Luận văn Nghiên cứu thiết kế hộ thống tiết kiệm năng lượng cho hệ thống thiết bị nhà nấu bia

iệm năng lượng vào hệ thống, và đánh giá mức độ hiệu quả của nó - Hệ thống có công suất lớn, hiệu quả tiết kiệm năng lượng (nếu có) sẽ rất dễ so sánh và hiệu quả đạt được sẽ cao hơn. - Hệ thống này chính là một trong những cụm thiết bị chính của toàn nhà máy, có ảnh hưởng lớn tới công suất của các hệ thống phụ trợ như lò hơi, hệ thống lạnh, hệ thống CIP vệ sinh, và các dây chuyền thiết bị khác như dây chuyền chiết chai, tank lên men... do đó khi cải tạo hệ thống này tức là đã can thiệp vào quá trình sản xuất của cả nhà máy. Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật cơ bản của các thiết bị trong hệ thống nấu Các thông số cơ bản của thiết bị Đơn vị Nồi hồ hoá Nồi đường hoá Nồi lọc bã Nồi houblon hoá Nồi trung gian Nồi lắng xoáy 1 Số lượng nồi Cái 1 1 2 1 1 1 2 Chiều cao thân trụ mm 2000 2500 1700 3000 2500 2250 3 Đường kính trong d1 mm 3200 4300 4100 4500 4300 5000 4 Đường kính ngoài(kể cả bảo ôn) d2 mm 3400 4500 4300 4700 5400 5010 5 Độ côn ở đỉnh nồi độ 130 130 130 130 130 130 6 Độ côn ở đáy nồi độ 144 144 0 144 144 0 7 Chiều dày cách nhiệt mm 93 93 93 93 93 0 8 Chiều dày thân nồi mm 4 4 4 4 4 5 9 Chiều dầy nón nồi mm 3 4 4 4 4 5 10 Chiều dày đáy nồi mm 5 5 8 5 5 8 11 Chiều dày vỏ bảo ôn mm 2 2 2 2 2 0 12 Đường kính ống thoát hơi mm 360 360 360 360 360 360 13 Thể tích tổng thẻ m3 16,7 43,5 26,7 57,2 43,5 51,8 12 Thề tích dịch chứa m3 10,3 28,2 13,6 34,5 34,5 31 Áp dụng các công thức (2-1), (2-2), (2-3) và (2-4) ta tính được các thông số của các nồi như bảng 2-2. Bảng 2.2 Thể tích và khối lượng của các nồi trong hệ thống nấu TT Các thông số cơ bản của thiết bị Đơn vị Nồi hồ hoá Nồi đường hoá Nồi lọc bã Nồi houblon hoá Nồi trung gian Nồi lắng xoáy 1 Thể tích vật liệu chế tạo thân m3 0,0805 0,1352 0,0877 0,1698 0,1352 0,1769 2 Thể tích vật liệu chế tạo nón nồi m3 0,0113 0,0271 0,0247 0,0297 0,0271 0,0459 3 Thể tích vật liệu chế tạo đáy nồi m3 0,0131 0,0236 0,1056 0,0259 0,0236 0,1571 4 Tổng thể tích vật liệu chế tạo nồi m3 0,1049 0,186 0,218 0,2254 0,186 0,3798 5 Tổng khối lượng vật liệu chế tạo nồi kg 832 1.475 1.728 1.787 1.475 3.012 Hệ thống nấu là nơi tiêu thụ năng lượng để thực hiện quá trình chuẩn bị dịch cho quá trình lên men, năng lượng nhiệt tiêu thụ gồm: lượng nhiệt cấp để nâng nhiệt độ của dịch, vách nồi và bù vào các tổn thất nhiệt trong quá trình nấu như tổn thất nhiệt do bay hơi và tổn thất truyền qua kết cấu ra môi trường do độ chênh lệch nhiệt độ. 2.2.3 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong nhà máy bia Năng lượng sử dụng trong nhà máy bia gồm các dạng: Điện, nhiệt và lạnh. Nhưng do khuôn khổ của luận văn không cho phép, ở đây chỉ nói đến dạng năng lượng nhiệt và lạnh. Dạng năng lượng này được sử dụng ở nhiều quá trình, công đoạn khác nhau: Các quá trình cần sử dụng nhiệt gồm: - Quá trình nấu: trong quá trình này có nhiều giai đoạn cần sử dụng hơi từ lò hơi để gia nhiệt cho dịch; - Quá trình CIP: sau một thời gian định kỳ phải tiến hành về sinh các thiết bị nấu, lên men... bằng nước nóng, xút nóng và axít; - Quá trình thanh trùng: để bảo quản được bia lâu hơn sau khi đóng chai, bia phải được thanh trùng bằng nước nóng để diệt men; Các quá trình công nghệ cần sử dụng lạnh: - Quá trình làm lạnh dịch hèm: dịch hèm nóng ở thùng lắng xoáy trước khi đi lên men phải được làm lạnh bằng chất tải lạnh (thường là glycol, nước lạnh...) xuống nhiệt độ yêu cầu (từ 60C đến 120C tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ lên men của từng loại sản phẩm). Nhu cầu lạnh ở khâu này rất lớn do dịch hèm có độ chênh nhiệt độ cao, khối lượng dịch lớn. Thông thường, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm được sử dụng làm thiết bị trao đổi nhiệt giữa dịch hèm và chất tải lạnh do nó có ưu điểm là hiệu quả trao đổi nhiệt cao, kích thước nhỏ gọn. - Quá trình làm lạnh các tank lên men: vì quá trình lên men toả nhiệt nên để đảm bảo cho quá trình lên men diễn ra ở nhiệt độ yêu cầu phải có một phụ tải lạnh tương đương để bù vào lượng nhiệt đó. Lượng nhiệt này thường được lấy đi nhờ chất tải lạnh như: glycol lạnh, nước lạnh hoặc trong một vài trường hợp được làm lạnh trực tiếp bằng gas lạnh (NH3, Freon)... - Quá trình thu hồi CO2: sản phẩm đồng hành với rượu (C2H5OH) được tạo ra trong quá trình lên men là CO2. Để thu hồi CO2, phải nén CO2 đến áp suất đủ lớn để hoá lỏng lạnh. Quá trình hoá lỏng CO2 đòi hỏi năng suất lạnh lớn. - Các quá trình khác: bảo quản bia, nuôi cấy lên men cũng cần sử dụng lạnh. Hệ thống thiết bị trong nhà máy bia tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho các quá trình trao đổi nhiệt, cụ thể bao gồm các quá trình gia nhiệt, các quá trình làm lạnh, kéo theo đó là việc tiêu tốn các dạng năng lượng khác như điện năng cung cấp cho quá trình làm lạnh của các máy lạnh, dầu, than đá tiêu tốn cho các lò hơi. Sơ đồ tiêu thụ năng lượng trong dây chuyền công nghệ sản xuất bia được minh họa trong hình 2-2 và hình vẽ 2 trong phần phụ lục. Dây chuyền được lựa chọn trong tính toán là: dây chuyền của Nhà máy bia Thanh Hoá - Công ty Cổ phần bia Thanh Hoá với công suất 60 triệu lít/năm. Cũng giống như gần 400 nhà máy bia đang vận hành ở Việt Nam, Nhà máy bia Thanh Hoá có trình độ công nghệ ở mức trung bình, trang thiết bị trong dây chuyền sản xuất không đồng bộ do đã trải qua nhiều lần cải tạo nâng công suất. Nhà máy bia Thanh Hoá có những đặc điểm chung đặc trưng cho các nhà máy bia ở nước ta. Cho nên, công nghệ sản suất và dây chuyền thiết bị trong nhà máy được lựa chọn để giới thiệu và làm cơ sở tính toán năng lượng tiêu thụ. 2.2.4 Tính toán cân bằng sản phẩm cho hệ thống nấu Để đảm bảo năng suất mẻ nấu đạt 30m3 dịch/mẻ hay năng suất của hệ thống đạt 60 triệu lít/năm, tính được lượng dịch đi lên men là: Tỷ lệ malt và gạo cho mỗi mẻ nấu là 75/25% ta tính được lượng gạo (Gg), và malt (Gm) cần thiết cho một mẻ nấu là: Gg = Gđường. . (2-7) = = 1269 (kg) Gm = Gđường. (2-8) = = 3561 (kg). Trong đó: η - Hiệu suất hoà tan thực tế của gạo và malt (lấy bằng 80% và 76%); g - Độ ẩm của gạo (bằng 13% ). m - Độ ẩm của malt (bằng 7% ). ζng - Tổn thất trong quá trình nghiền (bằng 0,3% ). ζs - Tổn thất do quá trình thuỷ phân còn sót lại (bằng 1% ). Tính toán cân bằng chất tại nồi hồ hoá: + Khối lượng dịch trong nồi hồ hoá giai đoạn phối trộn nguyên liệu: Khối lượng dịch tại nồi hồ hoá bao gồm: khối lượng của bột gạo, khối lượng của nước và khối lượng của malt lót (Gml) (theo yêu cầu công nghệ lấy bằng 10% lượng bột gạo): Khối lượng malt lót: Gml = Gg.10% = 1269. 10% = 126,9, lấy bằng 127 (kg). (2-9) Lượng nước đưa vào phối trộn với bột gạo trong nồi hồ hoá (Gnhh ) (tỷ lệ phối trộn nước/bột là 4/1) là: Gnhh = 4.(Gg + Gml) = 4.(1269 + 127) = 5584 (kg). (2-10) Do độ ẩm của gạo là 13%, độ ẩm của malt là 7% (khối lượng gạo 1269(kg)/mẻ, khối lượng malt 126,9 (kg)/mẻ nên khối lượng chất khô trong dung dịch hồ hoá (Gkgạo) là: Gkgạo = = =1222 (kg) (2-11) Lượng nước có trong nguyên liệu đưa vào nồi hồ hoá ( Gn1) là: Gn1= Gg + Gml - Gkgạo= 1269 + 127 - 1222= 174 (kg). (2-12) Để đánh giá được lượng nhiệt tiêu tốn cho hệ nấu và cho cả nhà máy, chọn nhiệt độ môi trường là nhiệt độ trung bình năm của thành phố Thanh Hoá làm căn cứ tính toán cho tất cả các phần của hệ nấu. Nhiệt độ trung bình năm của thành phố Thanh Hoá tf = 23,60C. Sở dĩ chọn nhiệt độ trung bình năm của thành phố Thanh Hoá mà không chọn nhiệt độ cực tiểu trong năm là do trên thực tế về mùa đông, lượng bia tiêu thụ ít nên có thể số mẻ nấu trong ngày giảm xuống ngược lại tăng lên về mùa hè, khi đó, công suất hơi tính cho trường hợp này vẫn đủ cho sử dụng vào mùa đông. Nước thêm vào nồi hồ hoá (bao gồm cả nước ở 800C và nước ở 23,60C) có khối lượng Gnhh = 5583(kg). Lượng nước này thêm vào nồi để nâng nhiệt độ của bột từ 23,60C lên đến 300C, mục đích để bột đạt được độ trương phồng lớn nhất, tức là giảm được thời gian nấu. Do nhiệt lượng mà malt, gạo và nước lạnh nhận được bằng nhiệt lượng mà nước nóng toả ra nên ta có phương trình cân bằng năng lượng như sau: Gnl.Cn l.∆t1 + Gk.Ck.∆t2 = Gnn.Cn n.∆t3 (2-13) Trong đó: Cn l - Nhiệt dung riêng của nước ở 23,60C (bằng 4,179 kJ/kg.K). Cnn - Nhiệt dung riêng của nước ở 800C (bằng 4,195 kJ/kg.K). Các loại thóc, gạo, lúa mì, mạch... có nhiệt dung riêng là: Ck = 1,5 kJ/kg.K. Từ (2-13) ta được: (Gnl + 174). 4,179. (30 - 23,6) + 1222. 1,5. (30 - 23,6) = (5584 - Gnl ). 4,195.( 80 - 30) Giải phương trình này ta tìm được khối lượng nước lạnh cho phối trộn nguyên liệu tại nồi hồ hoá: Gnl = 4882 kg. Từ đó, ta tính được lượng nước nóng cấp cho phối trộn nguyên liệu tại nồi hồ hoá là: Gnn = Gnhh - Gnl = 5583 - 4882 = 701 (kg). Tổng khối lượng dung dịch hồ hoá (Gdịch1) sau khi phối trộn nguyên liệu: Gdịch1 = Gn1 + Gk - Gh = Gn1 + Gnhh + Gk (2-14) Trong đó Gh là lượng hơi nước thoát ra trong quá trình sôi (kg). Tuy nhiên, do giai đoạn này, dịch chỉ được nâng nhiệt lên 830C nên lượng nước bốc hơi không đáng kể. Quá trình bốc hơi chỉ diễn ra mạnh mẽ trong thời gian đun sôi tới 1000C. Gdịch1 = 5583 + 174 + 1222 = 6979 (kg). Nhiệt dung riêng của khối dịch: C dịch1 = (2-15) Ck - Nhiệt dung riêng của vật liệu khô (bằng 1,5 kJ/kg.K). Ca: Nhiệt dung riêng của nước (bằng 4,18 kJ/kg.K). : Độ ẩm tương đối = 82,49% (2-16) Nhiệt dung riêng của khối dịch, theo công thức (3-15): Cdịch1 = = 3,71 (kJ/kg.K) + Khối lượng dịch trong nồi hồ hoá từ sau giai đoạn hạ nhiệt từ 830C xuống còn 72 0C Theo yêu cầu công nghệ, dịch cháo chứa trong nồi hồ hoá sau khi được nâng nhiệt lên đến 830C phải được hạ nhiệt độ xuống còn 720C. Quá trình hạ nhiệt này được thực hiện bằng cách thêm nước lạnh vào nồi. Khối lượng nước lạnh thêm vào (Gnl2) được tính theo công thức: Gnl2.Cn l. ∆t1 = Gdịch1. Cdịch1. ∆t2 (2-17) Từ (2-17) ta được: Gnl2 = = = 1408 (kg) Tổng khối lượng dịch cháo trong nồi hồ hoá sau khi hạ nhiệt là: Gdịch2 = Gdịch1 + Gnl 2 = 6979 + 1408 = 8387 (kg). Nhiệt dung riêng của khối dịch sau khi hạ nhiệt (Cdịch2) cũng được tính theo công thức (2-15 ) với độ ẩm tương đối của khối dịch () là: = 85,43% Cdịch2 = = 3,79 (kJ/kg.K). + Khối lượng dịch trong nồi hồ hoá sau khi sôi Theo yêu cầu công nghệ, dịch cháo trong nồi hồ hoá được đun sôi trong vòng 25 phút và được hoá hơi tới 5% lượng nước có trong dịch. Theo đó khối lượng nước bốc hơi trong quá trình đun sôi tại nồi hồ hóa là: Ghơihh = 5%.( Ga1+ Gnhh + G nl2) = 5%.(5583+174+1408) = 358 (kg). Sau khi kết thúc quá trình đun sôi tại nồi hồ hoá, dịch cháo được bơm đưa sang nồi đường để hoà trộn với dịch malt tại nồi đường hoá và tiến hành quá trình đường hoá. Quá trình này được gọi là hội cháo, khối lượng dịch từ nồi hồ hoá đi hội cháo tại nồi đường hoá: GDịchhh = Gdịch2 - Ghơihh = 8387 - 358= 8029 (kg). Nhiệt dung riêng của khối dịch hồ hoá trước khi hội cháo cũng được tính theo công thức (3-15) với độ ẩm tương đối là: = 84,79% Cdịch = = 3,77 ( kJ/kg.K) Tính toán cân bằng chất tại nồi đường hoá + Khối lượng dịch trong nồi đường hoá sau khi phối trộn nguyên liệu Khối lượng dịch tại nồi đường hoá bao gồm: khối lượng của bột malt, khối lượng của nước. Lượng nước đưa vào phối trộn với bột malt trong nồi đường hoá (Gndh) (tỷ lệ phối trộn nước/bột là 5/1) là: Gndh = 5.(Gm - Gml) = 5.(3560,90 - 126,883) = 17170,09 (kg). (2-18) Độ ẩm của malt là 7% nên khối lượng chất khô của malt trong dung dịch đường hoá: Gkmalt = = 3194 (kg) (2-19) Lượng nước có trong nguyên liệu đưa vào nồi đường hoá là: Ga2 = Gm- Gk2 = 3560,90 - 3193,64 = 240,38 (kg). (2-20) Do nhiệt lượng mà malt, gạo và nước lạnh nhận được bằng nhiệt lượng mà nước nóng toả ra nên ta có phương trình cân bằng năng lượng như sau: Gnl2.Cnl. ∆t1 + Gk. Ck. ∆t2 = Gnn2.Cnn.∆t3 (2-21) Tính toán tương tự như với nồi hồ hoá ta có: (Gnl2 + 204,38). 4,179. (30 - 23,6) + 3193,64. 1,5. (30 - 23,6) = (17170,09 - Gnl2 ). 4,195.( 80 - 30) Giải phương trình này ta tìm được khối lượng nước lạnh cho phối trộn nguyên liệu tại nồi đường hoá: Gnl2 = 15072kg. Từ đó, ta tính được lượng nước nóng cấp cho phối trộn nguyên liệu tại nồi đường hoá là: Gnn2 = Gndh - Gnl2 = 17170 - 15071 = 2099 (kg). (2-22) Tổng khối lượng dung dịch đường hoá sau khi phối trộn nguyên liệu: Gdịchdh = Gadh + Gk2 - Gh = Ga2 + Gndh + Gk2 (2-23) Trong đó Gh là lượng hơi nước thoát ra (kg). Tuy nhiên, do giai đoạn này, dịch chỉ được nâng nhiệt nên 500C nên lượng nước bốc hơi không đáng kể. Do đó ta có: Gdịchdh = 240 + 17170 + 3194 = 20604 (kg) Với độ ẩm tương đối của dịch trong nồi đường hoá là: = 84,5% Nhiệt dung riêng của khối dịch, theo công thức (2-16): + Khối lượng b∙ hèm thải ra sau quá trình lọc: Lượng malt khô (độ ẩm của malt là 7%): Gkmalt = 3561. 0,93 = 3312 (kg) (2-26) Lượng bã malt tính theo chất khô: ` = 3561 – 0,75. 3487 = 697 (kg) Lượng gạo khô (độ ẩm của gạo 13%): Gk gạo = 1269. (1- 0,13) = 1104 (kg). Lượng bã gạo tính theo chất khô: = 1104 - 0,25.3487 = 232 ( kg) Tổng lượng bã tính theo chất khô: = 232 + 697 = 929 (kg). (2-28) Độ ẩm của bã sau khi lọc là 80% (số liệu thực tế của nhà máy). Vậy tổng lượng bã ẩm là: Gbã = 929. = 4645 ( kg) (2-29) Lượng nước còn lại trong bã: Gnước bã = = 4645 - 929 = 3716 (kg). Để đảm bảo dịch đường đi lên men có nồng độ đường đúng yêu cầu là 11,5 0Bx, và năng suất của hệ nấu (Vmẻ) đạt 30m3 dịch, lượng dịch ra khỏi nồi lọc (bơm sang nồi húp lông hoá) là: Ghúp lông = Vmẻ. (2-30) = 30.1028. = 33733 (kg) Trong đó: ζlangxoay-Tổn thất do lắng cặn hoa khi qua nồi lắng xoáy (bằng 2%.). ζhúp lông-Tổn thất do bay hơi trong quá trình húp lông hoá (bằng 8%). Lượng nước cần có trong dịch đi húp lông hoá là: Gnướchl = Ghúp lông - Gk = 33733- 3452 = 30283 (kg). Do trong quá trình rửa bã, nhiệt độ dịch khá lớn (76 oC) và thời gian kéo dài nên có tổn thất hơi nước (theo thực tế thống kê khoảng 1% tổng lượng nước có trong nồi lọc), đồng thời lượng bã sẽ mang theo một lượng nước như đã tính ở phần trên nên tổng lượng nước đi qua nồi lọc sẽ là: Gnướclọc = Gnướchl. + Gnước bã (2-31) = 30283. + 3716 = 34303 (kg) Lượng nước có trong dịch đường hoá là: Gnướcdh = Ga1 + Ga2 +Gnhh + Gndh + Gnướclạnh2 + Gnnhc - Ghơihh - Ghơidh =174 + 240 + 5529 + 17170 + 1408 + 1645 – 358 - 776 = 25086,45 (kg). Trên thực tế quá trình nấu tại Nhà máy bia Thanh Hoá và các nhà máy bia khác tại Việt Nam, tổn thất tinh bột sót tại nồi lọc bã khoảng 1%. Và để làm được điều này, các nhà máy phải rửa bã 3 lần. Lượng nước rửa bã bổ sung vào nồi lọc bã trong quá trình rửa bã có nhiệt độ 76 oC (theo yêu cầu công nghệ) là: Grửa bã = Gnướchl - Gnướcdh = 34303 - 25086 = 9217 (kg). (2-32) Lượng nước nóng và nước lạnh hoà trộn để được 9217 kg nước 76 oC được tính theo hệ phương trình sau: Gnlrửa.Cn l. ∆t1 = Gnnrửa. Cnn. ∆t2 (2-33) Gnlrửa + Gnnrửa = 9217 Giải hệ phương trình trên ta được khối lượng nước nóng 80 oC và nước nấu 23,6 oC là: Gnlrửa = 656 (kg). Gnnrửa = 8561 (kg). Tính toán cân bằng chất tại nồi húp lông hoá Như đã nêu, trong quá trình húp lông hoá, lượng nước bốc hơi tại nồi húp lông hoá theo yêu cầu công nghệ là 8%. Vậy lượng nước bốc hơi tại nồi húp lông hoá là: Ghơihl = 8%. Ghúp lông = 8%.33733 = 2699 (kg). Tính toán cân bằng chất tại nồi lắng xoáy Tại nồi lắng xoáy, như đã nêu, có tác dụng lắng cặn hoa sau khi cô hoa. Tổn thất trong quá trình này thực chất là loại bỏ cặn hoa. Khối lượng cặn hoa có khối lượng bằng 2% (theo thực tế tại Nhà máy bia Thanh Hoá). Vậy lượng dịch ra khỏi nồi lắng xoáy (Glanhnhanh): Glanhnhanh = (100 - 2)%.Glangxoay =(100 - 2)%.31034,78 = 30414,09 (kg). (3-36) Lượng đường có trong dịch đường đi lắng xoáy (nồng độ 11,5 0Bx) là: Gđườnglx = 11,5%.30414 = 3498 (kg). (3-37) Do quá trình lắng xoáy có sự thay đổi không đáng kể về tính chất của dịch nên ta tạm coi các thông số vật lý của dịch không thay đổi so với dịch sau khi ra khỏi nồi húp lông hoá. Ngoài các nồi kể trên, hệ thống nấu còn có một nồi đa năng có cấu tạo và kích thước đúng bằng nồi đường hoá. Nồi này có tác dụng như một nồi dự phòng đồng thời là nồi trung gian có tác dụng giải phóng nồi lọc cho mẻ kế tiếp khi nồi húp lông hoá chưa kết thúc. Thông thường, với tác dụng như một nồi trung gian, nồi này chỉ chứa dịch trước khi cấp vào nồi húp lông hoá. Tính chất của dịch chính là dịch sau lọc. Tại đây không diễn ra sự thay đổi chất và lượng nào đáng kể. Chỉ có tổn thất nhiệt ra môi trường mặc dù khá nhỏ. Bảng 2-4 Bảng tổng kết cân bằng chất tại các nồi trong hệ nấu TT Thành phần dịch Đơn vị Nồi hồ hoá Nồi đường hoá Nồi lọc bã Nồi houblon hoá Nồi trung gian Nồi lắng xoáy 1 Gk kg 1222 4416 4416 3498 3498 3498 2 Ga kg 6807 25086 29318 27537 30236 26916 3 Gh kg 358 776 302,8 2699 4 Gbã kg 4645 5 Gtổng kg 8029 29502 33733 31035 33733 30414 6 C kJ/kg.K 3,77 3,78 3,92 3,92 7 Nước 800C kg 701 3744 8561 8 Nước 23,60C kg 6291 15071 656 Ghi chú: Gk : Khối lượng chất khô Ga :Khối lượng nước Gh : Khối lượng hơi Gbã :Khối lượng bã Gtổng :Khối lượng tổng cộng 2.2.5 Tính toán cân bằng nhiệt cho hệ thống nấu Chi phí năng lượng trong hệ nấu bao gồm: - Lượng nhiệt hữu ích để gia nhiệt cho dịch; - Lượng nhiệt để đốt nóng kết cấu vỏ; - Lượng nhiệt tổn thất trong quá trình nấu (tổn thất qua kết cấu, tổn thất do bã thải, tổn thất do bay hơi). Quá trình tính toán lượng nhiệt tiêu tốn cho hệ nấu bao gồm: tính lượng nhiệt cấp cho nồi hồ hoá, nồi đường hoá, nồi húp lông hoá, nồi lọc, nồi lắng xoáy. Vì thiết bị trong hệ nấu có cấu tạo tương tự nhau nên chỉ tính chi tiết cho một nồi, các nồi khác áp dụng công thức và phương pháp tính tương tự. ở đáy của các nồi hồ hoá, đường hoá, đa năng, nồi lọc có lắp cánh khuấy, mục đích là để cho dịch được gia nhiệt đồng đều, tuy nhiên công suất của cánh khuấy nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua năng lượng mà cánh khuấy truyền cho dịch. * Ta tính toán chi tiết cho nồi hồ hoá + Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của dịch Quá trình gia nhiệt cho dung dịch hồ hoá gồm bốn giai đoạn - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 23,6 oC đến 30 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 30 oC đến 72 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 83 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 100 oC. Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 23,6 oC đến 72 oC và từ 72oC đến 83 oC (với khối lượng dịch cháo, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên) là: Q1 = Gdịch1. C dịch1. ∆t (2-38) = 6979. 3,71. (83-23,6) = 1538203 (kJ). Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 72oC đến 100oC sau khi hạ nhiệt: Q2 = Gdịch2. C dịch2. ∆t (2-39) = 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ). + Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của vỏ Quá trình gia nhiệt cho vỏ nồi hồ hoá cũng bao gồm bốn giai đoạn tương tự như đối với dịch. Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 23,6 oC đến 83 oC: Qv1 = Gvỏ. C vỏ. ∆t1 (3-40) Theo tài liệu kỹ thuật, inox 304 có nhiệt dung riêng là 0,48 kJ/kg.K. Với khối lượng, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên, ta được: Qv1 = 6979. 0,48. (83-23,6) = 1538203 (kJ). Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 720C đến 100 oC sau khi hạ nhiệt: Qv2 = Gvỏ. C vỏ. ∆t2 (3-41) = 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ). + Tính tổn thất nhiệt do truyền nhiệt ra môi trường Tổn thất nhiệt qua kết cấu nồi được tính cho các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: hoà trộn nguyên liệu ở 30oC 15 phút; Giai đoạn 2: gia nhiệt từ 30oC đến 72oC trong 25 phút; Giai đoạn 3: ngâm ủ ở 72 oC trong 20 phút; Giai đoạn 4: gia nhiệt độ từ 72oC đến 83oC trong 11 phút; Giai đoạn 5: ngâm ủ ở 83oC trong 5 phút; Giai đoạn 6: hạ nhiệt độ từ 83oC xuống còn 72oC trong 6 phút; Giai đoạn 7: ngâm ủ ở 72 oC trong 25 phút; Giai đoạn 8: gia nhiệt từ 72oC đến 100oC trong 25 phút; Giai đoạn 9: đun sôi ở 100oC trong 15 phút. Tổn thất nhiệt từ thiết bị ra môi trường được chia làm hai phần: nhiệt toả từ bề mặt ngoài của thiết bị tới môi trường và dẫn nhiệt qua vách. - Nhiệt truyền ra ngoài môi trường từ bề mặt ngoài của nồi được tính theo công thức: Q = α. F. (tw - tf) (2-42) Trong đó: Q - dòng nhiệt tổn thất qua bề mặt vách (W). F - diện tích trao đổi nhiệt (m2). tw - nhiệt độ trung bình của bề mặt vách (oC). tf - nhiệt độ môi trường (oC). Bề mặt trao đổi nhiệt của nồi được tính theo 2 cách: phần nắp và phần đáy nồi được tính theo vách phẳng; phần thân tính theo vách trụ. Tính cho bề mặt vách trụ: Vách trụ gồm 3 lớp, cấu trúc vách trụ được thể hiện trên hình 2-4 - Lớp 1 (trong cùng) được làm bằng inox AISI 304 có hệ số dẫn nhiệt: λ1 = 15,45 W/mK; chiều dày 4 mm. - Lớp 2: là lớp bông thuỷ tinh có độ dày 100 mm và có hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,0394 + 0,000348. ttb W/m.K ttb: nhiệt độ trung bình của bông thuỷ tinh, ttb = 0,5(tw1 + tw), oC. - Lớp 3: là lớp thép inox AISI 304 bọc ngoài cùng, có chiều dày 2 mm. Cấu trúc vách trụ và đáy của nồi được thể hiện trên hình 2-4: Hệ số toả nhiệt α được tính theo công thức sau: α = αđl + αbx (2-43) Trong đó: αđl - Hệ số toả nhiệt đối lưu được tính bằng công thức: (W/m2.K) [4]. (2-44) αbx: Hệ số toả nhiệt bức xạ và được tính theo công thức: αbx = (W/m2.K). (2-45) Với: Num - Tiêu chuẩn Nusselt; λkk - Hệ số dẫn nhiệt của không khí ở 23,6 oC, λkk = 0,026 (W/mK); h: Chiều cao thân nồi (m); : Nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ vách và được tính bằng: = 273 + Với: ε: Độ đen của vật liệu, ε = 0,3 σ: Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. σ0 = 5,67.10 -8 (W/m2.K4 ). Vì quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở đây là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng vô hạn nên tiêu chuẩn Nusselt được xác định theo công thức: Num = C(Gr.Pr)n m [4]. (2-47) Với nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình: tm = 0,5.(tw + tf) Các tiêu chuẩn đồng dạng khác được tính theo các công thức: Gr: tiêu chuẩn Grashof, Gr = Pr: tiêu chuẩn Prandt, Pr = Trong đó: ν: Độ nhớt động học, [m2/s]. β: Hệ số giãn nở thể tích, [1/K]. a: Hệ số dẫn nhiệt độ, [m2/s]. Dòng nhiệt truyền qua thân trụ 3 lớp ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ: q = (W/m). Giả thiết nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ của dịch nóng: tv =tw1 Do chiều dày hai lớp kim loại 1 và 3 rất nhỏ và hệ số dẫn nhiệt lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của bông thuỷ tinh rất nhiều nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở 2 lớp này, khi đó: q = (W/m). (2-48) Dòng nhiệt truyền qua vách trụ ứng với một đơn vị chiều dài vách được xác định theo công thức: q = α. π. d4.(tw - tf) (W/m) (2-49) Trong hai công thức (2-44) và (2-45) trên, các đại lượng α, λ phụ thuộc vào tw nhưng tw chưa biết. Vậy muốn xác định được dòng nhiệt phải tính được tw. Giá trị tw là giá trị đảm bảo kết quả tính dòng nhiệt tính theo 2 công thức (3-48) và (3-49) phải bằng nhau nên suy ra: q = = α. π. d4.(tw - tf) (W/m). (2-50) Ta dùng phương pháp lặp để giải bài toán này. Lập các công thức và sử dụng phần mềm Excel để giải rất thuận tiện và đạt độ chính xác cao. Bằng cách cho các giá trị tw khác nhau, giá trị nào thoả mãn phương trình (2-50) thì đó chính là nhiệt độ bên ngoài của thân trụ. Kết quả tính toán được thể hiện trên bảng 2-4. + Tính cho bề mặt phần đáy nồi: Tương tự như thân nồi, cấu trúc của đáy nồi cũng gồm 3 lớp: lớp 1 và lớp 2 giống thân trụ, riêng lớp 3 có chiều dày 0,5 mm. Do lớp 1 và lớp 3 có chiều dày nhỏ nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở hai lớp này. Khi đó, tương tự như đối với thân trụ, mật độ dòng nhiệt cho phần đáy được xác định theo công thức sau: q = .(tw1- tw) = α.(tw-tf) (2-51) Nhiệt tổn thất qua phần đáy: Q = q.s (W). α: Được tính theo công thức (2-31). tw1: là nhiệt độ của áo hơi, vì các áo hơi là vật liệu dẫn nhiệt tốt, nên có thể coi nhiệt độ của áo hơi bằng nhiệt độ của hơi: tw1 = th S: là diện tích đáy, được tính như sau: S = , α là góc côn. Do mặt dưới đáy nồi có các áo hơi bao quanh. Hơi đi bên trong các áo này truyền nhiệt cho dịch đồng thời bị tổn thất một phần ra ngoài môi trường nên đối với những giai đoạn có cấp hơi, nhiệt độ tính toán tw1 được lấy bằng nhiệt độ hơi. Mặt khác bề mặt đốt nóng của đáy nồi quay xuống dưới do đó hệ số toả nhiệt đối lưu của không khí thực tế thu được sẽ giảm đi 30% so với tính toán. Hơi đi vào áo hơi có áp suất 4 bar, tra bảng, ứng với áp suất đó có nhiệt độ của hơi: th = 143,62oC. + Tính nhiệt tổn thất qua phần nắp nồi Do vách rất mỏng, hơn nữa hệ số dẫn nhiệt của vật liệu AISI 304 nên bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở của vách tới quá trình truyền nhiệt ra bên ngoài. Khi đó nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ bề mặt vách ngoài. Mật độ dòng nhiệt tổn thất qua nắp có thể tính theo công thức: q = α1.(tv - tw) (W/m2) q = α2.(tw - tf) (W/m2) α1: Hệ số toả nhiệt từ môi trường nóng vào bề mặt vách trong. α2: Hệ số toả nhiệt từ bề mặt vách ngoài ra môi trường. Hệ số toả nhiệt α1, α2 được tính theo công thức (2-31), riêng αđl1, αđl2 được tính theo công thức: αđl = 2,56. (2-52) + Tổn thất do hơi nước mang ra ngoài Hơi nước thoát ra trong quá trình nấu là hơi bão hoà khô ở 100oC. Lượng nhiệt tổn thất do hơi nước mang theo được tính theo công thức: Q = Gh.i’’ i”: Entanpi của hơi nước bão hoà khô ở 100oC, i’’ = 2676 (kJ/kg). 2.3 Phân tích, lựa ch