第二节热量平衡计算

1、第二节第二节 热量平衡计算热量平衡计算 内 容一、热量衡算的意义、方法和步骤 二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算）一、热量衡算的意义、方法和步骤 （一）热量衡算的意义 计算生产过程能耗定额指标 设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据 组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础 （二）热量衡算的方法和步骤 画出单元设备的物料流向及变化的示意图 分析物料流向及变化，写出热量衡算式 搜集数据 确定合适的计算基准 进行具体的热量计算 1画出单元设备的物料流向及变化的示意图。 2分析物料流向及变化，写出热量衡算式： Q入 =Q出+Q损 式中 Q入输入的热量总和（kJ） Q出输出的热量总和

2、（kJ） Q损损失的热量总和（kJ）通常，Q入=Q1+Q2+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q损=Q8式中 Q1物料带入的热量（kJ） Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和 所处理的物料的热量（kJ） Q3过程的热效应，包括生物反应热、 搅拌热等（kJ） Q4物料带出的热量（kJ） Q5加热设备需要的热量（kJ） Q6加热物料需要的热量（kJ） Q7气体或蒸汽带出的热量（kJ）3搜集数据 为了使热量衡算顺利进行，计算结果正确无误和节约时间，首先要搜集有关数据，如物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。这些有用的数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。 4确定合适

3、的计算基准 在热量衡算中，取不同的基准温度，算出的（5-8）式中各项数据就不同。所以必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取0为基准温度可简化计算。 此外，为使计算方便、准确，可灵活选取适当的基准，如按100kg原料或成品、每小时或每批次处理量等作基准进行计算。 5进行具体的热量计算（1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4可按下式计算，即：Q=Gct式中 G物料质量（kg） c物料比热容kJ/(kgK) t物料进入或离开设备的温度（）（2）过程热效应Q3 过程的热效应主要有生物合成热QB、搅拌热QS和状态热（例如汽化热、溶解热、结晶热等）： Q3=QB+QS 式中 QB发

4、酵热（呼吸热）（kJ），视不同条件、环境进行计算，参考本章第四节（二）有关内容QS=3600P（kJ） 其中P为搅拌功率（kW），为搅拌过程功热转化率，通常=92%。 （3）加热设备耗热量Q5为了简化计算，忽略设备不同部分的温度差异，则： Q5=Gc（t2-t1） 式中 G设备总质量（kg） c设备材料比热容kJ/(kgK) t1、t2设备加热前后的平均温度（）（4）气体或蒸汽带出热量Q7 Q7=G（ct+r） 式中 G离开设备的气态物料量（kg） c液态物料由0升温至蒸发温度的平均比 热容kJ/(kgK) t气态物料温度（） r蒸发潜热（kJ/kg） （5）设备向环境散热Q8为了简化计算，假

5、定设备壁面的温度是相同的，则： Q8=FT（tw-ta） 式中 F设备总表面积（m2） T壁面对空气的联合给热系数W/(m2) tw壁面温度（） ta环境空气温度（） 操作过程时间（s） T的计算： 空气作自然对流，T=8+0.05tw 强制对流时，T=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s）或T=6.7W0.78（W5m/s）（6）加热物料需要的热量Q6 Q6=Gc（t2-t1） 式中 G物料质量（kg） c物料比热容kJ/(kgK) t1、t2物料加热前后的温度（）（7）加热（或冷却）介质传入（或带出）的热量Q2对于热量平衡计算的设计任务，Q2是待求量，也称为有效热负荷。若计算出的Q2为正

6、值，则过程需加热；若Q2为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需冷却。序号 名称 规格每吨产品消耗定额 每小时最大用量 每昼夜（或每小时）消耗量 年消耗量 备注 最后，根据Q2来确定加热（或冷却）介质及其用量。通常，能量消耗综合表如表5-10所示。表5-10 能量消耗综合表 有关热量衡算值得注意的几个问题 :（1）确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小的项目可以忽略不计，以简化计算。（2）确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和其他能量基准。在相变时，必须确定相态基准，不要忽略相变热。（3）正确选择与计算热力学数据。 （4）在有相关条件约束，物料量和

7、能量参数（如温度）有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。 二、计算实例 （3000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算） 二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖化工艺，下面就以此工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。工艺流程示意图如图5-6所示，其中的投料量为糖化一次的用量（计算参考本章第一节表5-7）。图5-6 啤酒厂糖化工艺流程示意图 糖化过程各步操作热量计算：（一）糖化用水耗热量Q1 （二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 （三）第二次煮沸前混合醪升温至70的耗热量Q3 （四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 （五）洗糟水耗热量Q5 （六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 （七）糖化一次总耗热量Q

8、总 （八）糖化一次耗用蒸汽量D （九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax （十）蒸汽单耗 （一）糖化用水耗热量（一）糖化用水耗热量Q1根据工艺，糖化锅加水量为：G1=（1003.9+200.8）4.5=5421.15(kg) 式中，1003.9为糖化一次大米粉量，200.8为糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%）。而糖化锅加水量为：G2=2808.93.5=9831.15(kg) 式中，2808.9为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量，即3009.7-200.8=2808.9(kg)。而3009.7为糖化一次麦芽定额量。 故糖化总用水量为：Gw=G1+G2=15252.3(kg)自来水平均温度取t

9、1=18，而糖化配料用水温度t2=50,故耗热量为：Q1=（G1+G2）cw(t1-t2) =488073.6(kJ)（二）第一次米醪煮沸耗热量（二）第一次米醪煮沸耗热量Q2由糖化工艺流程（图5-6）可知， 1糊化锅内米醪由初温t0加热至100耗热2煮沸过程蒸汽带出的热量 3热损失 2222QQQQ 2Q2Q 2Q 1糊化锅内米醪由初温t0加热至100耗热 =G米醪c米醪（100-t0） （1）计算米醪的比热容c米醪根据经验公式 c谷物=0.01(100-W)c0+4.18W进行计算。式中W为含水百分率；c0为绝对谷物比热容，取c0=1.55kJ/(kgK)。c麦芽=0.01(100-6)1.

10、55+4.186=1.71kJ/(kgK)c大米=0.01(100-13)1.55+4.1813=1.89kJ/(kgK)2Q)Kkg/(kJ76. 315.54218 .2009 .100318. 415.542171. 18 .20089. 19 .10031w1GGGcGcGcGc麦芽大米麦芽麦芽大米大米米醪（2）米醪的初温t0设原料的初温为18，而热水为50，则 =47.1（）（3）把上述结果代回（5-15）式，得： =6625.853.76(100-47.1) =1317908(kJ) 米醪米醪麦芽麦芽大米大米cGcGcGcGtw50)18(102Q2煮沸过程蒸汽带出的热量设煮沸时间

11、为40min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为：V1=G米醪5%4060 =220.86(kg) 故 =V1I=220.862257.2 =498525(kJ) 式中，I为煮沸温度（约为100）下水的汽化潜热（kJ/kg）。 2Q 3热损失米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即：=15%（ + ）4由上述结果得： Q2=1.15( + ) =2088898(kJ)2Q 2Q2Q2Q2Q（三）第二次煮沸前混合醪升温至（三）第二次煮沸前混合醪升温至7070的耗的耗热量热量Q Q3 3 按糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63，故混合前米醪先从10

12、0冷却到中间温度t。1糖化锅中麦醪的初温t麦醪已知麦芽粉初温为18，用50的热水配料，则麦醪温度为： =46.67（）麦醪麦醪麦芽麦芽麦醪cG50cG18cGtw22根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪并合前后的焓不变，则米醪的中间温度为： = 96（）3Q3=G混合c混合（70-630） =494918(kJ)米醪米醪麦醪麦醪麦醪混合混合混合cGtcGtcGt76. 3640567.4663. 315.126396367. 319265（四）第二次煮沸混合醪的耗热量（四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q Q4 4由糖化工艺流程可知：1混合醪升温至沸腾所耗热量Q4 2二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4

13、 3热损失Q4 4444QQQQ 1混合醪升温至沸腾所耗热量Q4（1）经第一次煮沸后米醪量为：G米醪=G米醪-V=6625.85-220.86 =6405(kg)糖化锅的麦芽醪量为： G麦醪=G麦+G2 =2808.9+9831.15 =12640(kg)故进入第二次煮沸的混合醪量为：G混合=G米醪+G麦醪 =6405+12640 =19045(kg) （2）据工艺，糖化结束醪温为78，抽取混合醪的温度为70，则送到第二次煮沸的混合醪量为：（3）麦醪的比热容 =3.63kJ/(kgK)%7 .26%100G70100)7078(G混合混合15.9831280818. 415.983171. 1

14、2808GcGcGcw2麦醪麦芽麦芽麦醪混合醪比热容： =3.67kJ/(kgK)（4）故Q4=26.7%G混合C混合（100-70） =559860（kJ）混合米醪米醪麦醪麦醪混合GcGcGc2二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q4 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分量为：V2=26.7%G混合5%1060 =42.4(kg) 故Q4=IV2=2257.242.4 =95705.3(kJ)式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。3热损失Q4根据经验有：Q4=15% （Q4+Q4）4把上述结果代回（5-16）式得Q4=1.15(Q4+Q4) =753900(kJ)（五）洗糟水耗热量

15、（五）洗糟水耗热量Q Q5 5 设洗糟水平均温度为80，每100kg原料用水450kg，则用水量为：G洗=4013450100=18058.5(kg) 故Q5=G洗cw(80-18) =4680041(kJ) （六）麦汁煮沸过程耗热量（六）麦汁煮沸过程耗热量Q Q6 6 Q6=Q6+Q6+Q3 1麦汁升温至沸点耗热量Q6 2煮沸过程蒸发耗热量Q6 3热损失 Q3 1麦汁升温至沸点耗热量Q6由表5-7糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到598.3kg热麦汁，并设过滤完毕麦汁温度为70。则进入煮沸锅的麦汁量为：G麦汁=4013598.3100=24010(kg) =3.85kJ/(kgK)

16、故Q6=G麦汁c麦汁（100-70） =2773155(kJ) 4 . 7401318. 44 . 6401389. 19 .100371. 17 .3009c麦汁又2煮沸过程蒸发耗热量Q6煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为：V3=2401010%1.5=3601.5(kg)故Q6=2257.23601.5=8129306(kJ)3热损失为Q6=15%(Q6+Q6)4把上述结果代码（5-17）式可得出麦汁煮沸总耗热Q6=115%(Q6+Q6) =12537830(kJ)（七）糖化一次总耗热量（七）糖化一次总耗热量Q Q总总（八）糖化一次耗用蒸汽量（八）糖化一次耗用蒸汽量D D使 用 表

17、 压 为 0 . 3 M p a 的 饱 和 蒸 汽 ，I=2725.3kJ/kg，则：式中，I为相应冷凝水的焓(261.47kJ/kg)；为蒸汽的热效率，取=95%。61ii)kJ(21043661QQ总)kg(10237) iI (QD总（九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量（九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量Q Qmaxmax 在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6为最大，且知煮沸时间为90min，热效率95%，故： 相应的最大蒸汽耗量为：)h/kJ(8798477%955 . 1QQ6max)h/kg(4066iIQDmaxmax（十）蒸汽单耗（十）蒸汽单耗据设计，每年糖化次数为1500次，共生产啤酒30724t。年耗蒸汽总量为：DT=102371500=15355500(kg)每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：Ds=1535550