Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 9

Аммиак обладает значительной теплотой парообразования, небольшим избыточным давлением паров в испарителе и умеренным давлением в конденсаторе, что является его достоинствами как хладагента. Однако аммиак ядовит, горюч, в присутствии влаги способствует коррозии меди и ее сплавов, а также образует в соединении с воздухом взрывоопасные смеси. Вследствие этого в пивобезалкогольном производстве во избежание тяжелых последствий из-за возможной утечки аммиака рекомендуется использовать вместо аммиачных холодильных систем хладоновые (фреоновые).

Хладоны — фторхлорпроизводные метана; это углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен галоидами, чаще всего фтором и хлором. Достоинства хладонов — невысокие давления конденсации и испарения. Они практически безвредны, взрыво- и пожаробезопасны, не вызывают коррозии наиболее распространенных конструкционных материалов. Вместе с тем хладоны обладают очень низкой вязкостью, что существенно облегчает утечку их из системы холодильной машины.

В настоящее время предпочтение отдают хладону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью по сравнению с хладоном-12. Хладон-12 применяют при высоких температурах конденсации, например в тепловых насосах, поскольку при одной и той же температуре конденсата давление конденсации у него ниже, чем у хладона-22.

Вода — рабочее тело, используемое в пароводяных эжекторных холодильных машинах, в которых можно сжать большие объемы пара.

Воздух — рабочее тело, применяемое в газовых холодильных машинах.

Диоксид углерода имеет весьма высокую объемную холодопроизводительность (отнесенную к 1 м3 засасываемых паров хладагента), благодаря чему компактность цилиндра компрессора может быть весьма высокой. Тем не менее для диоксида углерода характерны очень низкая критическая температура и высокое давление конденсации, вследствие чего возможности его применения в качестве хладагента ограничены. По сравнению с хладонами и аммиаком диоксид углерода в холодильной технике используют значительно реже.

9.3.3. Холодильные машины

Холодильные машины классифицируют в зависимости от используемых способов компрессии хладагента и изменения его состояния в рабочем цикле, при этом различают:

парокомпрессионные холодильные машины, в которых пары хладагента сжимаются в поршневом или турбинном компрессоре с затратой механической работы, а сжатый газ подвергается конденсации;

газокомпрессионные холодильные машины, в которых газообразный хладагент (как правило, воздух) сжимается в поршневом или турбинном компрессоре с затратой механической работы, но перехода в жидкую фазу сжатого газа в рабочем цикле не происходит;

абсорбционные холодильные машины, где хладагент сжимается термокомпрессором, принцип действия которого основан на выпаривании раствора хладагента с затратой тепловой энергии и поглощении паров соответствующим абсорбентом;

пароводяные эжекторные холодильные машины, в которых хладагент сжимается паровым эжектором с затратой тепловой энергии, превращаемой в механическую работу, а конденсация осуществляется непосредственно смешиванием с водой.

Парокомпрессионная холодильная машина (рис. 9.5) состоит из испарителя 1, отделителя жидкости 2, грязеуловителя 3, компрессора 4, маслоотделителя 5, конденсатора 6, теплообменника-переохладителя 7 и регулирующего вентиля 8.

3

5

6

2

1

4

Вода

8

77

Вода

Рис. 9.5. Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины

Испаритель представляет собой теплообменный аппарат, в котором при низкой температуре происходит кипение хладагента за счет теплоты, отнимаемой от охлажденной среды. Отделитель жидкости предназначен для улавливания частиц жидкого хладагента из его паров, засасываемых компрессором из испарителя, грязеуловитель — для предупреждения попадания в компрессор различных загрязнений.

В компрессоре сжимаются образующиеся в испарителе пары хладагента за счет затраты механической работы. В промышленности наиболее распространены поршневые компрессоры. Для отделения сжатого масла, увлекаемого парами хладагента из компрессора, предназначен маслоотделитель.

Конденсатор представляет собой теплообменник и служит для конденсации сжатых компрессором паров хладагента в результате отвода от них теплоты, а теплообменникпереохладитель — для понижения температуры жидкого хладагента после конденсации. Регулирующий вентиль предназначен для дросселирования жидкого хладагента, в результате чего его давление и температура снижаются.

Холодильная установка должна иметь резервную мощность на случай выхода из строя работающей машины.

Газокомпрессионные холодильные машины в пивобезалкогольной промышленности практически не используют вследствие повышенного расхода энергии и необходимости применения крупногабаритных компрессоров.

Абсорбционная холодильная машина приведена на рис. 9.6. Холодильным агентом в ней служит аммиак. В состав холодильной машины входят: кипятильник 1, конденсатор 2, регулирующие вентили 3, 7, испаритель 4, абсорбер 5, теплообменник 6 и насос 8.

Принцип действия абсорбционной холодильной машины заключается в следующем: в кипятильнике 1 под действием греющего пара происходит испарение из водоаммиачного раствора газообразного аммиака (99% NH3), который поступает в конденсатор 2 и при

34

2

Вода

5

7

Греющий

пар

6 Вода

Рис. 9.6. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины

высоких давлении и температуре конденсируется, отдавая теплоту охлаждающей воде. В сжиженном виде аммиак дросселируется через вентиль 3 и испаряется в испарителе 4, воспринимая при этом теплоту от охлаждаемой среды. Из испарителя газообразный аммиак поступает в абсорбер 5, где поглощается орошающим насадку слабым (20% NH3) водоаммиачным раствором с образованием высококонцентрированного (50% NH3) раствора аммиака. Для повышения степени поглощения при абсорбции слабый водоаммиачный раствор, подаваемый в абсорбер из кипятильника через дросселирующий вентиль 7, охлаждается в теплообменнике 6 более холодным концентрированным раствором аммиака, перекачиваемым из абсорбера насосом 8 в кипятильник. Теплота, выделяемая при поглощении аммиака слабым водоаммиачным раствором, отводится из абсорбера охлаждающей водой.

В абсорбционной холодильной машине роль компрессора выполняет термокомпрессор — агрегат, включающий кипятильник, абсорбер и теплообменник.

Важное достоинство абсорбционных холодильных машин — возможность использования тепловых отходов производства, однако по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами они более громоздки и существенно более металлоемкие.

Пароводяные эжекторные холодильные машины просты по конструктивному оформлению, весьма экономичны, удобны в обслуживании. В качестве хладагента чаще всего в них служит вода. Однако в этом случае они могут быть предназначены лишь для охлаждения сред до температуры не ниже 5 °С, поэтому в пивобезалкогольной промышленности пароводяные эжекторные холодильные машины находят ограниченное применение.

9.3.4. Особенности прямого и косвенного охлаждения

Холодильные машины можно использовать как для непосредственного (прямого) охлаждения технологических сред, так и для косвенного охлаждения с помощью промежуточных, предварительно охлажденных переносчиков холода, называемых хладоносителями.

При прямом охлаждении (рис. 9.7, б) испаритель холодильной машины располагают непосредственно в охлаждаемом оборудовании, обеспечивая прямой контакт с охлаждаемой средой. Обычно в системах непосредственного охлаждения в качестве хладагента

а)

а)

Добавление воды

56

б)

Рис. 9.7. Принципиальная схема холодильно-компрессорной установки с прямым и косвенным охлаждением технологических объектов:

1 — насос хладоносителя; 2 — сборник промежуточный; 3 — насос для циркуляции охлаждающей воды; 4 — сборник воды; 5 — насос хладагента; 6 — сборник хладагента;

7 — конденсатор; 8 — компрессор

используют аммиак. К преимуществам непосредственного охлаждения за счет прямого испарения аммиака относят:

•отсутствие промежуточной охлаждаемой среды (хладоносителя);

•компактность холодильной системы;

•энергоэкономичность (примерно на 15% экономичнее);

•более высокую температуру испарения;

•применение трубопроводов с меньшим диаметром;

•меньшие капитальные затраты;

•пониженный износ оборудования, вследствие более щадящих условий эксплуатации;

•более высокий КПД холодильной установки;

•простоту регулирования холодильной мощности на испарителях.

К недостаткам прямого испарения относят:

•использование большего объема хладагента в холодильной системе;

•необходимость циркуляции большего количества хладагента в контуре;

•отсутствие возможности накопления холода;

•необходимость обслуживания оборудования более квалифицированным персоналом;

•повышенные требования к обеспечению безопасности;

•необходимость размещения холодильной установки в непосредственной близости от охлаждаемых объектов;

•более высокое рабочее давление в теплообменниках.

При косвенном охлаждении (рис. 9.7, а) испаритель холодильной машины располагают в сборнике с промежуточным хладоносителем, в качестве которого используют жидкие среды, имеющие низкие температуры замерзания — растворы солей (рассолы) или органических спиртов.

Рассолы — водные растворы хлорида натрия (NaCl), хлорида кальция (CaCl) и хлорида магния (MgCl2) широко применяли в ХХ в. В рассольных системах пивоваренных предприятий чаще всего применяли (а на некоторых не реконструированных производствах их применяют до сих пор) раствор поваренной соли как наиболее дешевый и удовлетворяющий условиям работы (температура плавления эвтектики –21,2 °С при содержании соли 22,4 %маcс.). Температура воздуха в охлаждаемых помещениях несколько выше нуля, поэтому рассол охлаждают в испарителях до –5… –7 °С, а холодильный агент испаряется при –10…–12 °С.

На современных пивоваренных предприятиях в качестве промежуточного хладоносителя используют 30%-ный водный раствор пропиленгликоля — органического спирта, обладающего пониженной температурой замерзания.

Сборник с промежуточным хладоносителем играет роль хладоаккумулятора — через него осуществляют циркуляцию промежуточного хладоносителя при организации охлаждения технологических сред. Из этого сборника насосами подают холодный хладоноситель к охлаждаемым объектам и в него же возвращают отработавший хладоноситель, отводимый от охлаждающих объектов.

К преимуществам косвенного охлаждения относят:

•меньший объем применяемого хладагента;

•возможность удаления холодильной установки от производственного помещения;

•менее жесткие требования к безопасности в производственном помещении;

•возможность накопления холода в сборнике промежуточного хладоносителя;

•более низкое рабочее давление в теплообменниках.

К недостаткам косвенного охлаждения относят:

•применение трубопроводов с бо льшим диаметром;

•повышенный расход электроэнергии;

•более низкую температуру испарения;

•более низкий КПД холодильной установки (ниже примерно на 15%);

•более высокие затраты на монтаж;

•более высокие затраты на теплоизоляцию;

•большой объем хладоносителя в системе.

9.3.5. Влияние рабочих параметров на показатели работы холодильной установки

Условия работы холодильной установки, в частности значения температур конденсации и испарения, в существенной степени влияют на технико-экономические показатели ее функционирования. В табл. 9.4 показано на сколько ориентировочно повышается эффективность работы холодильной установки при изменении рабочих температур на 1 °С.

Таблица 9.4

Улучшение показателей функционирования холодильной установки при изменении рабочих температур процесса (ориентировочно)

9.3.6. Расчет холодильной установки

Общее потребление холода складывается из расхода его на восстановление потерь через внешние ограждения, на технологические цели, охлаждение наружного воздуха при вентиляции, потери, связанные с обслуживанием.

Расход холода Q1 на восстановление потерь через внешние ограждения (потолки, полы, стены) охлаждаемых помещений (бродильное, дрожжевое, фильтрационное и др.) подсчитывают для каждой поверхности каждого охлаждаемого помещения. Этот расчет производится на основании установленного температурного режима и размера помещений.

Для каждой ограждающей поверхности расход холода (кДж/сут)

где F — поверхность ограждения, м2; k — коэффициент, теплопередачи (для изолированных потолков, полов и стен принимают k = 0,46–0,7 Вт/(м2·К)); tн — температура снаружи теплопередающего ограждения, °С; tв — температура воздуха охлаждаемого помещения, °С.

Температура наружного воздуха (°С)

где tсм — среднемесячная температура воздуха, °С; tmax — максимальная суточная температура наиболее жаркого месяца для данной местности, °С.

Рассчитав расход холода на потери через каждую поверхность всех охлаждаемых помещений, определяют его сумму (кДж/сут)

Если два охлаждаемых помещения отделены стеной, а температура в них должна быть одинакова, то нет необходимости рассчитывать теплообмен между ними. В этом случае определяют теплообмен как для одного помещения, равного по площади сумме площадей обоих помещений.

Расход холода Q2 на технологические цели — охлаждение при солодоращении, охлаждение сусла, молодого пива, пива при дображивании и готового пива перед фасованием — слагается из расходов холода на эти операции.

Расход холода при охлаждении сусла в пластинчатых и других теплообменниках от 30–20 до 5–6 °С составляет 630–840 кДж/дал готового пива.

При охлаждении бродящего сусла в бродильных аппаратах на каждый декалитр молодого пива потребляется в среднем 67 кДж/сут (или 565 кДж/дал готового пива за весь период брожения).

Для охлаждения воды, идущей на промывание и хранение дрожжей, необходимо до 84 кДж/дал готового пива. При охлаждении пива в аппаратах для дображивания затрачивается холода около 167 кДж/дал готового пива (при дображивании пива сбраживается около 1% экстракта, что соответствует выделению теплоты 61,4 кДж/дал, кроме того, пиво при дображивании требуется охладить на 2–3 °С).

Температуру воздуха в солодовне можно понижать с помощью искусственного охлаждения. При этом холода расходуется очень много, а глубина охлаждения мала (температура воздуха 10–12 °С), поэтому следует использовать дешевые охлаждающие средства, например, артезианскую воду. При острой необходимости воздух охлаждают в два этапа: вначале максимально артезианской или речной водой, а затем уже искусственно охлажденной водой.

Расход холода Q3 при вентиляции охлаждаемых помещений достаточно велик. При открытом брожении в помещение выделяется значительное количество диоксида углерода и влаги, для удаления которых необходим многократный обмен воздуха.

Расход холода на вентиляцию каждого помещения (кДж/сут)

где а — кратность вентиляции в сутки (а = 2–3); V — объем помещения, м3; ρ — плотность воздуха, находящегося в помещении, кг/м3; Iн, Iв — энтальпия наружного воздуха и воздуха внутри помещения, кДж/кг.

Суммарный расход холода (кДж/сут) на вентиляцию составляет

Потери холода Q4 вследствие открывания дверей, пребывания людей в охлаждаемом помещении, работы электродвигателей, находящихся в помещении, и прочих источников теплоты точному учету не поддаются. Принимают в среднем общие потери холода, равными 10–40% потерь холода Q1 через внешние ограждения.

Суммарный расход холода (кДж/сут)

где Vп — суммарный объем, описываемый поршнями компрессора, м3/ч; qv — объемная подача компрессора, кДж/м3; λ — коэффициент подачи компрессора.

Объем Vп, описываемый поршнями, зависит от диаметра цилиндров D (м), хода поршней s (м), количества цилиндров z и частоты вращения вала компрессора n в минуту. Для компрессора типов ВП, УП (м3/ч)

Объемная подача компрессоров (кДж/м3)

где qо — производительность в испарителе, кДж/кг; V1 — удельный объем паров отсасываемых компрессором, м3/кг.

Коэффициент подачи компрессора

где G — количество циркулирующего хладагента, кг/ч; V1 — удельный объем паров, действительно поступивших в цилиндры, м3/кг.

Индикаторную мощность Ni (кВт), расходуемую компрессором, определяют с учетом температур кипения и конденсации:

где А — затраты работы в компрессоре, которая превращается в теплоту, кДж/кг; ηi — индикаторный коэффициент компрессора, зависящий в значительной степени от отношения давления рк/ро, который учитывает потери в индикаторной работе действительного компрессора в сравнении с теоретическим; Kтеор — коэффициент теоретической подачи.

Индикаторный коэффициент равен отношению действительной удельной подачи К к теоретической Kтеор:

Действительная удельная подача компрессора зависит от температурных условий его работы, хладагента, подачи и частоты вращения. Для аммиачного компрессора при

tк = +30 °С и t0 = –15 °С ориентировочно K = 11 300 – 14 200 кДж/(кВт · ч), для фреонового (хладон-12) K = 8375 – 10 050 кДж/(кВт·ч); ηi — определяется по графикам из специальной литературы.

где ε — холодильный коэффициент, характеризующий эффективность работы холодильной машины, показывает отношение полученного в испарителе холода к затрачиваемой для

Эффективность теплопередачи аммиачных испарителей равна 7540–9200 кДж/(м2 · ч), а фреоновых — 4200–6300 кДж/(м2 · ч).

9.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

Электрическая энергия благодаря своей доступности является идеальным энергоносителем.

Пивоваренные производства (как, впрочем, и все прочие) нуждаются в электрической энергии, которая расходуется на:

•работу приводов технологического и вспомогательного оборудования;

•транспортирование технологических и вспомогательных сред;

•производство холода;

•получение сжатого воздуха;

•обеспечение функционирования систем контроля и управления;

•обеспечение работы средств связи;

•освещение территории, производственных и административно-бытовых помещений.

Средний удельный расход электроэнергии на производство 1 гл товарного пива на современных пивоваренных предприятиях составляет около 10–12 кВт·ч/гл.

Типичное распределение потребления электроэнергии на пивоваренном предприятии:

Производство пива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30% Обеспечение холодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35% Упаковка продукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18% Обеспечение паром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6% Административные и бытовые помещения. . . . . . . . . . . . . . . . 4%

Регенерация СО2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2% Обеспечение воздухом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3%

Фасование пива в кеги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2%

Электрическая энергия, выработанная на электростанциях, поступает потребителям по высоковольтным линиям электропередачи. На пивоваренных предприятиях входящая

электрическая энергия преобразуется на силовых трансформаторных подстанциях, понижающих напряжение электрического тока с 10 или 20 кВ до 380 В, а от них распределяется по подразделениям предприятия.

Для обеспечения производства электроэнергией при непредвиденном отключении внешних линий электропередач, предприятие должно иметь аварийный электрогенератор, работающий от жидкого или газообразного топлива.

9.5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПАРОМ

На пивоваренных предприятиях основными потребителями пара являются заторный, заторно-отварочный и сусловарочный аппараты, теплообменники для подогрева технологической воды и моющих сред, бутылкомоечная машина и установка для мойки кегов.

Типичный удельный расход тепловой энергии на производство 1 гл товарного пива на современных пивоваренных предприятиях составляет около 130–185 МДж/гл, при этом непосредственно на производство пива требуется около 80% тепловой энергии, а оставшиеся примерно 20% расходуется на стадиях упаковывания напитков.

Пар к потребителям подводят от котельной через распределительную систему, а конденсат, отводимый от потребителей, собирают в сборник, из которого его направляют вновь в парогенератор. Таким образом, осуществляется циркуляция конденсата на производстве. При этом конденсатные системы могут быть открытыми или закрытыми. На рис. 9.8 показана принципиальная схема обеспечения пивоваренного производства паром с закрытой конденсатной системой.

15

Рис. 9.8. Принципиальная схема обеспечения пивоваренного производства паром:

1 — заторный аппарат; 2 — заторно-отварочный аппарат; 3 — сусловарочный аппарат; 4 — теплообменник; 5, 12 и 14 — насос; 6 — сборник горячей воды; 7 — установка мойки кегов; 8 — бутылкомоечная машина; 9 — конденсатоотводчик; 10 — установка для умягчения воды; 11 — сборник питающей воды; 13 — сборник конденсата высокого давления; 15 — экономайзер; 16 — парогенератор