啤酒包裝車間的熱量衡算與控制

1、啤酒包裝車間的熱量衡算與消耗控制 林志清 【摘 要】通過對包裝車間主要用熱設(shè)備的熱量衡算，找到影響蒸汽消耗的主要因素，比較各因素對蒸汽消耗的影響程度，深入分析降低蒸汽單耗的有效途徑，提出通過合理的較低工藝溫度設(shè)置、降低溢流熱水消耗及提高生產(chǎn)線效率等來降低包裝車間的蒸汽消耗。【關(guān)鍵詞】熱量衡算 啤酒 蒸汽消耗 工藝控制目前，節(jié)能降耗是制造業(yè)所面臨的迫切問題，啤酒工業(yè)總體上還是高能耗的產(chǎn)業(yè)，能源短缺問題日益嚴(yán)重，如何降低包裝車間的蒸汽消耗一直以來都是啤酒行業(yè)努力的方向。本文采用熱量衡算法對主要用熱設(shè)備進(jìn)行蒸汽消耗的計(jì)算分析，從而指導(dǎo)啤酒包裝車間開展降低噸酒蒸汽消耗的活動，現(xiàn)將取得的一些經(jīng)驗(yàn)供同行參

2、考。1、啤酒工廠主要的載熱體是飽和水蒸汽，包裝車間主要用熱設(shè)備是洗瓶機(jī)和殺菌機(jī)，其他用熱設(shè)備因?yàn)橛脽崃啃∏矣昧勘容^穩(wěn)定，本文不做討論。1.1熱量衡算方法及基本公式在熱量衡算時，我們將每一臺設(shè)備看做一個系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量在系統(tǒng)中將不會消失，而是進(jìn)行形式的轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)移。在啤酒包裝車間進(jìn)出洗瓶機(jī)和殺菌機(jī)的只有飽和水蒸汽、生產(chǎn)物料和水，其過程基本沒有發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的改變，所以系統(tǒng)的熱量輸入與熱量輸出將保持平衡，故有：Q輸入=Q輸出輸入：加熱蒸汽的內(nèi)能差，即蒸汽的汽化潛熱，記為Q。輸出：進(jìn)出系統(tǒng)物料的內(nèi)能差，記為Q1。溢流水的內(nèi)能差，記為Q2。熱輻射損失，記為Q3。故：Q=Q1+Q2+Q3 （公

3、式1-1）1.2物體的內(nèi)能差：物體因溫度變化所吸收（放出）的熱量值，即為內(nèi)能差。其計(jì)算公式為：Q=mct （公式1-2）式中Q為物體的內(nèi)能差，即物體溫度變化所需的熱量（KJ）；m為質(zhì)量（kg），c為比熱（KJ/(kg·K)），t為溫度差（k）。11.3熱輻射損失的計(jì)算：物體通過電磁波來傳遞能量的過程，稱為輻射。其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。在包裝設(shè)備主要是通過機(jī)臺外壁面與周圍空氣以輻射和對流方式同時聯(lián)合傳熱。根據(jù)平壁傳熱公式：Q= q= F * a0*（T1 T2 ）* （公式1-3）q= F * a0*（T1 T2 ） （公式1-4）a0 = a1+ a2 a1 =1

4、.977（T1 T2 ）¼a2 =C*(T1 /100）4(T2 /100）4 /（T1 T2 ）式中Q為熱輻射損失（J/kl），q為單位時間熱輻射損失（J/s），F(xiàn)為表面積（m2），為熱輻射時間（s/kl），a0為聯(lián)合給熱系數(shù)J/ (m2·s·k），T1 為設(shè)備外表面溫度（k），T2 為環(huán)境溫度（k），a1 為對流給熱系數(shù)，a2 為輻射給熱系數(shù)，C為灰體輻射系數(shù)J/（ m2·s·k4），在本文取C=4.5。2由公式1-4可計(jì)算出單位時間用熱設(shè)備各個溫區(qū)的熱輻射損失，然后將各溫區(qū)的熱輻射損失相加，就是單位時間用熱設(shè)備總的熱輻射損失qn（J/s）

5、，由此根據(jù)生產(chǎn)速度可推算出每KL啤酒的熱輻射損失。2、啤酒包裝車間主要用熱設(shè)備的熱量衡算及分析2.1包裝車間主要用熱設(shè)備的有關(guān)參數(shù)（表1）：設(shè)環(huán)境溫度20。表1：洗瓶機(jī)、殺菌機(jī)各溫區(qū)（槽）溫度設(shè)置及有效熱損失面積洗瓶機(jī)殺菌機(jī)溫度（）面積（m2）溫度（）面積（m2）堿一槽8056第1、8溫區(qū)3052.8*2堿二槽8556第2、7溫區(qū)4227.2*2堿三槽8038第3、6溫區(qū)5227.2*2溫、熱水槽6560第4溫區(qū)6754.5其他4040第5溫區(qū)6370.4qn（J/s）145313.4qn（J/s）97696.62.2洗瓶機(jī)的熱量衡算：洗瓶機(jī)進(jìn)出系統(tǒng)的物料是飽和水蒸汽、空瓶和自來水，以600m

6、l瓶型計(jì)算，空瓶重量0.52kg/瓶，進(jìn)出瓶溫差18，溢流水溫差27，溢流熱水水耗（以下簡稱水耗）0.7m3/kl，根據(jù)公式（1-1、 1-2、 1-3）及表1有：Q1=Q瓶= m瓶c瓶t瓶 = 0.52*1000/0.6*0.67*18=10452（KJ/kl） Q2= Q溢流水=m水c水t水 = 0.7*1000*4.2*27=79380（KJ/kl） Q3= q= qn*=145313.4*150=21797003（J/kl）=21797（KJ/kl） Q洗=Q1+Q2+Q3=111629（KJ/kl）式中Q洗為單位產(chǎn)量洗瓶機(jī)加熱蒸汽的汽化潛熱（KJ/kl）， Q1為單位產(chǎn)量空瓶的內(nèi)能差

7、（KJ/kl），Q2為單位產(chǎn)量溢流水的內(nèi)能差（KJ/kl），Q3為單位產(chǎn)量洗瓶機(jī)熱輻射損失（KJ/kl）；m瓶等于0.52*1000/0.6=866.67（kg/kl），c瓶等于0.67（KJ/(kg·k)），t瓶等于18（）；m水等于0.7（m3/kl），c水等于4.2（KJ/(kg·k)），t水等于27（）；洗瓶機(jī)qn等于145313.4（J/s），以40000瓶/小時的生產(chǎn)速度計(jì)算等于150（s/kl）。通過計(jì)算，折算成5kg壓力的飽和水蒸汽（汽化潛熱為2115.17 KJ/kg），洗瓶機(jī)的蒸汽單耗為111629/2115.17=52.78（kg/kl）。熱量傳遞和轉(zhuǎn)

8、移的分布及比例見表2。表2：洗瓶機(jī)熱量傳遞和轉(zhuǎn)移的分布及比例Q洗（KJ）Q1（KJ/kl）Q2（KJ/kl）Q3（KJ/kl）111629104527938021797Qn/ Q洗（%）9.471.119.5從表2看，洗瓶機(jī)消耗的熱能71.1%是由溢流熱水帶走的，19.5%是由機(jī)體熱輻射損失，只有9.4%是由空瓶帶走，因此，應(yīng)該把控制蒸汽消耗的重點(diǎn)放在如何減少溢流熱水量和降低輻射熱損失。2.3殺菌機(jī)的熱量衡算：殺菌機(jī)進(jìn)出系統(tǒng)的物料是飽和水蒸汽、瓶裝啤酒和自來水，以600ml瓶型計(jì)算，空瓶重量0.52kg/瓶，進(jìn)出瓶溫差29，溢流水溫差32，水耗0.2m3/kl，根據(jù)公式（1-1、 1-2、 1

9、-3）及表1有：Q1=Q酒+Q瓶=m酒c酒t酒+m瓶c瓶t瓶 = 0.52*1000/0.6*0.67*29+1000*3.851*29=128518.3（KJ/kl） Q2= Q溢流水=m水c水t水 =0.2*1000*4.2*32=26880（KJ/kl） Q3= q= qn*=97696.6*150=14654492（J/kl）=14654.5（KJ/kl） Q殺=Q1+Q2+Q3=170052.8（KJ/kl）式中Q殺為單位產(chǎn)量殺菌機(jī)加熱蒸汽的汽化潛熱（KJ/kl）， Q1為單位產(chǎn)量瓶裝啤酒的內(nèi)能差（KJ/kl），Q2為單位產(chǎn)量溢流水的內(nèi)能差（KJ/kl），Q3為單位產(chǎn)量殺菌機(jī)熱輻射損

10、失（KJ/kl）；m瓶等于0.52*1000/0.6=866.67（kg/kl），c瓶等于0.67（KJ/(kg·k)），t瓶等于29（）；m酒等于1000（kg/kl），c酒等于3.851（KJ/(kg·k)），t酒等于29（）；m水等于0.2*1000（kg/kl），c水等于4.2（KJ/(kg·k)），t水等于32（）；殺菌機(jī)qn等于97696.6（J/s），以40000瓶/小時的生產(chǎn)速度計(jì)算等于150（s/kl）。通過計(jì)算，折算成5kg壓力的飽和水蒸汽（汽化潛熱為2115.17 KJ/kg），殺菌機(jī)的蒸汽單耗為170052.8/2115.17=80.4（k

11、g/kl）。熱量傳遞和轉(zhuǎn)移的分布及比例見表3。表3：殺菌機(jī)熱量傳遞和轉(zhuǎn)移的分布及比例Q殺（KJ）Q1（KJ/kl）Q2（KJ/kl）Q3（KJ/kl）170052.8128518.32688014654.5Qn/ Q殺（%）75.615.88.6從表3看，殺菌機(jī)消耗的熱能75.6%是由瓶裝啤酒自身帶走的，15.8%是由溢流熱水帶走，只有8.6%是由機(jī)體熱輻射損失；因此，應(yīng)該把控制蒸汽消耗的重點(diǎn)放在如何降低酒體出系統(tǒng)的溫度及降低溢流熱水量上。2.4綜上所述，啤酒包裝車間主要用熱設(shè)備總的蒸汽單耗（M）及蒸汽單耗的分布、比例見表4。M=M洗瓶+M殺菌 =52.78+80.4 =133.2(kg/kl

12、)表4：包裝車間蒸汽單耗的分布及比例M（KJ）M洗（KJ）M殺（KJ）M洗/M（%）M殺/M（%）133.252.7880.439.660.4從表4看，洗瓶機(jī)蒸汽單耗約占包裝車間蒸汽單耗總量的40%，殺菌機(jī)蒸汽單耗約占包裝車間蒸汽單耗總量的60%。3、假設(shè)生產(chǎn)線效率100%的情況下，對不同環(huán)境溫度、不同水耗及不同工藝溫度設(shè)置進(jìn)行熱量衡算，分析理論計(jì)算值及其在生產(chǎn)過程中的控制措施。3.1環(huán)境溫度對啤酒包裝蒸汽單耗的影響（主要用熱設(shè)備的有關(guān)參數(shù)同上），具體數(shù)據(jù)見表5。表5：不同環(huán)境溫度時包裝蒸汽單耗環(huán)境溫度（氣溫）夏季（35）春秋季（20）冬季（5）理論單耗（kg/kl）126.9133.2163

13、.6實(shí)際單耗（kg/kl）127.4137.9168.2從表5看，包裝車間蒸汽單耗夏季最低，冬季最高；說明環(huán)境溫度越高，設(shè)備向周圍環(huán)境的熱輻射損失越少，車間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明了這點(diǎn)。3.2水耗對啤酒包裝蒸汽單耗的影響（主要用熱設(shè)備的有關(guān)參數(shù)同上，環(huán)境溫度以20計(jì)），具體數(shù)據(jù)見表6。表6：不同水耗時包裝蒸汽單耗總水耗（m3/kl）0.60.81.01.21.5理論單耗（kg/kl）116127138149166實(shí)際單耗（kg/kl）117.6127.9140.2152179因?yàn)橄雌繖C(jī)與殺菌機(jī)溢流熱水的溫度基本上是在45-55，根據(jù)車間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示洗瓶機(jī)水耗約為殺菌機(jī)水耗的5-7倍，所以在將兩臺設(shè)備水

14、耗熱損失合并計(jì)算時，取加權(quán)平均溫度48，可能有些誤差，但對于工廠計(jì)算精度影響不大。從表6看，隨著總水耗的升高，蒸汽單耗呈快速增加；1.5 m3/kl比0.6 m3/kl的蒸汽單耗增加約43%。說明減少溢流熱水流失的熱量是包裝車間降低蒸汽單耗控制的主要途徑之一。3.3工藝溫度設(shè)置對啤酒包裝蒸汽單耗的影響（環(huán)境溫度20）在線效率100%時設(shè)兩臺設(shè)備總水耗0.6m3/kl，洗瓶機(jī)進(jìn)出瓶溫差18，進(jìn)殺菌機(jī)時酒溫8，根據(jù)不同工藝溫度設(shè)定三個方案進(jìn)行熱量衡算，具體數(shù)據(jù)見表7。表7: 不同工藝溫度時包裝蒸汽單耗方案洗瓶機(jī)殺菌機(jī)理論單耗（kg/kl）實(shí)際單耗（kg/kl）堿一槽（）堿二槽（）堿三槽（）熱水槽（

15、）第四溫區(qū)（）第五溫區(qū)（）出瓶溫度（）一80858065676337133.2141.5二75807560666236112.7120.3三70757055656135109.5113.7從表7看，方案一蒸汽單耗最高，方案三蒸汽單耗最低，方案三比方案一蒸汽單耗降低約18%；說明降低工藝溫度可降低包裝車間的蒸汽單耗；因此，在保證洗瓶需要和殺菌強(qiáng)度的前提下，應(yīng)將工藝溫度設(shè)置得低些。經(jīng)過半年的生產(chǎn)實(shí)踐證明方案三在我司是完全可行的，蒸汽單耗的降低也是明顯的。4、 相同工藝溫度、環(huán)境溫度情況下，不同生產(chǎn)線效率對啤酒包裝蒸汽單耗的影響非常大，因?yàn)樵诎b設(shè)備空轉(zhuǎn)的情況下，用熱設(shè)備的各項(xiàng)能耗仍在繼續(xù)，成為無功

16、消耗。洗瓶機(jī)的蒸汽消耗約（800-1000）kg/小時，殺菌機(jī)的蒸汽消耗約（1700-2000）kg/小時；那么，包裝車間用熱設(shè)備總的蒸汽消耗約（2500-3000）kg/小時；因此，可以計(jì)算不同生產(chǎn)線效率的理論蒸汽單耗，結(jié)合實(shí)際蒸汽單耗進(jìn)行對比分析。工藝按方案三，兩臺設(shè)備總的無功消耗蒸汽以2600 kg/小時計(jì)算（109.5kg/kl*24kl/小時=2616kg/小時），具體數(shù)據(jù)見表8。表8：不同生產(chǎn)線效率的蒸汽單耗線效率（%）100959085807570理論單耗（kg/kl）109.5115.2121.5128.6136.6145.6155.9實(shí)際單耗（kg/kl）117.6122.2

17、130138.9148.8166.2從表8看，生產(chǎn)線效率越低，蒸汽單耗越大；因此，如何提高線效率，減少無功消耗成為包裝車間節(jié)能降耗的重點(diǎn)。（1）通過對洗瓶機(jī)的熱量衡算，我們找到溢流熱水是控制蒸汽消耗的主要因素，所以在提高線效率的同時，應(yīng)加強(qiáng)停機(jī)時的噴沖調(diào)節(jié)，將水耗降至最低，盡量減少無功溢流熱水消耗；（2）通過對殺菌機(jī)的熱量衡算，我們發(fā)現(xiàn)物料自身帶走大量熱量，在停機(jī)時，為了控制殺菌強(qiáng)度不至于太高，系統(tǒng)將通過大量的補(bǔ)水來降低殺菌溫度，這樣溢流熱水量將比正常生產(chǎn)時成倍增長，所以應(yīng)努力提高生產(chǎn)線效率。5、總結(jié)通過對包裝車間主要用熱設(shè)備的熱量衡算，我們找到影響因素主要有環(huán)境溫度、水耗、工藝溫度設(shè)置和線效

18、率。通過對各因素進(jìn)行理論計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)的對比，深入分析影響程度后確立可控的因素是:水耗、工藝溫度設(shè)置和線效率。（1）合理調(diào)整用熱設(shè)備自身的熱量利用，達(dá)到熱量平衡，不但減少蒸汽使用量，而且降低水耗、降低溢流熱水帶走的大量熱能；（2）控制合理的較低工藝溫度，不但可以降低輸出物料自身的溫度，而且可以降低用熱設(shè)備自身的熱輻射，如洗瓶機(jī)和殺菌機(jī)采取方案三的工藝溫度設(shè)置完全可以達(dá)到洗凈瓶要求（前面有預(yù)洗機(jī)），也可以保證10個PU的殺菌強(qiáng)度，確保生物穩(wěn)定性；從而將蒸汽單耗控制在較低的范圍；（3）生產(chǎn)線效率是最重要的影響因素，線效率90%比70%的蒸汽單耗降低約30%。（論文在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用見下面附表）

19、附表：包裝用熱設(shè)備蒸汽消耗的量化設(shè)計(jì)圖例表示工藝參數(shù)（溫度）表示環(huán)境參數(shù)（溫度）表示設(shè)備參數(shù)表示消耗估算值表示計(jì)算結(jié)果一、洗瓶機(jī)的計(jì)算1、輻射熱損失計(jì)算槽區(qū)環(huán)境參數(shù)(t）各槽工藝參數(shù)（T)參數(shù)差值a1(T/100)4(t/100)4a2a0設(shè)備參數(shù)（m2）熱量消耗計(jì)算值（kj）各槽總消耗（kj）kl產(chǎn)量消耗（kj）110.0 40.0 30.0 4.6395.979264.14254.89.4205.64143147.984822197.71210.0 75.0 65.0 5.61146.66264.14255.711.35641.2281310.0 80.0 70.0 5.72155.274

20、64.14255.911.65645.3816410.0 75.0 65.0 5.61146.66264.14255.711.33827.9762510.0 55.0 45.0 5.12115.74364.14255.210.36027.7575610.0 40.0 30.0 4.6395.979264.14254.89.42、物料熱量消耗計(jì)算瓶型物料容量產(chǎn)出物料量產(chǎn)出物料溫度環(huán)境參數(shù)(t）溫度差值熱量消耗計(jì)算值（kj）10.330.43610.0 26.0 21115.15 20.470.453710.0 27.0 17320.21 30.490.473810.0 28.0 17994.29

21、 40.50.53910.0 29.0 19430.00 50.590.524010.0 30.0 17715.25 60.60.554110.0 31.0 19039.17 3、溢流水熱量消耗計(jì)算耗水溢流水量溢流水溫度環(huán)境參數(shù)(t）溫度差值熱量消耗計(jì)算值（kj）10.545.0 10.0 35.0 7350020.646.0 10.0 36.0 9072030.747.0 10.0 37.0 10878040.848.0 10.0 38.0 12768050.949.0 10.0 39.0 1474206150.0 10.0 40.0 1680004、千升啤酒產(chǎn)量熱量總消耗計(jì)算方案輻射熱損失

22、（kj）物料熱量消耗（kj）溢流水熱量消耗（kj）總熱量消耗（kj）蒸汽消耗（kg/折算）122197.7139521115.15 73500116812.87 55.22623026222197.7139517320.21 90720130237.93 61.57326679322197.7139517994.29 108780148972.00 70.43027258422197.7139519430.00 127680169307.71 80.04449474522197.7139517715.25 147420187332.97 88.5663886622197.7139519039.

23、17 168000209236.88 98.92201601二、殺菌機(jī)的計(jì)算1、輻射熱損失計(jì)算槽區(qū)環(huán)境參數(shù)(t）各槽工藝參數(shù)（T)參數(shù)差值a1(T/100)4(t/100)4a2a0設(shè)備參數(shù)（m2）熱量消耗計(jì)算值（kj）各槽總消耗（kj）kl產(chǎn)量消耗（kj）110.0 3020.0 4.1884.288964.14254.58.7152.89.2017797.1239114568.59210.0 4232.0 4.798.45664.14254.89.5327.28.29271310.0 5242.0 5.03111.56664.14255.110.127.211.5543410.0 6353.0 5.33127.45564.14255.410.754.530.9355510.0 6050.0 5.26122.96464.14255.310.670.437.13972、物料熱量消耗計(jì)算瓶型物料容量產(chǎn)出物料量1產(chǎn)出物料量2產(chǎn)出物料溫度進(jìn)入物料溫度(t）溫度差值熱量消耗計(jì)算值（kj）10.3310.4338.0 25.0 116578.03 20.4710.45348.0 26.0 116804.72 30.4910.47358.0 27.0 121328.63