Энергетическое хозяйство на пивоваренных и солодовенных предприятиях
Энергия требуется на всех промежуточных этапах производства солода и пива, а также розлива.
При этом используется:
· электрическая энергия;
· тепловая (термическая) энергия;
· энергия сжатого воздуха.
Потребление энергии при производстве солода и пива
Электрическая энергиянеобходима для:
· производства холода;
· получения сжатого воздуха;
· работы электродвигателей насосов и вентиляторов;
· работы приводов мешалок и транспортеров;
· включения электроприводов и управления ими;
· работы линий связи, для обработки данных;
· освещения.
Тепловая энергиятребуется для, щприготовления горячей воды;
· отопления сушилок;
· нагрева затора (сусла);
· нагрева и кипячения сусла;
· мойки бутылок;
· мойки бочек или кегов;
· пастеризации пива в потоке или в туннельном пастеризаторе;
· работы станции CIP;
· пропаривания фильтров, разливочных устройств, трубопроводов;
· отопления зданий и подсобных помещений.
Расход энергии при производстве солода и пива составляет значительную долю производственных расходов, и поэтому для их минимизации требуется как можно более рациональное использование энергии.
Все виды энергииподдаются взаимному перерасчету итем самым сопоставлениюмежду собой. Для этих целей была разработана Международная система единиц (СИ), в которой в качестве базовых приняты несколько основных единиц, из которых составляются производные единицы. Наиболее важные из них приведены в конце книги.
· Работа - это произведение силы на путь, и также
· произведение мощности на время.
Единицей измерения работы является Джоуль (Дж).
1Дж= 1Н• 1м= 1Нм.
Мощность - это работа в единицу времени. Единицей мощности является Вт.
1Вт = 1 Дж/с;
1000 Вт=1 кВт.
Энергия, расходуемая мощностью в 1кВт в течение часа, называется киловатт часом (1кВт • ч=1 кДж/с), так как 3600 с равны 1 ч, то 1 Вт • ч = 1 кДж/с • 3600 с = 3600 кДж = 3,6 МДж. Количество энергии всегда указывается в
· киловатт-часах (кВт •ч), или в
· килоджоулях (кДж), а также мегаджоулях (МДж).
(Иногда (уст.) тепловая энергия указывается в килокалориях (ккал) или в гигакалориях (Гкал) - 1 ккал = 4,19 кДж, 1 кВт • ч = 3600/4,19 = 860 ккал, 1 Гкал = 109кал = 106 ккал. - Прим, ред.)
В приведенной ниже таблице указаны величины расходования теплоты и электроэнергии в отдельных цехах традиционно оборудованных пивоваренных заводов. Данные дифференцированы по:
· объемам производства (на пивоваренных заводах с годовым выпуском 20000 гл и 250 000 гл), а также
· рассчитанным при этом оптимальным и средним значениям.
Общий расход энергии на полный цикл производства пива должен составлять: по теплоте - от 180 до 200 МДж/гл товарного пива и по электроэнергии - от 10 до 12 кВт • ч/гл товарного пива.
Можно сказать, что самыми большими потребителями тепловой энергии на пивоваренном предприятии являются варочный цех и цех розлива, основным потребителем электроэнергии является холодильный цех, за ими следуют цех розлива и варочный цех.
На пивоваренном предприятии имеется следующее энергетическое оборудование:
· паровые котельные агрегаты;
· холодильное оборудование;
· электрическое оборудование;
· насосы и компрессоры.
| Потребление теплоты в МДж/гл | Потребление электроэнергии | |||||||
| 20000 гл | 20000 гл | 250000 гл | ||||||
| опт. | сред, | опт. | сред. | опт. | сред. | опт. | сред. | |
| Сырье до весов | 6,34 | 10,98 | 5,60 | 8,64 | 0,30 | 0,41 | 0,25 | 0,34 |
| Варочный цех до линии перекачки сусла в бродильное отделение | 66,20 | 114,80 | 58,60 | 90,40 | 1,97 | 2,71 | 1,65 | 2,27 |
| Бродильное отделение до перекачки на дображивание | - | - | - | - | 1,72 | 2,3/ | 1,44 | 1,89 |
| Дображивание | - | - | - | - | 1,60 | 2,20 | 1,34 | 1,85 |
| Фильтрование | 8,49 | 14,71 | 7,50 | 11,58 | 0,57 | 0,79 | 0,48 | 0,66 |
| Розлив в бутылки/банки | 26,61 | 46,12 | 23,51 | 36,29 | 2,24 | 3,07 | 1,88 | 2,58 |
| Розлив в бочки/специальную посуду | 13,94 | 24,16 | 12,31 | 19,00 | 0,46 | 0,63 | 0,38 | 0,52 |
| Готовый товар до эстакады | 3,17 | 5,49 | 2,80 | 4,32 | 0,40 | 0,54 | 0,33 | 0,46 |
| Остаток (экспедиция, сбыт) | 9,19 | 15,72 | 6,34 | 8,48 | 0,55 | 0,76 | 0,46 | 0,64 |
| Администрация, столовая, мастерская | 13,05 | 22,62 | 11,53 | 17,80 | 0,99 | 1,36 | 0,83 | 1,14 |
| Холодильный цех | - | - | - | - | 4,16 | 5,71 | 3,49 | 4,79 |
| Водоснабжение | 9,12 | 15,81 | 8,06 | 10,99 | 0,40 | 0,54 | 0,33 | 0,46 |
| Производство пива, всего | 130,00 | 225,00 | 113,00 | 173,00 | 9,90 | 13,60 | 8,30 | 11,40 |
| Производство безалкогольных напитков | 33,50 | 39,20 | 28,80 | 33,80 | 1,90 | 2,30 | 1,70 | 2,10 |
| Собственное производство солода (МДж/ц) | 253,00 | 331,00 | 204,00 | 285,00 | 8,50 | 12,20 | 7,30 | 11,00 |
Паровые котельные агрегаты
Для совершения работы вода превращается в пар в паровом котле. Пар обладает:
· существенно более высокой теплоемкостью по сравнению с водой и
· его можно легко транспортировать.
В целях лучшего понимания принципа работы котельных агрегатов сначала необходимо рассмотреть сущность пара, для получения которого используются различные виды топлива.
Виды топлива
В качестве топлива в настоящее время в основном используют нефтепродукты и газ, однако по различным причинам могут представлять интерес и другие виды топлива.
Для оценки теплопроизводительности (количества теплоты, выделяемой при сгорании различных видов топлива) существуют две сравнительные величины:
· теплота сгорания условного каменноугольного топлива;
· низшая теплота сгорания.
Под единицей условного каменноугольного топлива (ЕУТ)понимают среднюю энергоемкость 1 кг каменного угля. Эта общепринятая международная величина составляет 29 400 кДж. Таким образом,
| 1 кг нефти | 1,44 ЕУТ |
| 1 м3 природного газа | 1,40 ЕУТ |
| 1 кг дров | 0,50 ЕУТ |
| 1 кг несортированного бурого угля | 0,26 ЕУТ |
| 1кВт•ч | 0,123 ЕУТ |
Под теплотой сгорания топлива понимают количество теплоты, высвобождающейся при сгорании определенного количества топлива. Высшая теплота сгорания представляет собой ее максимально возможное теоретическое значение. Отличающееся от него значение, которое всегда приводится в таблицах, - это теплота сгорания по низшему пределу (без учета теплоты конденсации водяных паров).
Водяные пары возникают при любом процессе горения, например, при сгорании метана:
СН4+2О2=>СО2+2Н2О.
Это означает, что в процессе сгорания топлива образуется водяной пар, который при остывании конденсируется. Низшая теплота сгорания меньше высшей теплоты сгорания на величину теплоты конденсации паров.
Низшая теплота сгорания - это количество теплоты, которое высвобождается при полном сгорании топлива, если водяной пар при этом остывает до точки росы, но не конденсируется. Высшая теплота сгорания топлива (с учетом конденсации паров - прим. ред.) используется в расчетах топлива.
Товарное топливо (используемое в ФРГ -прим. ред.) имеет следующие значения теплоты сгорания (QPH):
| Энергоноситель | QPH кДж |
| Топочный мазут EL | 42 700 на 1 кг |
| Топочный мазут М | 41 020 на 1кг |
| Топочный мазут S | 39 770 на 1 кг |
| Газойль (дизельное топливо) | 41 820 на 1кг |
| Каменный уголь (Рур) | 31 800 на 1кг |
| Доменный кокс | 28 900 на 1 кг |
| Газовый кокс | 29 300 на 1 кг |
| Бурый уголь в брикетах | 20 090 на 1 кг |
| Несортированный бурый уголь (Саксония) | 10 460 на 1 кг |
| Несортированный бурый уголь (Лаузиц) | 9 630 на 1 кг |
| Торф, воздушно-сухой | 15 490 на 1 кг |
| Городской газ | 16120на1м3 |
| Природный газ L | 31950на1м3 |
| Природный газ Н | 37 500на1м3 |
| Метан | 35880на1м3 |
| Пропан | 93 210на1м3 |
При этом одним из особенно важных с экономической точки зрения показателей является стоимость теплоты.Он отражает в конечном итоге стоимость 1 кВт • ч или 1 МДж. Расчет стоимости теплоты производится по следующей формуле:
Однако сам по себе этот результат мало о чем говорит, так как решающее значение с экономической точки зрения имеет то обстоятельство, в каком соотношении котел действительно способен преобразовать имеющуюся в топливе химическую энергию в тепловую. Отношение этих двух цифр между собой обозначается как коэффициент полезного действия котлоагрегата.
Стоимость полезной теплоты (или стоимость теплоты нетто) определяется по следующей формуле:
Стоимость полезной теплоты конкретно говорит о том, сколько в конечном итоге стоит производство 1 МДж или 1 кВт•ч.
При этом стоимость полезной теплоты будет, конечно, всегда выше общей стоимости теплоты, так как КПД котлоагрегата составляет меньше 100%. Современные котлы, работающие на технической воде, частично конденсируют водяные пары топочных газов (дыма), а поэтому их КПД по отношению к низшей теплоте сгорания получается больше 100%.
Чтобы понимать процессы, происходящие в котельном агрегате при испарении воды, необходимо подробнее рассмотреть свойства пара.
Пар
Если вода нагревается до температуры точки кипения и при этом продолжается подвод теплоты, то образуется пар.
Температура, при которойвода кипит, называется температурой кипения. Температура кипения зависит от давления и возрастает с его увеличением.
10.2.2.1. Теплота парообразования
Для преобразования в пар воды, нагретой до температуры кипения, необходимо подвести теплоту парообразования.
Под удельной теплотой парообразования понимают количество теплоты, необходимой для преобразования 1 кг воды в сухой насыщенный пар той же температуры.
Например, для преобразования 1 кг воды с давлением 1 бар при температуре 100°С в пар с температурой 100°С требуется 2257,9 кДж = 0,6272 кВт•ч = 539 ккал теплоты.
Теплота парообразования зависят от температуры кипения и от давления. Она уменьшается с увеличением температуры и давления. При критическом давлении пара,равном 221,2 бар, и критической температуре, равной 374,15°С, вода непосредственно переходит в перегретый пар.
Ниже в таблице приведены давление и соответствующая ему температура пара, а также содержащееся в нем количество теплоты.
| Давление | Температура | Удельный объем пара | Удельная теплота парообразования | Теплосодержание в состоянии насыщения | |
| воды | пара | ||||
| бар | °С | м3/кг | кДж/кг | кДж/кг | |
| 0,01 | 6,9808 | 129,2 | 29,34 | 2514,4 | |
| 0,05 | 32,898 | 28,19 | 137,77 | 2561,6 | 2423,8 |
| 0,1 | 45,833 | 14,67 | 191,83 | 2584,8 | 2392,9 |
| 0,5 | 81,345 | 3,24 | 340,56 | 2305,4 | |
| 0,7 | 89,959 | 2,365 | 376,77 | 2660,1 | 2283,3 |
| 0,8 | 93,512 | 2,087 | 391,72 | 2665,8 | |
| 0,9 | 96,713 | 1,869 | 405,21 | 2670,9 | 2265,6 |
| 99,632 | 1,694 | 417,51 | 2675,4 | 2257,9 | |
| 1,5 | 111,37 | 1,159 | 467,13 | 2693,4 | 2226,2 |
| 120,23 | 0,8854 | 504,7 | 2706,3 | 2201,6 | |
| 2,5 | 127,43 | 0,7184 | 535,34 | 2716,4 | |
| 133,54 | 0,6056 | 561,43 | 2724,7 | 2163,2 | |
| 3,5 | 138,87 | 0,524 | 584,27 | 2731,6 | 2147,4 |
| 143,62 | 0,4622 | 604,67 | 2737,6 | ||
| 4,5 | 147,92 | 0,4138 | 623,16 | 2742,9 | 2119,7 |
| 151,84 | 0,3747 | 640,12 | 2747,5 | 2107,4 | |
| 158,84 | 0,3155 | 670,42 | 2755,5 | ||
| 170,41 | 0,2403 | 720,94 | 2767,5 | 2046,5 | |
| 179,88 | 0,1943 | 762,61 | 2776,2 | 2013,6 | |
| 198,29 | 0,1317 | 844,67 | 2789,9 | 1945,2 | |
| 212,37 | 0,09954 | 908,59 | 2798,2 | 1888,6 | |
| 263,91 | 0,03943 | 1154,5 | 2794,2 | 1639,7 | |
| 310,96 | 0,01804 | 2727,7 | 1319,7 | ||
| 365,7 | 0,00588 | 1826,5 | 2418,4 | 591,9 | |
| 221,2 | 374,15 | 0,00317 | 107,4 |
Влажный пар
Образующийся при кипении пар называется влажным насыщенным паром.Он имеет такую же температуру, как и кипящая жидкость, и содержит еще примерно 20% воды. Когда эта вода полностью испарится, то получается сухой насыщенный пар,который целесообразно транспортировать по трубопроводам. Однако как только его температура падает, какая-то доля пара снова конденсируется, и тем самым пар в значительной мере теряет свою теплоту. При конденсации теряется теплота парообразования, поэтому следует транспортировать слегка перегретый пар.
Перегретый пар
Для транспортировки пара с наименьшимипотерями насыщенный парпутем дальнейшего подводатеплоты доводят до 300°С при неизменномдавлении (рис. 10.1).
Такой пар называют перегретым паром. За счет высокого теплосодержания его можно транспортировать на большие расстояния без существенной потери энергии. Однако несмотря на высокую температуру теплопередача у него относительно невысока, и чтобы использовать возможно меньшую поверхность нагрева, стараются направлять пар в теплообменник в виде насыщенного пара, вспрыскивая в него конденсат (охлаждение пара).
Горячая вода
Для транспортирования тепловой энергии можно однако избрать иной путь, а именно - нагревать воду под давлением до 160-170°С, но не допускать ее кипения. Эту очень горячую воду можно транспортировать и использовать для кипячения сусла. В этом случае говорято кипячении при помощи горячей воды или гидрокипячении (см. раздел «Кипячение сусла»).
Преимущество в этом случае состоит в возможности использования для нагрева продукта всего потенциала подводимой теплоты. Тем самым отпадает необходимость целого «конденсатного хозяйства» с соответствующей системой управления.
Недостатком является значительно большее по сравнению с газообразным паром требуемое сечение трубопроводов и более высокая производительность насосов.
Паровой котел