q4 4444QQQQ 1混合醪升溫至沸騰所耗熱量Q4（1）經(jīng)第一次煮沸后米醪量為：G米醪=G米醪-V=6625.85-220.86 =6405(kg)糖化鍋的麥芽醪量為： G麥醪=G麥+G2 =2808.9+9831.15 =12640(kg)故進(jìn)入第二次煮沸的混合醪量為：G混合=G米醪+G麥醪 =6405+12640 =19045(kg) （2）據(jù)工藝，糖化結(jié)束醪溫為78，抽取混合醪的溫度為70，則送到第二次煮沸的混合醪量為：（3）麥醪的比熱容 =3.63kJ/(kgK)%7 .26%100G70100)7078(G混合混合15.9831280818. 4

14、15.983171. 12808GcGcGcw2麥醪麥芽麥芽麥醪混合醪比熱容： =3.67kJ/(kgK)（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）混合米醪米醪麥醪麥醪混合GcGcGc2二次煮沸過程蒸汽帶走的熱量Q4 煮沸時(shí)間為10min，蒸發(fā)強(qiáng)度5%，則蒸發(fā)水分量為：V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg) 故Q4=IV2=2257.242.4 =95705.3(kJ)式中，I為煮沸溫度下飽和蒸汽的焓（kJ/kg）。3熱損失Q4根據(jù)經(jīng)驗(yàn)有：Q4=15% （Q4+Q4）4把上述結(jié)果代回（5-16）式得Q4=1.15(Q4+Q4) =753900(

15、kJ)（五）洗糟水耗熱量（五）洗糟水耗熱量Q Q5 5 設(shè)洗糟水平均溫度為80，每100kg原料用水450kg，則用水量為：G洗=4013450100=18058.5(kg) 故Q5=G洗cw(80-18) =4680041(kJ) （六）麥汁煮沸過程耗熱量（六）麥汁煮沸過程耗熱量Q Q6 6 Q6=Q6+Q6+Q3 1麥汁升溫至沸點(diǎn)耗熱量Q6 2煮沸過程蒸發(fā)耗熱量Q6 3熱損失 Q3 1麥汁升溫至沸點(diǎn)耗熱量Q6由表5-7糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到598.3kg熱麥汁，并設(shè)過濾完畢麥汁溫度為70。則進(jìn)入煮沸鍋的麥汁量為：G麥汁=4013598.3100=24010(kg) =

16、3.85kJ/(kgK)故Q6=G麥汁c麥汁（100-70） =2773155(kJ) 4 . 7401318. 44 . 6401389. 19 .100371. 17 .3009c麥汁又2煮沸過程蒸發(fā)耗熱量Q6煮沸強(qiáng)度10%，時(shí)間1.5h，則蒸發(fā)水分為：V3=2401010%1.5=3601.5(kg)故Q6=2257.23601.5=8129306(kJ)3熱損失為Q6=15%(Q6+Q6)4把上述結(jié)果代碼（5-17）式可得出麥汁煮沸總耗熱Q6=115%(Q6+Q6) =12537830(kJ)（七）糖化一次總耗熱量（七）糖化一次總耗熱量Q Q總總（八）糖化一次耗用蒸汽量（八）糖化一次耗

17、用蒸汽量D D使 用 表 壓 為 0 . 3 M p a 的 飽 和 蒸 汽 ，I=2725.3kJ/kg，則：式中，I為相應(yīng)冷凝水的焓(261.47kJ/kg)；為蒸汽的熱效率，取=95%。61ii)kJ(21043661QQ總)kg(10237) iI (QD總（九）糖化過程每小時(shí)最大蒸汽耗量（九）糖化過程每小時(shí)最大蒸汽耗量Q Qmaxmax 在糖化過程各步驟中，麥汁煮沸耗熱量Q6為最大，且知煮沸時(shí)間為90min，熱效率95%，故： 相應(yīng)的最大蒸汽耗量為：)h/kJ(8798477%955 . 1QQ6max)h/kg(4066iIQDmaxmax（十）蒸汽單耗（十）蒸汽單耗據(jù)設(shè)計(jì)，每年糖化次數(shù)為1500次，共生產(chǎn)啤酒30724t。年耗蒸汽總量為：DT=102371500=15355500(kg)每噸啤酒成品耗蒸汽（對(duì)糖化）：Ds=153555