啤酒包装车间的热量衡算与控制

啤酒包装车间的热量衡算与消耗控制林志清【摘要】通过对包装车间主要用热设备的热量衡算，找到影响蒸汽消耗的主要因素，比较各因素对蒸汽消耗的影响程度，深入分析降低蒸汽单耗的有效途径，提出通过合理的较低工艺温度设置、降低溢流热水消耗及提高生产线效率等来降低包装车间的蒸汽消耗。【关键词】热量衡算啤酒蒸汽消耗工艺控制目前，节能降耗是制造业所面临的迫切问题，啤酒工业总体上还是高能耗的产业，能源短缺问题日益严重，如何降低包装车间的蒸汽消耗一直以来都是啤酒行业努力的方向。本文采用热量衡算法对主要用热设备进行蒸汽消耗的计算分析，从而指导啤酒包装车间开展降低吨酒蒸汽消耗的活动，现将取得的一些经验供同行参考。1、啤酒工厂主要的载热体是饱和水蒸汽，包装车间主要用热设备是洗瓶机和杀菌机，其他用热设备因为用热量小且用量比较稳定，本文不做讨论。1.1热量衡算方法及基本公式在热量衡算时，我们将每一台设备看做一个系统，根据热力学第一定律，能量在系统中将不会消失，而是进行形式的转变或转移。在啤酒包装车间进出洗瓶机和杀菌机的只有饱和水蒸汽、生产物料和水，其过程基本没有发生化学性质的改变，所以系统的热量输入与热量输出将保持平衡，故有：Q输入=Q输出输入：加热蒸汽的内能差，即蒸汽的汽化潜热，记为Q。输出：①进出系统物料的内能差，记为Q1。②溢流水的内能差，记为Q2。③热辐射损失，记为Q3。故：Q=Q1+Q2+Q3（公式1-1）1.2物体的内能差：物体因温度变化所吸收（放出）的热量值，即为内能差。其计算公式为：Q=mc△t（公式1-2）式中Q为物体的内能差，即物体温度变化所需的热量（KJ）；m为质量（kg），c为比热（KJ/(kg·K)），△t为温度差（k）。[1]1.3热辐射损失的计算：物体通过电磁波来传递能量的过程，称为辐射。其中因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。在包装设备主要是通过机台外壁面与周围空气以辐射和对流方式同时联合传热。根据平壁传热公式：Q=qτ=F*a0*（T1–T2）*τ（公式1-3）q=F*a0*（T1–T2）（公式1-4）a0=a1+a2a1=1.977（T1–T2）¼a2=C*[(T1/100）4–(T2/100）4]/（T1–T2）式中Q为热辐射损失（J/kl），q为单位时间热辐射损失（J/s），F为表面积（m2），τ为热辐射时间（s/kl），a0为联合给热系数[J/(m2·s·k）]，T1为设备外表面温度（k），T2为环境温度（k），a1为对流给热系数，a2为辐射给热系数，C为灰体辐射系数[J/（m2·s·k4）]，在本文取C=4.5。[2]由公式1-4可计算出单位时间用热设备各个温区的热辐射损失，然后将各温区的热辐射损失相加，就是单位时间用热设备总的热辐射损失∑qn（J/s），由此根据生产速度可推算出每KL啤酒的热辐射损失。2、啤酒包装车间主要用热设备的热量衡算及分析2.1包装车间主要用热设备的有关参数（表1）：设环境温度20℃。表1：洗瓶机、杀菌机各温区（槽）温度设置及有效热损失面积洗瓶机杀菌机温度（℃）面积（m2）温度（℃）面积（m2）碱一槽8056第1、8温区3052.8*2碱二槽8556第2、7温区4227.2*2碱三槽8038第3、6温区5227.2*2温、热水槽6560第4温区6754.5其他4040第5温区6370.4∑qn（J/s）145313.4∑qn（J/s）97696.62.2洗瓶机的热量衡算：洗瓶机进出系统的物料是饱和水蒸汽、空瓶和自来水，以600ml瓶型计算，空瓶重量0.52kg/瓶，进出瓶温差18℃，溢流水温差27℃，溢流热水水耗（以下简称水耗）0.7m3/kl，根据公式（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=qτ=∑qn*τ=145313.4*150=21797003（J/kl）=21797（KJ/kl）Q洗=Q1+Q2+Q3=111629（KJ/kl）式中Q洗为单位产量洗瓶机加热蒸汽的汽化潜热（KJ/kl），Q1为单位产量空瓶的内能差（KJ/kl），Q2为单位产量溢流水的内能差（KJ/kl），Q3为单位产量洗瓶机热辐射损失（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（℃）；洗瓶机∑qn等于145313.4（J/s），以40000瓶/小时的生产速度计算τ等于150（s/kl）。通过计算，折算成5kg压力的饱和水蒸汽（汽化潜热为2115.17KJ/kg），洗瓶机的蒸汽单耗为111629/2115.17=52.78（kg/kl）。热量传递和转移的分布及比例见表2。表2：洗瓶机热量传递和转移的分布及比例Q洗（KJ）Q1（KJ/kl）Q2（KJ/kl）Q3（KJ/kl）111629104527938021797Qn/Q洗（%）9.471.119.5从表2看，洗瓶机消耗的热能71.1%是由溢流热水带走的，19.5%是由机体热辐射损失，只有9.4%是由空瓶带走，因此，应该把控制蒸汽消耗的重点放在如何减少溢流热水量和降低辐射热损失。2.3杀菌机的热量衡算：杀菌机进出系统的物料是饱和水蒸汽、瓶装啤酒和自来水，以600ml瓶型计算，空瓶重量0.52kg/瓶，进出瓶温差29℃，溢流水温差32℃，水耗0.2m3/kl，根据公式（1-1、1-2、1-3）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=qτ=∑qn*τ=97696.6*150=14654492（J/kl）=14654.5（KJ/kl）Q杀=Q1+Q2+Q3=170052.8（KJ/kl）式中Q杀为单位产量杀菌机加热蒸汽的汽化潜热（KJ/kl），Q1为单位产量瓶装啤酒的内能差（KJ/kl），Q2为单位产量溢流水的内能差（KJ/kl），Q3为单位产量杀菌机热辐射损失（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（℃）；杀菌机∑qn等于97696.6（J/s），以40000瓶/小时的生产速度计算τ等于150（s/kl）。通过计算，折算成5kg压力的饱和水蒸汽（汽化潜热为2115.17KJ/kg），杀菌机的蒸汽单耗为170052.8/2115.17=80.4（kg/kl）。热量传递和转移的分布及比例见表3。表3：杀菌机热量传递和转移的分布及比例Q杀（KJ）Q1（KJ/kl）Q2（KJ/kl）Q3（KJ/kl）170052.8128518.32688014654.5Qn/Q杀（%）75.615.88.6从表3看，杀菌机消耗的热能75.6%是由瓶装啤酒自身带走的，15.8%是由溢流热水带走，只有8.6%是由机体热辐射损失；因此，应该把控制蒸汽消耗的重点放在如何降低酒体出系统的温度及降低溢流热水量上。2.4综上所述，啤酒包装车间主要用热设备总的蒸汽单耗（M）及蒸汽单耗的分布、比例见表4。M=M洗瓶+M杀菌=52.78+80.4=133.2(kg/kl)表4：包装车间蒸汽单耗的分布及比例M（KJ）M洗（KJ）M杀（KJ）M洗/M（%）M杀/M（%）133.252.7880.439.660.4从表4看，洗瓶机蒸汽单耗约占包装车间蒸汽单耗总量的40%，杀菌机蒸汽单耗约占包装车间蒸汽单耗总量的60%。3、假设生产线效率100%的情况下，对不同环境温度、不同水耗及不同工艺温度设置进行热量衡算，分析理论计算值及其在生产过程中的控制措施。3.1环境温度对啤酒包装蒸汽单耗的影响（主要用热设备的有关参数同上），具体数据见表5。表5：不同环境温度时包装蒸汽单耗环境温度（气温℃）夏季（35）春秋季（20）冬季（5）理论单耗（kg/kl）126.9133.2163.6实际单耗（kg/kl）127.4137.9168.2从表5看，包装车间蒸汽单耗夏季最低，冬季最高；说明环境温度越高，设备向周围环境的热辐射损失越少，车间统计数据也表明了这点。3.2水耗对啤酒包装蒸汽单耗的影响（主要用热设备的有关参数同上，环境温度以20℃计），具体数据见表6。表6：不同水耗时包装蒸汽单耗总水耗（m3/kl）0.60.81.01.21.5理论单耗（kg/kl）116127138149166实际单耗（kg/kl）117.6127.9140.2152179因为洗瓶机与杀菌机溢流热水的温度基本上是在45-55℃，根据车间统计数据显示洗瓶机水耗约为杀菌机水耗的5-7倍，所以在将两台设备水耗热损失合并计算时，取加权平均温度48℃，可能有些误差，但对于工厂计算精度影响不大。从表6看，随着总水耗的升高，蒸汽单耗呈快速增加；1.5m3/kl比0.6m3/kl的蒸汽单耗增加约43%。说明减少溢流热水流失的热量是包装车间降低蒸汽单耗控制的主要途径之一。3.3工艺温度设置对啤酒包装蒸汽单耗的影响（环境温度20℃）在线效率100%时设两台设备总水耗0.6m3/kl，洗瓶机进出瓶温差18℃，进杀菌机时酒温8℃，根据不同工艺温度设定三个方案进行热量衡算，具体数据见表7。表7:不同工艺温度时包装蒸汽单耗方案洗瓶机杀菌机理论单耗（kg/kl）实际单耗（kg/kl）碱一槽（℃）碱二槽（℃）碱三槽（℃）热水槽（℃）第四温区（℃）第五温区（℃）出瓶温度（℃）一80858065676337133.2141.5二75807560666236112.7120.3三70757055656135109.5113.7从表7看，方案一蒸汽单耗最高，方案三蒸汽单耗最低，方案三比方案一蒸汽单耗降低约18%；说明降低工艺温度可降低包装车间的蒸汽单耗；因此，在保证洗瓶需要和杀菌强度的前提下，应将工艺温度设置得低些。经过半年的生产实践证明方案三在我司是完全可行的，蒸汽单耗的降低也是明显的。4、相同工艺温度、环境温度情况下，不同生产线效率对啤酒包装蒸汽单耗的影响非常大，因为在包装设备空转的情况下，用热设备的各项能耗仍在继续，成为无功消耗。洗瓶机的蒸汽消耗约（800-1000）kg/小时，杀菌机的蒸汽消耗约（1700-2000）kg/小时；那么，包装车间用热设备总的蒸汽消耗约（2500-3000）kg/小时；因此，可以计算不同生产线效率的理论蒸汽单耗，结合实际蒸汽单耗进行对比分析。工艺按方案三，两台设备总的无功消耗蒸汽以2600kg/小时计算（109.5kg/kl*24kl/小时=2616kg/小时），具体数据见表8。表8：不同生产线效率的蒸汽单耗线效率（%）100959085807570理论单耗（kg/kl）109.5115.2121.5128.6136.6145.6155.9实际单耗（kg/kl）／117.6122.2130138.9148.8166.2从表8看，生产线效率越低，蒸汽单耗越大；因此，如何提高线效率，减少无功消耗成为包装车间节能降耗的重点。（1）通过对洗瓶机的热量衡算，我们找到溢流热水是控制蒸汽消耗的主要因素，所以在提高线效率的同时，应加强停机时的喷冲调节，将水耗降至最低，尽量减少无功溢流热水消耗；（2）通过对杀菌机的热量衡算，我们发现物料自身带走大量热量，在停机时，为了控制杀菌强度不至于太高，系统将通过大量的补水来降低杀菌温度，这样溢流热水量将比正常生产时成倍增长，所以应努力提高生产线效率。5、总结通过对包装车