淺談小型啤酒工藝中制冷系統的計算與選型

由可欣

摘 要：隨著祖國“一帶一路”戰略的實施，我國的工業輸出能力也是不斷地增強。2016年，委內瑞拉的一個啤酒廠家，需要新建一個年產6000噸的小型啤酒廠，整套裝置都需要從我國進口，筆者根據所學習的知識，并結合設備生產廠家的樣本，參與了其中的制冷系統的計算與選型。

關鍵詞：啤酒工藝；制冷系統；計算與選型

中圖分類號：TS201.1 文獻標識碼：A

一、項目所在地及氣象資料及現場條件

1.夏季濕球溫度tw=28.5℃（委內瑞拉）。

2.供電：440V/60Hz/3P。

3.冷凝溫度+38℃。

4.采用R22制冷劑。

5.冷媒：-5℃～-3℃或者更低的乙二醇水溶液。

二、此啤酒工藝中冷負荷計算

簡單的啤酒工藝流程：主要分制麥、糖化、發酵、罐裝4個部分。冷凍機產生的冷負荷主要用于：糖化工段中的熱麥汁冷卻；發酵工段中的發酵啤酒冷卻，脫氧水的制備，啤酒花儲存等等。而制冷系統中的用電量，占總用電量的70%，可以說制冷是重中之重。（考慮到啤酒的比熱和密度基本與水相同，本文給啤酒降溫的冷負荷的計算就都按照水的參數考慮。）

1.糖化系統

原理：通過板式換熱器，用2℃冰水，將糖化設備產生熱麥汁降溫

計算依據：

冰水與熱麥汁之比為1.2；糖化設備每一鍋次生產4m3熱麥汁，每天生產5鍋次；麥汁流量8.3m3/h，冰水流量至少為10m3/h；

冷負荷見表1：

Q1=mcΔt*5/24=10*1000*78*5/24=162500kal/h

冰水來源：產自冷凍機的-3℃的冷媒，通過冰水板換，獲取2℃冰水：

冰水的流量（見表2）：

162500/23.5/1000=6.9m3/h（考慮蓄冷能力及波谷用電的經濟性，設置了兩個20m3的冰水罐）

糖化系統冷媒的流量（見表2）：

162500/4/1000=40.6m3/h

2.發酵系統

原理：發酵罐、清酒罐帶有冷媒夾套，冷媒流經夾套，對啤酒進行降溫。

發酵系統，前期大部分時間是保冷，主要用冷負荷是發酵后期的降溫過程，從12℃降到-1℃，用時6天。

發酵罐、清酒罐構成為：

15個20 m3（有效容積）發酵罐，利用-3℃冷媒進行降溫；

6個8m3（有效容積）發酵罐，利用-3℃冷媒進行降溫；

2個8m3（有效容積）清酒罐，利用-3℃冷媒進行降溫、保溫；

每天（24小時）裝滿1個20m3容積的發酵罐。

由于主要用冷點，是每天的20m3容積的發酵罐的后期發酵降溫，6天降溫時間里，最大用冷負荷相當于6個20m3容積的發酵罐的同時降溫。

冷負荷（見表3）：

Q=mcΔt=6*20*1000*13/24/6=10833kal/h

考慮到其余罐子的保冷需要，按照30%的系數考慮，

Q2=1.3* Q=1.3*10833=14083 kal/h

發酵系統冷媒的流量：

14083/4/1000=3.5m3/h

3.啤酒激冷設備

原理：是把一個發酵罐（最多20m3）的啤酒在發酵后期，利用冷媒進行迅速降溫（大約4小時內），以析出啤酒內的冷凝固物，提升啤酒過濾效果。

Q3=mcΔt=20*1000*7/4=35000kal/h

啤酒速冷系統冷媒的流量：

35000/4/1000=8.8m3/h

綜上，總冷負荷：

Q4=Q1+Q2+Q3=162500+10833+35000=208333kal/h

考慮管道冷耗和采用載冷劑這種間接制冷的方式，按照10%的系數考慮：

Q5=1.1*Q4=1.1*20833=229166kal/h=266kW

糖化、發酵、速冷的用冷點冷媒流量合：

40.6+3.5+8.8=52.9 m3/h

三、制冷設備的選擇

（一）制冷工藝原理：制冷系統主要分壓縮、冷凝、節流、蒸發4個部分。利用制冷劑R22通過在制冷系統中相變，在蒸發器中吸收冷媒的熱量，制造出-3℃冷媒，將冷負荷傳遞到啤酒工藝中各個用冷點：

1.1臺6m3冷媒儲罐，用于制備2℃冰水，用于糖化系統。冷媒溫度在-7℃～-3℃。

2.1臺10m3冷媒儲罐，用于發酵系統。冷媒溫度在-3℃。

3.1臺4m3冷媒儲罐，用于啤酒激冷系統。冷媒溫度在-5℃～-3℃。

所吸收的冷媒的熱量，在冷凝器中將這部分熱量傳遞到冷卻水系統中。冷卻水系統采擇了通過冷卻塔降溫，將熱量排到室外大氣中。

（二）最關鍵的冷凍機：采用了武漢新世界制冷工業有限公司生產的自動一體化的半封閉螺桿式乙二醇機組，具有高效率、高自動化、高可靠性的特點。數量：兩臺。考慮到備用機及后期擴產，需要新上脫氧水系統和啤酒花冷庫系統的需要。

參數見表5。

冷卻水進/出口溫度：30℃/34℃；冷媒進/出口溫度：1℃/-3℃，流量：55.6m3/h。

考慮到系統用冷點的溫度可能會波動，選定的制冷機組的出水溫度可以在-20℃～0℃任意設定，只要冷媒的濃度配比不結凍即可。

結語

本次制冷系統的選型計算，充分考慮到小型啤酒系統的工藝特點，在理論計算的同時，考慮到現場的安裝水平，運營維護能力，選取了此方案。經業主反饋，此系統制冷效果良好，完全滿足工廠的產能需求和能耗標準。

參考文獻

[1]呂寧，徐佳，顏魯齊，等.啤酒發酵系統溫度優化控制仿真研究[J].計算機仿真，2016（5）：335-338.endprint