第二節(jié)熱量平衡計算

內(nèi)容一、熱量衡算的意義、方法和步驟

二、計算實例（3000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算）一、熱量衡算的意義、方法和步驟

（一）熱量衡算的意義

計算生產(chǎn)過程能耗定額指標

設(shè)備類型的選擇及確定其尺寸、臺數(shù)的依據(jù)

組織和管理、生產(chǎn)、經(jīng)濟核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)

（二）熱量衡算的方法和步驟

畫出單元設(shè)備的物料流向及變化的示意圖分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式

搜集數(shù)據(jù)

確定合適的計算基準

進行具體的熱量計算

1．畫出單元設(shè)備的物料流向及變化的示意圖。2．分析物料流向及變化，寫出熱量衡算式：Q入=Q出+Q損式中Q入——輸入的熱量總和（kJ）

Q出——輸出的熱量總和（kJ）

Q損——損失的熱量總和（kJ）通常，Q入=Q1+Q2+Q3Q出=Q4+Q5+Q6+Q7Q損=Q8式中Q1——物料帶入的熱量（kJ）Q2——由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和所處理的物料的熱量（kJ）Q3——過程的熱效應(yīng)，包括生物反應(yīng)熱、攪拌熱等（kJ）Q4——物料帶出的熱量（kJ）Q5——加熱設(shè)備需要的熱量（kJ）Q6——加熱物料需要的熱量（kJ）Q7——氣體或蒸汽帶出的熱量（kJ）3．搜集數(shù)據(jù)為了使熱量衡算順利進行，計算結(jié)果正確無誤和節(jié)約時間，首先要搜集有關(guān)數(shù)據(jù)，如物料量、工藝條件以及必需的物性數(shù)據(jù)等。這些有用的數(shù)據(jù)可以從專門手冊查閱，或取自工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或根據(jù)試驗研究結(jié)果選定。

4．確定合適的計算基準在熱量衡算中，取不同的基準溫度，算出的（5-8）式中各項數(shù)據(jù)就不同。所以必須選準一個設(shè)計溫度，且每一物料的進出口基準態(tài)必須一致。通常，取0℃為基準溫度可簡化計算。此外，為使計算方便、準確，可靈活選取適當?shù)幕鶞?，如?00kg原料或成品、每小時或每批次處理量等作基準進行計算。

5．進行具體的熱量計算（1）物量帶入的熱量Q1和帶出熱量Q4可按下式計算，即：Q=ΣGct式中G——物料質(zhì)量（kg）c——物料比熱容〔kJ/(kg·K)〕t——物料進入或離開設(shè)備的溫度（℃）（2）過程熱效應(yīng)Q3

過程的熱效應(yīng)主要有生物合成熱QB、攪拌熱QS和狀態(tài)熱（例如汽化熱、溶解熱、結(jié)晶熱等）：Q3=QB+QS

式中QB——發(fā)酵熱（呼吸熱）（kJ），視不同條件、環(huán)境進行計算，參考本章第四節(jié)（二）有關(guān)內(nèi)容QS=3600P（kJ）

其中P為攪拌功率（kW），為攪拌過程功熱轉(zhuǎn)化率，通常=92%。

（3）加熱設(shè)備耗熱量Q5為了簡化計算，忽略設(shè)備不同部分的溫度差異，則：

Q5=Gc（t2-t1）式中G——設(shè)備總質(zhì)量（kg）c——設(shè)備材料比熱容〔kJ/(kg·K)〕t1、t2——設(shè)備加熱前后的平均溫度（℃）（4）氣體或蒸汽帶出熱量Q7Q7=ΣG（ct+r）

式中G——離開設(shè)備的氣態(tài)物料量（kg）

c——液態(tài)物料由0℃升溫至蒸發(fā)溫度的平均比熱容〔kJ/(kg·K)〕t——氣態(tài)物料溫度（℃）

r——蒸發(fā)潛熱（kJ/kg）

（5）設(shè)備向環(huán)境散熱Q8為了簡化計算，假定設(shè)備壁面的溫度是相同的，則：Q8=FT（tw-ta）

式中F——設(shè)備總表面積（m2）T——壁面對空氣的聯(lián)合給熱系數(shù)〔W/(m2·℃)〕

tw——壁面溫度（℃）

ta——環(huán)境空氣溫度（℃）

——操作過程時間（s）

T的計算：①空氣作自然對流，T=8+0.05tw②強制對流時，T=5.3+3.6W（空氣流速W=5m/s）或T=6.7W0.78（W>5m/s）（6）加熱物料需要的熱量Q6Q6=Gc（t2-t1）

式中G——物料質(zhì)量（kg）

c——物料比熱容〔kJ/(kg·K)〕t1、t2——物料加熱前后的溫度（℃）（7）加熱（或冷卻）介質(zhì)傳入（或帶出）的熱量Q2對于熱量平衡計算的設(shè)計任務(wù)，Q2是待求量，也稱為有效熱負荷。若計算出的Q2為正值，則過程需加熱；若Q2為負值，則過程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需冷卻。序號

名稱

規(guī)格每噸產(chǎn)品消耗定額

每小時最大用量

每晝夜（或每小時）消耗量

年消耗量

備注

最后，根據(jù)Q2來確定加熱（或冷卻）介質(zhì)及其用量。通常，能量消耗綜合表如表5-10所示。表5-10能量消耗綜合表

有關(guān)熱量衡算值得注意的幾個問題:（1）確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉(zhuǎn)化熱量的其他能量，不要遺漏。但對衡算影響很小的項目可以忽略不計，以簡化計算。（2）確定物料計算的基準、熱量計算的基準溫度和其他能量基準。在相變時，必須確定相態(tài)基準，不要忽略相變熱。（3）正確選擇與計算熱力學數(shù)據(jù)。（4）在有相關(guān)條件約束，物料量和能量參數(shù)（如溫度）有直接影響時，宜將物料平衡和熱量平衡計算聯(lián)合進行，才能獲得準確結(jié)果。

二、計算實例（3000t/a啤酒廠糖化車間熱量衡算）

二次煮出糖化法是啤酒生產(chǎn)常用的糖化工藝，下面就以此工藝為基準進行糖化車間的熱量衡算。工藝流程示意圖如圖5-6所示，其中的投料量為糖化一次的用量（計算參考本章第一節(jié)表5-7）。圖5-6啤酒廠糖化工藝流程示意圖

糖化過程各步操作熱量計算：（一）糖化用水耗熱量Q1

（二）第一次米醪煮沸耗熱量Q2

（三）第二次煮沸前混合醪升溫至70℃的耗熱量Q3

（四）第二次煮沸混合醪的耗熱量Q4

（五）洗糟水耗熱量Q5

（六）麥汁煮沸過程耗熱量Q6

（七）糖化一次總耗熱量Q總

（八）糖化一次耗用蒸汽量D

（九）糖化過程每小時最大蒸汽耗量Qmax

（十）蒸汽單耗

（一）糖化用水耗熱量Q1根據(jù)工藝，糖化鍋加水量為：G1=（1003.9+200.8）4.5=5421.15(kg)

式中，1003.9為糖化一次大米粉量，200.8為糊化鍋加入的麥芽粉量（為大米量的20%）。而糖化鍋加水量為：G2=2808.93.5=9831.15(kg)

式中，2808.9為糖化一次糖化鍋投入的麥芽粉量，即3009.7-200.8=2808.9(kg)。而3009.7為糖化一次麥芽定額量。

故糖化總用水量為：Gw=G1+G2=15252.3(kg)自來水平均溫度取t1=18℃，而糖化配料用水溫度t2=50℃,故耗熱量為：Q1=（G1+G2）cw(t1-t2)=488073.6(kJ)（二）第一次米醪煮沸耗熱量Q2由糖化工藝流程（圖5-6）可知，

1．糊化鍋內(nèi)米醪由初溫t0加熱至100℃耗熱2．煮沸過程蒸汽帶出的熱量3．熱損失1．糊化鍋內(nèi)米醪由初溫t0加熱至100℃耗熱=G米醪c米醪（100-t0）（1）計算米醪的比熱容c米醪根據(jù)經(jīng)驗公式c谷物=0.01[(100-W)c0+4.18W]進行計算。式中W為含水百分率；c0為絕對谷物比熱容，取c0=1.55kJ/(kg·K)。c麥芽=0.01[(100-6)1.55+4.186]=1.71[kJ/(kg·K)]c大米=0.01[(100-13)1.55+4.1813]=1.89[kJ/(kg·K)]（2）米醪的初溫t0設(shè)原料的初溫為18℃，而熱水為50℃，則

=47.1（℃）（3）把上述結(jié)果代回（5-15）式，得：

=6625.853.76(100-47.1)=1317908(kJ)

2．煮沸過程蒸汽帶出的熱量設(shè)煮沸時間為40min，蒸發(fā)量為每小時5%，則蒸發(fā)水分量為：V1=G米醪5%4060=220.86(kg)

故=V1I=220.862257.2=498525(kJ)

式中，I為煮沸溫度（約為100℃）下水的汽化潛熱（kJ/kg）。

3．熱損失米醪升溫和第一次煮沸過程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即：=15%（+）4．由上述結(jié)果得：Q2=1.15(+)=2088898(kJ)（三）第二次煮沸前混合醪升溫至70℃的耗熱量Q3

按糖化工藝，來自糊化鍋的煮沸的米醪與糖化鍋中的麥醪混合后溫度應(yīng)為63℃，故混合前米醪先從100℃冷卻到中間溫度t。1．糖化鍋中麥醪的初溫t麥醪已知麥芽粉初溫為18℃，用50℃的熱水配料，則麥醪溫度為：=46.67（℃）2．根據(jù)熱量衡算，且忽略熱損失，米醪與麥醪并合前后的焓不變，則米醪的中間溫度為：

=96（℃）3．Q3=G混合c混合（70-630）=494918(kJ)（四）第二次煮沸混合醪的耗熱量Q4由糖化工藝流程可知：1．混合醪升溫至沸騰所耗熱量Q4

2．二次煮沸過程蒸汽帶走的熱量Q4

3．熱損失Q4

1．混合醪升溫至沸騰所耗熱量Q4（1）經(jīng)第一次煮沸后米醪量為：G米醪=G米醪-V=6625.85-220.86=6405(kg)糖化鍋的麥芽醪量為：

G麥醪=G麥+G2=2808.9+9831.15=12640(kg)故進入第二次煮沸的混合醪量為：G混合=G米醪+G麥醪=6405+12640=19045(kg)

（2）據(jù)工藝，糖化結(jié)束醪溫為78℃，抽取混合醪的溫度為70℃，則送到第二次煮沸的混合醪量為：（3）麥醪的比熱容=3.63〔kJ/(kg·K)〕混合醪比熱容：=3.67〔kJ/(kg·K)〕（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70）=559860（kJ）2．二次煮沸過程蒸汽帶走的熱量Q4

煮沸時間為10min，蒸發(fā)強度5%，則蒸發(fā)水分量為：V2=26.7%G混合5%1060=42.4(kg)

故Q4=IV2=2257.242.4=95705.3(kJ)式中，I為煮沸溫度下飽和蒸汽的焓（kJ/kg）。3．熱損失Q4根據(jù)經(jīng)驗有：Q4=15%（Q4+Q4）4．把上述結(jié)果代回（5-16）式得Q4=1.15(Q4+Q4)=753900(kJ)（五）洗糟水耗熱量Q5

設(shè)洗糟水平均溫度為80℃，每100kg原料用水450kg，則用水量為：G洗=4013450100=18058.5(kg)

故Q5=G洗cw(80-18)=4680041(kJ)

（六）麥汁煮沸過程耗熱量Q6Q6=Q6+Q6+Q3

1．麥汁升溫至沸點耗熱量Q6

2．煮沸過程蒸發(fā)耗熱量Q6

3．熱損失Q3

1．麥汁升溫至沸點耗熱量Q6由表5-7糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到598.3kg熱麥汁，并設(shè)過濾完畢麥汁溫度為70℃。則進入煮沸鍋的麥汁量為：G麥汁=4013598.3100=24010(kg)=3.85〔kJ/(kg·K)〕故Q6=G麥汁c麥汁（100-70）=2773155(kJ)

2．煮沸過程蒸發(fā)耗熱量Q6煮沸強度10%，時間1.5h，則蒸發(fā)水分為：V3=2401010%1.5=3601.5(kg)故Q6=2257.23601.5=8129306(kJ)3．熱損失為Q6=15%(Q6+Q6)4．把上述結(jié)果代碼（5-17）式可得出麥汁