Холодильні установки на пивзаводах і

1.1) Введення:

Процес охолоджування розглядається з фізичної точки зору як циклічний процес лівого ходу (проти годинникової стрілки). Другий основний закон термодинаміки свідчить, що тепло переходить тільки від теплого середовища до холодного. Круговорот можна представити схемно (стор. 3). Холодильні установки переважно використовуються в харчовій і хімічній промисловості. За принципом дії це теплові насоси.

Охолоджування виникає за рахунок того, що виробничий газ, в даний час переважно аміак (NH₃) при низькому рівні температури і тиску випаровується. Якщо наприклад до рідкого аміаку з тиском 3 бар (~ -10 °С додається тепло з навколишнього середовища (наприклад, з температурою -5 °С), та відбувається випаровування (тепло приймається при низькому температурному рівні), при цьому навколишнє середовище (приміщення або продукт) охолоджується.

В основному круговорот холоду складається з випарника (тут тепло переходить до виробничого газу з низькою температурою), компресора (унаслідок підвищенні тиску, прийняте тепло переходить на підвищений рівень температури тиску), конденсатора (тепло, що транспортується, віддається на інші середовища наприклад, зовнішнє повітря) і з дросельного органу (експансійнний вентиль поплавця високого тиску і т.д. (рідина, що знаходиться під тиском розширяється знов до рівня випаровування). Газ, що випарувався, відсисається компресором і конденсується на високому рівні температури і тиску, наприклад 14 бар (- 36 °С). Для компресії необхідна енергія приводу, переважно електрична. Тепер температура стислого газу знаходиться вище за температури навколишнього середовища на конденсаторі (зовнішнє повітря 30 °С, вода в холодильній башті 25 °С або поточна вода 15 °С), тепло тече до цього більш холодного середовища. Внаслідок переходу тепла газ конденсується і знову стає рідким. Зріджений виробничий газ розширяється до тиску випаровування і знову може використовуватися як холодна рідина для подальшого прийому тепла охолоджуваного навколишнього повітря або продукту.

Розрахунки показали, що підвищення на 1°С температури конденсації економить приблизно 3% потужності приводу, а пониження на 1^оС температури випаровування економить приблизно 2,5 % енергії приводу.

ХОЛОДИЛЬНИЙ ЦИКЛ

1.2) Технічна і екологічна безпека:

Всім відомо, що вживані охолоджуючі засоби, носії холоду і мас холодильної машини негативно впливають на оточуючу середовище.

Розробки останнього десятиріччі показали, його охолоджуюче засіб FCKW поступово йде з промислового ринку, а «класичне охолоджуюче засіб», аміак (NH₃), знову входить у вживання. Небезпеки, зв'язані з використанням цього охолоджуючого засобу відомі вже давно, але з технічної точки зору вони долаються. Слід добре подумати над цим, якщо потрібне використовування нового охолоджуючого засобу. Пройшло близько 40 років, перш ніж був визначений вплив FCKW. При цьому з вживанні був категорично виключений аміак через його вибухонебезпеку. Правомірність цього підтвердило 120-річне вживання NH₃ холодильних установок.

При будівництві і устаткуванні компонентів і установок слід звернути особливу увагу на абсолютну безпеку устаткування. Це досягається за рахунок дотримання всіх розпоряджень, наприклад, UVV, DIN, VDI, VDE і т.д. Всі напірні танки виготовлені згідно АD-приміткам. Для експорту діють відповідні зарубіжні розпорядження і правила. Точний перелік наявних розпоряджень дають рекомендації «Вимоги безпеки до аміачних установок», виданим «Технічним комітетом із безпеки установок при Федеральному міністерстві навколишнього середовища, охорони природи і безпеки реакторів».

Як вживані матеріали використовуються тільки якісні продукти, які відповідають вимогам. Монтаж проводиться тільки кваліфікованими фахівцями і зварювачами. Потрібні абсолютно герметичні, надійні установки, які мають тривалий термін служби. Для того, щоб мати нагоду проводити необхідні ремонтні роботи без загрози для навколишнього середовища, передбачені спеціальні запори, скидаючі і відсисаючі пристрої. Це дійсно для всіх типів охолоджуючих засобів.

NН₃ виходить або як побічний продукт при промисловому виробництві, або його одержують штучним шляхом з азоту повітря «Хабер-Бош-способом». Це дешевше і не шкодить навколишньому середовищу. При атмосферному тиску він кипить при температурі приблизно -33,5 °С з сильною витратою тепла. При тиску приблизно 8,7 бар - можна шляхом відведення тепла проводити процес зріджування при температурі + 20 °С. У воді NH₃ легко розчиняється, в атмосфері він розкладається на складові частини: азот і водень. Небезпечним і шкідливим для навколишнього середовища вони є тільки у високій концентрації. NН₃ не проводить озоноруйнуючої дії, не є він і причиною утворення тепличного ефекту. Можливість надійного і ефективного використовування NH₃ на пивзаводі, на холодильних установках, повинне належати до "Know-how" будь-якого виготівника холодильних установок. Від охолоджування сусла з його варіантами, охолоджування при бродінні, доброджує і глибокого охолоджування, до окремих і центральних установок для безпосереднього (прямого) випаровування або непрямого (непрямого) охолоджування.

1.3) Початкові критерії для холодильних установок на пивзаводах:

Холодильні установки для пивзаводів є найбільшими споживачами електричної приводної енергії на пивзаводі. Тому є значення подумати про те, як найбільш доцільно економити цю енергію.

Обшие потреби в електроенергії пивзаводу: приблизно 9,0...11 кВтч/глVB

Потреби холодильної установки: (25 - 40 %) приблизно 2,5... 4,5 кВтч/гл VB

Звичайно холодилъна установка управляється через прессостат при низьких параметрах зовнішнього повітря або при випаровуваннях, тобто тиск конденсації залишається завжди на відносно високому рівні за рахунок відключення вентиляторів і насосів. Тим самим компресор працює завжди на один раз встановленому рівні. З боку відсмоктування часто потрібні різні значення температури випаровування (наприклад, охолоджування приміщення -8 °С, охолоджування танка -3 °С, охолоджування сусла ±0 °С, і т.д.). Переважно для цієї мети встановлюють малі центральні холодильні установки з регулятором тиску відсмоктування, які підтримують низький рівень тиску. Компресори працюють постійно між найнижчим тиском відсмоктування і найвищим тиском конденсації, за малими виключеннями. Головним у використовуванні холодильних установок на пивзаводі є те, щоб на якість пива не впливав негативно виникаючий шок холодом. Тому охолоджування повинне відбуватися щадним чином, тобто з обмеженими перепадами температури. Якщо раніше холодильне обладнання на пивзаводах виходили з «класичної» температури:

t₀/t_с = -10 / +35 °С

то сьогодні в цілях економії енергії і для поліпшення процесу виробництва дотримуються наступних температур:

· температура випаровування -5 °С до -8 °С

· температура конденсації +25 °С до +35 °С.

Чим менше різниця температур, тим вище економія енергії. Відповідальні проектувальники холодильних установок повинні найбільш точно і у взаємодії із споживачами підходити до рішення всіх задач. «емпіричні величини» вже сьогодні відійшли в минуле. Вони застосовуються тільки, коли абсолютно неможливо провести точні розрахунки. Ці величини є наступним:

Табірний підвал з охолоджуванням продукту (температура в приміщенні -1 °С), ізольовано:

Q = 3,50 кВтч/день х м² основної площі.

Підвал з напірними танками з постійною підтримкою температури (температура в приміщенні -1 ^оС), ізольовано:

Q = 2,55 кВтч/день х м² основної площі.

Дріжджовий підвал (температура в приміщенні +6 ^оС), ізольовано:

Q = 2,00 кВтч/день х м² основної площі.

При використовуванні холодильних установок на пивзаводі досліджують в основному наступні зони охолоджування:

охолоджування сусла - частка від загального споживання від 15 до 20 %

охолоджування бродіння - частка від загального споживання від 60 до 70 %

охолоджування приміщення - частка від загального споживання від 8 до 10 %

глибоке охолоджування пива - частка від загального споживання від 8 до 10 %

Виходячи з центральної холодильної установки можна запропонувати два варіанти конструкції:

Однотемпературна установка:

Тільки одна температура випаровування, при цьому можна встановити відмінності через використовування регулятора тиску відсмоктування. Ці установки працюють з високим споживанням електричного струму, оскільки всі круговороти повинні бути обмежені найнижчою температурою випаровування. Але ці установки дешевше.

Установки з двома або декількома температурами:

Тут з боку відсмоктування є окремий круговорот (сепаратор або відповідний холодильник в потоці). Це підвищує інвестиції, але за рахунок більш низьких робочих витрат (приводна потужність) вартість установки значно менше.

Ми вибираємо конструкцію установки, залежно від конкретних умов використання. Однозначно можна сказати, що перевага віддається при малих потребах установці з однією температурою.

1.4) Економія електричної енергії приводу:

Через високу частку загальної витрати електричної енергії на пивзаводі дуже важливо, щоб холодильні установки працювали в економічному режимі. Для забезпечення цього існують декілька можливостей, які повинні бути враховані вже в процесі планування устаткування.

Оптимізація установок з програмуванням і управлінням через комп'ютер: (РСА)

Шляхом постійних вимірювань стану зовнішнього повітря визначається оптимальний необхідний тиск конденсації. Воно звичайне значно нижче за розрахунковий тиск. Шляхом підключення вентиляторів і насосів можна досягти цього тиску і підтримувати його. Оскільки холодильні установки на пивзаводі завантажені на 100 % в окремих випадках, то можна із залученням всієї установки конденсації досягти цієї мети. В результаті на конденсаторі буде потрібно більше енергії приводу, на компресорі проте можна заощадити 10-кратне кількість витрат. (Середньорічна економія складає 20 - 30 %). Оскільки машини працюють в щадному режимі, то зменшуються витрати на ремонт і обслуговування устаткування.

Нижнє охолоджування конденсату:

Конденсат повинен в нормальному випадку покидати конденсатор з обмеженим охолоджуванням (1 до 2 ^оС). Якщо встановити в зливний трубопровід конденсату додатково теплообмінник, який далі охолоджує конденсат, то можна підвищити охолоджуючу здатність установки на 5- 12 %, що залежить від розрахункових параметрів.

Як охолоджуюче середовище служить, наприклад, додаткова вода випарника або холодильної башти. Вона може нагріватися на 10 - 12 °С, що не робить впливу на апарат. Додатковий ефект на експансійному вентилі виникає охолоджений конденсат без пухирців, що забезпечує надійне регулювання процесу. Варто подумати також над тим, щоб привернути до охолоджування конденсату NH₃ також рідкий регенерований СО_2, який призначений для випаровування.

Повітря в холодилъній установці:

Частіше за все залишається без уваги повітря в холодильній установці. неконденсовані сторонні гази (інертні) є причиною втрати ефективності. Сторонні гази розчиняються в рідині охолоджуючого засобу і потрапляють в холодильний круговорот. Навіть обмежена концентрація значно підвищує тиск конденсації і тим самим веде до зменшення ефективності. Холодильні установки повинні, тому бути звільнені від неконденсованих сторонніх газів. Найефективнішими є автоматичні пристрої відкачування повітря, які видаляють інертні гази з холодильного кругообігу.

1.5) Початкові критерії на прикладі цилиндро-конічного танка:

Цилиндро-конічні бродильні і табірні танки в даний час працюють на сучасних пивзаводах у всьому світі. Вони себе дуже добре зарекомендували і мають переваги не тільки в плані продуктивності. Вони дуже надійна забезпечують якість пива. Найважливішим дискусійним питанням проте є розрахунок об'єму, діаметра і поверхні охолоджування. Так сьогодні танки об'ємом до 10.000 гл мають діаметр приблизно 8 м, нормальним можна рахувати такий же об'єм танка при діаметрі 3 - 5 м.

Бажання, щоб ці танки виготовлялися серійно, проблематично, оскільки вимагає правильного і точного розрахунку зони охолоджування. Ще більшою проблемою є те, що на кожному окремому пивзаводі існують свої різні параметри для розрахунку зон охолоджування.

Після охолоджування сусла, воно потрапляє з настановною температурою в бродильний чан або перевагу бродильний танк, якому віддається сьогодні. Звичайно в танк заливається декілька послідовних варив. В сусло додаються дріжджі, які забезпечують процес бродіння. В процесі бродіння виникає тепло, яке необхідне відводити. Це тепло підіймається в танку вгору, і його кількість нерівномірна в перебігу всієї тривалості фази бродінні, так що необхідна подача різної кількості охолоджуючого засобу, який підтримуватиме бажану температуру бродіння. На різних пивзаводах процес бродіння відбувається при різних температурах, переважне між 7 – 16 ^оС. Чим вище температура бродіння, тим коротше тривалість процесу бродіння.

Для проведення процесу охолоджування передбачені ЦКТ з поверхнями охолоджування (кишенями, напівтрубками і т. д.). По цих поверхнях тече носій холоду (наприклад, гліколь), що нагрівається, або охолоджуюче засіб (наприклад, аміак), який випаровується під час процесу охолоджування і тим самим забирає тепло. При охолоджуванні бродильного танка тепло через стінки танка, що відводиться, переходить на охолоджуючі поверхні. Холодна по відношенню до вмісту танка середовище впливає так, що температура стінок танка з внутрішньої сторони нижче ніж температура пива. Відбувається натуральна конвенція. За допомогою цієї циркуляції забезпечується те, що вміст танка постійно знаходиться в русі і всі частинки пива рухаються у напрямі до поверхні охолоджування. Чим більше різниця температур між температурою пива і стінок танка, тим краще відбувається проніс натуральній конвенції і, таким чином, тепловий обмін.

На початку вміст танка циркулює таким чином, що на стінках танка охолоджене пиво рухається вниз; охолоджені частинки важче ніж ще теплі. Після пониження температури нижче 2 - 3 ^оС, залежно від сорту пива, відбувається конвенція. Тепер вміст танка циркулює по стінках танка у зворотному напрямі. (Аномалії води діють також і в пиві).

Таким чином, при недотриманні цих правил на верхній зоні охолоджування утворюється лід, в нижній області об'єму танка температура складає приблизно +1 °С. Утворення льоду слід уникати з причин погіршення якості пива. Пиво замерзає, залежно від змісту алкоголю, при -1,5 до -3,3 °С. При безперервному регулюванні температури випаровування і рівномірному розрахунку температури стінок танка з внутрішньої сторони не можуть виникнути такі специфічні випадки. Всі дотичні з пивом зони оболонки танка використовуються для охолоджування, для того, щоб таким чином забезпечити м'яке охолоджування, при якому проте досягається висока швидкість охолодження. Управління автоматично контролює все ЦКТ в різних фазах для різних сортів пива, залежно від запрограмованої кривої охолоджування при бродінні і доброджує.

При використовуванні NH₃ як охолоджуюче середовище відбувається уприскування зверху, таким чином не відбувається замаслення поверхонь охолоджування. Процес відбувається завжди з певним надлишком NH₃, для того, щоб мати в розпорядженні достатню кількість охолоджуючого засобу. Це гарантує невеликі об'єми охолоджуючого засобу, невеликі коливання рівня наливання в сепараторі щодо маленького об'єму. При використовуванні середовища-носія охолоджування, наприклад, суміші води з гліколем, процес протікає від низу до верху, для того, щоб виносити повітря, яке можливо, знаходиться в системі. В даний час існують можливості точно розрахувати ЦКТ, тобто при точному знанні охолоджуваного пива практично виключається, щоб стінки танка зсередини мали температуру нижче за точку замерзання пива.

1.6) Охолоджування сусла:

З різних концепцій охолоджування сусла в даний час застосовується одноступінчатий спосіб із застосуванням заздалегідь охолодженої пивної води. Таким чином, підготовка енергії охолоджування розподіляється на великий проміжок часу. Списи струму зменшуються. Власне охолоджування відбувається при відповідному розрахунку холодильника сусла в перебігу до однієї години. Висока щоденна кількість варив може тим самим досягатися при якнайменших потребах в площі накопичувача води. Необхідна у варильному цеху кількість пивної води може підганятися в певних межах за рахунок змінення температури на вході і на виході до існуючих потреб. Необхідно при цьому прагнути якомога більш високої температури на виході води, для того, щоб підтримувати високий температурний потенціал. Раніше було дуже поширено двоступеневе охолоджування сусла, яке ще і зараз часто використовується. При цьому сусло охолоджується з 97 °С до проміжної температури приготованої пивної води. Охолоджування до встановленої температури, що залишилося, відбувається за допомогою середовища носія холоду (рідкісно за допомогою безпосереднього випаровування NH₃). Економічним тут є накопичувач крижаної води, який встановлюється переважно на маленьких пивзаводах і повинен використовувати постійно нічний струм.

Як уже були відзначено аміачні холодильні установки вимагають спеціальній правил техніки безпеки при своїй роботі. З іншої сторони аміак у повітрі дуже легко і швидко встановлюється, що є великою перевагою. Існують наступні граничні величини:

поріг запаху 5 до 10 ппм

Мак-величина 50 ппм

шкідливість для здоров'я починаючи з 500 ппм

границя перенесення 500 до 1.000 ппм

смертельна доза починаючи з 5.000 ппм

Для того щоб як можна більш надійно обмежити шкідливий вплив на людину і навколишнє середовище, необхідно кожну установку постачити спеціальними запобіжними пристроями. Це повинні бути агрегати, перевірені на заводі, що повинні відповідати по своїх розмірах величині установки.

Так установка повинна бути постачена подвійним запобіжним вентилем зі змінною арматурою, для того щоб надійно захистити від ненавмисного тепла. Усі ємності, у яких може виникати тиску рідини повинні бути захищені від ненавмисного виникнення надлишкового тиску. Те ж саме діє також для всього трубопроводу, якщо він защіпається c допомогою блокових вентилів. Він повинний бути постачений вентилями від надлишку, що запобіжать випадкове перевищення робочого надлишкового тиску.

Зливальний трубопровід запобіжного вентиля повинний бути організований таким разом, щоб забезпечити безпечне скидання. Рекомендується прокладати зливальний трубопровід через дах вертикально нагору c вільним клапаном, що закривається. Рекомендується наступна абсорбуюча система, яку можна побачити на малюнку.

B будь-якому випадку всі прилади варто включати надійно c технічної точки зору так, щоб установка у випадку відмовлення регулювання могла залишитися в безпечному стані або повернутися в нього. Усі запобіжні пристрої необхідно регулярно перевіряти і протоколювати.

У нових установок або при розширенні старих необхідно і бажано передбачити додаткову систему контролю, при цьому дотриматися усі вимоги і розпорядження.