I. Tính nhiệt lạnh
3. Lượng nhiệt lạnh cấp cho hệ thống cấp men giống
a. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để tái sử dụng men kết lắng
* Rửa men:
Lượng nước rửa sữa men kết lắng ứng với 1 tank lên men có thể tích bằng 3 lần thể tích sữa men kết lắng ứng với một tank lên men
Vn = 3 × 2241,6 = 6724,8(l), hay Gn = 6724,8(kg)
Nước ban đầu vào có nhiệt độ 25˚C, để thực hiện quá trình rửa men kết lắng nước cần được làm lạnh xuống 1 – 2˚C, Δtn = 24˚C. Ở điều kiện này nhiệt dung riêng trung bình của nước là: Cn = 4,185(kJ.kg-1.độ-1)
Nhiệt lạnh cần cung cấp để làm lạnh nước là:
Qrửa men = Gn × Cn × Δtn = 6724,8 × 4,185 × 24 = 675.103(kJ)
Lượng men kết lắng ứng với 1 tank lên men là 2241,6(l) có thể tái sử dụng được khoảng 1100(l), khi hoạt hoá sẽ cho 5000(l) men giống có thể cấp để lên men dịch đường ứng với 2 tank.
* Bảo quản men:
Men sữa sau rửa, kiểm tra hoạt lực cần được bảo quản lạnh ở nhiệt độ 0 – 2˚C. Thực hiện bảo quản ngay trong thùng rửa men, tổn thất lạnh trong quá trình bảo quản là:
Qtt = K × F × Δt (kJ/h)
K: Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt K = 1,2(kJ.m-2.độ-1.h-1) Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 32˚C
Nhiệt độ bảo quản men sữa ttr = 0˚C Δt = tng – ttr = 32˚C
F: Diện tích truyền nhiệt (m2)
Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở thân trụ của thùng thì: F = π × Dng × H = π × 1,8 × 2,52 = 14,3(m2)
Suy ra: Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 14,3 × 32 = 547,2(kJ/h)
Lượng nhiệt lạnh cần cấp để bảo quản men trong một ngày là: Qbảo quản = 24 × Qtt = 24 × 547,2 = 13,1.103(kJ)
* Hoạt hoá men:
Men sữa trước khi tái sử dụng được hoà trộn với lượng dịch đường có thể tích gấp 4 lần thể tích men sữa và để nhiệt độ tăng từ từ tới gần nhiệt độ lên men 8˚C. Trong quá trình hoạt hoá độ cồn của dịch tăng lên tới khoảng 0,3%.
Thể tích dịch men sữa đã hoạt hoá bằng 1/100 thể tích dịch ứng với 1 tank lên men: 1118,8(l). Coi tỷ khối của dịch bằng 1. Khối lượng cồn được tạo ra là: 0,003 × 1118,8 = 3,3564(kg)
Tương ứng với lượng cồn tạo thành, nhiệt lượng toả ra là: Q = 184 3 , 312 × 3356,4 = 5,7(kJ)
Tổn thất lạnh trong quá trình hoạt hoá: Qtt = K × F × Δt (kJ/h)
K: Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt K = 1,2(kJ.m-2.độ-1.h-1) Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 32˚C
Nhiệt độ men hoạt hoá ttr = 8˚C Δt = tng – ttr = 24˚C
F: Diện tích truyền nhiệt (m2)
Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì: F = π × Dng × H = π × 1,2 × 1,57 = 5,9(m2)
Suy ra: Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 5,9 × 24 = 170,5(kJ/h)
Thời gian hoạt hoá men khoảng 6h, thì lượng nhiệt lạnh cần cấp cho quá trình hoạt hoá men là: Qhoạt hoá = Q + 6 ×Qtt = 5,7 + 6 × 170,5 ≈ 103(kJ)
► Lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cấp trong một ngày để tái sử dụng men kết lắng là: Qmen sữa KL = Qrửa men + Qbảo quản + Qhoạt hoá = 675.103 + 13,1.103 + 103 = 689,1.103(kJ)
b. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để nhân men
* Nhân men cấp II:
Lượng dịch đường sử dụng để nhân men cấp II bằng 1/10 lượng dịch lên men, tức có thể tích 11188(l). Dịch đường sử dụng để nhân men có nồng độ chất chiết 12˚Bx, có khối lượng riêng 1,048kg/l. Khối lượng dịch đường dùng để nhân giống cấp II là: 11188 × 1,048 = 11725(kg)
Lượng chất khô có trong dịch đường nhân men cấp II là: 0,12 × 11725 = 1407,0(kg)
Trong đó có 80% chất chiết là đường có khả năng lên men. Ta coi trong lượng chất chiết chuyển hoá chiếm 60% tổng lượng chất chiết có trong dịch đường, thì khối lượng chất khô chuyển hoá là: 0,6 × 1407 = 844,2(kg). Coi chất khô chuyển hoá là đường maltose, 1 kg đường maltose lên men toả ra nhiệt lượng 913,1kJ.
Nhiệt lượng toả ra là: Q1 = 913,1 × 844,2 = 770,8.103(kJ) Tổn thất lạnh:
Qtt = K × F × Δt (kJ/h)
K: Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt K = 1,2(kJ.m-2.độ-1.h-1) Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 32˚C
Nhiệt độ nhân men sản xuất ttr = 16˚C Δt = tng – ttr = 16˚C
F: Diện tích truyền nhiệt (m2)
Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì: F = π × Dng × H = π × 2,4 × 2,77 = 20,9(m2)
Suy ra: Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 20,9 × 16 = 401(kJ/h) Tổn thất lạnh trong một ngày là:
Q2 = 24 × Qtt = 24 × 401 = 9,6.103(kJ)
Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để nhân men cấp II là: QNMcấp II = Q1 + Q2 = 770,8.103 + 9,6.103 = 780,4.103(kJ) * Nhân men cấp I:
Thể tích dịch nhân men cấp I bằng 1/3 thể tích dịch nhân men cấp II, tức là có thể tích: 3729(l), cũng nhân men ở 16˚C và sử dụng dịch đường có nồng độ chất chiết 12˚Bx. Ta cũng coi lượng chất chiết chuyển hoá chiếm 60% tổng lượng chất chiết trong dịch đường thì nhiệt lượng do nhân men cấp I toả ra bằng 1/3 nhiệt lượng do nhân men cấp II toả ra: Q1’ = Q1/3 = 770,8.103/3 = 256,9.103(kJ)
Tổn thất lạnh:
Qtt = K × F × Δt (kJ/h)
K: Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt K = 1,2(kJ.m-2.độ-1.h-1) Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 32˚C
Nhiệt độ nhân men sản xuất ttr = 16˚C Δt = tng – ttr = 16˚C
F: Diện tích truyền nhiệt (m2)
Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì: F = π × Dng × H = π × 1,8 × 2,01 = 11,4(m2)
Suy ra: Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 11,4 × 16 = 218(kJ/h)
Tổn thất lạnh trong một ngày là: Q2’ = 24 × Qtt = 24 × 218 = 5,2.103(kJ) Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để nhân men cấp I là:
► Lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cấp để thực hiện quá trình nhân men trong một ngày là:
Qnhân men = QNM cấp II + QNM cấp I = 780,4.103 + 262,1.103 = 1042,5.103(kJ)
Men sữa có thể tái sử dụng 7 lần, tức là để thực hiện 8 chu kì lên men chỉ cần nhân men cho 1 chu kì đầu còn tái sử dụng men kết lắng trong 7 chu kì sau. Mặt khác ta có Qnhân men > Qmen sữa KL. Do đó lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cung cấp trong một ngày để cấp men giống là:
QCấp men = Qnhân men = 1043.103(kJ)
4. Lượng nhiệt lạnh cấp cho phân xưởng hoàn thiện
Bia sau lên men có nhiệt độ 2˚C được làm lạnh xuống –1˚C trước khi thực hiện quá trình lọc trong bia, Δt = 3˚C. Ở điều kiện này ta lấy nhiệt dung riêng trung bình của nước và chất tan quy theo đường tan là:
Cn = 4,190(kJ.kg-1.độ-1), Ct = 1,672(kJ.kg-1.độ-1).
Bia sau lên men có nồng độ chất khô là 2,5˚Bx. Nhiệt dung riêng của bia: C = 0,975Cn + 0,025Ct = 4,127(kJ.kg-1.độ-1)
Lượng bia sau lên men ứng với 1 tank lên men: 106,28m3. Bia có nồng độ chất khô 2,5˚Bx, có khối lượng riêng 1,01kg/l. Khối lượng bia tươi là:
G = 106280 × 1,01 = 107343(kg)
Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để hạ nhiệt độ bia ứng với một tank lên men là: Q1 = G.C.Δt = 107343.4,127.3 = 1329.103(kJ)
Bia sau lọc nhiệt độ sẽ tăng lên đến khoảng 1 – 2˚C, sẽ được tàng trữ trong 4 thùng chứa có vỏ áo lạnh và bảo ôn để giữ ở nhiệt độ 1 – 2˚C. Tổn thất lạnh trong quá trình này là:
Qtt = K × F × Δt (kJ/h)
K: Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt K = 1,2(kJ.m-2.độ-1.h-1) Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 32˚C
Nhiệt độ bia tàng trữ ttr = 1 – 2˚C Δt = tng – ttr = 31˚C
F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2)
Coi tổn thất nhiệt chủ yếu ở thân trụ của các thùng tàng trữ thì: F = π × Dng × H = π × 3,2 × 4,5 = 45,2(m2)
Suy ra: Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 45,2 × 31 = 1683(kJ/h) Tổn thất lạnh trong 1 ngày ở cả 4 thùng tàng trữ là: Q2 = 4 × 24 × Qtt = 4 × 24 × 1683 = 162.103(kJ)
Lượng nhiệt lạnh cấp cho phân xưởng hoàn thiện trong một ngày: QHoàn thiện = Q1 + Q2 = 1329.103 + 162.103 = 1491.103(kJ)
5. Hệ thống lạnh
Tổng lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cung cấp một ngày cho hệ thống sản xuất chính:
QLạnh = QLạnh nhanh + QLên men + QCấp men + QHoàn thiện =
= 11860.103 + 16012.103 + 1043.103 + 1491.103 = 30406.103(kJ)
Tổn hao lạnh trên hệ thống đường ống vận chuyển lưu thể và các thùng chứa nước, glycol… khoảng 10% tổng lượng nhiệt lạnh tiêu thụ cho hệ thống sản xuất chính của nhà máy. Tổng lượng nhiệt lạnh tiêu thụ cho hệ thống sản xuất
chính của nhà máy một ngày: QLạnh’ = QLạnh/0,9 = 29196.103/0,9 = 33784.103(kJ)
Chọn hệ thống lạnh có công suất 600kW, sử dụng môi chất lạnh là NH3, chất tải lạnh trung gian là nước glycol 26%. Nước glycol được làm lạnh xuống nhiệt độ khoảng – 4˚C đến – 2˚C được chứa trong thùng glycol cấp từ đây nước glycol được đưa đi để làm lạnh các bộ phận, nước glycol sau cấp lạnh nhiệt độ tăng lên khoảng 5 – 7˚C được chứa trong bình glycol hồi lại được đưa qua hệ thống làm lạnh để trở thành nước glycol lạnh, Δt = 9˚C. Ở điều kiện này lấy thông số trung bình của nước glycol 26% là:
Nhiệt dung riêng: C = 3,76(kJ.kg-1.độ-1) Khối lượng riêng: d = 1062(kg/m3)
Lượng nước glycol cần cấp tương ứng với một ngày là: Gnước glycol = t C Q ∆ × = 3 33784.10 3, 76 9× = 998.103(kg)
Thể tích nước glycol tuần hoàn trong một ngày là: Vnước glycol = G/d = 998.103/1062 = 940(m3)
Như vậy trong một giờ lượng nước glycol tuần hoàn khoảng 39 m3.
Sử dụng 2 thùng chứa nước glycol, 1 thùng nước glycol cấp và 1 thùng nước glycol hồi mỗi thùng có thể tích khoảng 30 – 35m3. Sử dụng thùng chứa nước glycol thân trụ đường kính D cao H = 1,5D, đáy cầu nhô ra h1 = 0,1D, nắp cầu nhô lên h2 = 0,1D, thể tích thùng: V = ) 6 8 ( 4 3 1 1 2 2 D h h H D π π π + + = 6 ) 1 , 0 ( 8 1 , 0 5 , 1 4 3 2 2 D D D D D π π π + + = 1,218D3 Ta có: 1,218D3 = 35(m3) Suy ra: D = 3,06(m)
Quy chuẩn: D = 3,0; H = 4,5m; h1 = 0,3m; h2 = 0,3m
Thể tích thực của thùng: V = 1,218D3 = 1,218.3,03 = 32,9(m3)
Thùng có vỏ cách nhiệt dày 100mm, đường kính ngoài của thùng: Dng = 3,2m
Thùng nước đá:
Lượng nước đá cần dùng trong một ngày để làm lạnh nhanh là: 6 × 20535 = 123210(kg)
Lượng nước đá cần để rửa sữa men kết lắng trong một ngày là: 6725(kg)
Tổng lượng nước đá tiêu tốn trong một ngày là: 123210 + 6725 = 129935(kg) tức là khoảng 130m3.
Sử dụng thùng nước đá thân trụ đường kính D cao H = 1,5D, đáy bằng, nắp cầu nhô lên h2 = 0,1D. Thể tích thùng là: D H
4 2 π = D D 5 , 1 4 2 π = 1,178D3
Thùng chứa được lượng nước đá tương ứng với 2 mẻ nấu, tức là chứa được 43,3m3 nước đá. Thể tích sử dụng của thùng 90% thì thùng cần đạt thể tích: 43,3/0,9 = 48,1(m3)
Ta có: 1,178D3 = 48,1(m3) Suy ra: D = 3,44(m) Quy chuẩn: D = 3,6m; H = 5,4m; h2 = 0,36m
Thể tích thực của thùng: V = 1,178D3 = 1,178.3,63 = 55,0(m3)
Thùng có lớp vỏ áo lạnh và cách nhiệt dày 100mm, vỏ áo lạnh được sử dụng để giữ lạnh cho nước trong thùng.
II. Tính hơi
Nhiệt lượng cung cấp để nâng nhiệt khối dịch từ nhiệt độ t1 → t2 (˚C) là: Q = G×C×Δt (kJ)
Δt = t2 – t1 (˚C)
G: Khối lượng dịch (kg)
C: Nhiệt dung riêng của khối dịch (kJ.kg-1.độ-1) Nhiệt lượng cần để duy trì nhiệt độ của khối dịch là: Q = W.L (kJ)
W: Lượng nước bay hơi (kg) L: Nhiệt hoá hơi của nước (kJ/kg) Lượng hơi cần cung cấp:
D = 0,96 ( ) n h i i Q − × ×τ (kg/h)
Q: Lượng nhiệt cần cung cấp (kJ) 0,96: Độ bão hoà của hơi nước τ: Thời gian cấp nhiệt (h)
ih: Hàm nhiệt của hơi bão hoà (kJ/kg) in: Hàm nhiệt của nước ngưng (kJ/kg)
Sử dụng hơi nước bão hoà có áp suất 3at ta có: ih = 2727,6(kJ/kg), i = 558,4(kJ/kg)
1. Lượng hơi cấp cho nồi hồ hoá
Ở nồi hồ hoá dịch bột vào ban đầu có nhiệt độ khoảng 42 - 43˚C, được nâng nhiệt lên 72˚C và giữ 10 phút, nâng lên 83˚C và giữ 30 phút, cuối cùng đun sôi 30 phút nhiệt độ khoảng 102 - 103˚C, Δt = 60˚C. Ở điều kiện này ta lấy các thông số trung bình sau:
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước là: L = 2280(kJ/kg) Nhiệt dung riêng của nước C1 = 4,186(kJ.kg-1.độ-1)
Nhiệt dung riêng của chất tan quy theo tinh bột C2 = 1,327(kJ.kg-1.độ-1) Dịch bột trong nồi có tỷ lệ bột:nước = 1:5
Nhiệt dung riêng của dịch bột khoảng: C = (5.C1 + C2)/6 = 3,71(kJ.kg-1.độ-1) Ứng với một mẻ nấu bia chai ở nồi cháo: Tổng khối lượng dịch bột G = 4980(kg)
Lượng nước bay hơi W = 12,7 1000
16700
× = 212,1(kg)
Nhiệt lượng cần để nâng nhiệt cho khối dịch là: Q1 = G.C.Δt = 4980.3,71.60 = 1109.103(kJ) Nhiệt lượng cần để duy trì nhiệt độ khối dịch là: Q2 = W.L = 212,1.2280 = 484.103(kJ)
Ngoài ra còn phải tiêu tốn một lượng nhiệt đun nóng thiết bị, tiêu tốn cho khoảng trống, thất thoát ra môi trường chiếm khoảng 5% tổng lượng nhiệt tiêu tốn cho nồi hồ hoá. Tổng lượng nhiệt tiêu tốn cho quá trình hồ hoá là: Qhh = 05 , 0 1 2 1 − +Q Q = 1676.103(kJ)
Thời gian cấp nhiệt là τ = 2h. Lượng hơi cần cấp cho nồi hồ hoá là: Dhồ hoá = 0,96 ( ) n h hh i i Q − × ×τ = 0,96 2 (2727,6 558,4) 10 . 1676 3 − × × = 402,4(kg/h)
2. Lượng hơi cấp cho nồi đường hoá
Ở nồi đường hoá, sau khi bơm dịch cháo sang hỗn dịch có nhiệt độ khoảng 54 – 55˚C, nâng nhiệt lên 63˚C và giữ 40 phút, nâng lên 72˚C và giữ 30 phút, cuối cùng nâng lên 76˚C và giữ 20 phút, Δt = 22˚C. Ở điều kiện này ta lấy các thông số trung bình sau:
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước là: L = 2340(kJ/kg) Nhiệt dung riêng của nước C1 = 4,182(kJ.kg-1.độ-1)
Nhiệt dung riêng của chất tan quy theo tinh bột C2 = 1,305(kJ.kg-1.độ-1) Dịch bột trong nồi có tỷ lệ bột:nước = 1:4,17
Nhiệt dung riêng của dịch bột khoảng: C = (4,17.C1 + C2)/5,17 = 3,626(kJ.kg-1.độ-1) Ứng với một mẻ nấu bia chai ở nồi malt: Tổng khối lượng dịch bột G = 17880(kg) Lượng nước bay hơi W = 35,2
1000
16700× = 587,8(kg)
Nhiệt lượng cần để nâng nhiệt cho khối dịch là: Q1 = G.C.Δt = 17880.3,626.22 = 1426.103(kJ) Nhiệt lượng cần để duy trì nhiệt cho khối dịch là: Q2 = W.L = 587,8.2340 = 1375.103(kJ)
Nhiệt lượng hao phí để đun nóng thiết bị, tiêu tốn cho khoảng trống, thất thoát ra môi trường chiếm 5%. Tổng lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình đường hoá là: Qđh = 05 , 0 1 2 1 − +Q Q = 2949.103(kJ)
Thời gian cấp nhiệt là τ = 1,85h. Lượng hơi cần cấp cho nồi đường hoá là: Dđường hoá = 0,96 ( ) n h đh i i Q − × ×τ = 0,96 1,85 (2727,6 558,4) 10 . 2949 3 − × × = 765,5(kg/h)
3. Lượng hơi cấp cho nồi nấu hoa
Dịch sau lọc có nhiệt độ khoảng 70˚C, trong quá trình nấu hoa dịch được đun sôi ở nhiệt độ khoảng 105˚C, Δt = 35˚C. Thời gian nấu hoa khoảng 90 phút. Ở điều kiện này ta lấy các thông số trung bình sau:
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: L = 2245(kJ/kg)
Nhiệt dung riêng của nước: C1 = 4,186(kJ.kg-1.độ-1)
Nhiệt dung riêng của chất tan quy theo đường tan: C2 = 0,997(kJ.kg-1.độ-1) Dịch đường trước đun hoa ứng với 1000 lít bia chai có khối lượng nước là 1224,9kg, có khối lượng chất chiết là 150,3kg.
Tỷ lệ nước:chất tan = 1224,9:150,3 = 8,15:1
Nhiệt dung riêng của dịch: C = (8,15.C1 + C2)/9,15 = 3,837(kJ.kg-1.độ-1) Ứng với một mẻ nấu bia chai, ở nồi nấu hoa:
Tổng khối lượng dịch là: G = 23040(kg)
Lượng nước bay hơi là: W = (1379,9 1252,7) 1000
16700× − = 2124,2(kg)
Nhiệt lượng cần để nâng nhiệt cho khối dịch là: Q1 = G.C.Δt = 23040.3,837.35 = 3094.103(kJ)
Nhiệt lượng cần để duy trì nhiệt độ cho khối dịch là: Q2 = W.L = 2124,2.2245 = 4769.103(kJ)
Nhiệt lượng hao phí để đun nóng thiết bị, tiêu tốn cho khoảng trống, thất thoát ra môi trường khoảng 5%. Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi nấu hoa là:
Qhoa = 11 0,052