（化工过程机械专业论文）麦汁煮沸设备的传热与流动研究.pdf

浙江人学鞭f j 学位论叟 摘要y 5 8 0 9 3 1 麦汁煮沸设备是峰滔生产中最重要的设备之一，煮沸设备的设计囊接影响到 啤酒的质量和能源的消耗。麦汁煮沸怒一个复杂的传热和帽变过程，本文围绕爱 泞煮溺锅熬接热和流动避开礤究，结会滚馋力学软 牛避学模拟分辑，以联褥到 个煮沸设备的优化设计方法。针对煮沸过程产生大量的二次蒸汽，设计了二次蒸 汽螯渡系统，爨青鞠鬟懿经济效益。 本文所做的主要工作如下； 1 、对麦汁煮沸j 毫程不同加热阶段传燕系数的计算和分析( 加热和糯压煮 沸) ，完成煮沸设备的初步设计。 2 、针对加压煮沸过程产生的大量二次蒸汽，提出并设计了二次蒸汽回收系 统，减少煮沸过程的裁源消糕。 3 、提出煮沸设备的简化流动模型，推导出麦汁煮沸过程中由于密度差等引 超魏对滚缮瑶速度豹计算方法，并礁瓮麓热蛰中麦汁涕骜点豹篱疫。 4 、运用上述提出的计算方法，以6 0 m 3 煮沸设备为例子进行计算，求得其循 环流遥，捡验该设备豫热系数和换热蕊积。 5 、运用f l u e n t 软件，以加热管和煮沸设错为对象，求得加热管和煮沸设备 的温度分布和流动分布，与实验值对照，煮沸锅内的溢度分布较为吻合。 6 、通过以上的分辑计算，提出煮沸设备计箕方法，以及结构改邀的建议。 关键词：煮沸锅、循环流速、= 次蒸汽回收、流场、温度场 胀慧襄考、等繇同纛 孝令文公布 浙江大学预 j 学位论文 a b s t r a c t w o r tk e t t l ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n te q u i p m e n ti nb e e rm a n u f a c t u r i n g t h e d e s i g no fw o r tk e t t l eh a sd i r e c te f f e c to nt h eb e e rq u a l i t ya n dt h ec o n s u m p t i o no f e n e r g y w o r tb o i l i n gi sac o m p l i c a t e dh e a t - t r a n s f e r r i n ga n dp h a s et r a n s i t i o np r o c e s s ， t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e do nt h eh e a tt r a n s m i s s i o na n df l o wo ff l u i da n dh a sc a r r i e d o u tv i r t u a la n a l y s i sw i t ht h eh e l po f c f d ，e x p e c t i n gt of i n da no p t i m i z e dd e s i g n i n g m e t h o do fw o r tk e t t l e as e c o n d a r ys t e a mr e c y c l i n g s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ， w h i c h d i s p l a y so b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t t h i s p a p e r h a sr e s e a r c h e dm a i n l yo i lt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 t h ec o n a p u t a t i o na n da n a l y s i so nt h e 沁越鹳t r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t so nt h e v a r i o u sh e a t i n gp r o c e s so fw o r tb o i l i n g t h ei n i t i a l d e s i g n i n go f w o r tk e t t l eh a s b e e n 萎拄i 盎o d ， 2 a s e c o n d a r ys t e a mr e c y c l i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h eb o i l i n gp r o c e s s ，c o n s i d e r i n gt h ea b u n d a n ts t e a m p r o d u c e dd u r i n gp r e s s u r e b o i l i n g 3 af l o w i n gm o d e lo fw o r tk e t t l ei s p r o p o s e dm u dt h ec o m p u t a t i o nm e t h o do f c o n v e c t i o n a lc i r c u l a t i o ns p e e di sd e r i v a t e d 4 。t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n da r e ai si n s p e c t e da c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o n m e t h o d ，a se x a m p l et h ew o r tk e t t l eo f6 0 m 3 5 w i t ht h eh e l po fc f d ，t h e t e u a p e r a t u r ea n df l o wd i s t r i b u t i o no fh e a t i n gp i p ea n d w o r tk e t t l ea r e a c q u i r e da n dc o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hi n d i c a t e s as i m i l a rr e s u l t 。 6 t h e c o m p u t a t i o n m e t h o do fw o r tk e t t l ea n d i m p r o v e m e n t o fs t r u c t u r ea r e p r o p o s e dt h r o u g ht h ea b o v ea n a l y s i sm e t h o d k e y w o r d s ：w o r tk e u l e 、c i r c u l a t i o ns p e e d 、s e c o n d a r ys t e a m r e c y c l i n g 、f l o w f i e l d 、 t e m p e r a t u r e f i e l d 浙江人学硕【j 学位沦文 月u舌 啤酒称为液体面包，其富含的营养成分已为人们所接受；啤酒作为大众化的 饮料已为人们所喜爱。随着人民生活水平的提高，啤酒的消费量高速地增长。我 国啤酒的年产量已从二十年前的4 0 万吨发展到今天的2 3 0 0 万吨，一跃成为世界 啤酒生产一的第一人国。这是我国的改革开放政策，带来了啤酒发展如此巨大的变 化。 啤酒生产的规模从原来年产l 万吨啤酒厂为主的遍地开花的这种生产规模， 发展到如今以年产l o 万吨为主体的大型企业，以及年产5 0 万吨以上的大型啤酒 集团，啤酒的生产规模更向着大型化、自动化方向发展。随着国际资本的进入， 啤酒的生产还会有更大的发展，啤酒的产量还将进一步提高，因此对啤酒的装备 水平和自动化水平提高提出了更高的要求。 尽管这些年来我国啤酒工业在产量和质量上都取得了令人瞩目的成 就，但与国际先进水平相比仍有较大差距：啤酒人均消费水平低啤酒 装备配套水平较差，产品进入国际市场的竞争力不强。一些大型企业的啤 酒生产设备主要依靠进口。科技投入少，啤酒设备的开发水平低，主要 设备基本上仿制国外的。能源消耗高由于管理和装备水平限制，生产效 率低，导致能源消耗高。国内外啤酒工业能耗比较如下表： 指标国内平均水平国际平均水平 水耗( 吨吨啤酒) 1 05 电耗( 度吨啤酒) 1 6 01 3 0 标准煤( k g 吨啤酒) 1 0 08 0 啤酒工业的发展对设备提出了更高的要求，但是由于技术投入的不足 和开发研究起步比较晚，造成现代化的啤酒生产主要设备还是依靠进口， 德国的h u p p m a n n 公司、斯坦尼克公司以及法圈的诺顿公司等占据我国大 型啤酒设备的大部分南| 场，严重制约着我国啤酒生产企、j k 的发展。近年来 国内的啤洒设备生产有了很大的发展。国内生产厂家已经能自助研究、开 发、制造些大型啤酒设备，特别是啤酒生产中的发酵系统等。但足啤酒 生产中的麦汁制备系统尤其是煮沸设备和过滤设备，目前困内啤酒设备制 浙江大学坝 ：学位论文 造厂家还停留在对国外设备的模仿上，凼此出现了对于不同的啤酒产量在 设备的设计上只是简单的按一定的比例整体缩放，造成啤酒i i 产中能源的 浪费。啤酒设备没有形成一套完整的自己的设计理论，没有自己的品牌、 自己的知识产权。 本文针对煮沸锅及其二次蒸汽l o j 收装置进行深入研究，开发并设计了节能 的二次蒸汽回收系统，运用于生产。提出在煮沸锅内加热器管内麦汁相变下的 传热计算及煮沸锅内麦汁循环流动的图解一分析法。采用f l u e n t 软件对煮沸锅 的麦汁流动和温度分布进行分析，提出对煮沸锅优化设计的建议。 浙江大学倾l 学位论文 第一章麦汁制备 1 1 麦汁制备系统简介1 【2 】 啤酒的生j “是个复杂的物理、化学、生物化学过程。啤酒生产从工 艺上可分为麦芽制备，麦汁制备，啤酒酿造( 主酵、后酵) 和啤酒灌装等 过程。随着啤酒生产水平的不断提高，对设备的设计、制造及控制提出了 更高的要求。 麦汁制备俗称糖化，是将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制加 工成澄清透明的麦芽汁。制备的麦汁供酵母发酵，加工成啤酒。麦汁制备系 统是啤酒j 一整个啤酒生产的关键。因为在啤酒生产：中麦汁制备能力的好坏直接影 响到整个啤酒厂的生产能力和啤酒的质量。麦汁制备的过程包括：大米的糊化、 麦芽的糖化，糖化醪的过滤，混合麦汁加酒花的煮沸，煮沸后麦汁内残渣 的沉淀等一系列物理、化学、生物化学的加工过程。麦汁制各的工艺流程 如图1 1 所示，其相对应的主要设备3 1 有糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅 和旋转沉淀槽( 俗称三锅两槽) 。其中麦汁的煮沸是整个麦汁制备的瓶颈所 在，其日产量直接决定整个麦汁制备的产量。因此煮沸锅是整个麦汁制备 过程的主要设备。 麦糟排出 麦计预热 圈1 1 三锅两槽流程图 麦汁煮沸的t 要目的5 1 是稳定麦汁成分。在高温( 1 0 4 ) 作用卜- 添加酒花，使某些高分子蛋白质和酒花溶出的多酚物质( 单宁、类单宁) 缩合成一些复杂的复合物而沉淀，这种缩和作用贯穿整个啤酒酿造过程 浙江大学倾一t 学位论文 从面提高啤酒的菲生物稳定髋。麦汁懑沸要求遥当瓣惫沸强麓，分撼添加滔藐， 在预定擞沸时溯内使麦汁达到规定的浓度，保掩有明照淄花香味椰柔釉的酒花若 味，僳证成品啤酒有光泽、风味好、稳定性离。麦汁煮沸的主要作嗣： 1 ) 簿数钝纯 破坏全部酶的活憔，使之失去作用，特别是停止淀粉酶的作用，稳定麦汁 中霹发黪毪糠和赣臻鹣院秘，保持麦泞缝分耘发筹蓊致淫。 2 ) 麦汁的灭菌以获得定烈的麦汁 滁去麦汴中存在懿备释菌娄，特蹒是巍酸麓，逮免装簿辩发生黢蕊，器诞最 终产晶的质量。 3 ) 可凝耐蛋自旗的凝固析出，提高啤酒的菲生物稳定饿 煮沸过程中，辑出某些受热变性以及与攀宁物囊结合两絮凝沉淀的蛋自璇， 提高嗥酒的非生物稳定性。 4 ) 蒸发水分 燕发混合爱汁中彩余的水分，侵袭汁浓缩到规定的浓度。 5 ) 滔慈有散或分溶天麦泠中 在麦汁煮沸过程中添加涮花，将其所含的软树脂、单宁物质和芳钨成分等溶 出，赋予麦汁独特的灏花香臻帮爽蜀静著昧，淹辩也提高簿灞秘生穗帮菲生物稳 定性。 6 ) 降低淹汁的p h 值 麦泞煮沸时，出予淫莛豹添嚣、酸牲娄黑豢熬形裁以及承中钙、镁裹子懿增 酸作用等因索，使麦汁p h 值谶一步降低，促进了麦汁中p 球蛋白的析出和成 瑟母h 篷靛降低，畜翻手蹿滔盼生物稳定灌鞍棼生秘稳定注。 7 ) 还原性物质冉q 形成 在煮沸过程中，袭汁色泽逐游巍深，形熊了一骜成分复杂懿还露褴辏质( 翔 还原酮等) ，增强了发汁豹抗氧化能力，对保持啤酒风味稳定性和非生物稳定性 作用很大。 8 ) 蒸出不是豹挥发性成分 煮沸过糕中，把些麦汁中原有的和新形成的挥发性恶性成分蒸瞄，其中也 毯撬r 一部分涟蓖漓中菇臻不整麴碳隶纯会渤纛努，知香时烯等。 浙江人学 i ! j l ：学位论文 由于上述的工艺磊的，要求煮沸铺满足在一定时问氏麦汁升至= _ f ：作温度、在 煮沸过程中保诞整锅麦汁温度的均匀、避免局部高温的出现等，因此对煮沸锅的 直径、容积以及内加热器尺、j 。的设计就尤为熏溪。 1 2 麦汁煮沸锅的结构 1 1 麦汁需要在煮沸锅中强烈煮沸l 2 h ，因此煮沸锅必须配备加热装置。随着 加热方式的改变，煮沸锅式样墩在不断变化。根据加热方式不同划分为以下三釉 形式； 1 2 。l 宣接火烟热式煮沸锅 煦接火加热式煮沸锅属于最古老的种形式，锅底用煤炭、燃油、天然气 加热，加热效率低、污染严重。如今只有在意式的糖化车闻才能偶尔看到。 l 。2 2 过热水加热式煮沸锅 + 在一定压力下，用1 6 0 1 7 0 0 c 过热水通过焊接在锅底的半圆管对煮沸锅进 行鸯i 热。蔫过热永艟热爵节约鬻蒸汽冷帮而造成静蒸攒失。餐装甏需要较大壹经 的加热管，其能源消耗比蒸汽商得多，因为蒸汽的流动性比液体过热水要好。蒸 汽的热传递融避热水好，因此当今很少使用避热水加热。 1 2 3 蒸汽加热式煮沸镊 这是目前最常用的加热方式。其主要加热形式有通过夹套、内加热器或外 麓热瓣等。 1 ) 带夹套的蒸汽煮沸锅 带夹套的蒸汽煮沸锅最早是用熬体夹 套，后改成通过焊接在锅底及侧壁的半圆形 管加热( 见图1 t 2 ) ，其传热效率比整体夹套 提裹了2 0 。 2 ) 具有内加热器的圆形受汁煮沸锅 其有内加热器的嘲形麦汁煮沸锅为内 排管循环式加热，用此类加热器加热比夹套 加热具有较高的煮沸强度，目前此类型较流 圈1 己带来拳的蒸汽煮涕锅 浙江人学坝 ：学位论文 行。圆形麦汁煮沸锅，随着容量不断增大，其底部加热面积的比例则相对减小。 而且大型铜锅不易加t ，故使用的材料向刁i 锈钢发展。不锈铡的热传导系数较紫 铜的热传导系数低。为了加强煮沸效果，改善麦汁对流情况，不锈钢煮沸锅的锅 壁常加设由半圆管或槽型钢组成的加热层。底部加热层与锅壁加热层通常是分开 的，采用的蒸汽压力也不尽相同。此外，也可在锅内部装置各种形式加热器。内 加热器多种多样，主要介绍以下几种： 列管式内加热器： 这是目前啤酒厂普遍采用的加热器1 1j ( 见图1 3 ) 。 此内加热器由许多加热列管所构成，占煮沸锅容积的 4 5 ，加热面积大，不锈钢制作，一般为1 1 1 2 m 2 m 3 麦汁，每小时蒸发量可达1 0 左右。管外采 用饱和蒸汽加热，管内麦汁受热h 行，在加热管上部 喷出，锅底部麦汁则不断进入加热管，使麦汁在煮沸 锅内形成强烈的对流，从而强化了传热，提高了蒸发 率，有效的减少管内结垢，并可省去搅拌系统。设计 时加热器直径和煮沸锅直径应成定的比例，加热器 直径过大，麦汁上窜，加热面积不能充分利用：过小， 则会导致锅外缘的麦汁得不到充分煮沸。故在加热器 h 方加一高度可调的伞形罩，将加热器喷出的麦汁引 向锅的外缘，从而产生良好的对流。加热器的清洗时 f 叫叮每天或较长时间洗涤一次，根据沉淀的蛋白质而 定。不及时清沈会使得加热管壁传热能力下降。 卅誓o 、 l4 7 _ p l f l 固1 3 判售式由如热器 星式内加热器：有许多块内加热板组成，各板呈放射状排列。 3 ) 具有外加热器的麦汁煮沸锅【l 】 此煮沸锅的特点是外加热器独立安装在锅体外( 见图1 4 ) 。从煮沸锅底部流 出的麦汁，借助于泵，通过外加热器进行每小时7 1 2 次的循环加热。煮沸锅中 的麦汁在常压下煮沸，但是借助外加热器麦f 7 - d l 口处的调节阀可产生一个较低的 过压，使得麦汁在外加热器巾受到1 0 2 1 0 6o c 的加热：从外加热器出来的麦汁 进入煮沸锅后，k 力马上降至常压，卸压效果是麦汁进入煮沸锅后得到强烈的蒸 薄；江夫学赣| j 掌傍论文 发。为了充分利用这一点，外加热器出来的麦汁导入一根直径为2 0 c m 的管( 2 ) 内，锅内麦汁从底部具有玎目的套管( 3 ) 中以喷射乃式一起被暇进来，加强蠹 汁的运动。在卸压管静上方安装有一个伞形罩，既可以避免麦汁喷骛于过高，又可 将麦汁向锅内叫周分散。 图1 。4 带外加热器的巍沸锅 ( 1 i 鑫i 皤2 燕麦滢整l3 垂譬4 1 李瓣希覃 ( 5 ) 蒸汽( 6 ) 燃( 7 ) 麦话泵 内终加热器的比较 外加热器优点： 煮沸时间缩短2 0 3 0 ，可节约蒸汽； 疆环次数可班溺节； 只需压力很低的饱和蒸汽( 3 0 k p a ) ： 煮沸强度和煮沸温度可调节： 爨秘鞠基效赢，可绞更多懿对霉凑苓巅熬簿笈牲穆溪被蒸发。 良好的煮沸可使袭汁p h 值低、色泽浅、口味纯正及u 味稳定性好。 外加热器缺点： 由于鬻要麦瓣罐内、井循环，溺薅耗电量臻热； 新波人学硕 j 学位论文 外加热器产生姚大量热辐射损失导致需要额外的保瀛处理； 璜麓颧努静投资费弼； 外加热器q j 商流速产生很大剪切力，破坏麦汁中的有效成分。 内加热方法的傀点： 投资少，无需维护，没有癞损： 锅内白循环，无需额外电能； 内船热的热黢全部为麦汁啜收； 煮沸温度和蒸发率可调整； 在麦汁煮沸时不产生泡沫，也没有带入空气，麦汁煮沸质量好： 可使用低压稳魏蒸汽( 1 。o 般a ： 内加热器管隶中的流速低： 煮沸锅不要外动力使麦汁循环，也无需搅拌器。 肉加热方法的缺点： 内加热器的滴洗较困难； 当蒸汽温度过高时，会出现麦汁局部过热，导致结垢，因为管束中麦汁流 速较小； 麦汁局部过热会导致麦汁的色泽加深、口味变差： 尽管内加热存在缺点，但趋其优点仍十分明显，所以内加热器形式仍为现 在设罚。豹主流。 1 3 煮沸系统目前的新发展和还需要解决的问题 1 ) 低压煮沸8 l 低压麦汁煮沸一般保持锅内压力为o 0 3 m p a ，煮沸濑度为1 0 4 y 2 。在麦 汁煮沸过程中温度姆升高4 ，可以达到同样的蛋白质凝周效果而煮沸时间 缩短，同时麦汁色泽浅，黄养物质破坏少。但是过高懿滠度会破坏麦汁的 煮沸质薰。因此在霸前的煮沸过程中一般采井j 低压煮沸，其加热形式一般 选择配备内加热器的蒸汽加热。而且由丁啤酒厂啤酒产孱的加大，煮沸锅 的奏效蜜积也越来越大。低压焱沸更容易在保持段保持整锅的麦汁滠度均 匀。 浙江人学碗 学位论文 2 ) 二次蒸汽的凹收1 0 1 麦汁煮沸所产生的水蒸汽被称为乏汽或次蒸汽。：次蒸汽中含有许 多热量( 1 k g l 0 0 。c 的水蒸气冷凝成1 0 0 。c 热水时可放出2 2 5 8 4 k j 的热能) 。 而且由于煮沸锅容量的增大，煮沸强度的提高，煮沸过程蒸发水分会形成 大量二次蒸汽，刈二次蒸汽的回收将是啤酒厂节能降耗的一条蘑要途径。 二次蒸汽的回收可以得到大量的热能，吲收的热量用以加热进煮沸锅的冷麦 汁，可以减少麦汁在锅内的加热时间，而且对二次蒸汽的回收还可以减少对大气 的污染。如果二次蒸汽不加处理的直接排放至大气中，会对周围环境造成异昧污 染。在国外管理很严，一般都进行回收。但是国内多数啤酒厂的二次蒸汽都是直 接排放的。所以对二次蒸汽的回收是很有必要的。 3 ) 麦汁内加热器设计主要解决以下存在的问题 加热器的底部容易结垢、堵塞。 内加热器的上部喷涌比较激烈，经常将已经凝结的蛋白质絮凝物打碎。同 时喷出的麦汁表面积增大，接触氧化情况加剧。 内加热器位置处于中央，经对煮沸锅内不同位置的温度进行测量发现，不 同位置的麦汁达到煮沸温度的时问长短不一，温度不均匀。在国内自己制 造的一些煮沸锅内甚至出现靠近煮沸锅筒边的麦汁煮沸温度升不上去达 不到要求。煮沸锅的内加热器没有个最适合的径高比，在最短的时问内 加热麦汁、使整锅麦汁温度均匀。 内加热器的清洗还存在一定的难度。 1 4 、麦汁煮沸设备的国内现状1 2 1 目前国内大型啤酒厂的糖化设备丰要是依靠进口，而中小型啤酒厂家 所使用的糖化设备主要是由国内啤酒设备厂家通过对进口糖化设备进行测 量的基础上按一定比例对糖化设备的设计尺寸等做简单的修改制造出的。 国内设计单位也没有形成一套自己的设计程序，可以对不同生产能力、不 同的工艺条件的啤酒生产设计出与之相对应的糖化设备。还有很大一部分 的小型啤酒厂还在使用一些7 0 年代老式的糖化设备。而且这些国内生产制 造的煮沸锅基本都是常压煮沸，不配备二次蒸汽回收系统，直接把二次蒸 汽排放到大气中造成能源的损失和空气的污染。 新证人学硕+ 。学位论文 国内所使用的煮沸锅申，以酝备剡管式晦加热嚣f 勺低压煮沸销为主， 冀余静大豁努葭瘸拳封溺或黻歼式静黼备列臀式痰黧热器的常压煮沸锅。 所以，i ：燃对煮沸锅的深入研究、分析、对比，提出煮沸锶的一套设计计算 公式茏为霪要。肖然该设计有定难瞧，尤其是内热热器蒸汽对列镣晦流 动麦汴浆热传导，蠹汁篱蠹受热沸黪时懿糖变过程及汽液二稳滚动蕊诿热 系数的计算等。本文就怒针对这一难点展开，试图找到煮沸锅设计的方法， 及结橡的俊纯。 1 娃 浙扛人学倾 ：学位论文 第二章煮沸锅及节能系统的设计研究 2 1 本章的内容 1 ) 根据提供的设计参数确定煮沸锅的基本尺寸，并且根据这个基本尺i r 和设 计参数求得所需的内加热器换热面积s 。根据换热面积s 设计出相对应的内加热 器。 2 ) 按照煮沸工艺提供的数据设计出相对应的节能二次蒸汽回收系统及装置。 2 2 煮沸锅的设计参数及煮沸工艺 1 ) 煮沸锅的设计参数( 见表2 1 ) 表2 1 煮沸锅的基本设计参数 容器内内加热器管程内加热器壳程 工作压力m p a0 0 3 0 0 30 5 设计压力m p a0 1 o 1o 6 工作温度 1 0 41 0 41 5 5 设i t 温度 1 1 01 1 01 6 0 材料 0 c r l8 n i 9o c r l8 n i 90 c r l8 n i 9 介质麦汁麦汁蒸汽 全容积有效容积m 3 8 2 6 0 2 ) 煮沸工艺4 j 麦汁的煮沸时间对啤酒的质量影响很大，在常压。f 煮沸，淡色啤酒( 1 0 1 2 ) 的煮沸时间一般在9 0 1 2 0 分钟，浓色啤酒可适当延长一些。在加压o 1 1 o 1 2 m p a 条件下煮沸，时间可缩短一半左右。合理的延长煮沸时间，对蛋白质的 凝固、提高酒花利用率和还原物质的形成是有利的，对泡沫性能不利。过分的延 长煮沸时间，不仅经济上不合理，麦汁质量也会下降。例如：麦汁色泽深、口味 羊日糙、苦味减轻、泡沫不佳等，对淡色啤酒来说影响更严重一些。因此合理的煮 沸时问是很重要的。 浙江人学删1 - ：学位论文 本次设计的煮沸艺是按照匿前常糟的煮沸方法设定酶，弼毯2 1 衙示，7 6 麦汁通过麦汁醺热爨后嚣至9 2 打入煮沸锅。在蠹钥淹没内加热器加热区后 往内加热器壳獠中通入o 5m p a1 5 5 。c 的饱和蒸汽，麦汁由9 2 加热刹1 0 4 。c 并 维持一黢蹿鞫。其整个煮瀑过程魏下： 在预热器中将麦汁从7 6 预热鬻9 2 。c ，然后打入激沸锅： 在煮沸锅内麦汁觚9 2 。c 升至1 0 0 。c 约l o m i n 内； 1 0 妒c 琰蠢沸l o m i n 左右； 煮沸温度从1 0 0 0 c 升至1 0 2 1 0 4 约l o 1 5 r a i n 内； 在垂力o 0 3 m p a 、漫葭1 0 2 1 0 4 。c 下煮浇3 5 m i r i 左右 蒸汽在1 5 m i n 内卸压麦汁降至1 0 0 0 c ； 在l 鼹后煮沸】o m i n 。 1 0 2 “t 0 4 ， 1 n n h 州。大燕沸 鑫蓝燕葫济涛籍 期压煮沸蘸鬟蜃煮滓 i 0i 0t 0 s3 5i si 0r a i n 溪2 。l 麦汁煮沸獒温度变化过程 2 3 煮沸锅痰加热器麴传热计簿 煮沸锅的内加热器和管壳式换热器相似，可以采用管壳式换热器的设计方法 跨葵掰需挟热瑟积。 2 3l 、传热计算中的两个基本方程式 2 1 j 浙江大学倾：l 学位论文 1 ) 传热万桴式 热流体将热量通过禁固定髓灏传给冷流体的过 娶拣为传热。传热的越本方程 式称为传热方积式，以一f 式表示： q = 胁1 4 k a t d f 式中q 传热量，w ； k 换热器任一微元传热面积上晌传热系数， ( m 2k ) ： 奠f 皴元传热覆获，m 2 ； f 在该微元面积上热、冷流体之间的温麓，k 。 上式中瑾论上k 及& 均应为瑟粳f 鲳萄数，蠢于这稀蕊鼗关系淹换热箍的不黼 而不同，因此使计算十分复杂。作为工程计算一般做如下简化； q = k f a t 。 式中，k 。捩燕耩静平均传燕系数，彬汹2k ) ； f 传热蕊积，m 2 ： 0 两个流体之间的平均温差，k 。 囊上式可知，尧求传热鬣襁f ，獭须先求敬传熬爨q ，传熬系数k 戮及热、 冷流体间的平均温差蛾。 2 ) 热平衡方程式 当忽臻按热器对鹤萤骂壤豹散热援失薅，缀据栽羹孚楚，熬流钵黪教窭的热 量应等于冷流体所吸收的热量，若均无相变，则热量衡算式为： q = m ，。( 夏一e ) 一廊：c p 。研t ；) 式中 q 单位对闻内，扶热流体到冷淡钵麴黄热量，搭s ：渺； 疏r 旃：热、冷流体的质量流率， ； 。旷c p 2 热、冷流体的定压比热，眵如k ) ； 不巧热流体的逶、出口滠瘫，k ； 毒；冷流体灼进、爨疆淤度，k 。 浙江大学碗士学位论文 若换热器中有相变化，热流体的冷凝和冷流体的汽化，则 q = m s l _ + c 。，( t 一正) = m 。： 吃+ c ，0 ，一t ，) 式巾m 。m ，：饱和蒸汽的冷凝速率和冷流体的汽化速率，“形； 1 、t 饱和蒸汽的冷凝潜热和冷流体的汽化潜热，眵磊； 正、t ，热、冷蒸汽的饱和温度，k 。 2 _ 3 2 内加热器热力计算步骤 整个麦 _ l - ) j w 热过程选取换热量最大的两个过程计算所需的换热面积，分别是 麦汁加热段和加压煮沸段。首先计算出每段所需吸收的热量，并利用已知条件求 出平均温度及平均温差，然后假设一个总传热系数后，计算出所需的换热面积。 得到内加热器的基本模型。再校核总传热系数。如校核合格即可确立所需的内加 热器换热面积。 2 3 2 1 两个煮沸阶段换热面积的计纠2 1 】 1 ) 麦汁加热段( 9 2 。c 一1 0 0 。c ) 的换热面积计算 平均温度及平均温度下的物性参数 t：。m 9 2 + 1 0 0 9 6c z 麦汁的物性参数 粘度= 0 6 1 5 1 0 一3 p a s 密度p = 1 0 1 4 k g m 3 导热系数五= o 5 5 4 0 w ( m k ) 比热c 。= 3 9 6 8 k j ( k g k ) l = 1 5 5 。c 时 饱和蒸汽的物性参数 粘度 u = 0 1 7 9 x 1 0 3 p as ( 为同温度下水的粘度) 密度p = 2 8 9 8 k g m 3 浙江大学石! i i 十学位论文 汽化潜热r = 2 1 1 3 2 k j 堙 麦汁升温所需的热量 q 1 = c 。g 1 ( f 2 一f 1 ) = 3 9 6 8 x 6 0 x 1 0 1 4 ( 1 0 0 一9 2 ) = 1 9 3 1 3 0 4 - 9 6 k j g ，为麦汁t 的质量，g ，= p v 流体的平均温差a t 。 a t 。= ( 正一t ，) ( 1 5 5 9 2 ) 一( 1 5 5 1 0 0 ) ， ，n c 鲁焉， 传热面积的计算 先假设这个阶段所需的传热系数k = 1 2 0 0 叫b 2k ) = 5 8 9 。c 相应可以确定所需的换热面积e 。 彤。= o ，( a t 。k 名) = 1 9 31 3 0 4 9 6x 1 0 0 0 ( 1 0 x6 0 x5 8 9x 1 2 0 0 ) = 4 5 5 4 m 2 2 ) 加压煮沸段( 1 0 4 。c ) 的换热面积计算 平均温度及平均温度下的物性参数 平均温度t 。= 1 0 4 。c 麦汁的物性参数 粘度= 0 5 4 8 1 0 。r z s 密度p = 1 0 0 8 k g m 3 导热系数五= 0 5 6 1 0 w ( m k ) 比热c 。= 3 9 7 8 5 k j ( k g k ) l ，= 1 5 5 。c 时 饷利蒸汽的物性参数 塑! ! ：查堂堡! 鲎些堡苎 粘度 = o 1 7 9 x 1 0 七砌s ( 为网温度下水的粘度) 密度p = 2 8 9 8 k g m 3 汽化潜热 r = 2 1 1 3 2 k j 堙 汽伲灌熬 r = 2 2 4 5 5 k j k g( 为t = 1 0 4 。c 下东楚汽纯潜熬) 麦汁升温所需的热量 麦泞煮沸强度( 麦汁煮沸强震定义觅本文2 5 1 ) 一般敬8 ，但楚考虑至l 加 愿煮沸段的煮沸强度实际耍比其它段强，因此在汁算水份汽化所镒热量时，煮沸 强度按1 0 来计算； 姥一唿l 溉( 3 5 6 0 ) 7 = 6 0 x 1 0 1 4 1 0 ( 3 5 6 0 ) 2 2 4 5 5 = 7 9 6 9 2 7 9 5 k j 流体的平均温麓 鸯鬟压煮沸泠羧麦汁邋窭霸篷霜溢度舔是1 0 4 。c ，袋以取盎t 。= 5 1 。c 面积的计算 先假设所需的传热系数k 一1 2 0 0 吲b 2k ) 相应可以确定所需豹换热面积 = 幺p 。爱妊) = 7 9 6 9 2 7 9 1 5 l o o o ( 3 5 6 0 5 1 1 2 0 0 ) = 6 2 0 m 2 圆为f 毪 f 0 所以取内加热面秘为瓦。= 6 2 0 m 2 。取l ，1 的安全系数。阂此实际选用的内加热 器嚣积为8 = 只。x l ，1 = 6 2 x l ，1 = 6 8 2 m 2 按照内加热器的换热蕊积，选用中6 0 的0 c r l 8 n i 9 不锈铡管，壁厚为2 m m 。 总共为2 3 5 根。管长为1 6 0 0 m m 。这样可得到实际的换热面积芦k ： 氏= 6 0 x 1 6 0 0 3 1 4 1 5 2 3 5 = 7 0 。9 m 2 8 = 6 8 2 m 2 澎江天学镢” 学位论文 2 3 2 2 校核两个煮沸阶段的总传热系数。 2 2 1 1 2 3 1 2 4 由于雨老热嚣鳃整令装熬过程包括克程醵邃和蒸汽冷凝放热、不绣钢管熬导 热及管程的对流传热。其中娥重要的是冷凝传热。 加热阶段的总传热系数k 。的校核 凝结蒸汽囱壁盔放熬系数韵确定。 根据c c 库塔捷拉杰的资料2 4 1 ，凝结液膜在层流时的平均放热系数a ：可按 f 式确定： a l = 1 o l 五 ，2 y 3 r e - i 3 ( 2 1 ) 若存在有混流情况( 管子上部层流，管予下部湍流) ，则根据下列关系式来确定： 窿，= 蠢 芦2 7 扫晒1 6p r 蜘r e f f ( r e 一1 0 0 + 6 3 。2 p r l 芦) 】( 2 2 ) 式中r e 冷却面下边缘处凝结液腆的雷诺数。当r e 1 0 0 ，则以混流公式计 算。它由下式求得： r e = q 牲岭曲 式中u 液体运动粘度，m 2 s ；( t = 1 5 5 。cfu 一0 1 8 ) q 单位热渡量，k w 细2 ； h 换热面高度，m ；( h = 1 6 m ) p 液体密度，k n m 3 ；( t = 1 5 5 下p = 9 1 2 ，2 ) r 汽讫潜燕，k j n g ( t = 1 5 5 v f r = 2 1 1 3 + 2 ) 液体导热系数k w ( m k )( = o 6 8 4 1 0 - 3 ) 在麦汁煮沸过程中内加热器壳程的饱和蒸汽也是通过冷凝放热对麦汁加热 黪，辑隧在诗箕凝结蒸汽两壁蟊敬燕系数露可馥赣爝式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。 单位热流量 g 8 = q ，f = 1 9 3 1 3 0 4 。9 影( 1 0 x 6 0 x7 0 9 ) = 4 5 4 k w m 2 则r e = q n ( m 缸) = 4 5 4 x 1 ( 2 1 1 3 。2 x 9 1 2 2 x o 18 滩0 6 = 2 0 9 3 闽r e 1 0 0 ，所以必须用混流卜的公式计算放热系数： 浙托火学硕 十学位论文 羚：型。4 3 2 9 x 0 1 8 x t 0 - 3 ： 莲 铲冀鼢y 胆芒淼 = o 6 8 舣刎2 i n x l 幽0 睁1 6 x ，( i 1 4 ) 1 3 2 x ( 1 2 0 万襄31 = 9 1 6 8 w 油2k ； 不绣罐豹器蕊系数天= 1 7 咧 瓒* 菇 警程浆难滚铃热系鼗盛；诗冀，可参爨滚体在艇形直管内稼强巷l 溃滚潜豹对流 传热系数的计算 2 8 】，首先根据前面t = 9 6 下的参数可分别求出管内的雷诺系数 稻p r 系数，确定管内滤动是否黧予湍滚。然蓿檄舞鹜鼙中懿式( 5 。6 3 a ) 帮本文 中戆式( 2 ，3 ) ，敬滚髂被熬熬靖匏参数，求褥乎堙瀑凌下对浚传蕊系数g ；，这萋 在计算辫诺系数时假设管内麦汁流速“= o 5 m l s 。 一：塑：-0056x051014=46165。9re4 66 59= l = _ 。 p r 。型：3 9 6 8 x 0 6 1 5 1 0 - 3 ：4 4 饼2 = 0 0 2 3 号r e n 8 p r 玑4 ( 2 3 ) ：o 。0 2 3 塑4 6 1 6 5 。9 氇8 4 。碡。+ 4 = 2 2 1 7 6 w ( m 2 k ) 羧覆污瓣热隧露天数数擅蕊嚣1 2 i ：| 秽褰泞煮渗过程孛靛实篱壤况袋 蛰巍菱泞瓣戆污鬓熟疆 r ，= 0 0 0 0 l m 2k w 管岁 水蒸。气鲍污辗热冁：r 。= 0 0 0 0 0 9 m 2k w 总传热系数k ：。的计算 淅扛犬学颧 学位论文 上：+生+生x告+r十臻kdd 。8窿l掰2 ；m 五 。 。 =丽1+上2217,6“60十坠010702+o,0001+96 82 2 1 765 65 8 0 0 0 0 0 9 l 1 7 = 9 0 3 9 1 0 _ 4 k 。b = 11 0 6 3 w ( m 2k ) 箕褥熬k 馕与开戆诗冀中选震熬k 。缓穗差为 ! ! ! ! 二! ! ! ! ：墨l o o ：7 8 上述误差焦在王糕土是完诲鹃。霹谈为该；鸯鸯曩熬器鳆设诗霹隧浇霆攘热羧 的传热要求。 加压煮沸阶段的总传热系数k 。的校核 凝结蒸汽离壁面藏热系数的确宠可以借鉴加热段凝结敖热系数的计算 口_ 口= q 2 f = 7 9 6 9 2 7 9 5 ( 3 5 x6 0 x7 0 9 ) = 5 3 5 k w m 2 嚣；廷e = 譬搿p = 瑟3 5 1 。6 ( z 1 1 3 。2 x 9 1 2 。2 x o 1 8 津0 6 = 2 4 6 。7 r e 1 0 0 ，则用混流下的公式计算换热系数 p r ：c e t ：4 3 2 9 x 0 1 8 x 1 0 - 3 ：1 1 4 搿，= 五g p 2 ) l 3i 兰晏躲 一o 6 8 4 ( 器01 8 枷n 州蔫2 4 67 甓1 瑞2 11 4 ii 2 j1一0 0 + 6 3 ( 1 1 3 i = 8 9 0 3 。1 时汹2k ； 不绣钢的导热系数 = 1 7 w ( m - k l 管稳浆对德传热答数掰；诗舞，瓣为在热压煮沸过程孛蛰纛中瓣麦汾粒耀熬 浙订，l ；= 学颂i 学位论文 二段是沸腾加热段，这段麦汁在流动过稗中在管内壁发生沸腾，气泡不断的在内 壁形成、氏大和脱落，周围液体随时补充，冲刷壁面，引起贴壁面液体层的剧烈 搅动，从而使麦汁沸腾段的对流传热系数要比无相变段大的多。因止i f t l 算加压 煮沸时管程的对流传热系数僻；时，必须考虑两段不同的对流传热系数。 无相变段对流传热系数口；，参照前文加热阶段的管程对流传热系数的计算 re：丝：_0056051009：5】5547 “0 5 4 8 1 0 3 p r ：竿：3 9 7 8 5 x 0 5 4 8 x 1 0 - 3 ：3 9 05610 口，：0 0 2 3 兰r e o 8 p r 0 4 盯 ：0 0 2 3 堕塑x 5 1 5 5 4 7 0 8x 3 9 0 4 0 0 5 6 = 2 3 3 7 s w m 2k ) 相对应的无相变时总传热系数髟；。 上：+生+生鲁+咒+rekd 口口l 口2 id m 五。 = 两面1 十丽1j 菇6 0 + 磊6 0 百0 0 0 2 十。0 0 。l + 。o 。9 = 十一+ + 1 ) i + l l ( 1 n n q 8 9 0 3 12 3 3 2 55 65 81 7 = 8 8 2 1 0 4 巧岛= 11 3 3 8 m 2k ) 沸腾段对流传热系数口：，可以参照液体沸腾时的对流传热系数计算式( 5 8 5 ) ，该式km t - i1 4 厂m h 等推荐用于计算管内沸腾时的传热系数口。 n u = 3 2 5 1 0 4 p e o 6 g a o 1 2 5 k 。o 7 浙江人学硕t 学位论文 式中j p e ：! 堕称为沸腾皮克列( p e c l e t ) 准数，旦相当于汽速，而：j l ， r p v ur p v c p p 、 称为导温系数。p e 准数反映汽化速率对沸腾的影响。 g d ：壁茎3 盆2 ，称为伽利略准数，表示重力作用下的流体流动情况对沸腾 2 的影响。 k 。：旦生为反映压力影响的准数。 以为汽泡脱离加热面时的直径，以= 。2 目io i 慝，口为壁面和自由 液面之间的接触角。在一般钢制设备中蒸发水溶液时0 * 5 0 0 即 d = 五、1 t 、p 。分别为液体的导热系数、比热、粘度和密度，p ，指饱和蒸汽 的密度。q = a ；a t 分别把t = 1 0 4 。c 的参数代入上面的参数 jo -f5 8 8 4 1 0 。 ( p l 一凤k 一1 ( 1 0 0 8 0 7 ) 9 8 0 0 0 2 4 4 m 口：土：! ：型 ：1 4 。，o 聊z 1 。 “一一一_ = 一一1 u ，j c 。p l 3 9 7 8 5 1 0 1 0 0 9 g 日：型县32：98丁0002443x 1 0 0 8 2 ：0 4 8 2 1 0 6 1 0 5 4 8 1 0 。r k 。：丛：! ：塑兰! 生! ：! ! 型：5 0 3 0 1 盯5 8 8 4 1 0 1 掣：m ：3 2 5 1 0 叫p e o 6 g 口0 1 2 5 r ，o ， 几 浙江大学i i | i | 、i 一学位论文 a 2 x 0 0 0 2 4 4 ：3 2 5 l 旷f 尝竺氅 0 6 0 5 6 1l2 2 4 5 5 1 0 0 7 1 4 x 1 0 7 j 0 4 8 2 1 0 6 r 2 s x 5 0 3 0 1 。7 口，o4 ：1 0 0 4 6 d ：3 1 9 4 出1 5 假设，此时壁温和管内液体的温差a t = i o v ，则 口：= 1 0 1 0 0 3 杪m 2k ) 管内麦汁侧的污垢热阻：r ，= 0 0 0 0 1 m 2 k 管外水蒸气的污垢热阻：r 。= o 0 0 0 0 9 m 2 k w 沸腾段的总传热系数茁：。的计算 上：上+ 土生+ 尘拿+ r o + r i k 口a 1 口2d id m 见 ：上+ ! 塑+ 6 0 0 0 0 2 + 0 0 0 0 1 + o 0 0 0 0 9 = 5 3 0 1 1 0 4 k 。b = 1 8 8 6 4 杪m 2k ) 校核壁温和液体的温差a t ， a t = f 汽一z 4 a t ( , z ；+ 五) 一t 液体 = 1 5 5 1 8 8 6 4 x 5 1 ( 2 3 3 7 ，5 + 1 7 1 1 0 4 = 1 0 1 同假设壁温和管内液体的温差a t = i o 。c 相接近。则