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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

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