淺談小型啤酒工藝中制冷系統(tǒng)的計算與選型

由可欣

摘 要：隨著祖國“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，我國的工業(yè)輸出能力也是不斷地增強。2016年，委內(nèi)瑞拉的一個啤酒廠家，需要新建一個年產(chǎn)6000噸的小型啤酒廠，整套裝置都需要從我國進口，筆者根據(jù)所學(xué)習(xí)的知識，并結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)廠家的樣本，參與了其中的制冷系統(tǒng)的計算與選型。

關(guān)鍵詞：啤酒工藝；制冷系統(tǒng)；計算與選型

中圖分類號：TS201.1 文獻標(biāo)識碼：A

一、項目所在地及氣象資料及現(xiàn)場條件

1.夏季濕球溫度tw=28.5℃（委內(nèi)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(fù)荷計算

簡單的啤酒工藝流程：主要分制麥、糖化、發(fā)酵、罐裝4個部分。冷凍機產(chǎn)生的冷負(fù)荷主要用于：糖化工段中的熱麥汁冷卻；發(fā)酵工段中的發(fā)酵啤酒冷卻，脫氧水的制備，啤酒花儲存等等。而制冷系統(tǒng)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(fù)荷的計算就都按照水的參數(shù)考慮。）

1.糖化系統(tǒng)

原理：通過板式換熱器，用2℃冰水，將糖化設(shè)備產(chǎn)生熱麥汁降溫

計算依據(jù)：

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

冷負(fù)荷見表1：

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

冰水來源：產(chǎn)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(jīng)濟性，設(shè)置了兩個20m3的冰水罐）

糖化系統(tǒng)冷媒的流量（見表2）：

162500/4/1000=40.6m3/h

2.發(fā)酵系統(tǒng)

原理：發(fā)酵罐、清酒罐帶有冷媒夾套，冷媒流經(jīng)夾套，對啤酒進行降溫。

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

發(fā)酵罐、清酒罐構(gòu)成為：

15個20 m3（有效容積）發(fā)酵罐，利用-3℃冷媒進行降溫；

6個8m3（有效容積）發(fā)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(fā)酵罐。

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

冷負(fù)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(shù)考慮，

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

發(fā)酵系統(tǒng)冷媒的流量：

14083/4/1000=3.5m3/h

3.啤酒激冷設(shè)備

原理：是把一個發(fā)酵罐（最多20m3）的啤酒在發(fā)酵后期，利用冷媒進行迅速降溫（大約4小時內(nèi)），以析出啤酒內(nèi)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(tǒng)冷媒的流量：

35000/4/1000=8.8m3/h

綜上，總冷負(fù)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(shù)考慮：

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

糖化、發(fā)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(shè)備的選擇

（一）制冷工藝原理：制冷系統(tǒng)主要分壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4個部分。利用制冷劑R22通過在制冷系統(tǒng)中相變，在蒸發(fā)器中吸收冷媒的熱量，制造出-3℃冷媒，將冷負(fù)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(tǒng)。冷媒溫度在-7℃～-3℃。

2.1臺10m3冷媒儲罐，用于發(fā)酵系統(tǒng)。冷媒溫度在-3℃。

3.1臺4m3冷媒儲罐，用于啤酒激冷系統(tǒng)。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(tǒng)中。冷卻水系統(tǒng)采擇了通過冷卻塔降溫，將熱量排到室外大氣中。

（二）最關(guān)鍵的冷凍機：采用了武漢新世界制冷工業(yè)有限公司生產(chǎn)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(shù)量：兩臺。考慮到備用機及后期擴產(chǎn)，需要新上脫氧水系統(tǒng)和啤酒花冷庫系統(tǒng)的需要。

參數(shù)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(tǒng)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(shè)定，只要冷媒的濃度配比不結(jié)凍即可。

結(jié)語

本次制冷系統(tǒng)的選型計算，充分考慮到小型啤酒系統(tǒng)的工藝特點，在理論計算的同時，考慮到現(xiàn)場的安裝水平，運營維護能力，選取了此方案。經(jīng)業(yè)主反饋，此系統(tǒng)制冷效果良好，完全滿足工廠的產(chǎn)能需求和能耗標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

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