Исследование гидродинамических характеристик в сусловарочном котле с внутренним нагревателем в условиях газлифта

Актуальность работы. Пиво в последнее время стало в России исключительно популярным напитком. Оно должно лишь иметься в достаточном количестве, приемлемого качества и по приемлемой цене. Это означает, что Россия в течение длительного времени будет оставаться одним из самых перспективных потенциальных рынков пива.

Российские предприятия в прошлом году произвели 54,9 млн. гл. пива, что на 22% больше, чем в предыдундем. Причиной этого послужило, прежде всего, сокращение доли импортных сортов пива в результате экономической ситуации августа 1998 года, в результате чего потребитель вернулся к отечественным сортам. В России действует 324 пивзавода (не считая минипивзаводов), общая производительность которых составляет 40 млн. гл. Загруженность отрасли в 2000 году составила 80%.

Это в среднем, однако, на некоторых заводах, выпускающих наиболее популярные брэнды, неполное использование мощностей не является проблемой. Более того, ситуация на рынке и результаты маркетинговых исследований требуют увеличения объемов производства.

В пивоваренной промышленности это может быть осуществлено несколькими путями, а именно:

— строительство нового производственного комплекса или модернизация старого;

— изменение варочного порядка. Имеется ввиду ввод полностью независимой параллельной линии или монтаж дополнительных емкостей в местах, специально отведенных для этого при проектировании завода на случай необходимости увеличения производительности;

— переход на технологию, так называемого, высокоплотного пивоварения, связанную с получением пива с массовой долей сухих веществ большей, чем в товарном пиве и последующем разведением плотного пива специально подготовленной водой до необходимой концентрации.

Все три направления тесно связаны между собой, особенно два первых, осуществление которых невозможно без значительных капиталовложений. Не секрет, что глобальные технические изменения, происходящие в последние годы на всех крупных предприятиях отрасли, являются следствием приобретения контрольных пакетов акций всемирноизветными производителями пива или, по крайней мере, иностранных инвестиций.

Третий вариант не требует коренной перестройки завода и выглядит весьма привлекательным, правда, возможности его использования небезграничны, и вскоре могут быть исчерпаны. Судя по динамике модернизации пивоваренной промышленности в целом, через некоторое время в России, большинство крупных производств, будут использовать данную технологию.

Однако, если взглянуть на суть проблемы с другой стороны, то ее решение вполне очевидно. Мощность варочного отделения может быть укрупненно оценена по следующей зависимости. где: N — мощность завода по холодному суслуV — рецептурный объем варки;

Тф — время простоя оборудования при проведении С1Р-процессов (безразборная мойка);

Тц — время между передачами варок из варочного отделениябщ ~ рассматриваемый промежуток времени работы предприятия.

В формуле не учитывается концентрация выходящего сусла т.к. предприятие считается работающим по технологии плотного пивоварения.

Из уравнения (1) видно, что мощность существующего пивоваренного завода по целевому продукту теоретически может быть повышена за счет увеличения объема одной варки V, уменьшения времени 1с1р, времени между выходом варок из варочного отделения Хц.

Величина V ограничена рецептурой, а также физическим объемом используемых аппаратов. Время безразборной очистки единицы оборудования определяется санитарно-гигиеническими нормами, внесено в компьютерную программу в качестве постоянного технологического параметра и на практике меняется в исключительных случаях.

Общий взгляд на решение проблемы. Состав оборудования варочного цеха может быть весьма разнообразным. Если речь идет о наиболее популярном способе затирания солодового помолаинфузионном, при использовании одного пятипосудного варочного порядка, то временные параметры, характеризующие технологический процесс получения сусла, могут иметь следующие значения.

— дробление солода 60 мин,.

— затирание и перекачка на фильтрацию 140 мин.

— фильтрация 90 мин.

— наполнение, кипячение и опустошение су словарочного котла 160 мин.

— осветление охмеленного сусла в вирпуле 25мин.

— охлаждение и перекачка в бродильное отделение 60 мин.

Эти данные примерны и могут варьироваться в зависимости от технологии, следуемой на предприятии: существуют заводы, на которых процесс, связанный с затиранием занимает больше времени, чем дальнейшая термическая обработка сусла. Однако, для большинства современных производств, вышеприведенные значения являются справедливыми независимо от используемого метода кипячения сусла.

Очевидно, что при непрерывном производстве с одним варочным порядком, цикличность перехода процесса в следующий шаг никогда не будет меньше самого продолжительного ранее пройденного этапа.

Из вышеприведенных данных следует, что современный варочный цех работает с производственным циклом Тц=160 минут на варку, что соответствует 9 варкам за 24 часа. С учетом С1Р-процессов, недельная мощность выражается 55 варками. Сокращение времени занятия суслом сусловарочного котла, а значит, и времени Тц всего на несколько минут может привести к значительному увеличению объема производства.

Так как продолжительность кипячения сусла и время перекачки его на осветление строго регламентируется технологией производства, привлекательным в смысле сокращения остается период нагрева сусла до температуры кипения.

Содержание данной работы связано с наиболее перспективным, на наш взгляд, методом кипячения, основанном на применении в качестве нагревателя кожухотрубного теплообменника, помещенного внутрь сусловарочного котла.

Наряду с многочисленными достоинствами, система кипячения с внутренним нагревателем имеет существенный недостаток, заключающийся в отсутствии достаточной скорости циркуляции на стадии нагрева сусла до температуры кипения и как следствие, большей продолжительности этого этапа производства по сравнению, например, с системой внешнего нагрева, в которой обеспечивается принудительная циркуляция сусла в трубах теплообменника с самого начала разогрева.

Кроме того, отсутствие циркуляции приводит к неравномерности нагрева сусла в котле и интенсивному накипеобразованию на внутренних поверхностях нагревательных труб, что негативно влияет на качество готового продукта и производительность варочного отделения. Связь между накипеобразованием и производительностью лежит через количество варок, сваренных между С1Рпроцессами: чем интенсивнее накипеобразование, тем больше времени уходит на очистку теплообменника. В настоящее время, общая продолжительность процессов мойки для внутреннего нагревателя значительно выше, чем для другого оборудования варочного отделения.

Таким образом, одним из способов увеличения производительности пивоваренного завода может являться сокращение времени нагрева сусла до температуры кипения и, как следствие, времени Тц, а также общего времени мойки теплообменника.

Путь к решению указанной проблемы лежит через создание искусственной циркуляции сусла внутри нагревательных труб. Применяемые в настоящее время для этой цели циркуляционные насосы имеют ряд недостатков, на которые будет указано ниже.

В связи с этим, в качестве возможной альтернативы, предлагается задействовать такой род насоса, достаточно широко используемый в пищевой и химической промышленности, как газлифтный (газлифт). Под действием газлифта, основанного на разности плотностей жидкости и газожидкостной смеси, возникает принудительное движение жидкости в трубах теплообменника, что должно привести к ускорению нагрева сусла до температуры кипения и подавлению накипеобразования, а значит к увеличению производительности пивоваренного завода.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является исследование возможности воздействия эффекта газлифта на гидродинамические и теплообменные процессы, происходящие в сусловарочном котле с внутренним нагревателем и разработка, на основе выполненных исследований, методики расчета расхода газа, необходимого для создания определенной скорости циркуляции сусла.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

— обоснование, на основе литературных данных, выбора внутреннего нагревателя в качестве объекта исследования, и схемы газлифта, для использования в сусловарочном котле с внутренним циркуляционным контуром;

— получение расчетного уравнения для процесса циркуляции сусла в сусловарочном котле в условиях газлифта;

— подтверждение адекватности составленного уравнения экспериментальными исследованиями циркуляции жидкости в условиях применения газлифта на опытной установке;

— проведение экспериментов, направленных на сравнение скорости и равномерности нагрева жидкости с применением газлифта и без него.

— составление методики расчета, позволяющей определить рациональный расход газа в промышленных условиях в зависимости от особенностей ведения процесса: экстрактивности и объема сусла, геометрических параметров теплообменника.

— оценка экономической эффективности применения газлифта в промышленных масштабах.

Научная новизна. Впервые показана целесообразность использования эффекта газлифта для интенсификации работы сусловарочного котла со встроенным теплообменником.

Предложено и экспериментально проверено уравнение для расчета скорости циркуляции сусла в условиях применения газлифта с учетом особенностей конструкции внутреннего нагревателя в сусловарочном котле.

Проведено экспериментальное сравнение скорости и равномерности нагрева жидкости при естественной конвекции и в условиях применения газлифта.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных исследований, предложена методика расчета рационального расхода газа при использовании эффекта газлифта для интенсификации работы внутреннего нагревателя, в зависимости от условий варки сусла в сусловарочном котле.

Даны рекомендации по конструктивным особенностям элементов внутреннего нагревателя, позволяющие достичь максимальной эффективности применения газлифта на производстве.

Выполнена оценка экономической эффективности применения предложенного метода для современного пивоваренного завода.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы доложены на НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов по итогам НИР СПбГУНиПТ, г. Санкт-Петербург в 1999,2000 и 2001гг.- на международных НТК «Прогрессивные технологии и оборудование пищевых производств», г. Санкт-Петербург, 1999 г.- «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», г. Орел, 2000 г.- конференция,.

13 посвященная 70-летию основания СПбГУНиПТ «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», г. Санкт-Петербург, 2001 г.

По диссертации опубликовано 4 печатные работы и получена заявка на изобретение «Способ работы сусловарочного котла» № 2 001 104 840/20 от 1.03.2001.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Показана целесообразность использования эффекта газлифта для интенсификации работы сусловарочного котла с внутренним теплообменником.

2. Предложена схема газлифта, основанная на введении углекислого газа в напорный конус нагревателя через моющую головку, что позволяет использовать данный метод с минимальными затратами.

3. Составлена и экспериментально проверена расчетная зависимость, позволяющая определить влияние расхода газа на скорость циркуляции жидкости в нагревательных трубах теплообменника при различных условиях нагревания сусла.

4. Показано, что конструкции действующих в настоящее время сусловарочных котлов с внутренним нагревом являются удовлетворительными для успешного использования эффекта газлифта по предложенной схеме. Даны рекомендации по использованию некоторых типов котлов, и указаны конструктивные особенности, позволяющие достичь наибольшей эффективности, с точки зрения, как экономии дорогостоящего углекислого газа, так и возможности создания максимальной скорости движения сусла в трубах нагревателя.

5.Экспериментально доказано положительное влияние использования газлифта на равномерность и продолжительность нагрева сусла. б. На основании теоретических и экспериментальных исследований, предложена методика расчета рационального расхода газа при использовании эффекта газлифта для интенсификации работы внутреннего нагревателя, в зависимости от условий варки сусла в сусловарочном котле.