第二节 热量平衡计算

第二节热量平衡计算

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（kJ）

Q损——损失的热量总和（kJ）通常，Q入=Q1+Q2+Q3Q出=Q4+Q5+Q6+Q7Q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=ΣGct式中G——物料质量（kg）c——物料比热容〔kJ/(kg·K)〕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/(kg·K)〕t1、t2——设备加热前后的平均温度（℃）（4）气体或蒸汽带出热量Q7Q7=ΣG（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/(kg·K)〕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：①空气作自然对流，T=8+0.05tw②强制对流时，T=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s）或T=6.7W0.78（W>5m/s）（6）加热物料需要的热量Q6Q6=Gc（t2-t1）

式中G——物料质量（kg）

c——物料比热容〔kJ/(kg·K)〕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t1=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/(kg·K)。c麦芽=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)

2．煮沸过程蒸汽带出的热量设煮沸时间为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）。

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)（三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3

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100℃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（℃）2．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（℃）3．Q3=G混合c混合（70-630）=494918(kJ)（四）第二次煮沸混合醪的耗热量Q4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

3．热损失Q4

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=3.63〔kJ/(kg·K)〕混合醪比热容：=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Q5

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Q6Q6=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)=3.85〔kJ/(kg·K)〕故Q6=G麦汁c麦汁（100-70）=2773155(kJ)

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