CC BY
85
ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 663.4
Инновационная система рекуперации тепловой энергии при получении пивного сусла
Б. Н. Федоренко,
д-р техн. наук, профессор
Московский государственный университет пищевых производств
С
п
тадия получения пивного сусла требует значительных затрат тепловой энергии, расход которой составляет 81-128 МДж на каждый гл товарного пива, при общих удельных затратах тепловой энергии на производство пива 130-185 МДж/гл [1]. Все это свидетельствует об актуальности и важности решения проблемы сокращения затрат тепловой энергии в пивоваренном производстве и, в первую очередь, при получении пивного сусла, поскольку неуклонный рост уровня цен на энергоносители требует эффективных решений в их использовании.
При кипячении сусла обычно удаляют, в зависимости от типа сус-ловарочного оборудования, от 4 до 8% воды в виде вторичного пара, теплота которого в сусловарочном оборудовании предыдущих поколений безвозвратно терялась при его выбросе в атмосферу, что при современных высоких затратах на энергию весьма расточительно. Помимо этого, с водяным паром в атмосферу выбрасываются ароматические летучие компоненты сусла, придавая окрестностям пивоваренного предприятия своеобразный запах. Это не соответствует современным требованиям экологической безопасности и во многих развитых странах законодательно запрещено.
Оба эти обстоятельства послужили основанием для разработки методов и систем энергосбережения, обеспечивающих не только рекуперацию (от лат. recuperation — возвращение, повторное использование) тепловой энергии, но значительное снижение выбросов запахов в атмосферу.
Системы по улавливанию тепловой энергии в пивоварении начали применять со второй половины XIX в. Вначале это были простейшие конденсаторы смешения. При простоте конструктивного решения этот способ имеет существенный недостаток — невозможность использования нагретой воды в технологических целях, поскольку в ней содержатся сконденсировавшиеся ароматические соединения, оказывающие негативное влияние на промежуточные и конечные продукты пивоварения. Поэтому такую подогретую воду использовали лишь в качестве технической.
В современных сусловарочных системах в качестве конденсаторов вторичного пара применяют преимущественно кожухотрубные теплообменники, подсоединяемые к вытяжной трубе сусловарочных аппаратов. Вторичный пар поступает в межтрубное пространство, а через трубы теплообменника-конденсатора прокачивают холодную воду с начальной температурой 15...20 °С, которая, проходя через конденсатор, нагревается до 80.85 °С, благодаря тому, что вторичный пар, контактируя с трубами, отдает свою теплоту и конденсируется. В этом случае нагретую воду можно использовать в технологических целях.
В варочном отделении пивоваренного производства обычно образуется избыток горячей воды, которой часто не находят практического применения. В то же время на некоторых стадиях технологического потока требуется подвод тепловой энергии для подогрева обрабатыва-
емых промежуточных сред. Поэтому внимание специалистов привлекла возможность использования для этих целей теплоты горячей воды, образующейся в производстве, но при этом ее температура должна быть достаточно высокой. Это стало практически возможным с появлением в начале 80-х годов ХХ в. замкнутых теплоизолированных систем с накоплением тепловой энергии. Принципиальное устройство системы энергосбережения в варочном цехе с накоплением тепловой энергии показано на рис. 1.
В состав такой системы энергосбережения входит энергоаккумулятор — вертикальный теплоизолированный сосуд, работающий в сочетании с конденсатором вторичного пара сусловарочного аппарата и потребителями тепловой энергии варочного отделения — теплообменником-подогревателем отфильтрованного сусла, подаваемого на кипячение. При этом образуется два автономно и поочередно функционирующих циркуляционных контура, в каждый из которых входит энергоаккумулятор. Первый контур, помимо энергоаккумулятора, включает насос для перекачивания воды с температурой 80 °С и конденсатор вторичного пара, предназначенный для отбора теплоты вторичного пара в конденсаторе и передачи ее на хранение в энергоаккумулятор. А второй — включающий, помимо того же энергоаккумулятора, подогреватель сусла и насос для перекачивания воды с температурой 96 °С, обеспечивает передачу теплоты из энергоаккумулятора в нагреватель,
в котором происходит нагревание пивного сусла.
Вместимость энергоаккумулятора должна быть равной 1,37 от объема горячего сусла, получаемого с одной варки, а высота его должна быть достаточно большой (примерно в 3,5-5 раз превышать диаметр сосуда), чтобы обеспечить естественное температурное расслоение содержащейся в нем воды: в нижней его части вода имеет температуру около 80 °С, а в верхней — она может достигать 96 °С, что позволяет использовать ее для нагрева обрабатываемых технологических сред.
Энергоаккумуляторы изготавливают полностью из нержавеющей стали, либо из углеродистой, но с расширительным баком из нержавеющей стали.
Стабильный тепловой баланс в энергоаккумуляторе поддерживается за счет того, что из верхней его части отводят теплоту к потребителям, а ее расход компенсируют благодаря рекуперации тепловой энергии в конденсаторе вторичного пара.
Осуществляют это следующим образом. При кипячении сусла из нижней части энергоаккумулятора откачивают насосом воду с температурой около 80 °С и подают ее в качестве охлаждающего агента в конденсатор вторичного пара, проходя через который она нагревается, отбирая теплоту у сконденсировавшегося вторичного пара, и на выходе из конденсатора температура этой воды составляет уже около 96 °С, поэтому ее возвращают в верхнюю зону энергоаккумулятора, обеспечивая тем самым восполнение в нем рас-
Рис. 1. Принципиальная схема системы энергосбережения с накоплением тепловой энергии в варочном цехе пивоваренного завода
^^^^^^^ ОБОРУДОВАНИЕ
хода теплоты, затраченной в предыдущем технологическом цикле. Образующийся при этом конденсат вторичного пара из-за содержания в нем нежелательных ароматических соединений использовать вторично не следует — его сбрасывают в канализацию. Но поскольку он имеет температуру около 100 °С, его охлаждают до 30 °С технологической холодной водой с температурой 15 °С, которая при этом нагревается до 80 °С и используется в дальнейшем в производстве, как правило, на стадии приготовления затора.
При подготовке к последующему циклу кипячения отфильтрованное сусло перекачивают в течение 15-20 мин из промежуточного сборника в сусловарочный аппарат через теплообменник-подогреватель, в котором оно предварительно подогревается с 72 до 92 °С, благодаря применению в теплообменнике в качестве теплоносителя горячей воды с температурой около 96 °С, подаваемой насосом из верхней части энергоаккумулятора. Отработавший теплоноситель — воду, снизившую температуру в результате теплообмена примерно до 80 °С, возвращают в энергоаккумулятор, но уже в его нижнюю зону. Таким образом, теплоту, улавливаемую на стадии кипячения, возвращают в производство, используя ее для подогрева сусла перед кипячением, что позволяет до 60% снизить затраты первичной тепловой энергии при получении сусла, в том числе около 75% при его предварительном подогреве перед кипячением.
Описанную систему энергосбережения эффективно применяют в инновационных пивоваренных производствах, обеспечивая при этом не только экономию энергозатрат, но и улучшение экологической обстановки вокруг пивоваренного завода, поскольку в атмосферу не попадают ароматические соединения, образующиеся при кипячении сусла с хмелем.
Результатом дальнейшего инновационного развития систем энергосбережения за счет рекуперации тепловой энергии, выделяемой при кипячении сусла, стала система, получившая название «EqшTherm» (рис. 2).
Отличительная особенность этой новой системы заключается в том, что в ней расширены функциональные возможности энергосбережения
6•2017 ПИВО и НАПИТКИ 33
ОБОРУДОВАНИЕ1
Заторный аппарат
Фильтрационный Сборник сусла аппарат
Дробилка
78...80 °С Горячая пивоваренная вода
6.14 °С Охлажденное сусло ^ Ледяная вода
2 °С \ ¡9
Охладитель сусла Ступень I Ступень II
Гидроциклонный аппарат
Сусловарочный аппарат
Рис. 2. Принципиальная схема инновационной системы энергосбережения «^шТЬюгт»
за счет возврата в производство не только теплоты вторичного пара, но и теплоты горячего охмеленного сусла, отводимого из гидроциклонного аппарата на стадию брожения. При этом охлаждение сусла осуществляют в две ступени: на 1-й — сусло охлаждают водой с температурой 78.80 °С, поступающей из нижней части энергоаккумулятора, которая нагревается до 95.96 °С и возвращается в верхнюю часть энергоаккумулятора; а на 2-й — сусло подвергают дальнейшему охлаждению до 6.14 °С ледяной водой с температурой около 2 °С.
Поскольку в этой системе осуществляется накопление большего количества теплоты, то и расходовать ее можно не только на предварительный подогрев сусла, но и на иные технологические цели, повысив тем самым степень рекуперации тепловой энергии при приготовлении пивного сусла. Например, часть тепловой энергии из накопителя используют при ферментативной обработке затора настойным методом. Тепловой режим в заторном аппарате при настойном способе затирания изменяется в пределах от 50 до 78 °С, что вполне может быть обеспечено подачей в нагревательную рубашку заторного аппарата горячей воды с температурой 95.96 °С.
Для реализации настойного способа затирания с применением описываемой системы энергосбе-
Рис. 3. Организация противоточного режима теплообмена в заторном аппарате <6Ь|а1^Веег ЕсоР1^»
режения необходимо применять модернизированный заторный аппарат «ShakesBeer ЕсоР1ш» (рис. 3), который от ранее представленного [2] отличается большей площадью поверхности теплообменной рубашки и изменением в ней организации движения теплоносителя. В отличие от традиционных заторных аппаратов горячую воду в рубашку с анкерными связями подают не снизу вверх, а сверху вниз. Это сделано для того, чтобы получить более выгодный эффект противоточного теплообмена, поскольку внутри заторного аппарата сусло, отбрасываемое лопастями, перемешивается к стенке и движется вдоль ее поверхности снизу вверх.
Кроме того, для реализации такой системы энергосбережения необходима модернизированная конструкция энергоаккумулятора (рис. 4), внутри которого размещен входной распределитель воды, возвращаемой из системы теплообмена заторного аппарата.
Необходимость этого распределителя в энергоаккумуляторе обусловлена тем, что поскольку температура затора на разных стадиях процесса затирания меняется — повышается от 50 до 78 °С, то вода из рубашки заторного аппарата возвращается в энергоаккумулятор с различной температурой — от 65 до 90 °С. При этом, поступая в распределитель — систе-
Вода из рубашки заторного аппарата с Г = 65.90 °С
Рис. 4. Принципиальное устройство энергоаккумулятора системы энергосбережения <^шТЬ|егт»
му перфорированных труб, вода с более низкой температурой автоматически опускается в нижнюю часть энергоаккумулятора, а вода с более высокой температурой поднимается в его верхнюю часть. Таким образом, в энергоаккумуляторе уменьшается объем смешанной фазы воды и обеспечивается большее накопление тепловой энергии.
Таким образом, инновационная система <^иЛЪегт» обеспечивает эффективную рекуперацию тепловой энергии на стадии получения пивного сусла, обеспечивая при этом множество преимуществ, среди которых:
• существенная экономия первичной тепловой энергии (до 72%);
• оптимизация баланса горячей воды на производстве;
• снижение потребляемой энергии и пиковых нагрузок;
• быстрая амортизация капиталовложений;
• снижение капиталовложений (например, паровой котел требуется меньшей мощности);
• обеспечение более «мягкой» обработки затора;
• повышение устойчивости продукта к старению, благодаря снижению термической нагрузки на обрабатываемые среды;
• гибкость организации процесса затирания;
• открытие новых технологических возможностей процесса затирания. При использовании описанной системы энергосбережения удельные расходы энергоносителей на произ-
водство 1 гл готового сусла (ГС) составят: электроэнергия — 0,30 кВт-ч/гл ГС; вода — 1,11 гл/гл ГС; теплота — 3,7 кВт-ч/гл ГС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоренко, Б.Н. Пивоваренная инженерия:
технологическое оборудование отрасли / Б. Н. Федоренко. — СПб.: Профессия, 2009. — 1000 с.
2. Федоренко, Б.Н. Варочный цех XXI века: затирание зернопродуктов / Б. Н. Федоренко //Пиво и напитки. — 2008. — № 6. — С. 16-19. &
Г
Инновационная система рекуперации тепловой энергии при получении пивного сусла
Ключевые слова
затирание; кипячение сусла; пивное сусло; рекуперация; теплота вторичного пара; энергоаккумулятор; энергосбережение.
Реферат
Неуклонный рост цен на энергоносители требует эффективных решений при их использовании. В пивоваренном производстве это особенно актуально для стадии получения пивного сусла, поскольку на ней затраты тепловой энергии особенно велики. В настоящее время достаточно широко применяют системы энергосбережения с накоплением тепловой энергии. В таких системах теплоту вторичного пара, получаемого при кипячении пивного сусла, улавливают в теплообменнике-конденсаторе и накапливают ее в энергоаккумуляторе, из которого это теплоту можно использовать для подогрева обрабатываемых технологических сред, в частности, отфильтрованного пивного сусла, подаваемого на кипячение. Описана инновационная система энергосбережения, в которой выделяемая в технологическом процессе теплота улавливается более полно, в том числе и на стадии охлаждения охмеленного пивного сусла. Больший запас тепловой энергии в энергоаккумуляторе позволяет использовать ее для тепловой обработки затираемых зернопродуктов. Приведены конструктивные особенности заторного аппарата и энергоаккумулятора, используемые в инновационной системе энергосбережения и обобщены ее технико-экономические преимущества.
Автор
Федоренко Борис Николаевич, д-р техн. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Россия, Москва, Волоколамское шоссе, 11, borisfedorenko@gmail.com
Innovative Heating Energy Recuperation System for Manufacturing of Beer Wort
Key words
mashing; wort boiling; beer wort; recuperation; secondary steam heat; energy battery; energy saving.
Abstract
The steady growth of energy prices requires effective solutions when using them. In brewing, this is especially true for the stage of obtaining beer wort, since the cost of heat energy is particularly high there. At present, energy saving systems with accumulation of thermal energy are widely used. In such systems, the heat of the secondary vapor obtained by boiling the beer wort is captured in the heat exchanger-condenser and stored in a storage tank from which this heat can be used to heat the process media, in particular the filtered beer wort fed to boiling. An innovative energy-saving system is described, in which the heat released in the process is captured more fully, including at the cooling stage of the hopped beer mash. A larger reserve of thermal energy in the energy storage makes it possible to use it for heat treatment of grainy grain products. The design features of the mash and energy storage devices used in the innovative system of energy saving are summarized and its technical and economic advantages are summarized.
Author
Fedorenko Boris Nikolaevich, Doctor of Technical Science, Professor Moscow State University of Food Production, 11 Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080, Russia, borisfedorenko@gmail.com
6•2017
ПИВО и НАПИТКИ 35
