3.4.2.5.1. Конденсация

вторичного пара

Целесообразно вернуть хотя бы часть тепло­ты парообразования. Это осуществляют пу­тем установки конденсатора вторичного пара, подключенного к вытяжной трубе кот­ла. Если вторичный пар конденсировать в этом аппарате, то можно получить обратно теплоту парообразования.

В этом конденсаторе (рис. 3.75) вторичный пар пропускают вокруг труб или каких-либо других теплообменных каналов, через которые

1 — сусловарочный котел; 2 — вы­тяжная труба; 3 — переключаю­щий клапан; 4 — камеры с тепло-обменными поверхностями; 5 — вентилятор; 6 — вытяжная труба конденсатора

306

прокачивают воду. Вода при этом нагревает­ся, а вторичный пар отдает свою теплоту па­рообразования и конденсируется.

Смотря по целям дальнейшего использо­вания, вторичный пар охлаждают в одну или две ступени, получая при этом горячую воду. В настоящее время выпускают конденсаторы вторичного пара с одноступенчатым охлаж­дением (рис. 3.76).

Из 1 гл испаренной воды можно получить до 8,0 гл горячей воды при 80 °С.

Объем вторичного пара при конденсации в воду существенно уменьшается и этот кон­денсат может легко удаляться.

В настоящее время конденсатор вторично­го пара выпускают чаще в виде одноступенча­того пластинчатого теплообменника. При этом вторичный пар подается сверху в каж­дую вторую пластину и конденсируется при движении вниз, тогда как охлаждающая вода течет в промежуточных пластинах в противо­токе, снизу вверх, и при этом нагревается (рис. 3.76а).

Из теплотехнических соображений (в слу­чаях, когда используется система энергосбе­режения с тепловым накопителем — прим. ред.) в качестве охлаждающей воды применя­ют воду с возможно более высокой температу-

Р ис. 3.76. Конденсатор вторичного пара:

1 — кожухотрубный теплообменник; 2 — вытяжная труба;

3 — водяной пар; 4 — выход горячей воды; 5 — подача

охлаждающей воды; 6 — отвод конденсата

Рис. 3.76а. Пластинчатый теплообменник как конденсатор вторичного пара:

1 — вторичный пар; 2 — конденсат; 3 — охлаждающая вода; 4 — горячая вода

рой с таким расчетом, чтобы благодаря кон­денсации вторичного пара температура горя­чей воды на выходе была бы как можно ближе к точке кипения.

3.4.2.5.2. Компрессия вторичного пара

Получаемый при кипении вторичный пар име­ет температуру около 100 °С и уже не может применяться для целей обогрева котла, но если его сжать путем создания избыточного давле­ния величиной несколько десятых бара, то его температура повышается до 102-108 °С и за­тем его можно использовать снова для целей обогрева котла. Таким путем можно непосред­ственно рекуперировать теплоту парообразова­ния, израсходованную при кипячении сусла.

Условием для возможности повторного использования вторичного пара является от­сутствие в нем воздуха. Оно может быть обес­печено в том случае, если в котле не образует­ся пена и кипячение сусла происходит без за­тягивания наружного воздуха.

Компрессия вторичного пара производит­ся либо

• путем механического сжатия; в этом слу­ чае говорят о механической компрессии, либо

• путем использования пароструйного ком­ прессора, для работы которого требуется первичный нередуцированный пар из па­ рового котла; в этом случае говорят о тер­ мической компрессии вторичного пара.

Механические компрессоры вторичного пара можно часто встретить на современных пивоваренных предприятиях, термические же

компрессоры получили меньшее распростра­нение.

Механическая компрессия вторичного пара

Полученный вторичный пар сжимается вин­товым или двухроторным трехлепестковым компрессором (компрессором Рутса) до избы­точного давления 0,2-0,5 бар. Благодаря этой компрессии температура вторичного пара по­вышается и он может снова использоваться непосредственно для целей обогрева суслова-рочного котла. Однако перед повторным ис­пользованием сжатого вторичного пара в него производят впрыск конденсата, чтобы снять теплоту перегретого пара. Путем компрессии вторичного пара можно экономить тепловую энергию, так как здесь расходуется энергия только для привода компрессора (ее расход ра­вен примерно 5% от рекуперированной пер­вичной тепловой энергии, то есть экономятся оставшиеся 95% рекуперированной первичной энергии).

Нагрев сусла до температуры кипения дол­жен осуществляться путем подачи первично­го пара (рис. 3.77, 10) в кипятильник.

307

Сусло прокачивают с помощью циркуля­ционного насоса (4) через выносной кипя­тильник (3), где оно нагревается, после чего сусло возвращают в сусловарочный котел (1). Когда достигается желаемая температура ки­пения 102-106°С на выходе из кипятильника, включают компрессор (2) и сжимают вторич­ный пар (9) до избыточного давления 0,09 --0,25 бар = 102-106 °С.

Установку для компрессии вторичного пара можно также подключать к существую­щему оборудованию. Этот способ энергосбе­режения представляет интерес и для пиво­варенных заводов, где не желают проводить кипячение сусла при низком избыточном давлении по соображениям качества. Повы­шенное давление создается только в вынос­ном кипятильнике, а не в котле. Система нор­мально функционирует только в случае, ког­да в ней не присутствует воздух. Поэтому в самом нижнем месте системы всегда монти­руется устройство для автоматического уда­ления воздуха, поскольку более тяжелый воз­дух опускается вниз.

Экономия первичного пара, обеспечивае­мая при использовании метода компрессии

Рис. 3.77. Механическая установка для компрессии вторичного пара:

— сусловарочный котел; 2 — компрессор; 3 — выносной кипятильник; 4 — насос для циркуляции сусла; 5 — емкость для сбора конденсата; 6 — насос для конденсата; 7 — конденсатор вторичного пара; 8 — предохранительный клапан; 9 — вторичный пар; 10 — первичный пар; 11 — холодная вода; 12 — горячая вода; 13 — конденсат

© 308

вторичного пара довольно значительна. По­скольку теплота конденсата повторно ис­пользуется для нагрева сусла, то практически не образуется избыточная горячая вода. Необ­ходимо предусмотреть в сусловарочном котле вакуумный предохранитель, чтобы исключить деформацию котла при внезапном охлажде­нии [13].

Однако помимо преимуществ система имеет и недостатки:

• использование сложного и дорогостояще­ го оборудования;

• требуется большая поверхность теплопе­ редачи (60-80 м²/100 гл сусла), так как при использовании в качестве обогреваю­ щего пара сжатого вторичного пара обра­ зуется лишь относительно небольшая раз­ ность температур;

• необходимы работы по техническому об­ служиванию дополнительно установлен­ ного оборудования;

• если для привода компрессора исполь­ зуют электродвигатель, то из-за высокой установленной мощности компрессора на предприятии могут возникать значи­ тельные пики потребления электроэнер­ гии; если используется цривод от двига­ теля внутреннего сгорания (работающего на газе или дизельном топливе), то можно также использовать тепловую энергию, вы­ деляющуюся при работе двигателя, при этом пики потребления электроэнергии не возникают.

В целом можно сказать, что компрессия вторичного пара имеет смысл только начиная с оборачиваемости варочного агрегата более 5 варок в сутки. Преимущества компрессии вторичного пара возрастают вместе с ростом оборачиваемости варочного агрегата и массы единовременной засыпи.

Термическая компрессия вторичного пара

При термической компрессии вторичного пара последний втягивается в систему и сжи­мается с помощью пароструйного компрессо­ра (рис. 3.78).

Этот компрессор состоит из смесительной камеры (1) с соплом (2), через которое прохо­дит первичный пар из котла, имеющий из­быточное давление как минимум 8 бар (луч­ше всего порядка 18 бар). Благодаря высокой

Рис. 3.78. Пароструйный компрессор:

1 — смесительная камера; 2 — сопло; 3 — диффузор; 4 — первичный пар; 5 — вторичный пар; 6 — обогревающий пар

скорости первичного пара в линию всасыва­ется вторичный пар и в расположенном далее диффузоре (3) при снижающейся скорости смешанного пара его кинетическая энергия пе­реводится в энергию сжатия с Р_изб = 0,1-0,4 бар.

Установка для термического сжатия вто­ричного пара (рис. 3.79) функционирует так [133], что сначала сусло нагревается посред­ством подачи первичного пара.

Сусло прокачивается с помощью цирку­ляционного насоса (4) через выносной кипя­тильник (3), нагревается и возвращается в сусловарочный котел (1). Когда достигнута температура кипения 106 °С на выходе после выносного кипятильника, включается паро­струйный компрессор (2).

Большая часть вторичного пара (9) всасы­вается пароструйным компрессором, сжимает­ся и переводится на более высокий темпера­турный уровень. Этот сжатый вторичный пар направляется в выносной кипятильник (3) и далее обогревает сусловарочный котел для под­держания процесса кипения.

Образовавшийся в выносном кипятильни­ке конденсат при 106 °С и P_изб = 0,3 бара попа­дает в емкость для сбора конденсата (5) и че­рез насос для конденсата (6) направляется в конденсатор вторичного пара (7).

Если бы компрессии подвергалось все ко­личество образующегося вторичного пара, то посредством необходимого добавления пер­вичного пара как рабочего тела к суслу подво­дилось бы все больше тепловой энергии и про­цесс тем самым вышел бы из-под контроля. Поэтому оставшаяся часть, около 30% вторич­ного пара, отводится в атмосферу или конден­сируется в конденсаторе вторичного пара, в котором таким путем получают для нужд про­изводства горячую воду.

309

1 — сусловарочный котел; 2 — пароструйный компрессор; 3 — выносной кипятильник; 4 — циркуляционный насос для сусла; 5 — емкость для сбора конденсата; 6 — насос для конденсата; 7 — конденсатор вторичного пара; 8 — предохра­нительный клапан; 9 — вторичный пар; 10 — первичный пар; 11 — холодная вода; 12 — горячая вода; 13 — конденсат

Преимуществами термической компрес­сии вторичного пара являются:

надежная эксплуатация при небольших затратах на техническое обслуживание; исключение пиков потребления электро­энергии.

Недостатками являются:

■ потребность в больших поверхностях теп­лопередачи из-за низкой температуры обо­гревающего пара;

I образование повышенного количества го­рячей воды;

необходимость в наличии первичного пара высокого давления (до 18 бар; необходима собственная котельная установка).

Термическая компрессия вторичного пара может составить благоприятную по стоимос­ти альтернативу механическому сжатию вто­ричного пара не только для небольших пиво­варенных заводов, но и для крупных пред­приятий с дополнительной потребностью в горячей воде. При сравнении экономической эффективности в пересчете на одну варку (вы­ход горячего сусла 100 гл при степени испаре-

ния 10%) от применения метода термического сжатия вторичного пара с традиционным ме­тодом кипячения сусла без сжатия получают­ся существенные различия [132]. Простран­ственное размещение необходимых поверхно­стей теплообмена при использовании данного метода в сочетании с внутренним кипятиль­ником чаще всего связано с большими про­блемами; кроме того, применение термичес­кого сжатия вторичного пара имеет смысл только, когда полученная горячая вода также может быть использована. (Термическая ком­прессия в сочетании с накопителем тепловой энергии в настоящее время является наиболее перспективной системой энергосбережения в варочном цехе. — Прим. ред.)

3.4.2.5.3. Кипячение при низком избыточном давлении с накопителем тепловой энергии

Вследствие применения теплообменных уста­новок на различных производственных учас­тках варочного цеха обычно образуется боль­шой избыток теплой воды, которой трудно найти применение. Однако в варочном цехе

310

нужна горячая вода с достаточно высокой температурой, которую можно использовать для целей обогрева при небольшом подводе дополнительной теплоты. Кроме того, необ­ходимо использовать даже небольшую раз­ность температур и накапливать горячую воду для использования по мере появления потреб­ности в ней. Это возможно осуществить с ис­пользованием теплоизолированных систем с накоплением тепловой энергии (рис. 3.80).

Испарившаяся в сусловарочном котле (3) вода конденсируется в конденсаторе вторич­ного пара (4), тогда как охлаждающая вода в противотоке нагревается до 97 °С. Нагретая до 97 °С вода вводится в верхнюю часть накопи­теля энергии (5). Этой горячей водой из верх­ней части накопителя энергии можно нагре­вать неохмеленное сусло, находящееся в сбор­нике (1) или затор в заторном аппарате (6). Возможны и другие объекты для обогрева, по следует обращать внимание на то, чтобы го­рячая вода при этом не остывала.

Горячая вода хранится в хорошо теплоизо­лированных накопителях энергии; при этом в процессе работы происходит постоянное сме­щение пограничного слоя между очень горя­чей и менее горячей водой соответственно рас-

ходу накопленной тепловой энергии. Толщи­на смешанной зоны зависит от конструкции накопителя и составляет для узких накопите­лей лишь 10-20 см.

При таких системах накопления тепловой энергии можно долгое время хранить избытки теплоты и в любой момент использовать их. При этом важно следить за тем, чтобы стрем­ление использовать малейшие температурные перепады не привело бы к тому, что темпера­тура в накопителе опустилась до слишком низкого уровня.

Экономия первичной энергии по сравне­нию с традиционным кипячением без повтор­ного использования теплоты составляет:

■ для кипячения при низком избыточном

давлении около 40—50%; I для кипячения при низком избыточном давлении с накопителем энергии около 60-70%.