Холодильная установка пивоваренного завода

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский  национальный исследовательский университет

Информационных технологий, Механики и Оптики

Институт Холода и  Биотехнологии

 

 

 

 

 

Кафедра холодильных  установок

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

«Холодильная установка пивоваренного завода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2013г.

1.Задание

 

1) Производительность предприятия по производству пива 18 млн. дек/год

2)Месторасположение предприятия  г. Тула

Среднемесячная температура  самого жаркого месяца tср мес. = 18,4 °С

Температура абсолютного  максимума tа м. = 38 °С

Средняя максимальная температура  в самый жаркий месяц tср м. =24,2 °С

Средняя температура  годовая tср год =4,2 °С

Среднемесячная относительная  влажность самого жаркого месяца φ = 54%

3) Ассортимент продукции

  • Пиво «Жигулёвское»
  • Пиво «Рижское»

4) Хладагент R 717- (аммиак)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Производство  пива

Холод в пивоварении  применяют в технологических  процессах, для поддержания соответствующей температуры и влажности воздуха в производственных помещениях, а также при хранении сырья (хмеля, дрожжей) и готовых изделий (пиво), а также при кондиционировании воздуха.

В технологических процессам  холод используют для приготовления  солода, хранении пивных дрожжей, парка  сусла с последующим его охлаждением, главного брожения сусла и созревания пива, охлаждение молодого пива фильтрация и розлив пива.

 

2.2.1. Приготовление  сусла.

При открытом процессе брожения экстракт сусла сбраживается дрожжами в присутствии кислорода воздуха. После хмелецедильника сусло охлаждают с 90-95οС до температуры брожения в две стадии - сначала до 60 οС медленно в течение 1,5-2 часов на тарелках сепаратора или в осадочных чанах и затем быстро в открытых, закрытых или пластинчатых охладителях.

Охлаждение сусла на тарелках (открытых плоских сосудах высотой 20-35 см) происходит за счет конвективного теплообмена и испарения воды. Длительность процесса определяется температурно - влажностными условиями в помещении.

В аппаратах закрытого  типа сусло охлаждают водой, подаваемой в змеевики. Продолжительность охлаждения в этом случае меньше, чем на тарелках она зависит от количества и температуры воды, подаваемой в змеевики.

Во  избежание  заражения   сусла  микроорганизмами   при  непосредственном соприкосновении  его с воздухом применяют закрытую систему охлаждения. Вместо тарелок и оросительных охладителей устанавливают сепараторы с закрытыми пластинчатыми охладителями…

 

 

Использование Сепараторов  для осветления горячего сусла путем  центрифугирования вместе с пластинчатыми  охладителями имеет технологические и экономические преимущества по сравнению с тарелками, отстойными чанами, оросительными охладителями прессами для белкового отстоя. При таком способе осветления и охлаждения сусла не требуется применять металлоемкие аппараты, облегчается обслуживание и улучшается санитарное состояние помещений.

Годовой запас хмеля  хранят на складе при температуре 1οС и относительной влажности воздуха 70%.

2.2.2. Главное брожение.

В отделении бродильного  цеха предварительное охлаждение дрожжей  от 4 до 1οС происходит в специальных ваннах, снабженных рубашками для охлаждающей воды. Охлажденное сусла направляют в чаны предварительного брожения, где в него добавляют дрожжи.

Через сутки забродившее  сусло передают в чаны или танки  главного брожения-открытые или закрытые сосуды прямоугольной и цилиндрической формы емкостью 100 гл и больше, изготовленные из железобетона алюминия и других металлов.

Температура помещения, в котором хранят дрожжи, должна быть не выше 4οС.

Главное брожение сопровождается значительным выделение тепла и в зависимости от начальной концентрации сусла продолжается от 7 до 10 суток при температуре 6οС (в начале брожения) и 4οС (в конце брожения), повышаясь на третьи сутки приблизительно до 8οС.

Для отвода тепла, выделяющегося  при брожении применяют трубчатые или плоские (в виде карманов) охладители, внутри которых циркулирует вода с температурой 1οС или холодный рассол. Наряду с внутренним устройство для охлаждения может быть и наружным. Конструктивно его выполняют в виде охлаждающих рубашек с циркулирующей по ним охлажденной водой или спиртовым раствором.

Для предупреждения появления  плесени и развитию вредной микрофлоры в бродильных цехах требуется  поддерживать температуру около 4οС и относительную влажность 70-75%.

Образующаяся при открытом брожении сусла углекислота выделяется в помещении и создает неблагоприятные условия для обслуживающего персонала. Предельно допустимое содержание углекислого газа в воздухе бродильных цехов не должно быть более 1% по объему, при этом кратность воздухообмена в помещении принимают 20-25 объемов в сутки.

По окончании главного брожения молодое пиво охлаждают  в чанах до 4οС, а затем направляют в лагерный цех для дображивания. Дрожжи из бродильных чанов доставляют в специальное помещение и хранят в ваннах с охлаждающей водой при температуре 1οС.

 

2.3. Дображивание  и выдержка

Охлаждение пива от 4οС до температуры осветления происходит в лагерных танках в результате теплообмена между пивом находящимся в металлических танках и воздухом помещения с температурой 0.5 – 1.0 οС. Применяются также изолированные танки с местным охлаждение – змеевиками внутри танка в виде поясов (рубашек), по которым циркулирует рассол или спиртовой раствор.

При внутреннем охлаждении танков можно регулировать процесс  дображивания пива и отпадает необходимость в охлаждении самого помещения.

2.4. Фильтрация  пива.

По окончании выдержки пива в лагерных танках его фильтруют, предварительно охлаждая до температуры 1οС в противоточных или пластинчатых охладителях, и хранят в алюминиевых сборниках. Иногда пиво дополнительно насыщают углекислым газом и охлаждают.

 

2.4. Розлив пива.

После розлива концентрируют.Краткосрочное  хранение пива в экспедиции пивоваренного  завода при температуре 12οС.

Наибольший расход холода на охлаждение сусла 70% .

Теплопередача через ограждение 15%

На вентиляцию 10%.

3. Системы охлаждения  производственных помещений

Задачей охлаждения производственных помещений пивоваренных заводов  по санитарным требованиям является поддерживание такой температуры  и влажности воздуха, которые препятствуют образованию плесени и развитию вредной микрофлоры. Выбор системы охлаждения и холодильного оборудования в значительной степени определяется кол-вом влаги, которое необходимо отводить из помещения.

3.1. Солодовни.

Система охлаждения солодовни должна обеспечивать санитарное состояние и параметры воздуха, благоприятные для проращивания солода. В пневматических солодовнях температуру воздуха, поступающего к ящикам или барабанам применяют температуру от 12οС при относительной влажности 98%, температуру уходящего воздуха 16οС при относительной влажности 85%. Барабанные и ящичные солодовни обслуживаются групповыми или индивидуальными установками для кондиционирования воздуха.

В качестве теплоносителя  применяют артезианскую либо охлажденную  до 8οС воду. Воздух охлаждают и увлажняют в форсуночных камерах. Приточно-вытяжная вентиляция для солодорастительных ящиков или барабанов должна обеспечивать 1,5 -2 кратный обмен воздуха в час.

3.2. Бродильные  цеха.

В бродильных цехах с  открытым брожением наблюдается выделение большого кол-ва влаги. Для ее удаления применяют воздушную систему охлаждения с мокрыми воздухоохладителями. В кач-ве холодильного оборудования целесообразно устанавливать такие воздухоохладители для поддержания температуры помещения 4οС и его вентиляции. Для отвода тепла, проникающего через внешние ограждения, дополнительно монтируют пристенные батареи из оребренных труб. Теплоносителем обычно служит рассол хлористого натрия.

В бродильных цехах с  закрытыми процессами брожения влаговыделений сравнительно немного, и они могут быть поглощены сухими воздухоносителями с ребристыми трубами, способными поддерживать влажность воздуха около 70%.

В некоторых случаях  можно применять непосредственное охлаждение аммиаком или фреоном -12, кипящими в охлаждающий проборах

3.3. Лагерные  цеха.

Ввиду небольшого влаговыделения в лагерных цехах для них целесообразна  воздушная система охлаждения посредством  сухих воздухоохладителей их оребренных труб. Охлажденный воздух в лагерном цехе и других помещения (бродильного цеха с закрытым брожением, цехи для приготовления бархатного пива, дрожжевые отделения и экспедиция) распределяется без канала соответствующими эжекторами.

Применение эжекторного  воздухораспределения дает возможность  отказаться от устройства громоздких воздушных каналов, являющихся источником загрязнений и ухудшающих внешний вид помещений. Такой способ воздухораспределения…

 

Обеспечивает лучшую циркуляцию и большую равномерность  температуры воздуха в помещении.

Постоянную температуру  воздуха в помещениях поддерживают соответствующей автоматизацией работы воздухоохладителей. Управление воздухоохладителями осуществляют с помощью терморегуляторов, контролирующих температуру воздуха в помещении, и реле времени, включающих аппараты из работы в период отстаивания инея, производимого путем орошения труб водопроводной водой. Схема позволяет автоматизировать работу холодильной установки, что способствует улучшению технологий и условий хранения продукта, сокращении. Эксплуатационных расходов и облегчению труда обслуживающего персонала.

Для покрытия теплопритоков  через  ограждения в ряде технологических  цехов рекомендуется устанавливать  пристенных батареи из оребренных труб. Применение интенсифицированных приборов охлаждения позволяет значительно  экономить трубы и металл. В холодильных установках с непосредственным испарением холодильного агента использование оребренных труб значительно уменьшает емкость системы.

Характерным для пивоваренных заводов является значительный расход холода на охлаждении сусла в охладителе, составляющей 55-65% от общего расхода. При этом продолжительность охлаждения сусла в охладителе, составляющей 55-65% от общего расхода. При этом продолжительность охлаждения сусла составляет не более 6 часов в сутки.

Для покрытия пиковых  нагрузок в течении суток целесообразна предварительная аккумуляция холода в водяных или рассольных аккумуляторов.

На пивоваренных заводах, технологический процесс которых  сопровождается значительным потреблением тепла и холода, целесообразно  применять абсорбционные холодильные машины, если параметры и кол-во отбросного тепла могут обеспечить получение потребного кол-ва холода.

Для технологических  нужд и сохранения пива перед отправкой  в торговую сеть на пивоваренных заводах  рекомендуется устанавливать ледогенераторы производящие искусственный лед…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Характеристика  охлаждаемого объекта

 

      Выполнена  эскизная проектная проработка  холодильной установки крупного  универсального пивоваренного завода производительностью 14 млн.дек/год.

      В соответствии  с технологией производств и  правилами техники безопасности  теплота от потребителей холода  может  отводиться только с  помощью воды с температурным  уровнем +1 ºС и рассола с  температурой -5 ºС.

 

 

5. Выбор схемных  решений установки и расчёт  термодинамических циклов холодильных  машин.

 

5.1 Выбор расчетного режима.

 

За расчетный принимают  режим работы холодильный установки  в наиболее напряженный период года , характеризующийся наиболее не благоприятными сочетанием большой потребности в холоде и высокой температуры . Холодильная мощность установки должна быть достаточной , чтобы обеспечить поддерживание технологических температурных режимов потребителей в этот период. Для экономической же работы установки в другие периоды года она должна быть оснащена системами регулирования мощности энергопотребляющих элементов

( компрессоров , насосов  , вентиляторов ).

  Наиболее просто эта проблема решается параллельным соединением нескольких элементов в группах и выключением масти их из работы при снижении потребности в холоде или снижении температуры окружающей 
среды.

 

Климатические параметры  воздуха

 

Город

Среднемесячная температура  самого жаркого месяца tср.мес

Температура абсолютного  максимума t а м

Средняя максимальная температура  в самый жарский месяц  tср.м

Средняя температура годовая, tср.год

Среднемесячная относительная  влажность самого жаркого месяца

Тула

18,4

38

24,2

4,2

54


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 Расчетная  температура наружного воздуха, ºС

 

 

 

 

 

где, tс.м.- среднемесячная температура самого жаркого месяца

tа.м.- температура абсолютного максимума  

 

 

5.3 Температура смоченного термометра, ºС

 

 

         Определяется  с помощью диаграммы «d-i» влажного воздуха

 

tM=19 ºС

 

 

 

5.4 Температура конденсации хладагента, ºС

 

        Определяется с учетом вида  охлаждающей среды и типа конденсатора (водяного охлаждения , воздушного  охлаждения или испарительного  охлаждения ).

     Для конденсатора  водяного охлаждения с оборотным водоснабжением :  

 

 

 

 

 

         где tw2- температура воды на выходе из конденсатора и равная температуре воды на входе в градирню , ºС :  ή= 0,4 …0,6 – коэффициент эффективности градирни , принимаемый по экспериментальным  данным, tw=2-4 ºС

 

 

 

 

 

5.5 Температура  кипения хладагента , ºС.

 

Определяется для каждой из охлаждающих систем , составляющих многоцелевую многоизотермную холодильную  установку .

При непосредственном охлаждении объекта

 

 

    tт- технологическая температура охлаждающей среды ( обычно воздух в помещение ) , ºС. . Θт =7…10 – оптимальный температурный напор в технологическом аппарате , ºС .Θн =4..6 оптимальный температурный перепад в испарителе для охлаждения жидкого промежуточного хладоносителя , ºС.

 

 

 

 

 

5.6. Отношение давлений в циклах паровых компрессорных холодильных машин.

 

 

 

  где Рк и Poi— давления конденсации и кипения хладагента, соответственно для каждой из охлаждающих систем, имеющих общую конденсаторную    группу    и,    следовательно,   одно   и   то   же   давление конденсации, МПа.

Величина давления определяется из диаграммы или таблицы состояния

хладагента по температурам фазовых превращений.

Степень сжатия составляет:

 

 

 

 

 

 

 

 

   Так при π < 7 обычно останавливаются при выборе на цикле с одноступенчатым сжатием пара хладагента ( на нерегенеративном цикле при использование R717 или регенеративном R12 ), обеспечивающим достаточно высокую энергетическую эффективность. Соответствующее этому циклу схемное решение обеспечивает низкие капитальные затраты , высокую надежность  и простоту обслуживания.

 

5.7 Регламентированные параметры состояния и процессов , необходимые для построения термодинамических циклов.

 

Температура пара, всасываемого в компрессор , ºС

 

 

 Где t0i,m  - температура кипения в испарителе или промежуточная температура в промсосуде  , tп-= 5-10 –перегрев пара для одноступенчатых компрессоров и компрессоров верхних ступеней двухступенчатых агрегатов tп-= 15-20 – перегрев пара для компрессоров  нижних ступеней двухступенчатых агрегатов ,ºС

 

 

 

 

 

5.8 Построение (изображение)  термодинамических циклов в диаграмме  состояний хладагента .

 

Термодинамический цикл изображен на диаграмме «i-lg p» . Целью построения является определение параметров характерных точек , используемых в дальнейших расчетах.

 

  Сначала проводят (изотермы ) фазовых превращений хладагента , соответствующие значение температур находят в средней части диаграммы в области влажного пара, в этой области изотермы совпадают изобарами. Характерные точки циклов находят на пересечение изобар.

 

-с изотермами ( для  точек , соответствующих состояниям  пара во всасывающем патрубке  компрессоров и жидкого хладагента на выходе из теплообменника промежуточного сосуда )

-с пограничными линиями  (x=0.x=1) (для точек , соответствующих состоянию насыщенного пара , выходящего из испарителей и промежуточного сосуда , насыщенной жидкости , выходящей из конденсатора )

-с изоэнтропой ( для точек , соответствующей состоянию влажного пара после процесса дросселирования .

 

 

Таблица параметров условных точек

 

Точки

Температура , ºС

Давление, МПа

Энтальпия ,кДж/кг

1

5

360

1710

2

100

1100

1880

3

30

1100

550

4

-5

360

550


 

 

 

5.9Разработка  функциональной гидравлической  схемы установки .

 

  Функциональная схема отражает состав и функции основных частей и элементов установки , связи между ними в соответствии с протекающими в них процессами и последовательностью совершения этих процессов . этой схемой пользуются для пояснения общих принципов работы установки ,и составления схемы автоматизации установки.

 

Принцип работы холодильной машины

 

 Поддержание требуемой температуры в охлаждаемой объеме возможно  при     наличии    устройства,    имеющего    поверхность    с    более    низкой температурой, т.к. по закону термодинамики, произвольно теплота может переходить   от   более   теплого   тела   к   менее   теплому. Эффективный теплообмен может быть осуществлен при кипении жидкости в устройстве, т.е. в испарителе.

Теплота,  воспринятая  в  испарителе хладагентом, должна быть отдана окружающему  воздуху.  Это реализуется  в  процессе конденсации пара в теплообменном   аппарате-   конденсаторе.   В   конденсаторе  температура  и давление хладагента более высокие по сравнению с испарителем. Чтобы реализовать  постоянную температуру  кипения  в испарителе, необходим обеспечить непрерывный отвод испарившегося хладагента из испарителя в конденсатор,   для   чего   необходимо   повысить   давление   хладагента  от насыщенного давления до давления конденсации. Этот процесс происходит в компрессоре    при    постоянной    энтропии.    Для    возвращения хладагента из конденсатора в испаритель нужно понизить его давление давления кипения.

6.Расчет потребности  в холоде.

 

 

6.1Теплоприток  через ограждения охлаждаемых  объектов.

 

Через ограждения в охлаждаемые  объекты теплоприток проникает  из-за разности температур наружной среды  внутри объекта .

Кроме того через наружные ограждения может проникать теплоприток образующийся в результате поглощения ими теплоты солнечной радиации .

Теплоприток рассчитывается по формуле теплопередачи с учетом указанных в задании на курсовую работу размеров ограждений охлаждаемых помещений .

 

 

 

где Кн - коэффициент теплопередачи ограждаю шеи конструкции, Вт/(н К); Fн - площадь поверхности ограждающей конструкции, tк =20 -температура воздуха снаружи охлаждаемого помещения,. ºС

 

Температура        внутри       охлаждаемого       помещения       определяется

технологическими режимами.

Для   первой   группы   потребителей  холода (охлаждение  сусла, главное

брожение, охлаждение молодого пива):

 

Q1T1=0,46*54*24(20-4)=9,5 кВт

Q1T2=0,4278*54*24(20-5)=9,3 кВт

Q1T3=0,44*54*24(20-3)=9,5кВт

 

 

второй групп, потребителей холода (дображивание , охлаждение воды дрожжей):

Q1T4=9,67кВт

Q1T5=10кВт

Q1T6=10,1кВт

Q1T=58,3кВт

 

теплоприток   Q  рассчитывается   также   по формуле теплопередачи однако    за температурный    напор принимается избыточная разность   температур, обусловленная солнечной радиацией.

 

 

 

 

 

6.2 Теплоприток  от охлаждаемых продуктов

 

В зависимости от располагаемой информации о теплофизических свойствах продуктов этот теплоприток может быть найден как

 

 

где V –производительность предприятия в год дек.млн/год; А – норма для определенного помещения, tк =20 -температура воздуха снаружи охлаждаемого помещения,. ºС,qп =614-удельная теплота биохимической реакции , кДж/кг

 

Первая группа:

 

 

 

 

Вторая группа :

 

Q24=1,55кВт; Q25=15,48кВт; Q26=7,74кВт; Qпомещение=L*B*0,14= 5,04кВТ

 

 

 

 

6.2.1 Массовый  поток продуктов , кг/с

При расчёте теплопритоков  от пива в процессе главного брожения и дображивания, при охлаждении  пива перед фильтрацией и карбонизацией массовый поток определяют по формуле

 

 

 

Где V- годовая производительность завода по i-му сорту пива, дал/год υx i – относительный расход промежуточного продукта (сусла, молодого пива), вырабатываемого для производства 1 дал товарного пива; τ – количество рабочих дней для склада хранения хмеля и бродильных цехов

6.3.Теплоприток от наружного воздуха при вентиляции охлаждаемых помещений.

 

Этот теплоприток рассчитывается только для охлаждаемых помещений  пивоваренных заводов.

Забираемый для вентиляции наружный воздух должен быть охлажден до температуры в охлаждаемом помещении, а содержание в чем влаги доведено до значения, соответствующего влажности воздуха в >том помещении.

Массовый поток наружного воздуха определяют по кратности вентиляции помещения

 

 

где     а-кратность    вентиляции     охлаждаемого   помещения;  Vстр - строительный   объем   охлаждаемого   помещении,  м3;  p=1.3 -  плотность воздуха

 

Q31=6*6220,8*1,3*(55,5-7,3)/24*3600=27,1кВт

Q32=5*6220,8*1,3*(55,5-1)/24*3600=25,5кВт

Q33=6*6220,8*1,3*(55,5-10)/24*3660=25,6кВт

Q34=4*6220,8*1,3*(55,5-20)/24*3660=13,3кВт

Q3=91,5кВТ

 

 

 

 

6.4. Эксплуатационные  теплопритоки.

 

  Источники эксплуатационных теплопритоков: электрическое освещение, работающие в помещении люди и механизмы, открытые двери.

 

 

 Q4=0,14*(Q1+Q3)=0,14*(58,3+91,5)=22,5кВт

 

 

Сумма всех теплопритоков:

 

 

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=314,4кВТ

 

 

7. Подбор холодильного  оборудования.

 

 

    Элементный состав установки подбирается из современного отечественного оборудования.

    Функциональные  группы оборудования должны создаваться из унифицированных элементов, а при их параллельном соединении – из элементов, приблизительно равных по мощностным показателям.

    Следует обратить  внимание на соответствие возможных  значений рабочих (расчётных)  значений параметров (давлении, температуры) диапазону изменения допустимых значений этих параметров для данного вида оборудования по его технической характеристике. Здесь может оказаться полезной информация, содержащаяся в марке (обозначении) оборудования.

 A – компрессорный агрегат одноступенчатого сжатия

   Состоит из  одноступенчатого компрессора, электропривода  двигателя, маслоотделителя, корпус, арматура (запорные устройства, предохранительные  клапаны, тройники, коллекторы), пульт  управления, общая рама, контрольно-измерительные  приборы.

AH-компрессорный агрегат одноступенчатого сжатия

АД-компрессорный агрегат  одноступенчатого сжатия

АК- с конденсаторами водяного охлаждения

АВ- с  конденсаторами воздушного охлаждения

АТ- компрессорно-испарительный  агрегат

ММВ -холодильный агрегат  для охлаждения воздуха с конденсатором воздушного охлаждения

МКВ - с  конденсаторами воздушного охлаждения

МКТ -с конденсаторами водяного охлаждения

 

Цифра после типа агрегата указывает холодопроизводительность агрегата.

Холодопроизводительность  – тепловой поток, который способна отвести машина от охлаждаемого тела.

     После холодопроизводительности указывается цифра, характеризующая использующийся хладагент: 2- R22, 7- NH3

     Далее указывается  цифра, которая указывает на  температурный диапазон:

А)высокотемпературный диапазон

Б) среднетемпературный  диапазон

В) низкотемпературный диапазон

 

 

 

 

 

 

 

7.1 Компрессорные  агрегаты

 

 Компрессорные агрегаты подбираются для каждой охлаждающей системы по расчётной холодопроизводительности, в величине которой помимо потребности в холоде группы потребителей, обслуживаемых охлаждающей системой, учитываются неизбежные потери холода, связанные с теплопритоком из окружающей среды к холодным трубопроводам и с гидравлическими сопротивлениями этих трубопроводов. Кроме того, создаётся некоторый запас (скрытый резерв), необходимый в связи с конечной величиной надёжности и ограниченным моторесурсом компрессоров.

 

7.1.1  Расчётная  производительность, кВт:

 

 

 

  где   Qmi-   суммарный   тепловой   поток,  отводимый соответствующей охлаждающей системой; а=1,15…1,17 — коэффициент транспортных потерь; b=0,72…0,9 – коэффициент запаса