Dựa trên biểu đồ phân bố tổn thất năng lượng tại nồi húp lông hóa thì ta thấy lượng nhiệt tổn thất ra môi trường chỉ chiếm 0,81%. Tuy nhiên, tại thời điểm nồi húp lông hóa đã sôi thì chỉ tồn tại hai thành phần tổn thất là tổn thất do hơi nước thải ra môi trường và do tổn thất ra môi trường qua kết cấu. Như vậy, tại thời điểm nồi húp lông hóa sôi, việc tận dụng thu hồi hơi thải có ý nghĩa rất lớn vì nhiệt lượng này đã gần như cân bằng với lượng nhiệt cấp vào. Nhiệt được sử dụng trong tất cả các công đoạn của quá trình sản xuất, nhưng lượng nhiệt được sử dụng chủ yếu ở một số khâu như:
- Nhiệt được sử dụng trong quá trình nấu (theo bảng 2-9). Thông thường lượng nhiệt này được cấp trực tiếp bởi lò hơi. Tại nhà máy bia Thanh Hóa sử dụng 3 lò hơi đốt than công suất 2,5 tấn/h.
- Nước công nghệ có nhiệt độ 800C được sử dụng để hoà trộn với dịch tại nồi hồ hoá, nồi malt và bổ sung cho quá trình lọc là 13,38 m3 (theo các tính toán ở phần trên) và được cấp bởi lượng nước sau khi làm lạnh dịch sau thùng lắng xoáy. Sơ đồ công nghệ cho quá trình này được trình bày trên hình vẽ 1 trong phần phụ lục. Lượng nước thu được đủ cung cấp cho nhu cầu sử dụng
tại hệ nấu, nên các biện pháp gia nhiệt nước cấp của hệ nấu là không cần thiết, vì đã tận dụngtriệt để lượng nhiệt từ hơi thoát ra trong nồi húp lông.
Hơi sau khi ra khỏi nồi húp lông là hơi sạch, hơi này có nhiệt độ 1000C và áp suất 1 kg/cm2. Các thông số vật lý của hơi chưa đủ để gia nhiệt cho dịch và đảm bảo chế độ sôi yêu cầu hay nói chính xác hơn là sẽ đòi hỏi thiết bị trao đổi nhiệt có diện tích truyền nhiệt lớn, thời gian trao đổi nhiệt lâu. Mặt khác, lượng hơi này chưa không thể đủ để có thể gia nhiệt cho chính thiết bị sinh hơi và tổn thất tại thiết bị rửa hơi. Do đó, ngoài lượng hơi tái nén tuần hoàn, cần bổ sung thêm một lượng hơi cấp từ lò hơi của nhà máy. Hai dòng hơi thứ cấp (hơi tái tuần hoàn) và cấp I (hơi từ lò hơi) sẽ được phối trộn với nhau nhờ một bơm hơi (từ đây được gọi là ejector).
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ THUYẾT MINH KỸ THUẬT CHO HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ
DỤNG TRONG PHÂN XƯỞNG NẤU 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hê thống tiết kiệm năng lượng
Hơi bốc lên từ nồi hup lông hoá sau khi đi qua thiết bị làm kín đường ống, được đưa về tháp rửa hơi, tại đây hơi được rửa sạch để loại bỏ những cặn bẩn hữu cơ có cuấn theo hơi khi bay ra khỏi nồi húp lông hóa, ở đây hơi được
cho đi từ dưới lên, ngược chiều vơi dòng nước nóng 900C được phun từ trên
đỉnh tháp xuống. Hơi sau khi ra khỏi tháp rửa hơi là hơi sạch đã được loại bỏ hết cặn bẩn, có nhiệt độ là 1000C, áp suất hơi là 1 kg/cm2, hơi này được đưa
về máy nén hơi, tại đây hơi được nén lên áp suất cao (có P khoảng 1,6kg/m2
và nhiệt độ khoảng 1450C) sau đó lượng hơi tái nén này được phối trộn với
một lượng hơi từ lò hơi (Hơi cấp I) trong thiết bị phối trộn (Ejector) hơi tái
nén sau khi phối trộn với hơi cấp I có được áp suất khoảng 1,8 kg/cm2, hơi
này được đưa trở lại nồi húp lông hoá để gia nhiệt cho dịch đường. Nước rửa hơi sau khi thực hiện quá trình rửa hơi xong có nhiệt độ là 1000C sau khi đi qua thiết bị tách cặn, sẽ được trao đổi nhiệt với nước nóng 800C để có nước nóng 990C đưa về tank tích trữ năng lượng và hạ nhiệt độ xuống còn 900C sau đó quay trở lại tháp rửa hơi để thực hiện quá trình rửa hơi. Nước ngưng trong quá trình rửa hơi và lượng nước nằm lại trong tháp rửa trước mỗi lần rửa hơi sẽ được gia nhiệt cho nước thường có nhiệt độ 23,60C để có nước nóng 800C đưa về tank chứa nước nóng trước khi được thải bỏ ra cống ở nhiệt độ khoảng 350C.
Thông thường trong thực tế sản xuất cho thấy, các ống trao đổi nhiệt được chế tạo từ ống h 52. Khi sử dụng các ống này, thiết bị tránh được hiện tượng bám cháy trên bề mặt ống nhưng tốc độ sôi, tốc độ tuần hoàn rất chậm. Để tăng khả năng tuần hoàn và tốc độ sôi, và để tận dụng hiệu quả hệ thống
thiết bị tiết kiệm năng lượng nên ta đã thay thế các ống 52 bằng các ống 38. Để tránh hiện tượng bám cháy thành trong ống, nên ta cần phải lắp đặt thêm một bộ gia nhiệt dịch trước khi đưa vào nồi hup lông hóa. Dịch đường được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt dịch để nâng nhiệt độ của dịch từ 760C lên 950C bằng nước nóng 990C từ tank tích trữ năng lượng, sau khi gia nhiệt
nước nóng có nhiệt độ là 800C sẽ được đưa về phần đáy của tank tích trữ
năng lượng.
3.2 Tính và chọn các thiết bị của hệ thống tiết kiệm năng lượng
3.2.1 Tính và chọn cụm thiết bị gia nhiệt cho dịch trước đun hoaNhi Nhi
ệm vụ: Như đã nói ở trên, khi lựa chọn giải pháp tái nén hơi tuần
hoàn ở nồi hoa, chúng ta cần có tốc độ sôi nhanh và ổn định. Vì vây, chùm ống trao đổi nhiệt đã được thay ổi từ loại ống ố 52 thông thường xuống đường kính ống k 38 để dịch luân chuyển trong ống nhanh hơn. Tuy nhiên, việc thay đổi này có thể dẫn đến việc bám cháy trên thành trong của ống. Để khăc phục hiện tượng này, cần phải thiết kế bổ sung cho hệ thống thiết bị một bộ gia nhiệt dịch trước khi vào nồi hoa. Thiết bị này có tác dụng nâng nhiệt độ dịch lên tới 95OC. Vì vậy, ngay sau khi tiếp xúc với bộ gia nhiệt trung tâm, dịch đạt đến trạng thái sôi rất nhanh làm quá trình lưu chuyển trong ống diễn ra mạnh mẽ.
3.2.2 Tính và chọn các thiết bị cho cụm trao đổi nhiệt nước ngưng
Thông thường, tại nhà máy bia, nước ngưng tại thiết bị gia nhiệt được thu hồi về lò hơi để tiết kiệm năng lượng nhiệt và xử lý nước. Do tính toán cho trường hợp tận dụng, tái nén hơi cấp vào nồi húp lông hóa nên nước ngưng từ nồi húp lông hóa có độ tinh khiết không cao. Mặt khác, do tái nén hơi nên chỉ bổ sung một phần hơi từ lò hơi. Vì vậy, trong hệ thống này, ta không tuần hoàn nước ngưng trực tiếp về lò hơi mà thải bỏ. Để tận dụng thu hồi nhiệt, trước khi thải bỏ, cho nước ngưng trao đổi nhiệt với nước cấp có
nhiệt độ thường của nhà máy để có nước nóng cho quá trình gia nhiệt dịch vừa nêu ở trên
Do có sự thay đổi về quá trình cấp nhiệt tại nồi húp lông hóa nên tổn thất nhiệt tại nồi húp lông hóa cũng thay đổi. Theo cách tính tương tự như chương 2, ta tính được các tổn thất năng lượng cho nồi húp lông hóa theo bảng 3-1 và xây dựng được biểu đồ phân bố tổn thất nhiệt tại nồi húp lông hóa khi áp dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng theo hình 3-1.
Tính toán, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước ngưng
Tham khảo tài liệu kỹ thuật của ejector do hãng GEA Jet pump (CHLB Đức) thì với áp suất hơi thứ cấp là 1 kg/cm2 và hơi cấp I là 10 kg/c m2, áp suất
hơi đầu ra của ejector thường vào khoảng 1,6 đến 1,8 kg/c m2. Vậy tạm tính
với áp suất hơi đầu ra là 1,8 kg/c m2. Giá trị này sẽ được kiểm tra lại khi chọn ejector.
Theo tính toán trên đây, lượng nhiệt cần thiết cấp cho nồi hoa trong toàn bộ quá trình là: Qtổn thất = 8601796 kJ. Nhiệt lượng này được cấp bởi hơi nước bão hòa ở áp suất 1,8 kg/c m2 và nhiệt độ nước ngưng tụ ra khỏi thiết bị là 1050C (bằng nhiệt độ sôi của dịch). Theo đó, các thông số vật lý của nước và hơi nước là:
- Nhiệt độ hơi nước bão hòa khô ở áp suất phơi=1,8 kg/c m2: thơi =116,90C.
- Nhiệt ẩn hóa hơi của nước bão hòa ở nhiệt độ 116,90C là: r = 2211
kJ/kg.
- Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 116,90C là: i1 = 490,7 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: i2 = 439,4 kJ/kg. Công suất nhiệt của thiết bị là:
Q = 60 . 85 1112268 = 218 (kW) = 218000 (W).
Lượng nhiệt mà nước truyền cho dịch được tính theo công thức: Q = k.F.∆t, [W].
Trong đó:
k: là hệ số truyền nhiệt, [W/ m2K].
F: là diện tích truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt, [m2]. ∆t: là độ chênh nhiệt độ trung bình giữa nước và dịch, [K].
Hệ số truyền nhiệt k được chọn dựa vào các thông số sau: lưu lượng môi chất, nhiệt độ môi chất vào, ra... Theo catalogue của nhà sản xuất chọn k = 6371,3 W/m2K.
Vậy diện tích truyền nhiệt của thiết bị là: F = kQ.∆t = 6371218000,3.13,12= 2,61 m2.
Từ các thông số trên ta chọn được thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm model Sigma M7NBL của hãng Schmitd có các thông số kỹ thuật đáp ứng được các yêu cầu trên.
Tính toán, chọn kế tank chứa nước ngưng tuần hoàn
Chọn bơm có lưu lượng (Qbơm) là 3m3/h tại cột áp 5m H2O. Do nước
ngưng được bơm tuần hoàn, nên tank chứa không cần có kích thước lớn. Lượng nước sẽ được tự động xả ra cống nhờ van điện từ điều khiển bằng báo mức. Do độ trễ lớn nhất của các thiêt bị tự động hóa thường nhỏ hơn 30 giây nên ta thiết kế tank trao đổi nhiệt nước ngưng đảm bảo chứa được 1 phút lượng dịch cấp cho bơm. Thể tích chứa nước trong tank tuần hoàn nước ngưng là:
3.2.3 Tính và chọn thiét bị cho cụm thiết bị rửa hơi
Chọn loại thiết bị rửa hơi và trao đổi nhiệt hỗn hợp kiểu tưới. Hơi đi vào được chuyển động qua lớp đệm bằng vòng pala thép không gỉ đường kính
25mm, dày 3mm có diện tích bề mặt riêng là 200 m2/m3 và khối lượng riêng
530 kg/ m3. Tại đó hơi trao đổi nhiệt với nước xối ngược chiều và trao đổi
nhiệt với nước để hạ nhiệt độ từ 1050C xuống còn 1000C và một phần ngưng
tụ.
Tổng năng suất trao đổi nhiệt tại thiết bị rửa hơi (Qtháp rửa) và thiết bị thu hồi nhiệt nước ngưng (Qnước ngưng) bằng lượng nhiệt dùng để gia nhiệt nước nóng từ 800C lên 990C (Qnước 99) có kể đến tổn thất. Do đó, có thể tính được nhiệt lượng và lưu lượng nước cần thiết cấp cho thiết bị rửa hơi dựa trên các thông số của nước và hơi bão hòa có tính tới tổn thất (bằng 5%):
Qtháp rửa = (Qnước 99 - Qnước ngưng).1,05 (3-7)
Theo các số liệu tính toán ở phần trước ta có
Qtháp rửa = (2643215- 1112268). 1,05 = 1607494 (kJ)
Tại tháp rửa đồng thời diễn ra 2 quá trình trao đổi nhiệt: quá trình ngưng
tụ hơi nước ở nhiệt độ 1050C và quá trình hạ nhiệt độ của nước từ 1050C
xuống còn 900C bằng cách bơm lượng nước đã ngưng tụ trao đổi nhiệt với
nước nóng 800C để tạo ra nước 990C.
Lượng hơi ngưng tụ tại tháp rửa hơi được tính bằng: Ghơingưng= ) 4 , 417 4 , 439 ( 2244 1607494 ) ( ) (1 2 + 1 − 2 = + − + = − + r i i Q Q i i r Qthaprua N hanhiet = 709 kg. (4-8) Trong đó:
- Nhiệt ẩn hóa hơi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: r =2244 kJ/kg. - Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1050C là: i1 = 439,4 kJ/kg.
- Entanpi của nước bão hòa ở nhiệt độ 1000C là: i2 = 417,4 kJ/kg. Nhiệt lượng do ngưng tụ là:
QN = Ghơi ngưng. r = 709.2244 = 1591886 (kJ). Nhiệt lượng do hạ nhiệt hơi là:
Qhạnhiệt = Ghơingưng.(i1-i2) = 709.(439,4-417,4) = 15608 (kJ).
Tính toán, chọn tháp rửa hơi
Thông số quan trọng nhất của tháp rửa là diện tích truyền nhiệt của khối đệm. Như đã tính ở trên, lượng nhiệt trao đổi tại tháp gồm 2 thành phần, nhiệt ngưng tụ và nhiệt hạ nhiệt. Do quá trình ngưng tụ có hệ số tỏa nhiệt rất lớn
(tới hàng nghìn W/m2K) trong khi hệ số tỏa nhiệt đối lưu chỉ nhỏ hơn 20 W/
m2K. Do đó, khi tính toán diện tích trao đổi nhiệt cho thiết bị rửa hơi ta chỉ cần tính toán cho lượng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu, đối với lượng nhiệt trao đổi nhiệt do ngưng tụ, bản thân việc lấy dự phòng 5% tổn thất cũng đảm bảo hoạt động ổn định của thiết bị. Diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị được tính theo công thức:
F = kQ.∆t =156067,7.7,35,7 = 274,6 (m2). (3-9 Trong đó:
Hiệu nhiệt độ trung bình: ∆t = 5 , 94 100 5 , 94 105 ln ) 5 , 94 100 ( ) 5 , 94 105 ( − − − − − = 7,7 0C Hệ số truyền nhiệt k = 7,35 (W/m2K).
Ta có diện tích bề mặt riêng của đệm kim loại pala là 200 m2/m3 Do đó, thể tích khối đệm là: Vđệm = = 2746200 r F F = 1,37 (m3). (3-10) Diện tích mặt cắt thân tháp: S = = 3856470.1,3,6 hoi hoi v G = 0,71(m2). (3-11)
Với vhơi = 1,3 m/s là vận tốc dòng khí qua tháp và thời gian hoạt động của thiết bị là 70 phút. Đường kính tháp: D = 14 , 3 71 , 0 . 4 . 4 = π S = 0,95; m. (3-12)
Chiều cao khối đệm: h =
71 , 0 37 , 1 = S Vdem = 1,94; m. (3-13)
Tính, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước ngưng
Theo tính toán trên đây, lượng nhiệt trao đổi tại thiết bị là: Qtháp rửa=1607494 (kJ).
Tại thiết bị trao đổi nhiệt này, nhiệt lượng do nước rửa hơi thải ra sẽ gia
nhiệt cho nước 800C để có nước nóng 990C đưa về tank trữ nhiệt đồng thời
giảm nhiệt độ từ 1000C xuống còn 900C. Do đó, môi chất có nhiệt độ thấp là nước có nhiệt độ đầu vào và ra là: tnl1 = 800C và tnl2 = 990C. Môi chất có nhiệt độ cao là nước có nhiệt độ đầu vào là tnn1=1000C sẽ được làm lạnh xuống còn tnn2 = 900C. Các thông số vật lý khác tìm được:
- Nhiệt dung riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 950C là: 4,22 kJ/kgK.
- Khối lượng riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 950C là: 959 kg/m3.
- Nhiệt dung riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 89,50C là:
4,195 kJ/kgK.
- Khối lượng riêng của nước bão hòa tại nhiệt độ trung bình 89,50C là:
959 kg/m3.
Theo công thức (3-2) ta tính được lượng nước được gia nhiệt tại thiết bị:
Gnước 90 =4,1951607494.(99−80)= 20049 (kg) Theo công thức (3-3) ta tính được
99 100 80 90 ln ) 99 100 ( ) 80 90 ( − − − − − = ∆t = 3,910C Công suất nhiệt của thiết bị là: Q = 60 . 70 1607494 = 383 (kW) = 383000 (W).
Hệ số truyền nhiệt k được chọn dựa vào các thông số sau: lưu lượng môi chất, nhiệt độ môi chất vào/ra... Theo catalogue của nhà sản xuất chọn k =
5495W/m2K
Vậy diện tích truyền nhiệt là: F = kQ.∆t = 5495383000.3,91 = 17,81(m2).
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản của hãng Schmitd model Sigma26NBL có các thông số kỹ thuật phù hợp.
Tính, chọn thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản cho nước cấp hai
Lượng nước nóng trao đổi nhiệt tại thiết bị này bao gồm lượng nước ngưng tụ tại tháp rửa hơi và lượng nước nóng lấy từ tank nước nóng chứa trong đáy tháp trước mỗi mẻ nấu. Theo thiết kế tháp, chiều cao cột lỏng trong
tháp là 500mm, tương đương với thể tích khối nước tại đáy tháp là 0,354 m3
nước có khối lượng riêng là 959 (kg/ m3).
3.2.4 Tính và chọn thùng tích trữ năng lượng
Lượng nước cần gia nhiệt cho dịch trước khi vào nồi húp lông hóa là 35,1m3. Do nước tại tank tích trữ năng lượng có sự phân tầng nhiệt độ nước,
nước nóng 990C sẽ nằm ở phần trên của tank và dưới đáy tank nước có nhiệt
độ 800C. Do đó, thể tích nước 990C chỉ chiếm khoảng 50% tổng thể tích tank